CN113833826A - 一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统和方法 - Google Patents

一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统和方法，包括：二级齿轮箱，采用磁流体作为润滑剂；振动传感器，设置于二级齿轮箱的箱体上，用于采集二级齿轮箱的振动信号；控制器，连接振动传感器，用于将振动信号输入一预设的磁场控制模型，从而产生关于磁场强度的控制指令；磁场发生器，设置于二级齿轮箱的外部，连接控制器，用于基于控制指令改变磁场强度，以调节二级齿轮箱中的磁流体的粘度。根据振动信号实时调整磁场强度，从而改变作为润滑剂的磁流体的粘度，达到减振的效果，从而实现二级齿轮箱的智能润滑和减振，不仅润滑效果好，而且无需额外设置减振装置，抑制齿轮箱的剧烈振动，避免其对齿轮箱结构件强度的影响。

Description

一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统和方法
技术领域
本发明涉及齿轮箱减振技术领域，尤其涉及一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统和方法。
背景技术
齿轮箱即齿轮减速器因其运行可靠，使用寿命长的特点被广泛应用于各种工业生产环境中，如汽车、船舶、航空、采矿、机械制造等领域。但齿轮减速器会在不同工况下产生不同振动频率和振动幅度的振动，当振动过于剧烈时会对齿轮箱的结构强度造成影响，还会产生噪声污染，对操作机械的工作者造成健康损害。齿轮箱的振动和噪声来自于齿轮传动时相互碰撞或摩擦的齿体。在齿轮箱结构设计合理，安装无误的情况下，负载扭矩的波动成为齿轮箱剧烈非正常振动的起因。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明提供一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统和方法，旨在解决现有技术中齿轮箱振动剧烈的技术问题。
一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，包括：二级齿轮箱，采用磁流体作为润滑剂；振动传感器，设置于二级齿轮箱的箱体上，用于采集二级齿轮箱的振动信号；控制器，连接振动传感器，用于将振动信号输入一预设的磁场控制模型，从而产生关于磁场强度的控制指令；磁场发生器，设置于二级齿轮箱的外部，连接控制器，用于基于控制指令改变磁场强度，以调节二级齿轮箱中的磁流体的粘度。
进一步的，磁场发生器为亥姆霍兹线圈，包含一对相同的圆形导体线圈，二级齿轮箱设置于圆形导体线圈之间。
进一步的，磁流体由磁性固体颗粒、基载液以及界面活性剂混合而成。
进一步的，还包括：控制器为PID控制器；显示装置，连接控制器，用于对控制器的性能进行实时监测，将控制器的控制参数和振动信号上传至一虚拟样机；虚拟样机，连接显示装置，用于基于控制参数和振动信号，采用遗传算法对控制器的控制参数进行优化；显示装置还用于将优化后的控制参数传输至控制器中。
进一步的，显示装置还用于更改控制参数。
进一步的，磁场控制模型的计算公式如下所示：
Figure 598016DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 241487DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 576653DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 305575DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 305761DEST_PATH_IMAGE005
为磁场控制模型的系数；
Figure 803738DEST_PATH_IMAGE006
为振动信号；
G(s)为磁场强度计算值。
进一步的，控制器的性能评价指标的计算公式如下：
Figure 575385DEST_PATH_IMAGE007
其中，
PI为控制器的性能评价指标；
IAE为误差绝对值的积分；
Figure 729286DEST_PATH_IMAGE008
为闭环延迟时间；
A为阶跃信号的振幅；
Figure 611791DEST_PATH_IMAGE009
是实际值与预期值的偏差；
t是时间；
虚拟样机基于性能评价指标作为个体适应度对控制参数进行优化，当PI>0.8时停止优化，从而获取优化后的控制参数。
进一步的，振动传感器为加速度振动传感器，振动信号包括振动频率和振动幅度。
一种基于磁流体的二级齿轮箱减振方法，使用前述的一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，包括：步骤A1，采用磁流体作为二级齿轮箱的润滑剂，振动传感器实时采集二级齿轮箱的振动信号；步骤A2，控制器将振动信号输入一预设的磁场控制模型，从而产生关于磁场强度的控制指令；步骤A3，磁场发生器基于控制指令改变磁场强度，以调节二级齿轮箱中的磁流体的粘度。
进一步的，磁场控制模型的计算公式如下所示：
Figure 964275DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 93774DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 531709DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 952326DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 362578DEST_PATH_IMAGE014
为磁场控制模型的系数；
Figure 476028DEST_PATH_IMAGE015
为振动信号；
G(s)为磁场强度计算值。
本发明的有益技术效果在于：本发明通过一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，以磁流体作为润滑剂，实时采集二级齿轮箱的振动信号，根据振动信号实时调整磁场强度，从而改变作为润滑剂的磁流体的粘度，达到减振的效果，从而实现二级齿轮箱的智能润滑和减振，不仅润滑效果好，而且无需额外设置减振装置，抑制齿轮箱的剧烈振动，避免其对齿轮箱结构件强度的影响。
附图说明
图1为本发明一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统的结构示意图；
图2为本发明一种基于磁流体的二级齿轮箱减振方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参见图1，本发明提供一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，包括：
二级齿轮箱1，采用磁流体作为润滑剂；振动传感器4，设置于二级齿轮箱1的箱体上，用于采集二级齿轮箱1的振动信号；控制器3，连接振动传感器4，用于将振动信号输入一预设的磁场控制模型，从而产生关于磁场强度的控制指令；磁场发生器2，设置于二级齿轮箱1的外部，连接控制器3，用于基于控制指令改变磁场强度，以调节二级齿轮箱1中的磁流体的粘度。
进一步的，磁场发生器2为亥姆霍兹线圈，包含一对相同的圆形导体线圈，二级齿轮箱1设置于圆形导体线圈之间。
进一步的，磁流体由磁性固体颗粒、基载液以及界面活性剂混合而成。
磁流体是一种新型的功能材料，它兼具固体磁性材料的磁性和液体的流动性，磁流体在受到磁场的作用时可以准确地充满润滑表面从而实现连续润滑，充当齿轮啮合时的润滑剂，相较于传统的润滑剂磁流体的润滑效果更好而且粘度可随着外加磁场的变化而变化，从而实现智能润滑状态。
将磁流体润滑剂应用于齿轮箱后，如果负载扭矩波动较大，使齿轮箱发生了剧烈振动，可以利用控制器实时调节磁场强度，增大润滑剂的粘度，抑制齿轮箱的剧烈振动避免其对齿轮箱结构件强度的影响。
在本发明中，的二级齿轮箱1包括输入轴、中间轴、输出轴、箱体、齿轮、轴承。磁流体润滑剂通过二级齿轮箱1的注油口注入箱体内。
在本发明中，磁场发生器2为亥姆霍兹线圈，二级齿轮箱置于两个线圈之间，线圈通相同方向的电流后，两线圈间产生均匀磁场，的二级齿轮箱1即安装在两线圈产生的均匀磁场之间。同时磁场发生器2与控制器3保持供电和通讯连接。
在本发明中，当二级齿轮箱1处于空载或者输入转矩比较平稳时，箱体振动频率稳定，振动幅度较小，磁场发生器2不产生外加磁场，磁流体润滑剂的粘度较小，保持传动效率在较高水平。当输入转矩波动较大时，箱体的振动频率会发生巨大波动，振动幅度变大，箱体发生剧烈振动，振动信号上传到控制器后，控制器3控制磁场发生器2产生外加磁场，增大磁流体润滑剂的粘度，降低振动幅度稳定二级齿轮箱，牺牲一定的传动效率避免剧烈振动对二级齿轮箱的机构强度造成影响，延长齿轮箱的工作寿命。
进一步的，还包括：控制器3为PID控制器；显示装置5，连接控制器3，用于对控制器的性能进行实时监测，将控制器3的控制参数和振动信号上传至一虚拟样机6；虚拟样机6，连接显示装置5，用于基于控制参数和振动信号，采用遗传算法对控制器的控制参数进行优化；显示装置还用于将优化后的控制参数传输至控制器3中。
进一步的，显示装置5还用于更改控制参数。
在本发明中，控制器3的输入端口接收来自振动传感器4的振动信号，输出端口向磁场发生器2发送控制指令，同时与显示装置5保持通讯连接，将振动信号上传到显示装置5。显示装置5与虚拟样机6保持通讯连接，上传振动信号与控制器的控制参数到虚拟样机并接收虚拟样机优化后的控制参数。控制器在经过长期使用后性能会逐渐下降，对控制效果产生影响。因此，充分利用物理模型、传感器、运行历史数据的多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，通过在计算机内搭建控制器的虚拟样机，基于遗传算法将控制器的控制参数在虚拟样机内进行优化，从而实现控制器的控制参数的实时更新，保证了控制器的控制效果和控制精度。
进一步的，磁场控制模型的计算公式如下所示：
Figure 401259DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 812517DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 874014DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 830469DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 242996DEST_PATH_IMAGE020
为磁场控制模型的系数；
Figure 270994DEST_PATH_IMAGE021
为振动信号；
G(s)为磁场强度计算输出值。
若二级齿轮箱1的输入转矩波动逐渐增大，振动频率波动较大，振动幅度较大，箱体剧烈振动。在输入转矩由小到大，波动由小到大的过程中，控制器3接收到的来自安装在二级齿轮箱1箱体上的振动传感器4上的输入信号会发生明显变化。振动信号经过控制器3的磁场控制模型后输出控制指令传输给磁场发生器2进而控制磁场发生器2产生的的磁场逐渐变大，进而控制二级齿轮箱1箱体内的磁流体润滑剂粘度逐渐增大，有上述磁场控制模型的计算公式可知，本发明的磁场强度控制是一个连续系统。
进一步的，控制器的性能评价指标的计算公式如下：
Figure 905107DEST_PATH_IMAGE022
其中，
PI为控制器的性能评价指标；
IAE为误差绝对值的积分；
Figure 94780DEST_PATH_IMAGE023
为闭环延迟时间；
A为阶跃信号的振幅；
Figure 994603DEST_PATH_IMAGE024
是磁场强度的实际值与预期值的偏差；
t是时间；
虚拟样机6基于性能评价指标作为个体适应度对控制参数进行优化，当PI>0.8时停止优化，从而获取优化后的控制参数。
在本发明中，显示装置5一方面调控控制器3并以图表的形式实时显示振动传感器4测得的振动信号和磁场发生器2产生磁场的大小。同时另一方面通过向磁场发生器2的设定值应用阶跃信号来测试控制器3的性能。
在本发明中，显示装置5通过TCP/IP传输协议与虚拟样机6实现通信。
显示装置5通过向设定值施加一个阶跃信号来评价控制器3的控制表现，从而计算误差绝对值的积分IAE。根据IAE构建了一个更直观的控制器性能评价指标PI。PI的值越接近1，表示控制器的控制效果越好。如果0.8<PI<1，说明控制器3的控制效果达标。如果PI<0.8，说明控制器3因老化等原始控制效果变差，没有达标。显示装置5会利用控制器3的闭环响应来识别控制器3的控制参数，并将识别出的控制参数传输到控虚拟样机6中，从而实现了PID控制器3与虚拟样机6的虚实实时映射。
进一步的，振动传感器4为加速度振动传感器，振动信号包括振动频率和振动幅度。振动传感器4安装在箱体表面，将箱体的振动频率信号与振动幅度信号转化为电信号传输到控制器3中。
参见图2，本发明还提供一种基于磁流体的二级齿轮箱减振方法，使用前述的一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，包括：步骤A1，采用磁流体作为二级齿轮箱1的润滑剂，振动传感器4实时采集二级齿轮箱1的振动信号；步骤A2，控制器3将振动信号输入一预设的磁场控制模型，从而产生关于磁场强度的控制指令；步骤A3，磁场发生器2基于控制指令改变磁场强度，以调节二级齿轮箱1中的磁流体的粘度。
进一步的，磁场控制模型的计算公式如下所示：
Figure 498396DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 800065DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 160639DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 469129DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为磁场控制模型的系数；
Figure 212832DEST_PATH_IMAGE030
为振动信号；
G(s)为磁场强度计算输出值。
在本发明中，虚拟样机6基于遗传算法对控制器的控制参数进行优化的过程大致如下：步骤B1，定义遗传算法中控制器的控制参数、进化代数以及遗传算法中使用的常数的初始种群；步骤B2，将种群中每个个体的控制参数分配到Simulink仿真模型中进行仿真计算；根据仿真曲线计算每个个体的适应度值，选择PI作为适应度；步骤B3：迭代进化后，计算新群体中每个个体的适应度，通过比较得到最优个体；步骤B4：检测是否满足结束条件，即检测PI是否大于0.8。如果PI>0.8则满足条件，将当前种群中最优个体所包含的控制参数传输到显示装置5中。如果没有满足条件，即P不大于0.8，则回到步骤B3继续进行迭代进化；步骤B5：显示装置5将来自于虚拟样机6优化后的参数传输到控制器3中。
若二级齿轮箱1的输入转矩波动逐渐增大，振动频率波动较大，振动幅度较大，箱体剧烈振动。在输入转矩由小到大，波动由小到大的过程中，控制器3接收到的来自安装在二级齿轮箱1箱体上的振动传感器4上的输入信号会发生明显变化。振动信号经过控制器3的磁场控制模型后输出控制指令传输给磁场发生器2进而控制磁场发生器2产生的的磁场逐渐变大，进而控制二级齿轮箱1箱体内的磁流体润滑剂粘度逐渐增大，有上述磁场控制模型的计算公式可知，本发明的磁场强度控制是一个连续系统。
本发明通过对二级齿轮箱1内磁流体润滑剂粘度的智能控制，即润滑剂粘度随着二级齿轮箱1振动的剧烈程度变化而变化。同时利用显示装置5对控制器3的控制效果进行实时监测，并通过虚拟样机6内的控制系统仿真模型和遗传算法对控制模型参数实时更新，消除了PID控制器3退化后给控制效果带来的负面影响。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，其特征在于，包括：二级齿轮箱，采用磁流体作为润滑剂；振动传感器，设置于所述二级齿轮箱的箱体上，用于采集所述二级齿轮箱的振动信号；控制器，连接所述振动传感器，用于将所述振动信号输入一预设的磁场控制模型，从而产生关于磁场强度的控制指令；磁场发生器，设置于所述二级齿轮箱的外部，连接所述控制器，用于基于所述控制指令改变磁场强度，以调节所述二级齿轮箱中的所述磁流体的粘度。
2.如权利要求1所述的一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，其特征在于，所述磁场发生器为亥姆霍兹线圈，包含一对相同的圆形导体线圈，所述二级齿轮箱设置于所述圆形导体线圈之间。
3.如权利要求1所述的一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，其特征在于，所述磁流体由磁性固体颗粒、基载液以及界面活性剂混合而成。
4.如权利要求1所述的一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，其特征在于，还包括：所述控制器为PID控制器；显示装置，连接所述控制器，用于对所述控制器的性能进行实时监测，将所述控制器的控制参数和所述振动信号上传至一虚拟样机；虚拟样机，连接所述显示装置，用于基于所述控制参数和所述振动信号，采用遗传算法对所述控制器的所述控制参数进行优化；所述显示装置还用于将优化后的所述控制参数传输至所述控制器中。
5.如权利要求4所述的一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，其特征在于，所述显示装置还用于更改所述控制参数。
6.如权利要求1所述的一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，其特征在于，所述磁场控制模型的计算公式如下所示：
Figure 662792DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 579933DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 297353DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 692562DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 506935DEST_PATH_IMAGE005
为所述磁场控制模型的系数；
Figure 516348DEST_PATH_IMAGE006
为所述振动信号；
G(s)为磁场强度计算值。
7.如权利要求4所述的一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，其特征在于，所述控制器的性能评价指标的计算公式如下：
Figure 783381DEST_PATH_IMAGE007
其中，
PI为控制器的性能评价指标；
IAE为误差绝对值的积分；
Figure 919964DEST_PATH_IMAGE008
为闭环延迟时间；
A为阶跃信号的振幅；
Figure 588843DEST_PATH_IMAGE009
是磁场强度实际值与预期值的偏差；
t是时间；
所述虚拟样机以所述性能评价指标作为个体适应度对所述控制参数进行优化，当所述PI>0.8时停止优化，从而获取优化后的所述控制参数。
8.如权利要求7所述的一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，其特征在于，所述振动传感器为加速度振动传感器，所述振动信号包括振动频率和振动幅度。
9.一种基于磁流体的二级齿轮箱减振方法，其特征在于，使用如权利要求1-8任意一项所述的一种基于磁流体的二级齿轮箱减振系统，包括：步骤A1，采用磁流体作为二级齿轮箱的润滑剂，所述振动传感器实时采集所述二级齿轮箱的振动信号；步骤A2，所述控制器将所述振动信号输入一预设的磁场控制模型，从而产生关于磁场强度的控制指令；步骤A3，所述磁场发生器基于所述控制指令改变磁场强度，以调节所述二级齿轮箱中的所述磁流体的粘度。
10.如权利要求9所述的一种基于磁流体的二级齿轮箱减振方法，其特征在于，所述磁场控制模型的计算公式如下所示：
Figure 769158DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 523487DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 260499DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 721567DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 151411DEST_PATH_IMAGE014
为所述磁场控制模型的系数；
Figure 579988DEST_PATH_IMAGE015
为所述振动信号；
G(s)为磁场强度计算值。
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