CN108591344A - 一种用于隧道施工管片安装机的磁流变隔振器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及隧道施工设备领域，具体涉及一种用于隧道施工管片安装机的磁流变隔振器，包括后端盖、磁流变阻尼器、金属套筒、前端盖和振动加速度传感器；磁流变阻尼器设置在管片安装机与盾构机大梁之间，为柱塞结构，由推杆依次连接陶瓷滑片、电磁线圈、弹簧、导线组成，在充满磁流变液的腔体里做往复运动，振动加速度传感器位于管片安装机和盾构机的结合位置，测量盾构机的加速度数据，作为控制系统的输入参数。本发明实现流体阻尼器和弹簧的串联，有效提高设备的空间利用率；通过电磁场的改变，改变阻尼器阻尼力的大小，使管片安装机能在较宽的振动频率下实现最优的减振效果，并通过加速度传感器实时监测振动情况，降低制造成本。

Description

一种用于隧道施工管片安装机的磁流变隔振器
技术领域
本发明涉及隧道施工设备领域，具体涉及一种用于隧道施工管片安装机的磁流变隔振器。
背景技术
在硬岩隧道掘进施工，盾构机和管片安装机通常配合使用。应用盾构机完成隧道的掘进，同时使用管片安装机来完成隧道周围的管片安装。从而实现高效自动化的隧道建设。但是，在面对岩层复杂，硬度较高的地质条件下，盾构机切削岩石的过程会伴随剧烈的振动，进一步影响和盾构机相连的管片安装机的正常工作。剧烈的振动常常引发管片的对位困难和管片安装机焊接部位的疲劳破快。本发明，设计一种新型的磁流变阻尼器和配套的控制器，用于管片安装机的减振，从而抑制振动引发的各种问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于隧道施工管片安装机的磁流变隔振器。
具体技术方案如下：
一种用于隧道施工管片安装机的磁流变隔振器，包括磁流变阻尼器和振动加速度传感器，所述磁流变阻尼器设置在管片安装机与盾构机大梁之间，为柱塞结构，包括后端盖、金属套筒、弹簧、电磁线圈、陶瓷滑片、推杆、导线和前端盖，由推杆依次抵接陶瓷滑片、电磁线圈、弹簧、后端盖，在由前端盖、后端盖和金属套筒组成的腔体里做往复运动，所述腔体内部充满可在腔体内部自由流动的磁流变液；所述电磁线圈上绕有导线；所述振动加速度传感器安装在磁流变阻尼器一侧，位于管片安装机和盾构机的结合位置，测量盾构机的加速度数据，作为控制系统的输入参数。
所述陶瓷滑片包括四个花瓣状结构，可以与金属套筒紧密配合。
可以通过改变所述电磁线圈上导线的电流，改变电磁线圈和金属套筒筒壁之间的电磁场强度，从而改变磁流变的剪切性能，最终改变磁流变隔振器阻尼力。
所述磁流变隔振器可应用于隧道施工管片安装机。
用加速度传感器作为反馈信号用于监测管片安装机上的振动加速度。
所述磁流变隔振器通过PWM输出控制。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益技术效果：
(1)本发明提高了隔振效果。相比较传统的被动隔振，磁流变隔振器能通过应用智能控制技术，通过采集盾构施工中的管片安装机加速度信号，实时控制磁流变隔振器的阻尼，从而实现隔振系统的闭环控制。因此，应用在管片安装机上的隔振效果比传统被动隔振提高了30％以上。
(2)本发明增强了系统可靠性。相比传统的被动隔振，橡胶垫块的失效会导致隔振器的隔振效果显著降低和失效，而磁流变隔振器，即使控制系统和驱动系统时效，其内部的磁流变阻尼液仍然可以起到被动隔振效果，从而提高了系统的可靠性。
(3)本发明扩大了减振范围。相比被动隔振器的主要减振频段在0-10HZ的范围，通过连续可变的磁场强度控制，磁流变隔振器的响应范围可以扩展到0-30Hz。从而实现了更宽频率范围的振动隔离。
(4)本发明创新的系统实现流体阻尼器和弹簧的串联，有效提高设备的空间利用率；通过电磁场的改变，改变阻尼器阻尼力的大小，使管片安装机能在较宽的振动频率下，实现最优的减振效果；替代传统采用激光传感器，本发明通过加速度传感器来实时监测振动情况，可以有效降低系统的制造成本。
附图说明
图1为本发明管片安装机的结构示意图；
图2为本发明磁流变阻尼器的结构示意图；
图3为本发明陶瓷滑片的结构示意图；
图4为本发明数据采集与控制方法。
图中，1—行走梁；2—管片安装机机架；3—磁流变阻尼器；4—振动加速度传感器；5—推进液压缸；6—管片；7—上下伸缩液压缸；8—后端盖；9—金属套筒；10—弹簧；11—电磁线圈；12—陶瓷滑片；13—密封圈；14—前端盖；15—导线；16—推杆；17-磁流变液。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受附图所限。
图1为本发明管片安装机的结构示意图，如图所示，磁流变阻尼器3设置在管片安装机机架与盾构机大梁之间，起到隔离盾构机和管片安装机之间振动的作用。振动加速度传感器4安装在磁流变阻尼器3旁边，位于管片安装机机架和盾构机的结合位置，用于测量盾构机的加速度数据，从而作为控制系统的输入参数。
管片安装机的运动过程由三个运动组成，分别是平移运动、回转运动和举升运动。平移运动主要由推进液压缸5完成；回转运动主要由管片安装机机架2完成；举升运动主要由上下伸缩液压缸7完成。平移机构一端由行走梁1通过法兰和盾构机相连，另一端管片安装机架2和行走梁1上的推进液压缸5铰接，通过滚轮或者直线轴承安装在行走梁1上，可以通过两个推进液压缸5沿盾构轴线方向移动，实现平移。回转机架通过法兰和回转支撑内部齿圈连接，随平移机构一起平移，同时内部有液压马达驱动齿轮进行旋转，因为旋转机构不是本专利涉及内容，所有图中不做详细绘制。举升机构与回转机构通过法兰连接，和平移机构一起在行走梁1上运动，同时由上下伸缩液压缸7通过关节轴承连接抓持系统实现管片6的上下移动。
图2为本发明磁流变阻尼器的结构示意图，如图2所示，每一个振动周期，由推杆16、电磁线圈11、陶瓷滑片12和导线15组成的柱塞结构，在由前端盖14、后端盖8和金属套筒9组成的腔体里做往复运动，腔体内部充满磁流变液17。在磁流变阻尼器内部，电源通过导线5将电流传入电磁线圈11产生一个磁场，作用于内部的磁流变液17，通过调整电磁线圈11上的电压，就可以改变阻尼力的大小，从而实现一定范围的阻尼力控制，更加有效的实现管片安装机的隔振。
图3为本发明陶瓷滑片的结构示意图，如图所示，滑片四个花瓣状结构和金属套筒9紧密配合，一方面防止推杆上的不平衡力导致电磁线圈和金属套筒长期碰撞，降低产品寿命；另一方面能使左右两个腔体里的磁流变也顺利通过，实现传统阻尼器效果，增加系统可靠性。
图4为本发明数据采集与控制方法，如图4所示。控制部分由模糊控制器，PWM转电压模块，数据采集卡，加速度传感器，以及前文提到的被控对象磁流变阻尼器和管片安装机大梁，激励源盾构机组成。基本原理是：给定加速度设置值α0，模糊控制器计算出数据采集模块采集到的实时加速度值αa和设定值α0的差值αe，输出可变占空比的PWM信号；PWM信号通过电压转化模块转化成模拟电压，并驱动磁流阻尼器改变阻尼力的大小Fa；管片安装机大梁一端受到盾构机作业的不平衡力Fb激励，另一端通过磁流变阻尼器实现减振；最终管片安装机大梁产生的振动加速度被加速度传感器采集，并用于闭环控制回路。模糊控制器由意法半导体公司STM32F407ZGT6型32位单片机按照模糊控制率实现，并输出可调占空比PWM波，振动加速度传感器使用ADI公司的ADXL355低功耗高精度传感器。
上述说明并非是对本发明的限制，本发明也不局限于此，本领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加和替换，都涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于隧道施工管片安装机的磁流变隔振器，其特征在于：包括磁流变阻尼器和振动加速度传感器，所述磁流变阻尼器设置在管片安装机与盾构机大梁之间，为柱塞结构，包括后端盖、金属套筒、弹簧、电磁线圈、陶瓷滑片、推杆、导线和前端盖，由推杆依次抵接陶瓷滑片、电磁线圈、弹簧、后端盖，在由前端盖、后端盖和金属套筒组成的腔体里做往复运动，所述腔体内部充满可在腔体内部自由流动的磁流变液；所述电磁线圈上绕有导线；所述振动加速度传感器安装在磁流变阻尼器一侧，位于管片安装机和盾构机的结合位置，测量盾构机的加速度数据，作为控制系统的输入参数。
2.根据权利要求1所述的用于隧道施工管片安装机的磁流变隔振器，其特征在于：所述陶瓷滑片包括四个花瓣状结构，可以与金属套筒紧密配合。
3.根据权利要求1所述的用于隧道施工管片安装机的磁流变隔振器，其特征在于：可以通过改变所述电磁线圈上导线的电流，改变电磁线圈和金属套筒筒壁之间的电磁场强度，从而改变磁流变的剪切性能，最终改变磁流变隔振器阻尼力。
4.根据权利要求1所述的用于隧道施工管片安装机的磁流变隔振器，其特征在于：所述磁流变隔振器可应用于隧道施工管片安装机。
5.根据权利要求1所述的用于隧道施工管片安装机的磁流变隔振器的控制方法，其特征在于：用加速度传感器作为反馈信号用于监测管片安装机上的振动加速度。
6.根据权利要求1所述的用于隧道施工管片安装机的磁流变隔振器的控制方法，其特征在于：所述磁流变隔振器通过PWM输出控制。
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