CN113883353A - 一种六自由度管路减振器及减振方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种六自由度管路减振器及减振方法，包括主动控制单元，主动控制单元包括主动控制器、外壳和控制框架，外壳内设置有容纳控制框架的容纳空间，控制框架与容纳空间的形状相匹配，容纳空间的开口通过侧密封板封闭，控制框架上对称安装有两组作动器单元，每组作动器单元包括垂向作动器、横向作动器和纵向作动器，控制框架对角设置两三向加速度传感器，主动控制器安装于外壳侧面，控制系统电连接作动器单元和三向加速度传感器；管卡组件，管卡组件包括卡箍和托架，托架将卡箍支撑在外壳上。本发明实现管路系统振动隔离的主被动结合、传感作动一体化且高度集成，同时满足高低频振动的控制，提高减振效果。
Description
技术领域
本发明涉及管道设备减振降噪技术领域，尤其是指一种六自由度管路减振器及减振方法。
背景技术
管路系统在各种工业和军事领域中都有非常重要的应用，尤其是在船舶工业领域，管路系统(如生活用水管路及冷却用水管路)普遍存在于各类船舶上，发挥着重要的作用。由于管路内的液体存在压力脉动，容易产生振动，长期的振动容易导致管道发生疲劳损坏容易引起液体泄漏，不但污染环境而且造成经济财产损失。同时还会向舱内外辐射噪声，影响居住环境及舰船隐蔽性。
目前采用的普通管道支撑直接用槽钢对管道进行固定支撑，这种普通管道支撑存在的问题是能量耗散效果不佳，减振效果差且支架易松动。为解决上述问题，现有技术中采用了隔振(如管卡或弹性马脚支撑)、动力吸振器及在管道表面敷设阻尼材料等。但该种方式中也仅能够实现某些方向上的某些频带的被动减振，无法实现有效减振。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中管道振动被动控制技术的不足，提供一种六自由度管路减振器及减振方法，实现管路系统振动隔离的主被动结合、传感作动一体化且高度集成，同时满足高低频振动的控制，提高减振效果。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种六自由度管路减振器，包括：
主动控制单元，所述主动控制单元包括主动控制器、外壳和控制框架，所述外壳内设置有容纳所述控制框架的容纳空间，所述控制框架与所述容纳空间的形状相匹配，所述容纳空间的开口通过侧密封板封闭，所述控制框架上对称安装有两组作动器单元，每组所述作动器单元包括垂向作动器、横向作动器和纵向作动器，所述控制框架对角设置两三向加速度传感器，所述主动控制器安装于所述外壳侧面，所述控制系统电连接所述作动器单元和三向加速度传感器；
管卡组件，所述管卡组件包括卡箍和托架，所述托架将所述卡箍支撑在所述外壳上。
在本发明的一个实施例中，所述垂向作动器、横向作动器和纵向作动器均为模块化设计，所述控制框架上设置有若干容纳槽，所述垂向作动器、横向作动器和纵向作动器卡设于所述容纳槽内。
在本发明的一个实施例中，所述主动控制单元还包括功率放大模块和信号调理模块，所述功率放大模块和信号调理模块中心对称嵌设于所述控制框架内，所述控制系统电连接所述功率放大模块和信号调理模块。
在本发明的一个实施例中，所述主动控制器包括解耦滤波器、耦合滤波器和自适应反馈控制器，所述解耦滤波器接收所述三向加速度传感器的信号，所述耦合滤波器输出所述作动器单元的驱动信号，所述自适应反馈控制器根据解耦滤波器的输入控制耦合滤波器的输出。
在本发明的一个实施例中，所述垂向作动器、横向作动器和纵向作动器均为惯性式作动器。
在本发明的一个实施例中，所述外壳为电磁屏蔽外壳。
在本发明的一个实施例中，所述卡箍包括两个半圆形管箍，所述管箍两端向外弯折有第一连接头，所述托架为U型，所述托架两端向外弯折有第二连接头，所述第一连接头与第二连接头之间通过螺栓锁固。
在本发明的一个实施例中，所述卡箍内设置有橡胶阻尼圈，所述橡胶阻尼圈均匀向内突出有若干凸楞，所述外壳的安装面固定连接有橡胶隔振器。
本发明还提供一种六自由度管路减振器操作方法，采用上述的减振器，包括如下步骤：
三向加速度传感器测量主动控制单元三个方向的振动加速度响应；
主动控制器根据振动加速度响应获得六个自由度的振动响应，得出每个自由度振动的控制力和力矩，输出作动器单元的输入信号；
两组作动器单元根据输入信号产生抵消振动；
抵消振动信号反馈至主动控制器，主动控制器调整自适应反馈控制系统的控制滤波器权系数。
在本发明的一个实施例中，主动控制器中通过解耦滤波器还原振动响应，作为自适应反馈控制器的参考输入；自适应反馈控制器计算出每个自由度振动的控制力和力矩；耦合控制器将控制力和力矩换算成作每个作动器的输入信号。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的六自由度管路减振器及减振方法，实现管路系统振动隔离的主被动结合、传感作动一体化且高度集成，同时满足高低频振动的控制，提高减振效果。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明的爆炸结构示意图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是本发明的工作结构示意图；
图4是本发明的1号测点效果图；
图5是本发明的2号测点效果图。
说明书附图标记说明：1、管箍；2、橡胶阻尼圈；3、托架；4、外壳；5、主动控制器；6、橡胶隔振器；7、控制框架；8、垂向作动器；9、横向作动器；10、纵向作动器；11、功率放大模块；12、信号调理模块；13、三向加速度传感器；14、侧密封板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1和图2所示，本发明的一种六自由度管路减振器，包括：
主动控制单元，用以主动抵消管道振动引起的多自由度振动，适于低频及低频线谱振动控制。具体的，所述主动控制单元包括主动控制器5、外壳4和控制框架7，所述外壳4内设置有容纳所述控制框架7的容纳空间，所述控制框架7与所述容纳空间的形状相匹配，所述容纳空间的开口通过侧密封板14封闭，所述控制框架7上中心对称安装有两组作动器单元，每组所述作动器单元包括垂向作动器8、横向作动器9和纵向作动器10，所述控制框架7对角设置两三向加速度传感器13，所述主动控制器5安装于所述外壳4侧面，所述控制系统电连接所述作动器单元和三向加速度传感器13。控制框架7用于对作动器单元以及三向加速度传感器13进行支撑及限位，将控制框架7放入外壳4内后，侧密封板14封闭外壳4，作动器单元以及三向加速度传感器13被封闭在外壳4内，外壳4起到保护作用。进一步的，本实施例中，所述外壳4为电磁屏蔽外壳4。从而满足作动器单元以及三向加速度传感器13的电磁屏蔽要求。本实施例中，两组作动器单元中心对称设置于控制框架7上，保证控制框架7的重心始终处于其中心，从而方便检测及控制主动控制单元的振动。控制框架7的对角对应三个方向，因此将三向加速度传感器13设置在控制框架7四角能够测量主动控制单元对角两个位置三个方向的振动加速度响应，将主动控单元受到的振动分解到更多方向，从而能够实现精确控制，提高减振效果。根据振动加速度响应，可以计算得出横向x、纵向y、垂向z及绕三个坐标轴的纵摇α、横摇β和平摇γ六个自由度上振动的控制力和力矩。故对应六个自由度，本实施例中的作动器单元包括垂向作动器8、横向作动器9和纵向作动器10。两个垂向作动器8针对垂向振动和横摇振动、两个横向作动器9针对横向振动和平摇振动、两个纵向作动器10针对纵向振动和纵摇振动，抵消主动控制单元由于管道振动引起的多自由度振动，从而实现六个自由度振动的控制和隔离，产生与管道振动传递至主动控制单元的大小相等、方向相反的振动，以主动抵消管道振动引起的多自由度振动。且三向加速度传感器13能够反映低频及低频线谱振动，从而减振器能够主动控制低频及低频线谱振动，有效扩展减振器的频率控制范围。
本发明还包括管卡组件，所述管卡组件包括卡箍和托架3，所述托架3将所述卡箍支撑在所述外壳4上。卡箍用于固定管道，托架3支撑卡箍，形成隔振式的被动减振。通过托架3的本身的弹性，使管道不会与安装位置直接接触，实现振动隔离。为进一步提高被动隔振的效果，所述外壳4的安装面固定连接有橡胶隔振器6。橡胶隔振器6安装在主动控制单元和基础结构之间，橡胶隔振器6承担管道的静载，且保证了主动控制单元的工作空间，所以即使在主动减振完全失效的情况下，系统的被动隔振部分仍能起到隔离减振的作用，大大提高了可靠性和安全性。橡胶隔振器6为凸字形结构，橡胶隔振器6的凸面与基础结构接触，两侧的凹面通过螺栓外壳4锁固。由于托架3的固有频率较高，因此管卡组件和橡胶隔振器的被动减振效果适于中高频振动的隔离
本发明的六自由度管路减振器有效结合被动管卡组件隔振结构对中高频振动的隔离优势和主动控制单元在六个自由度上对低频及低频线谱振动控制的特长，有效地控制管路系统传递到基础结构上的六自由度振动。
进一步的，本实施例中，所述垂向作动器8、横向作动器9和纵向作动器10均采用惯性式作动器，且为模块化设计，从而方便安装、维修。具体的，所述控制框架7上设置有若干容纳槽，所述垂向作动器8、横向作动器9和纵向作动器10卡设于所述容纳槽内。当作动器单元与控制框架7安装完成后，作动器单元不会凸出于控制框架7表面，方便控制器框架组装于外壳4内，且不会在外壳4内产生晃动，确保外壳4的保护效果。
参照图1所示，为保证管卡组件的对称，防止由于管卡组件本身重心不稳造成振动加剧，所述卡箍包括两个半圆形管箍1，所述管箍1两端向外弯折有第一连接头，所述托架3为U型，所述托架3两端向外弯折有第二连接头，所述第一连接头与第二连接头之间通过螺栓锁固。两个管箍1和托架3采用同一组螺栓锁固，安装方便。本实施例中，所述卡箍内还设置有橡胶阻尼圈2，避免卡箍和管道之间硬接触产生的振动，所述橡胶阻尼圈2均匀向内突出有若干凸楞。管箍1和托架3之间螺栓连接产生的预紧力将橡胶阻尼圈2压紧在管道和管箍1之间，管道被锁紧，无法与管箍1之间产生振动。
进一步的，所述主动控制单元还包括功率放大模块11和信号调理模块12，所述功率放大模块11和信号调理模块12中心对称嵌设于所述控制框架7内，所述控制系统电连接所述功率放大模块11和信号调理模块12。对称设置的功率放大模块11和信号调理模块12，保证控制框架7重心的稳定，同时作动器单元、三向加速度传感器13、功率放大模块11和信号调理模块12均集成在控制框架7上，其相互连接的线缆也布置于控制框架7内部，有效地利用了空间，具有尺寸小、安装和使用方便的特点。主动控制单元的电源、主动控制器5输入输出和三向加速度传感器13的信号输出等中间信号分别集成到侧密封板14的两个航插接口，方便安装的同时也便于外部调试和监测。
参照图3所示，所述主动控制器5包括解耦滤波器、耦合滤波器和自适应反馈控制器，所述解耦滤波器接收所述三向加速度传感器13的信号，所述耦合滤波器输出所述作动器单元的驱动信号，所述自适应反馈控制器根据解耦滤波器的输入控制耦合滤波器的输出。工作时，两个三向加速度传感器13测量主动控制单元对角两个位置三个方向的振动加速度响应，通过解耦滤波器可以得到其六个自由度的振动响应，即横向x、纵向y、垂向z的水平振动及绕三个坐标轴的纵摇α、横摇β和平摇γ振动，作为自适应反馈控制器的输入，自适应反馈控制器计算出针对每个自由度振动的控制力和力矩，再通过耦合滤波器换算成每个作动模块的驱动信号，其中两个垂向作动模块针对垂向振动和横摇振动、两个横向作动模块针对横向和平摇振动、两个纵向作动模块针对纵向和纵摇振动，抵消主动控制单元由于管道振动引起的多自由度振动，从而实现六个自由度振动的控制和隔离。
参照图3所示，为本发明一种六自由度管路减振器操作方法，包括如下步骤：
三向加速度传感器13测量主动控制单元三个方向的振动加速度响应。三向加速度传感器13位于控制框架7的对角，分别对应三个方向，通过两个三向加速度传感器13的配合，能够准确得到两组振动加速度信号x1、y1、z1、x2、y2、z2。
主动控制器5根据振动加速度响应获得六个自由度的振动响应，得出每个自由度振动的控制力和力矩，输出作动器单元的输入信号。具体的，主动控制器5中通过解耦滤波器还原振动响应，得出中间框架结构三个方向的平动振动x、y、z和三个方向的摇摆振动α、β、γ，作为自适应反馈控制器的参考输入；自适应反馈控制器计算出每个自由度振动的控制力和力矩；耦合控制器将控制力和力矩换算成作每个作动器的输入信号。
两组作动器单元根据输入信号产生抵消振动。产生与管道振动传递至主动控制单元的大小相等、方向相反的振动，抵消振动作用在主动控制单元上，实现主动减振。
进一步的，由于管道的振动不断变化，为自动跟踪管道振动频路的变化，抵消振动信号反馈至主动控制器5，主动控制器5调整自适应反馈控制系统的控制滤波器权系数。主动控制器5通过控制算法进行调整，控制算法以使主动控制单元振动响应的均方值最小为性能函数，当作动器单元收敛后，将使主动控制单元的振动响应最小，从而实现对管道六自由度振动向基础传递的有效控制。
参照图4和图5所示，为本发明的主动隔振效果图。采用泵的流量为95.2吨/小时，减振器工作前后，主动控制单元上1号测点和2号测点各取一个振动加速度响应为例，其频谱如图4和图5所示。控制效果如下：当管道减振器工作时，可以使1号测点的两根突出线谱在被动减振的基础上分别下降11.2dB(49.5Hz)和16.9dB(123.5Hz)，5Hz-315Hz的频率范围内总振级再衰减5.3dB；2号测点的两根突出线谱在被动减振的基础上分别下降6.5dB(49.5Hz)和18.4dB(123.5Hz)，5Hz-315Hz的频率范围内总振级再衰减4.2dB。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种六自由度管路减振器，其特征在于，包括：
主动控制单元，所述主动控制单元包括主动控制器、外壳和控制框架，所述外壳内设置有容纳所述控制框架的容纳空间，所述控制框架与所述容纳空间的形状相匹配，所述容纳空间的开口通过侧密封板封闭，所述控制框架上对称安装有两组作动器单元，每组所述作动器单元包括垂向作动器、横向作动器和纵向作动器，所述控制框架对角设置两三向加速度传感器，所述主动控制器安装于所述外壳侧面，所述控制系统电连接所述作动器单元和三向加速度传感器；
管卡组件，所述管卡组件包括卡箍和托架，所述托架将所述卡箍支撑在所述外壳上。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度管路减振器，其特征在于，所述垂向作动器、横向作动器和纵向作动器均为模块化设计，所述控制框架上设置有若干容纳槽，所述垂向作动器、横向作动器和纵向作动器卡设于所述容纳槽内。
3.根据权利要求1所述的一种六自由度管路减振器，其特征在于，所述主动控制单元还包括功率放大模块和信号调理模块，所述功率放大模块和信号调理模块中心对称嵌设于所述控制框架内，所述控制系统电连接所述功率放大模块和信号调理模块。
4.根据权利要求1所述的一种六自由度管路减振器，其特征在于，所述主动控制器包括解耦滤波器、耦合滤波器和自适应反馈控制器，所述解耦滤波器接收所述三向加速度传感器的信号，所述耦合滤波器输出所述作动器单元的驱动信号，所述自适应反馈控制器根据解耦滤波器的输入控制耦合滤波器的输出。
5.根据权利要求1所述的一种六自由度管路减振器，其特征在于，所述垂向作动器、横向作动器和纵向作动器均为惯性式作动器。
6.根据权利要求1所述的一种六自由度管路减振器，其特征在于，所述外壳为电磁屏蔽外壳。
7.根据权利要求1所述的一种六自由度管路减振器，其特征在于，所述卡箍包括两个半圆形管箍，所述管箍两端向外弯折有第一连接头，所述托架为U型，所述托架两端向外弯折有第二连接头，所述第一连接头与第二连接头之间通过螺栓锁固。
8.根据权利要求1所述的一种六自由度管路减振器，其特征在于，所述卡箍内设置有橡胶阻尼圈，所述橡胶阻尼圈均匀向内突出有若干凸楞，所述外壳的安装面固定连接有橡胶隔振器。
9.一种六自由度管路减振器操作方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的减振器，包括如下步骤：
三向加速度传感器测量主动控制单元三个方向的振动加速度响应；
主动控制器根据振动加速度响应获得六个自由度的振动响应，得出每个自由度振动的控制力和力矩，输出作动器单元的输入信号；
两组作动器单元根据输入信号产生抵消振动；
抵消振动信号反馈至主动控制器，主动控制器调整自适应反馈控制系统的控制滤波器权系数。
10.根据权利要求9所述的一种六自由度管路减振器操作方法，其特征在于，主动控制器中通过解耦滤波器还原振动响应，作为自适应反馈控制器的参考输入；自适应反馈控制器计算出每个自由度振动的控制力和力矩；耦合控制器将控制力和力矩换算成作每个作动器的输入信号。
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