用于臂架的能量回收减振系统及用于臂架的能量回收方法和减振方法
技术领域
本发明涉及能量转换领域,具体涉及用于混凝土泵车系统的臂架能量回收减振装置及相应的能量回收方法和减振方法。
背景技术
在目前常用的混凝土泵车中,在泵送混凝土过程中通常采用双油缸循环供料,过程中存在供料脉动冲击,会导致臂架产生振动,这种振动非常有害,会导致臂架末端定位不准、臂架开裂等诸多问题。臂架振动造成臂架早期疲劳损坏,降低其寿命,并且还影响施工质量,危及操作工人生命安全,有效抑制混凝土泵车臂架振动对提高泵车的安全性和使用寿命具有积极的意义。
振动控制的方法依据是否需要附加能源可分为主动控制(有源控制)和被动控制(无源控制)。主动控制需要在振动结构体上附加传感器和致动器;被动控制通过改变结构的阻尼、刚度和质量,采用隔振、吸振和耗能等技术来减小结构吸收的能量,达到减振的目的。利用液压弹簧系统进行减振是目前常用的一种对混凝土泵车臂架进行减振的方法(属于上述的被动控制方式),但是这种减振系统主要存在如下问题:1)需要实时检测液压系统的压力,调节液压缸容积和弹簧阻尼参数,其响应速度慢、精度低;2)被弹簧吸收的振动能量转化臂架的疲劳变形,最终以热能的形式耗散,造成了能量的浪费。
发明内容
针对目前混凝土泵车系统中臂架减振装置存在的缺陷和不足,本发明的目的是提供用于臂架的能量回收减振系统,其利用压电材料的正压电效应将振动能量转化为电能,并将转化的电能存储起来再利用;此外,本发明的用于臂架的能量回收减振系统利用压电材料的逆压电效应来实现对混凝土泵车臂架的主动减振。
针对上述目的,根据本发明的第一方面提供了一种用于臂架的能量回收减振系统,其特征在于,能量减振回收减振系统具有能量回收状态和减振状态,能量回收减振系统包括:压电能量转换装置,与臂架相连,压电能量转换装置根据能量回收减振系统的操作状态而进行能量的相应转化;蓄能装置,经由功率变换装置与压电能量转换装置相连,蓄能装置根据能量回收减振系统的操作状态而存储或释放能量。
优选地,根本发明的第一方面的用于臂架的压电能量回收减振系统,还包括:压电传感器,安置在臂架上以检测臂架的振动并将其转化成相应的电信号;控制装置,控制装置的输入端与压电传感器相连以接收来自压电传感器的电信号,控制装置的控制端与功率变换装置相联。
优选地,根本发明的第一方面的用于臂架的压电能量回收减振系统,其中,在能量回收状态下,能量回收减振系统利用正压电效应工作,压电能量转换装置接收来自臂架的振动并将接收到的振动转化成电能,进而将转化成的电能传输至功率变换装置;功率变换装置调制压电能量转换装置生成的电能的电压并将经调制的电能传输至蓄能装置;蓄能装置接收并存储经功率变换装置调制的电能。
优选地,根本发明的第一方面的用于臂架的压电能量回收减振系统,其中,在能量回收状态下,功率变换装置在调制电压的同时生成与经调制的电压相应的调制信号并将调制信号传输至控制装置,控制装置根据调制信号和来自压电传感器的电信号来确定是否改变功率变换装置当前的调制电压。
优选地,根本发明的第一方面的用于臂架的压电能量回收减振系统,其中,在减振状态下,能量回收减振系统利用逆压电效应工作,蓄能装置经由功率变换装置向压电能量转换装置提供电能;功率变换装置将来自蓄能装置的电能转化成均有交替变化的电压,进而将转化后的电压传输至压电能量转换装置,以使压电能量转换装置产生振动;控制装置根据来自压电传感器的电信号向功率变换装置发送相应的控制信号,功率变换装置根据接收到的控制信号来调节供应至压电能量转换装置的电压。
优选地,根本发明的第一方面的用于臂架的压电能量回收减振系统,其中,能量回收减振系统还包括用于调整电压极性的整流器,整流器连接在压电能量转换装置与功率变换装置之间。
优选地,根本发明的第一方面的用于臂架的压电能量回收减振系统,其中,能量回收减振系统的压电能量转换装置包括:液压缸,液压缸的活塞杆与臂架相接触,以便接收来自臂架的振动能量或向臂架传递能量;压电转换器,置于液压缸内与液压缸内液压油之间进行能量传递。
优选地,根本发明的第一方面的用于臂架的压电能量回收减振系统,其中,压电转换器包括:多个压电陶瓷片,其相互均匀间隔地设置在液压缸的无杆腔中,并且彼此并联;两根引线,分别与并联的多个压电陶瓷片的两端相连,自液压缸引出。
优选地,根本发明的第一方面的用于臂架的压电能量回收减振系统,其中,压电转换器包括:至少一个弹簧元件,围绕多个压电陶瓷片设置,弹簧元件的两端抵在液压缸的活塞头与无杆腔的底面之间。
优选地,根本发明的第一方面的用于臂架的压电能量回收减振系统,其中,压电能量转换装置为压电陶瓷片,其附置在臂架上并连接至功率变换装置,以将臂架的振动转化成电能。
根据本发明的第二方面提供了一种用于臂架的能量回收方法,其包括如下步骤:
S101提供与臂架连接的压电能量转换装置,压电能量转换装置接收来自臂架的振动,并将接收到的振动转化成电能;
S102提供与压电能量转换装置电连接的功率变换装置,功率变换装置调制压电能量转换装置生成的电能的电压并生成相应的调制信号;
S103提供与功率变换装置电连接的蓄能装置,蓄能装置接收并存储经功率变换装置调制的电能。
优选地,根据本发明第二方面的用于臂架的能量回收方法,还包括如下步骤:
S104提供压电传感器,其附置在臂架上,压电传感器检测臂架的振动,并将其转化成相应的电信号;
S105提供控制装置,其输入端与压电传感器相连以接收来自压电传感器的电信号,而控制端与功率变换装置相联以便接收来自功率变换装置的调制信号,控制装置根据调制信号和电信号来确定是否改变功率变换装置当前的调制电压
根据本发明的第三方面提供了一种用于臂架的减振方法,其包括如下步骤:
S201提供与臂架相连的压电能量转换装置,以对臂架进行主动减振;
S202提供蓄能装置和设置在蓄能装置与压电能量转换装置之间的功率变换装置,蓄能装置经由功率变换装置向压电能量转换装置提供交替变化的电能,以使压电致动器振动;
S203提供压电传感器,其附置在臂架上,压电传感器检测臂架的振动,并将其转化成相应的电信号;
S204提供控制装置,其输入端与压电传感器相连而控制端与功率变换装置相联,控制装置接收并处理来自压电传感器的电信号,并根据接收到的电信号向功率变换装置发送相应的控制信号,功率变换装置根据接收到的控制信号来调节供应至压电能量转换装置的电能。
根据本发明的第四方面提供了一种混凝土泵车,其配备有根据本发明第一方面的用于臂架的能量回收减振系统。
本发明具有以下技术效果:
根据本发明的用于臂架的能量回收减振系统采用了压电元件,其在能量回收状态中,通过压电元件的正压电效应将臂架的振动能量转换为电能,并储存在蓄电池中,从而实现对振动能量的回收利用,减少了能量的损失;同时,本发明的用于臂架的减振系统减振在减振状态中利用通过压电元件的逆压电效应来实现对臂架的主动减振。
应该理解,以上的一般性描述和以下的详细描述都是列举和说明性质的,目的是为了对要求保护的本发明提供进一步的说明。
附图说明
附图构成本说明书的一部分,用于帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的一些实施例,并与说明书一起用来说明本发明的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。附图中:
图1示出了根据本发明第一方面的用于臂架的能量回收减振系统的第一实施例的结构示意图;
图2示出了根据本发明第一方面的用于臂架的能量回收减振系统的第二实施例的结构示意图;
图3示出了本发明第一实施例的能量回收减振系统中的压电能量转换装置的结构示意图;
图4示出了根据本发明第一方面的用于臂架的能量回收减振系统的电路结构图;
图5示出了图4中的电路结构图在功率器件K导通时的电流流向;
图6示出了图4的电路结构图在功率器件K断开时的电流流向;
图7示出了根据本发明第一方面第一实施例的用于臂架的能量回收减振系统的控制器的结构框图;
图8示出了根据本发明第一方面第一实施例的用于臂架的能量回收减振系统进行能量回收时的操作流程图;
图9示出了根据本发明第一方面第二实施例的用于臂架的能量回收减振系统在减振状态下的工作示意图;
图10示出了根据本发明第一方面第二实施例的用于臂架的能量回收减振系统的电路结构图;以及
图11示出了根据本发明第一方面第二实施例的用于臂架的能量回收减振系统的控制器的控制流程图。
具体实施方式
下面将参照附图并结合具体实施例对本发明的实施方式进行说明。
首先参照图1,其示出了根据本发明的用于臂架的能量回收减振系统的第一实施例100的结构示意图,本发明的能量回收减振装置100具有能量回收状态和减振状态,具体地,该能量回收减振系统100包括:第一压电能量转换装置111和第二压电能量转换装置121,第一压电能量转换装置111和第二压电能量转换装置121分别与相应的臂架110、120相连,并根据能量回收减振系统100的操作状态而进行能量的相应转化;与第一压电能量转换装置111和第二压电能量转化装置相连的整流器130,整流器130用于调整电压的极性,在能量回收状态下整流器130将两个压电能量转换装置生成的电能调整成具有相同极性的电压,在减振状态下整流器130仅起导通作用;与整流器130电连接的降压斩波器(功率变换装置)140,其在能量回收状态下将经整流器130调整的电能的电压调制成适于随后的蓄能装置存储,而在减振状态下将电能的电压转化成适于压电能量转换装置111、121使用的电压;与降压斩波器140电连接蓄能装置150,其在能量回收状态接收并存储经降压斩波器140调制的电能,在减振状态下经由功率变换装置140和整流器130向压电能量转换装置111、121提供电能。
通过上述的能量回收系统,就可以实现将臂架110、120的振动能量转换成适于存储的电能,或者对臂架110、120进行主动减振。在本实施例中泵车采用了两节臂架110、120,则每个臂架均配有各自的压电能量转换装置,当采用更多或更少臂架时,则相应地增减压电能量转换装置的数量即可。
具体地,如图1所示,第一压电能量转换装置111和第二压电能量转换装置121采用了液压装置来配合压电装置进行能量转换。第一压电能量转换装置111和第二压电能量转换装置121具有各自的第一液压缸113和第二液压缸123,它们分别与相应的第一臂架110和第二臂架120相连,以便接收来自臂架110、120的振动能量或向臂架110、120传递能量。这两个液压缸113、123中分别设置有各自的第一压电转换器114和第二压电转换器(未示出),以用于同液压缸113、123内液压油的之间进行能量传递,在能量回收状态下第一压电转换器111和第二压电转换器接收来自臂架110、120的振动并将接收到的振动转化成电能,在减振状态下,则将接收到的电能转化成自身的机械振动能量进而转变成液压油压强的交替变化。具体地,在能量回收状态下,第一液压缸113和第二液压缸123通过各自的活塞杆113a和123a分别与第一臂架110、第二臂架120相接触,以将两个臂架110、120的振动转化成液压缸113、123内的液压油的压强变化;而第一压电转换器114和第二压电转换器则设置在相应的液压缸113、123中,以接收其中的液压油的压强变化并将这种压强变化转化成电能。减振状态下则进行逆向操作,在次就不再赘述了。
进一步,以第一压电转换器114为例来说明其具体结构,如图3所示,第一压电转换器114包括如下部件:多个压电陶瓷片111b,其相互均匀间隔地设置在第一液压缸113的无杆腔113c中,并且彼此并联;两根引线111c,分别与并联的多个压电陶瓷片111b的两端相连,并自第一液压缸113引出。优选地,第一压电能量转换装置还包括螺旋弹簧(弹簧元件)111a,其围绕多个压电陶瓷片111b设置,螺旋弹簧111a的两端抵在第一液压缸113的活塞头113b与无杆腔113c的底面之间。螺旋弹簧111a可以保证多个压电陶瓷片111b空间均匀分布,并且可以防止多个压电陶瓷片111b由于第一液压缸113的过度压缩而被压碎。对此,在设计液压缸时应注意为压电能量转换装置留出足够的安装空间。
在另外的实施例中,根据本发明的能量转换减振系统可以采取其他的形式。请参见图2,其中示出了根据本发明的能量回收减振系统的第二实施例200的结构示意图。在本实施例中,压电能量回收装置211、221采取了压电陶瓷片的形式,这些压电陶瓷片附置在相应的第一臂架210和第二臂架220上,并同样连接至(例如通过引线)降压斩波器240。
下面以上述第一实施例的能量回收系统100为例,对能量回收的具体过程进行说明。在泵车泵送混凝土过程中,臂架110、120产生的振动通过液压缸113、123的传递给内部的液压油,进而将振动冲击力转换为液压油的压强,引起压电能量转换装置111的两侧产生压差,在该压差作用下,压电能量转换装置111由于正压电效应而使其内部的压电元件表面产生电荷,进而产生电动势。臂架110、120的振幅的有周期性变化,从而导致压电能量转换装置111生成的电动势在正负极间交替变换,因此需要利用整流器130进行调整,将压电电动势转换成具有相同极性的电动势(即同为正电压或同为负电压)。进而,由于压电能量转换装置111生成的压电电压可高达上百伏特,而混凝土泵车所用的蓄电池(蓄电装置)150的电压较低,因此还需要用降压斩波器140对经整流器130转换后的电压进行调制,以便将电压转换成适于蓄电池150存储的电压,从而能够对蓄电池150进行充电。上述本发明的能量回收系统将臂架的振动能量转换成电能储存在蓄电池中,提高泵车的整体能量利用效率。
应注意的是,上述的两个能量回收系统100、200只是本发明的优选实施例,事实上,如果选用其他适当的蓄能装置,则可以不需要另外配备专门的调压装置(整流器130和降压斩波器140),也同样能够实现能量回收的目的。此外,也可以采用多个螺旋弹簧111c,将这些弹簧可以采用围绕在多个压电陶瓷片111b的周围而设置的方式,同样可以确保压电陶瓷片111b在液压缸内的均匀分布并防止被压碎。
再次参照图1,为了根据臂架的实际振动情况实现更好的能量回收,本发明的上述能量回收系统100还可以配备控制电路,从而实现根据臂架110、120的具体振动情况来实时调整实际的电能回收量。对此,上述能量回收系统100还包括:第一压电传感器112和第二压电传感器122,其附置在相应的臂架110和120上,以用于检测臂架110、120的振动,并将检测到的振动转化成相应的电信号;控制装置160,其输入端与两个压电传感器112、122相连以接收来自它们的电信号,控制装置160的控制端与上述的降压滤波器140相联以接收来自其的调制信号(该调制信号反映当前实际能量回收电流的大小),控制装置160根据电信号和调制信号来确定是否改变功率变换器140当前的调制电压。
图4示出了本发明的用于臂架的能量回收减振系统的电路结构图,如图所示,其中包括能量转换模块、整流模块、降压斩波模块和蓄能模块,具体地,能量转换模块包括一个电源VS和一个电容器C1;整流模块包括四个二极管D1-D4;降压斩波模块包括一个稳压电容器C2和一个并联的二极管D5、以及一个串联的电感L和一个功率开关K,功率开关K的输入端与稳压电容C2相连,输出端与电感L相连,而控制端与控制器相连,以便接收来自控制器的控制信号(后面图7中所示的脉宽调制PWM信号);而蓄能模块包括一个蓄电电容VD。图5和图6分别示出了在功率开关K导通和断开时的电流流向(如图中的虚线箭头所示),功率开关K根据控制装置160发出的信号以及所接收到的电流大小而导通和断开,当功率开关K导通时,进行能量回收或减振操作。
图7示出了根据本发明第一实施例的能量回收减振系统中的控制装置的结构框图,图中所示的构成方式只是一个实例,而并非限制本发明;而图8示出了本发明第一实施例的能量回收减振系统的操作流程图,下面将参照上述两幅附图对控制装置160的在能量回收状态下的控制流程进行说明。控制装置160首先进行初始化,并向降压斩波器150发送一个控制信号,降压斩波器150根据该控制信号确定相应的调制电压,从而确定压电能量转换装置111需要回收的电能量;与臂架110相连的压电能量装置111将感受到的振动转化成电能,经由整流器130转化极性、降压斩波器140调制电压后,进而传输至蓄能装置150存储起来;与此同时,控制装置160根据压电传感器112、122传输的电信号(其表达臂架当前的振动情况),计算出一个能量回收的目标值,将这个目标值与实际回收值进行比较,从而根据比较结果确定是否改变降压斩波器140当前的调制电压。如果目标值与实际值相等,保持当前的PWM信号的大小;如果不相等,则更具差值的符号来相应地增大或减小功率开关K输出的PWM信号,从而调节回收电流。图9根据本发明第一方面第二实施例的用于臂架的能量回收减振系统在减振状态下的工作示意图,其中的操作即为图8的逆向操作,再次就不再赘述了。
此外,在调整降压斩波器140的调制电压的过程中,具体地,利用压电传感器112、122感知臂架110、120振动的规律,通过改变降压斩波器140中的功率开关器件K的PWM导通占空比,即可实现对蓄能装置150的充电电流的控制,从而改变压电材料能量消耗率,即压电能量转换装置111的刚度和阻尼比,由此可以实时调整能量回收的量。进而,根据本发明的思想,在多个臂架的情况下,可以通过压电传感器感知多节臂架的振动趋势,并结合臂架的多体动力学模型,通过多元数等方法对臂架的运动学和动力学进行解耦,优化出系统的整体减振方案,确定出各节臂架的减振指标,转换成压电装置的刚度和阻尼比,进而通过调节各个压电能量转换装置对蓄电装置的充电电流实现臂架的多自由度、多模态减振,以免发生单节臂架单独减振所造成的此消彼涨的现象。
本发明的能量回收减振系统的两种操作状态的不同之处在于能量的传输方向以及所利用的压电效应不同,在能量回收状态中,压电装置将振动能转化成电能并存储在蓄能装置中;而在减振状态中,蓄电池将电能提供给压电装置,将电能转换成机械能,从而减少臂架的振动。
进一步,图10中示出了根据本发明第二实施例的能量回收减振系统的电路结构图,其与图4中所示的电路图不同之处在于不具有整流模块,同时能量由蓄电池VD(充当电源)输出至能量转换模块。图11示出了根据本发明第二实施例的能量回收减振系统在减振状态下的控制流程图,其基本控制流程与能量回收状态的控制流程基本相同,只是比较的双方为供给能量的实际值与目标值,控制器根据臂架的实际振动情况实时调整功率开关K的PWM信号,从而调节供给的电流和电压。
此外,基于本发明的能量回收减振系统,本发明提供了一种用于臂架的能量回收方法,其包括如下步骤:
S101提供与臂架110连接的压电能量转换装置111,压电能量转换装置111接收来自臂架110的振动,并将接收到的振动转化成电能;
S102提供与压电能量转换装置111电连接的功率变换装置140,功率变换装置140调制压电能量转换装置111生成的电能的电压并生成相应的调制信号;
S103提供与功率变换装置140电连接的蓄能装置150,蓄能装置150接收并存储经功率变换装置140调制的电能。
进而,本发明还提出了一种用于臂架的减振方法,其包括如下步骤:
S201提供压电能量转换装置211、221,将其与相应臂架210、220连接(在此为直接附置到臂架上),以对臂架210、220进行主动减振;
S202提供蓄能装置250和设置在蓄能装置250与压电能量转换装置211、221之间的功率变换装置240,蓄能装置250经由功率变换装置240向压电能量转换装置211、221提供交替变化的电能,以使压电能量转换装置211、221振动;
S203提供压电传感器212、222,其附置在相应的臂架210、220上,压电传感器212、222检测相应臂架210、220的振动,并将其转化成相应的电信号;
S204提供控制装置260,其输入端与压电传感器212、222相连而控制端与功率变换装置240相联,控制装置260接收并处理来自压电传感器212、222的电信号,并根据接收到的电信号向功率变换装置240发送相应的控制信号,功率变换装置240根据接收到的控制信号来调节供应至压电致动器211、221的电能。
进一步,需要说明的是,配备有根据本发明的能量回收减振系统的混凝土泵车也在本发明的保护范围之内。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。