CN111322345A - 一种新型抗冲击装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型抗冲击装置及其工作方法，包括依次连接的第一连接头、上外筒、下外筒和第二连接头，下外筒顶部套入上外筒内与上外筒活动连接；下外筒内设有铝蜂窝和磁流变缓冲器外筒，铝蜂窝设置在下端盖底部，磁流变缓冲器外筒内设有活塞杆，活塞杆顶端伸出上端盖并连接撞头，撞头与上端盖之间的活塞杆上套装有复位弹簧；活塞杆上缠绕有电磁线圈，活塞杆的下部分为阻尼活塞且阻尼活塞上开设有阻尼孔，阻尼活塞的底端设有导向盘，导向盘下方填充有磁流变液。本发明安装于矿车两车厢之间，当后车速度大于前车速度或当前车制动时，防止后车冲击，来进行缓冲，达到有效减速；发生事故时对后续车厢进行缓冲，有效防止事故的二次伤害。

Description

一种新型抗冲击装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种新型抗冲击装置及其工作方法，特别涉及一种用在矿车两车厢之间的抗冲击缓冲装置，属于缓冲装置技术领域。
背景技术
矿车是矿山斜井生产中的主要运输工具，由于斜井出口有一定的坡度，因非正常原因常出现矿车自溜回井或造成车厢之间的相互碰撞，为了防止事故的发生，现已在生产操作中要求每个井口要实现“一坡三档”的防护措施，在一定程度上起到防止事故的发生。
矿车在巷道上运行时，通常前后连接多节车厢进行作业，当后车速度大于前车速度或当前车制动时，为防止后车冲击，需要在相邻两车厢之间安装缓冲装置，来进行缓冲，达到有效减速，预防矿车超速。
中国专利文献CN 104057974A公开了一种可缓冲带自锁的矿车，该矿车由车架、车厢、前矿车轮、后可车轮、刹车装置部件构成，在车架下部设有前矿车轮和后矿车轮，后矿车轮上设有刹车装置，在车架的上部设有车厢，在车厢底部设有缓冲橡胶，特点是，通过缓冲橡胶来起到缓冲大块坚硬物料砸压、损坏车底的效果，可自行刹车，能够独立静止在大角度的轨道上，其结构简单，实用性强。
又如，中国专利文献CN207550213U提供了一种矿车车辆缓冲器，其包括至上而下依次连接在一起的长方形缓冲体、圆柱形缓冲体、法兰盘；所述法兰盘上开设有圆周等距分布的法兰孔，所述法兰孔中穿设有数量一致的方头螺栓，所述螺旋弹簧上端套接在方头螺栓上，下端连接在车厢体上的。该矿车车辆缓冲器，在车厢体上设置了多个螺旋弹簧，以保证矿车在停止时有足够的缓冲；同时在螺旋弹簧的上方设置了圆柱形缓冲体，起到了对螺旋弹簧的缓冲作用，也加强了缓冲能力；最后又在圆柱形缓冲体的上方设置了由多层缓冲垫构成的长方形缓冲体，进一步地提高了缓冲性能，整体缓冲性能优于现有技术中的缓冲器。
经检索，目前矿车上所用缓冲器大多为单个车厢的制动缓冲器，其用于刹车制动或防损缓冲，未发现车厢之间使用的防碰撞缓冲装置，因此，有必要提供一种矿车车厢之间的抗冲击缓冲装置，可保证车厢之间的稳定作业，避免车厢之间的冲撞受损。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种新型抗冲击装置，该新型抗冲击装置安装在矿车前后两节车厢之间，当前后车厢速度不一致时，可有效起到防止车厢碰撞、缓冲车厢速度及撞击力度的作用。
本发明还提供上述一种新型抗冲击装置在矿车上的工作方法。
本发明的技术方案如下：
一种新型抗冲击装置，包括依次连接的第一连接头、上外筒、下外筒和第二连接头，第一连接头与上外筒固定连接，第二连接头与下外筒固定连接，下外筒顶部套入上外筒内与上外筒活动连接；
下外筒内设有铝蜂窝和磁流变缓冲器外筒，磁流变缓冲器外筒的上下两端分别通过上端盖、下端盖封装，铝蜂窝设置在下端盖底部，磁流变缓冲器外筒内设有活塞杆，活塞杆顶端伸出上端盖并连接撞头，撞头与上端盖之间的活塞杆上套装有复位弹簧；活塞杆上缠绕有电磁线圈，活塞杆的下部分为阻尼活塞且阻尼活塞上开设有阻尼孔，阻尼活塞的底端设有导向盘且导向盘与磁流变缓冲器外筒的内壁接触，导向盘下方填充有磁流变液。
优选的，所述第一连接头和第二连接头均设置有连接销孔。此设计的好处是，使用插销将两个连接头连接于两节车厢之间，方便快捷。
优选的，所述第一连接头与上外筒的外端盖之间、第二连接头与下外筒的外端盖之间均通过螺栓连接。
优选的，所述下外筒上套有连接环，下外筒的顶部设有向外延伸的凸沿，凸沿阻挡连接环，连接环与上外筒的底端螺栓连接。此设计的好处是，上外筒与连接环固定连接，连接环可以带着上外筒在下外筒上来回滑动，实现缓冲。
优选的，所述上端盖、下端盖与磁流变缓冲器外筒之间通过螺栓连接。
优选的，所述下外筒的顶端设置有挡板，挡板阻挡磁流变缓冲器外筒滑出下外筒。
优选的，所述挡板与下外筒的顶端螺栓连接。
优选的，所述活塞杆为阶梯杆，活塞杆包含一凸部，电磁线圈缠绕在凸部上，凸部与磁流变缓冲器外筒内壁接触，阻尼活塞设有底端开口的空腔，阻尼孔连通空腔。
优选的，所述导向盘与阻尼活塞底端通过螺母固定连接。
优选的，所述撞头与活塞杆顶端螺纹连接。
优选的，所述铝蜂窝为圆柱形。此设计的好处是，铝蜂窝是压溃装置，该装置承受压力的初始值为磁流变缓冲器的极限值，当磁流变缓冲器失效时做最后缓冲吸能。
一种新型抗冲击装置应用在矿车两节车厢之间的工作方法，将该新型抗冲击装置连接在矿车两节车厢之间，其工作方法包括以下步骤：
A矿车上行阶段
当前车速度大于后车速度时，上外筒牵引下外筒上行，活塞杆处于伸出状态，磁流变缓冲器外筒内充满磁流变液，此时电磁线圈处于通电状态，但撞头未受到冲击，新型抗冲击装置不工作；
当前车速度小于后车速度时，车速变化的同时矿车上的速度传感器检测到信号经模糊控制器产生期望阻尼控制力，此时上外筒下滑，撞头受到冲击，将冲击力传递给活塞杆进而推动阻尼活塞运动，阻尼活塞通过磁流变液阻尼力和阻尼孔与磁流变液产生的流体阻尼共同耗能，新型抗冲击装置提前作用；
B矿车下行阶段
当前车速度大于后车速度时，下外筒牵引上外筒下行，活塞杆处于伸出状态，磁流变缓冲器外筒内充满磁流变液，此时电磁线圈处于通电状态，但撞头未受到冲击，新型抗冲击装置不工作；
当前车速度小于后车速度时，车速变化的同时矿车上的速度传感器检测到信号经模糊控制器产生期望阻尼控制力，此时上外筒下滑，撞头受到冲击，将冲击力传递给活塞杆进而推动阻尼活塞运动，阻尼活塞通过磁流变液阻尼力和阻尼孔与磁流变液产生的流体阻尼共同耗能，新型抗冲击装置提前作用；
C矿车发生事故阶段
当矿车发生超速甚至发生事故被拦车栏拦截时，矿车上的速度传感器检测到信号，将产生的速度变化量e及加速度变化量ec作为模糊控制器输入量，新型抗冲击装置提前输出期望阻尼力，撞头受到撞击，活塞杆运动，阻尼活塞通过磁流变液阻尼力和阻尼孔与磁流变液产生的流体阻尼共同耗能，新型抗冲击装置进行缓冲防止后续车辆造成二次伤害；当冲击力导致磁流变缓冲器缓冲极限时，铝蜂窝压溃装置进行最终缓冲保护。
本发明的有益效果在于：
1)本发明抗冲击装置安装于矿车两车厢之间，当后车速度大于前车速度或当前车制动时，防止后车冲击，来进行缓冲，达到有效减速，预防矿车超速；发生事故时对后续车厢进行缓冲，有效防止事故的二次伤害。
2)本发明抗冲击装置通过二维模糊控制器连接控制，当矿车超速发生事故时可通过传感器提前输出相应强度电流，控制相应阻尼力，该抗冲击装置提前进入缓冲状态，有效实现缓冲。
3)本发明抗冲击装置通过磁流变缓冲器与压溃管多级缓冲，有效保障矿车安全；该抗冲击装置的耗能结构由磁路与阻尼孔混合缓冲，前者由负反馈控制系统动态的控制电流强度，来输出阻尼力，应用半主动控制，后者的阻尼力由活塞杆与外筒的相对速度控制，属于被动控制。
4)本发明抗冲击装置由二维模糊控制器连接控制，二维模糊控制器通过输出不同强度的电流，来控制阻尼力的大小，增加其自适应性。
附图说明
图1为本发明抗冲击装置的主视图；
图2为本发明抗冲击装置的截面图；
图3为本发明抗冲击装置的左侧截面图；
图4为本发明中铝蜂窝压溃结构示意图；
图5为本发明中模糊控制器原理图；
图6为输入与输出隶属度函数分布曲线图；
其中：1-连接销孔(使用插销连接于两车厢间)；2-外端盖；3-撞头；4-复位弹簧；5-活塞杆；6-连接环；7-电磁线圈；8-阻尼活塞(内含阻尼孔)；9-磁流变缓冲器外筒；10-铝蜂窝；11-下端盖；12-下外筒；13-导向盘；14-上端盖；15-上外筒；16-挡板。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-图4所示，本实施例提供一种新型抗冲击装置，包括依次连接的第一连接头、上外筒15、下外筒12和第二连接头，第一连接头与上外筒15固定连接，第二连接头与下外筒12固定连接，下外筒12顶部套入上外筒15内与上外筒15活动连接；
下外筒12内设有铝蜂窝10和磁流变缓冲器外筒9，磁流变缓冲器外筒9的上下两端分别通过上端盖14、下端盖11封装，铝蜂窝10设置在下端盖11底部，磁流变缓冲器外筒9内设有活塞杆5，活塞杆5顶端伸出上端盖14并连接撞头3，撞头3与上端盖14之间的活塞杆上套装有复位弹簧4；活塞杆5上缠绕有电磁线圈7，活塞杆的下部分为阻尼活塞8且阻尼活塞上开设有阻尼孔，阻尼活塞8的底端设有导向盘13且导向盘13与磁流变缓冲器外筒的内壁接触，导向盘13下方填充有磁流变液。
具体地，第一连接头和第二连接头为相同结构，二者均开设有连接销孔。使用时，用插销将两个连接头连接于两节车厢之间，安装快捷方便。第一连接头与上外筒15的外端盖2之间、第二连接头与下外筒12的外端盖之间均通过螺栓连接。上外筒的外端盖2与上外筒15为一体结构，下外筒的外端盖与下外筒12为一体结构，均为向外延伸的凸台，与第一接头和第二接头的凸台通过螺栓固定连接在一起。
下外筒12上套有连接环6，下外筒12的顶部设有向外延伸的凸沿，凸沿阻挡连接环6，即连接环6的内径小于凸沿外径，连接环6与上外筒15的底端螺栓连接。上外筒15与连接环6固定连接，保证了上外筒15与下外筒12缓冲过程中不脱离，连接环6可以带着上外筒15在下外筒12上来回滑动，实现缓冲。
上端盖14、下端盖11与磁流变缓冲器外筒9之间均通过螺栓连接。下外筒12的顶端通过螺栓安装有挡板16，挡板16阻挡磁流变缓冲器外筒9滑出下外筒12。
活塞杆5为一阶梯杆，活塞杆包含一凸部，电磁线圈7缠绕在凸部上，凸部与磁流变缓冲器外筒9内壁接触；阻尼活塞8是活塞杆5的一部分，与活塞杆5一体制造成型，阻尼活塞8设有底端开口的空腔，阻尼孔连通空腔。通过空腔和阻尼孔，导向盘下方的磁流变液可以实现流通缓冲。活塞杆5内部开有细长孔道，与电磁线圈7相连接的导线从细长孔道走线。
阻尼活塞8的底端设有螺纹，阻尼活塞8底端穿过导向盘13中心通过螺母固定安装导向盘13。
撞头3与活塞杆5顶端螺纹连接。当上外筒15与下外筒12发生相对滑动时，撞头3被上外筒15撞击，活塞杆5发生位移，实现缓冲。复位弹簧4，在缓冲完成后将新型抗冲击装置进行复位。
铝蜂窝10为圆柱形，放置在磁流变缓冲器外筒9的底部，铝蜂窝10是压溃装置，该装置承受压力的初始值为磁流变缓冲器的极限值，当磁流变缓冲器失效时做最后缓冲吸能。
本实施例中，新型抗冲击装置使用插销连接安装于车厢两侧及中间，每两节车厢安装3个。车头端可将新型抗冲击装置的缓冲装置结构部分撞头3处安装挡板后安装于车头前端，发生事故时能有效保护车身，为后续车辆提供缓冲，减少车身损坏。
实施例2：
一种新型抗冲击装置应用在矿车两节车厢之间的工作方法，将实施例1所述的新型抗冲击装置连接在矿车两节车厢之间，即通过插销将第一连接头、第二连接头与相邻的两节车厢连接起来，再将该抗冲击装置和矿车上的速度传感器都与二维模糊控制器连接起来，组成缓冲控制系统，新型抗冲击装置的工作方法包括以下步骤：
A矿车上行阶段
当前车速度大于后车速度时，上外筒15牵引下外筒12上行，活塞杆5处于伸出状态，磁流变缓冲器外筒9内充满磁流变液，此时电磁线圈7处于通电状态，但撞头3未受到冲击，新型抗冲击装置不工作；
当前车速度小于后车速度时，车速变化的同时矿车上的速度传感器检测到信号经模糊控制器产生期望阻尼控制力，此时上外筒15下滑，撞头3受到冲击，将冲击力传递给活塞杆5进而推动阻尼活塞8运动，阻尼活塞8通过磁流变液阻尼力和阻尼孔与磁流变液产生的流体阻尼共同耗能，新型抗冲击装置提前作用；
B矿车下行阶段
当前车速度大于后车速度时，下外筒12牵引上外筒15下行，活塞杆5处于伸出状态，磁流变缓冲器外筒9内充满磁流变液，此时电磁线圈7处于通电状态，但撞头3未受到冲击，新型抗冲击装置不工作；
当前车速度小于后车速度时，车速变化的同时矿车上的速度传感器检测到信号经模糊控制器产生期望阻尼控制力，此时上外筒15下滑，撞头3受到冲击，将冲击力传递给活塞杆5进而推动阻尼活塞8运动，阻尼活塞8通过磁流变液阻尼力和阻尼孔与磁流变液产生的流体阻尼共同耗能，新型抗冲击装置提前作用；
C矿车发生事故阶段
当矿车发生超速甚至发生事故被拦车栏拦截时，矿车上的速度传感器检测到信号，将产生的速度变化量e(期望车速与实际车速之差)及加速度变化量ec(期望车加速度与实际车加速度之差)作为模糊控制器输入量，新型抗冲击装置提前输出期望阻尼力，撞头3受到撞击，活塞杆5运动，阻尼活塞8通过磁流变液阻尼力和阻尼孔与磁流变液产生的流体阻尼共同耗能，新型抗冲击装置进行缓冲防止后续车辆造成二次伤害；当冲击力导致磁流变缓冲器缓冲极限时，铝蜂窝10压溃装置进行最终缓冲保护。
本实施例中提供的模糊控制器，其原理如图5所示，车辆运行时，传感器检测到信号产生速度变化量e(期望车速与实际车速之差)及加速度变化量ec(期望车加速度与实际车加速度之差)作为模糊控制器输入量，按选定的ke,kec量化因子将输入量按一定的比例进行缩放，从物理论域映射到模糊论域中，通过模糊控制器输入隶属度函数模糊化，按照制定的模糊规则进行模糊推理，模糊推理方法采用常用的Mamdani型，通过输出隶属度函数去模糊化，选取面积平分法进行去模糊化后得到精确输出量，再经一定比例系数ku缩放后得到期望阻尼力。
模糊化的过程如下：
在该模糊控制器中选取参考期望值与车身速度以及车身加速度之差作为两个输入变量，选取期望阻尼控制力作为输出变量。输入变量v、a均设置为7个语言子集：NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZE(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)，论域限制在[-1,1]之间，输入隶属度函数均采用三角形函数，其隶属度函数如图6所示。为方便计算，输出变量采用与输入变量一致的隶属度函数。输入与输出变量的实际变化范围分别由相应的量化因子ke、kec与比例因子ku所决定。
模糊推理的方法如下：
模糊推理是通过模糊规则进行推理运算，根据新型抗冲击装置在矿车运行时的工作特点，设计与之对应的模糊规则时有如下原则:
(1)当|e|处于较大状态时，此时车速距离期望车速误差较大，应输出较大电流，产生较大的阻尼力。
当|e|处于中等大小状态时，此时车速误差中等，应输出中等大小的电流，产生中等大小的阻尼力。
当|e|处于较小状态时，此时车速误差较小，应输出较小电流或者不输出电流，产生较小的阻尼力。
根据车辆过程分析可知，当误差较大时，模糊控制器应选择较大的输出控制量以尽快消除误差。当误差较小时，则应选择较小的输出控制量以避免超调。由此按照“If-and-Then”调整原则，相应的模糊控制规则如表1所示。
其中规则“If e is NS and ec is PB,Then u is PM”可以解释为如下：当误差e比较小时，车身速度则与期望值相差不大，同时正大的误差值变化率ec表明车身速度正在快速地接近参考值，但是车身加速度依然很大，因此控制器应输出一个正中值以防超调且抑制车身加速度的增涨，其它控制规则与上述类似。
表1模糊控制规则
Figure BDA0002380064290000081
去模糊化的过程：
去模糊化的过程是寻找一个清晰数值代替输出的模糊值的映射过程，经过模糊推理后，一般会得到由输出量隶属度函数的一部分与坐标轴围成的图形。根据所得图形，采用面积中心法去模糊化。

Claims (10)

1.一种新型抗冲击装置，其特征在于，包括依次连接的第一连接头、上外筒、下外筒和第二连接头，第一连接头与上外筒固定连接，第二连接头与下外筒固定连接，下外筒顶部套入上外筒内与上外筒活动连接；
下外筒内设有铝蜂窝和磁流变缓冲器外筒，磁流变缓冲器外筒的上下两端分别通过上端盖、下端盖封装，铝蜂窝设置在下端盖底部，磁流变缓冲器外筒内设有活塞杆，活塞杆顶端伸出上端盖并连接撞头，撞头与上端盖之间的活塞杆上套装有复位弹簧；活塞杆上缠绕有电磁线圈，活塞杆的下部分为阻尼活塞且阻尼活塞上开设有阻尼孔，阻尼活塞的底端设有导向盘且导向盘与磁流变缓冲器外筒的内壁接触，导向盘下方填充有磁流变液。
2.如权利要求1所述的新型抗冲击装置，其特征在于，所述第一连接头和第二连接头均设置有连接销孔。
3.如权利要求1所述的新型抗冲击装置，其特征在于，所述第一连接头与上外筒的外端盖之间、第二连接头与下外筒的外端盖之间均通过螺栓连接。
4.如权利要求1所述的新型抗冲击装置，其特征在于，所述下外筒上套有连接环，下外筒的顶部设有向外延伸的凸沿，凸沿阻挡连接环，连接环与上外筒的底端螺栓连接。
5.如权利要求1所述的新型抗冲击装置，其特征在于，所述上端盖、下端盖与磁流变缓冲器外筒之间通过螺栓连接。
6.如权利要求1所述的新型抗冲击装置，其特征在于，所述下外筒的顶端设置有挡板，挡板阻挡磁流变缓冲器外筒滑出下外筒。
7.如权利要求6所述的新型抗冲击装置，其特征在于，所述挡板与下外筒的顶端螺栓连接。
8.如权利要求1所述的新型抗冲击装置，其特征在于，所述活塞杆为阶梯杆，活塞杆包含一凸部，电磁线圈缠绕在凸部上，凸部与磁流变缓冲器外筒内壁接触，阻尼活塞设有底端开口的空腔，阻尼孔连通空腔。
9.如权利要求1所述的新型抗冲击装置，其特征在于，所述导向盘与阻尼活塞底端通过螺母固定连接。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的新型抗冲击装置应用在矿车两节车厢之间的工作方法，将该新型抗冲击装置连接在矿车两节车厢之间，其工作方法包括以下步骤：
A矿车上行阶段
当前车速度大于后车速度时，上外筒牵引下外筒上行，活塞杆处于伸出状态，磁流变缓冲器外筒内充满磁流变液，此时电磁线圈处于通电状态，但撞头未受到冲击，新型抗冲击装置不工作；
当前车速度小于后车速度时，车速变化的同时矿车上的速度传感器检测到信号经模糊控制器产生期望阻尼控制力，此时上外筒下滑，撞头受到冲击，将冲击力传递给活塞杆进而推动阻尼活塞运动，阻尼活塞通过磁流变液阻尼力和阻尼孔与磁流变液产生的流体阻尼共同耗能，新型抗冲击装置提前作用；
B矿车下行阶段
当前车速度大于后车速度时，下外筒牵引上外筒下行，活塞杆处于伸出状态，磁流变缓冲器外筒内充满磁流变液，此时电磁线圈处于通电状态，但撞头未受到冲击，新型抗冲击装置不工作；
当前车速度小于后车速度时，车速变化的同时矿车上的速度传感器检测到信号经模糊控制器产生期望阻尼控制力，此时上外筒下滑，撞头受到冲击，将冲击力传递给活塞杆进而推动阻尼活塞运动，阻尼活塞通过磁流变液阻尼力和阻尼孔与磁流变液产生的流体阻尼共同耗能，新型抗冲击装置提前作用；
C矿车发生事故阶段
当矿车发生超速甚至发生事故被拦车栏拦截时，矿车上的速度传感器检测到信号，将产生的速度变化量e及加速度变化量ec作为模糊控制器输入量，新型抗冲击装置提前输出期望阻尼力，撞头受到撞击，活塞杆运动，阻尼活塞通过磁流变液阻尼力和阻尼孔与磁流变液产生的流体阻尼共同耗能，新型抗冲击装置进行缓冲防止后续车辆造成二次伤害；当冲击力导致磁流变缓冲器缓冲极限时，铝蜂窝压溃装置进行最终缓冲保护。
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