CN116928947A - 一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统及方法，冷却系统包括经管路依次串联形成循环回路的水箱、过滤器、液压泵、驱动线圈以及热交换器，液压泵配置有驱动电机，驱动线圈呈螺旋管状结构，两端分别形成有进出水口一与进出水口二，中央还开设有进出水口三，比例换向阀，布置于液压泵与驱动线圈相连的管路上，流量传感器，布置于A口与进出水口一、进出水口二相连的管路上；温度传感器，具有三组，分别布置于进出水口一、进出水口二以及进出水口三处；电流传感器，布置于驱动线圈上；控制器，用于控制比例换向阀阀口的大小以及阀芯所在位置。本发明极大地提高驱动线圈的冷却效率与冷却效果。

Description

一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统及方法

技术领域

本发明涉及振动台试验技术领域，更具体涉及一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统及方法。

背景技术

振动台由于能够对被试件所处的振动环境进行模拟，被广泛应用于航空航天、车辆工程、抗震测试等领域，对被试件在相应振动工况下的力学性能进行考核和评估。在振动试验技术领域中，对试件进行振动测试时通常需要通过电流驱动实现振动，而电流驱动会导致驱动线圈的发热，因此需要对其进行冷却散热。现有的电动振动台冷却散热方法主要是不考虑驱动电流等因素，仅通过定量冷却水单向流经驱动线圈各处实现对驱动线圈的散热，存在冷却功率浪费、线圈进出口温差大、冷却效果不佳等问题。

有鉴于此，有必要对现有技术中的振动台动圈冷却系统予以改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于公开一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统及方法，以解决上述技术问题，提供一种能够调节驱动电流与驱动线圈进出水口温差的电动振动台动圈冷却系统及方法，从而提高驱动线圈的冷却效率与冷却效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统，冷却系统包括经管路依次串联形成循环回路的水箱、过滤器、液压泵、驱动线圈以及热交换器，液压泵配置有驱动电机，驱动线圈呈螺旋管状结构，两端分别形成有进出水口一与进出水口二，中央还开设有进出水口三，冷却系统还包括：

比例换向阀，布置于液压泵与驱动线圈相连的管路上，比例换向阀具有P、A、B、T四个口，其中，P口通过管路与液压泵的出水口相连，A口通过管路与进出水口一、进出水口二相连，B口通过管路与进出水口三相连；T口通过管路与热交换器的入水口相连；

流量传感器，布置于A口与进出水口一、进出水口二相连的管路上，用于监测驱动线圈内的流量；

温度传感器，具有三组，分别布置于进出水口一、进出水口二以及进出水口三处；

电流传感器，布置于驱动线圈上，用于监测驱动线圈的驱动电流；

控制器，与温度传感器、流量传感器、电流传感器以及比例换向阀电连接，用于接收各传感器监测信号并输出不同大小的控制信号控制比例换向阀阀口的大小以及阀芯所在位置。

作为本发明的进一步改进，冷却系统还包括：

压力表，布置于液压泵的出水口侧，用于实时监测液压泵的水压；

溢流阀，布置于液压泵与比例换向阀相连的管路上，用于对液压泵的出水压力进行控制。

作为本发明的进一步改进，液压泵采用定量泵，保证比例换向阀P口的流量恒定。

本发明还公开了一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统的工作方法，包括以下步骤：

S1，初始设定水流正向流动，此时驱动线圈进水温度出水温度T_p＝T_i3，其中，T_i1、T_i2和T_i3分别为进出水口一、进出水口二以及进出水口三的温度；

S2，实时监测进出水口一、进出水口二以及进出水口三的温度T_i1、T_i2、T_i3、驱动线圈内的流量q、驱动线圈的驱动电流I；

S3，设定温度阈值T_low、T_high，其中，T_low和T_high分别为温度调节的下限阈值和上限阈值；

根据驱动线圈进出水口处温度较大值max{T_i,T_p}与温度阈值T_lo_w和T_high对比结果，对比例换向阀的初始阀口u₀进行分配，

S4，根据驱动线圈进出水口总体平均温度与温度阈值T₀对比结果，对比例换向阀的阀口u大小进行修正；

S5，根据比例换向阀阀口状态u与阀口最大值u_max对比结果：

当u≤u_max时，保持输出当前阀口状态u；

当u＞u_max时，控制阀口实际状态为u_max；

S6，对驱动线圈进出水口温差T_e＝T_p-T_i进行检测，设T_h为换向温度阈值；

若驱动线圈出水口温差T_e≥T_h，则控制比例换向阀进行换向，并根据比例换向阀阀芯所在位置，确定水流方向，判定是否停机，若停机则结束系统工作，否则返回步骤S2；

其中，当水流方向为正向，则进水温度出水温度T_p＝T_i3；当水流方向为反向，则进水温度T_i＝T_i3，出水温度/>

若驱动线圈进出水口温差T_e＜T_h，则根据实际操作情况，判定是否进行停机，若停机则结束系统工作，否则返回步骤S2。

作为本发明的进一步改进，S3步骤中，初始阀口u₀的具体分配方式为通过控制器发送阀口指令控制比例换向阀初始阀口大小，其中，

当max{T_i,T_p}≤T_low时，u₀＝u_min；

当T_low＜max{T_i,T_p}≤T_high时，u₀＝u_mid；

当max{T_i,T_p}＞T_high时，u₀＝u_max；

作为本发明的进一步改进，S4步骤中对比例换向阀阀口u大小进行修正的公式如下：u＝u₀+u_m；

若T_avg＜T₀，则输出阀口修正参数u_m＝0

若T_avg≥T₀，根据流量传感器实际监测到冷却水环的流量q与冷却介质单位时间带走驱动线圈热量所需的流量的绝对值|q₀|对比结果；

当q≥|q₀|时，阀口修正参数u_m＝0；

当q＜|q₀|时，修正参数u_m＝b，b为修正值，取

其中，根据冷却介质带走热量与温度的关系计算冷却介质单位时间带走同等热量所需的流量q₀，其计算公式为：

其中ρ_水代表冷却介质的密度，c代表冷却介质单位质量的热容量；

通过驱动线圈产生热量与驱动电流的关系计算当前驱动电流导致的驱动线圈单位时间所产生的热量Q_产其计算公式为：

其中ρ代表导体的密度，L代表导体长度，S代表导体横截面积。

作为本发明的进一步改进，T_low在20-30摄氏度之间取值，T_high在60-70摄氏度之间取值。

作为本发明的进一步改进，u_min在(1/4～1/3)u_max之间进行取值；u_mid在(1/2～2/3)u_max之间取值。

作为本发明的进一步改进，T₀在20-40摄氏度之间进行取值，T_h在10-25摄氏度之间进行取值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统及方法，通过具有三个进出水口的驱动线圈、比例换向阀、流量传感器、温度传感器以及控制器组成的冷却系统，能够对驱动线圈内冷却水的流向以及流量进行调节，实现动态实时调节驱动线圈的冷却效果，提高了对驱动线圈的冷却效率；该冷却系统的工作方法是基于驱动线圈出水端处的平均温度实时调节冷却水的出水量，根据驱动线圈的驱动电流实时修正冷却水的出水量，解决了定量定向冷却水对驱动线圈进行冷却时冷却效率低下的问题，根据驱动线圈进出水口间的温差实时调节冷却水的流通方向，避免因冷却水单向流通导致的对驱动线圈的冷却不均以及进出水口的温差过大，提高了对驱动线圈的冷却效果。

附图说明

图1为本发明一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统的示意图；

图2为本发明一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统的工作方法流程示意图。

图中：1、水位开关；2、水箱；3、过滤器；4、液压泵；5、压力表；6、溢流阀；7、热交换器；8、比例换向阀；9、流量传感器；10、温度传感器；11、电流传感器；12、控制器。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

请参图1至图2所示出的本发明一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统的一种具体实施方式。

一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统，冷却系统包括经管路依次串联形成循环回路的水箱2、过滤器3、液压泵4、驱动线圈以及热交换器7，水箱2配置有水位开关1，过滤器3一端与水箱2相连，另一端与液压泵4相连，液压泵4液压泵4采用定量泵，保证比例换向阀8P口的流量恒定，并配置有驱动电机；冷却系统还包括：布置于液压泵4的出水口侧的压力表5，用于实时监测液压泵4的水压；布置于液压泵4与比例换向阀8相连的管路上的溢流阀6，用于对液压泵4的出水压力进行控制，当水压高于设定值时，流体从溢流阀6中进行溢流，防止泵站水压过大。

在本实施例中，驱动线圈呈螺旋管状结构，两端分别形成有进出水口一与进出水口二，中央还开设有进出水口三，在本实施例中，驱动线圈主要由螺旋状的冷却水环和额外从冷却水环中间引出的冷却水管组成；冷却原理是分别从冷却水环的头部和尾部通入冷却水，将冷却水环内的冷却水与驱动线圈进行热量交换，从而实现对驱动线圈的冷却降温，最后将受热后的冷却水从冷却水环中间引出的两个冷却水管中流出。冷却系统还包括：比例换向阀8，布置于液压泵4与驱动线圈相连的管路上，比例换向阀8具有P、A、B、T四个口，其中，P口通过管路与液压泵4的出水口相连，A口通过管路与进出水口一、进出水口二相连，B口通过管路与进出水口三相连；T口通过管路与热交换器7的入水口相连；流量传感器9，布置于A口与进出水口一、进出水口二相连的管路上，用于监测驱动线圈内的流量；温度传感器10，具有三组，分别布置于进出水口一、进出水口二以及进出水口三处；电流传感器11，布置于驱动线圈上，用于监测驱动线圈的驱动电流；控制器12，与温度传感器10、流量传感器9、电流传感器11以及比例换向阀8电连接，用于接收各传感器监测信号并输出不同大小的控制信号控制比例换向阀8阀口的大小以及阀芯所在位置。

需要理解的是，冷却水路的工作原理是液压泵4从水箱2内抽取蒸馏水，抽取出的蒸馏水首先通过过滤器3进行过滤，然后从比例换向阀8的管路流通到驱动线圈的冷却水环内，冷却水环中流出的已经受热升温的工作流体经过比例换向阀8流到热交换器7内，热交换器7从外部引入外循环冷冻水，将其与受热后的工作流体通过换热片交换热量，从而将高温的工作流体冷却为低温工作流体，最后低温的工作流体流回水箱2；其中温度传感器10实时监控驱动线圈进出水口的温度，流量传感器9实时监控驱动线圈的输入流量，电流传感器11实时监控驱动线圈的驱动电流。

本发明还公开了一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统的工作方法，包括以下步骤：S1，初始设定水流正向流动，此时驱动线圈进水温度出水温度T_p＝T_i3，其中，T_i1、T_i2和T_i3分别为进出水口一、进出水口二以及进出水口三的温度；S2，实时监测进出水口一、进出水口二以及进出水口三的温度T_i1、T_i2、T_i3、驱动线圈内的流量q、驱动线圈的驱动电流I；S3，设定温度阈值T_low、T_high，其中，T_low和T_high分别为温度调节的下限阈值和上限阈值，T_low在20-30摄氏度之间取值，T_high在60-70摄氏度之间取值；根据驱动线圈进出水口处温度较大值max{T_i,T_p}与温度阈值T_lo_w和T_high对比结果，对比例换向阀8的初始阀口u₀进行分配，初始阀口u₀的具体分配方式为通过控制器12发送阀口指令控制比例换向阀8初始阀口大小，其中，

当max{T_i,T_p}≤T_low时为第一级，u₀＝u_min，代表低开口等级，u_min在(1/4～1/3)u_max之间进行取值；

当T_low＜max{T_i,T_p}≤T_high时为第二级，u₀＝u_mid，代表中开口等级，u_mid在(1/2～2/3)u_max之间取值；

当max{T_i,T_p}＞T_high时为第三级，u₀＝u_max；

S4，根据驱动线圈进出水口总体平均温度与温度阈值T₀对比结果，T₀在20-40摄氏度之间进行取值，对比例换向阀8的阀口u大小进行修正；具体的，S4步骤中对比例换向阀8阀口u大小进行修正的公式如下：

u＝u₀+u_m

若T_avg＜T₀，则输出阀口修正参数u_m＝0

若T_avg≥T₀，根据流量传感器9实际监测到冷却水环的流量q与冷却介质单位时间带走驱动线圈热量所需的流量的绝对值|q₀|对比结果；

当q≥|q₀|时，阀口修正参数u_m＝0；

当q＜|q₀|时，修正参数u_m＝b，b为修正值，取

其中，根据冷却介质带走热量与温度的关系计算冷却介质单位时间带走同等热量所需的流量q₀，其计算公式为：

其中ρ_水代表冷却介质的密度，c代表冷却介质单位质量的热容量；

通过驱动线圈产生热量与驱动电流的关系计算当前驱动电流导致的驱动线圈单位时间所产生的热量Q_产其计算公式为：

其中ρ代表导体的密度，L代表导体长度，S代表导体横截面积。

S5，根据比例换向阀8阀口状态u与阀口最大值u_max对比结果：

当u≤u_max时，保持输出当前阀口状态u；

当u＞u_max时，控制阀口实际状态为u_max；

S6，对驱动线圈进出水口温差T_e＝T_p-T_i进行检测，设T_h为换向温度阈值，T_h在10-25摄氏度之间进行取值；

若驱动线圈出水口温差T_e≥T_h，则控制比例换向阀8进行换向，并根据比例换向阀8阀芯所在位置，确定水流方向，判定是否停机，若停机则结束系统工作，否则返回步骤S2；其中，当水流方向为正向，则进水温度出水温度T_p＝T_i3；当水流方向为反向，则进水温度T_i＝T_i3，出水温度/>

若驱动线圈进出水口温差T_e＜T_h，则根据实际操作情况，判定是否进行停机，若停机则结束系统工作，否则返回步骤S2。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统，冷却系统包括经管路依次串联形成循环回路的水箱、过滤器、液压泵、驱动线圈以及热交换器，液压泵配置有驱动电机，其特征在于，驱动线圈呈螺旋管状结构，两端分别形成有进出水口一与进出水口二，中央还开设有进出水口三，冷却系统还包括：

比例换向阀，布置于液压泵与驱动线圈相连的管路上，比例换向阀具有P、A、B、T四个口，其中，P口通过管路与液压泵的出水口相连，A口通过管路与进出水口一、进出水口二相连，B口通过管路与进出水口三相连；T口通过管路与热交换器的入水口相连；

流量传感器，布置于A口与进出水口一、进出水口二相连的管路上，用于监测驱动线圈内的流量；

温度传感器，具有三组，分别布置于进出水口一、进出水口二以及进出水口三处；

电流传感器，布置于驱动线圈上，用于监测驱动线圈的驱动电流；

控制器，与温度传感器、流量传感器、电流传感器以及比例换向阀电连接，用于接收各传感器监测信号并输出不同大小的控制信号控制比例换向阀阀口的大小以及阀芯所在位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统，其特征在于，冷却系统还包括：

压力表，布置于液压泵的出水口侧，用于实时监测液压泵的水压；

溢流阀，布置于液压泵与比例换向阀相连的管路上，用于对液压泵的出水压力进行控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统，其特征在于，液压泵采用定量泵，保证比例换向阀P口的流量恒定。

4.基于权利要求1所述的一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，初始设定水流正向流动，此时驱动线圈进水温度出水温度T_p＝T_i3，其中，T_i1、T_i2和T_i3分别为进出水口一、进出水口二以及进出水口三的温度；

S2，实时监测进出水口一、进出水口二以及进出水口三的温度T_i1、T_i2、T_i3、驱动线圈内的流量q、驱动线圈的驱动电流I；

S3，设定温度阈值T_low、T_high，其中，T_low和T_high分别为温度调节的下限阈值和上限阈值；

根据驱动线圈进出水口处温度较大值max{T_i,T_p}与温度阈值T_lo_w和T_high对比结果，对比例换向阀的初始阀口u₀进行分配，

S4，根据驱动线圈进出水口总体平均温度与温度阈值T₀对比结果，对比例换向阀的阀口u大小进行修正；

S5，根据比例换向阀阀口状态u与阀口最大值u_max对比结果：

当u≤u_max时，保持输出当前阀口状态u；

当u＞u_max时，控制阀口实际状态为u_max；

S6，对驱动线圈进出水口温差T_e＝T_p-T_i进行检测，设T_h为换向温度阈值；

若驱动线圈出水口温差T_e≥T_h，则控制比例换向阀进行换向，并根据比例换向阀阀芯所在位置，确定水流方向，判定是否停机，若停机则结束系统工作，否则返回步骤S2；

其中，当水流方向为正向，则进水温度出水温度T_p＝T_i3；当水流方向为反向，则进水温度T_i＝T_i3，出水温度/>

若驱动线圈进出水口温差T_e＜T_h，则根据实际操作情况，判定是否进行停机，若停机则结束系统工作，否则返回步骤S2。

5.根据权利要求4的一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统的工作方法，其特征在于，S3步骤中，初始阀口u₀的具体分配方式为：通过控制器发送阀口指令控制比例换向阀初始阀口u₀大小，其中，

当max{T_i,T_p}≤T_low时，u0＝u_min；

当T_low＜max{T_i,T_p}≤T_high时，u₀＝u_mid；

当max{T_i,T_p}＞T_high时，u₀＝u_max。

6.根据权利要求4的一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统的工作方法，其特征在于，S4步骤中对比例换向阀阀口u大小进行修正的公式如下：u＝u₀+u_m；

若T_avg＜T₀，则输出阀口修正参数u_m＝0

若T_avg≥T₀，根据流量传感器实际监测到冷却水环的流量q与冷却介质单位时间带走驱动线圈热量所需的流量的绝对值|q₀|对比结果；

当q≥|q₀|时，阀口修正参数u_m＝0；

当q＜|q₀|时，修正参数u_m＝b，b为修正值，取

其中，根据冷却介质带走热量与温度的关系计算冷却介质单位时间带走同等热量所需的流量q₀，其计算公式为：

其中ρ_水代表冷却介质的密度，c代表冷却介质单位质量的热容量；

通过驱动线圈产生热量与驱动电流的关系计算当前驱动电流导致的驱动线圈单位时间所产生的热量Q_产其计算公式为：

其中ρ代表导体的密度，L代表导体长度，S代表导体横截面积。

7.根据权利要求4的一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统的工作方法，其特征在于，T_low在20-30摄氏度之间取值，T_high在60-70摄氏度之间取值。

8.根据权利要求5的一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统的工作方法，其特征在于，u_min在(1/4～1/3)u_max之间进行取值；u_mid在(1/2～2/3)u_max之间取值。

9.根据权利要求6的一种基于多传感器融合的电动振动台动圈冷却系统的工作方法，其特征在于，T₀在20-40摄氏度之间进行取值，T_h在10-25摄氏度之间进行取值。