CN114673699A - 一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台及能量回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台及能量回收方法，包括平台板、支架、动力陀螺稳定器、四配流窗口液压泵、两位三通电磁换向阀一、两位三通电磁换向阀二、执行油缸和控制器，动力陀螺稳定器与支架连接，四配流窗口液压泵A口、B口与执行油缸连接，四配流窗口液压泵C口与两位三通电磁换向阀一A口连接，四配流窗口液压泵D口与两位三通电磁换向阀二A口连接，两位三通电磁换向阀一和两位三通电磁换向阀二P口都与油箱连接，两位三通电磁换向阀一和两位三通电磁换向阀二T口都与动力陀螺稳定器连接，控制器与四配流窗口液压泵连接；既保证执行机构工作油压稳定性，又实现无级快速响应来自海浪和海风等不规则的干扰力矩；节能减排。

Description

一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台及能量回收方法

技术领域

本发明属于液压传动控制与储能技术领域，具体地说，本发明涉及一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台及能量回收方法。

背景技术

大型海上起吊机在海面作业时，除了需要克服自身机构的振动之外，还需要克服船体配重、海浪、海风产生的干扰力矩，来规避整个大型海上起吊机侧倾的风险，以保证被吊货物的稳定性。

传统的大型海上起吊机跟传统的陆地吊车一样，采用固定转动惯量的蓄能器，首先，无法给执行机构提供一个相对稳定的油液压力，导致机构振动，且产生噪声，其次也无法平衡来自海浪和海风等不规则的干扰力矩。

故需要一种无级调节，响应速度快的蓄能装置，来满足大型海上起吊机的应用。

发明内容

本发明提供一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台及能量回收方法，以解决上述背景技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，包括平台板、支架、动力陀螺稳定器、四配流窗口液压泵、两位三通电磁换向阀一、两位三通电磁换向阀二、执行油缸和控制器，所述支架对称设有两个，所述动力陀螺稳定器与支架转动连接，所述四配流窗口液压泵上的A口、B口与执行油缸的无杆腔相通连接，四配流窗口液压泵上的C口与两位三通电磁换向阀一的A口连接，四配流窗口液压泵上的D口与两位三通电磁换向阀二的A口连接，两位三通电磁换向阀一和两位三通电磁换向阀二的P口都与油箱连接，两位三通电磁换向阀一和两位三通电磁换向阀二的T口相通，且都与动力陀螺稳定器连接，所述控制器通过控制线束与四配流窗口液压泵连接。

优选的，所述动力陀螺稳定器包括可变惯量转子、内框架、转轴和转子电机，所述可变惯量转子两端与内框架转动连接，所述转轴一端与内框架紧固连接，另外一端与支架转动连接，所述转子电机与内框架紧固连接，且驱动可变惯量转子旋转。

优选的，所述可变惯量转子包括上隔断法兰、内套筒、外套筒、下隔断法兰、环形活塞、上端板、下端板和固定杆，所述上隔断法兰和下隔断法兰与内框架转动连接，所述上隔断法兰和下隔断法兰通过螺旋副拧合在外套筒端部内壁，且通过密封胶圈压紧在内套筒端部，所述环形活塞设置于内套筒和外套筒同轴线安装后形成的环形空腔中，且将环形空腔分为气腔和油腔，其中气腔通过上隔断法兰上的通孔与内套筒相通，油腔通过下隔断法兰上的通孔与油路相通，所述固定杆两端分别穿过上端板和下端板，且使上端板和下端板通过密封胶圈压紧在外套筒端部。

优选的，所述四配流窗口液压泵的伸出轴上设有电磁离合器，所述电磁离合器另外一端连接发电机，发电机通过电缆线与蓄电池连接，所述蓄电池给转子电机供电驱动其工作。

优选的，所述转轴端部设有角度传感器，且转轴的转角由角度传感器采集，并通过线束与控制器连接。

优选的，所述环形活塞的位移通过位移传感器采集，并通过线束与控制器连接。

优选的，所述执行油缸的无杆腔的液压油压力通过压力传感器与控制器连接；所述执行油缸的活塞杆伸出速度通过速度传感器经过比较器与控制器连接。

采用以上技术方案的有益效果是：

1、本发明的液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，大型海上起吊机，被吊货物下降时，执行油缸的活塞杆收缩，此时，执行油缸无杆腔的油液回流，控制器根据角度传感器检测的转轴转角数据、位移传感器检测的当前环形活塞的位置数据，然后控制四配流窗口液压泵工作，具体分以下三中情况。

第一种：此时海浪和海风很平稳，即大型海上起吊机很平稳，海浪和海风产生的干扰力矩变化很小，此时可变惯量转子的油腔不需要充油蓄能。

电磁离合器接通，两位三通电磁换向阀一的左位接通，油液通过两位三通电磁换向阀一的左位回到油箱，油液的动能通过四配流窗口液压泵驱动发电机发电储存在蓄电池中，实现油液的动能的回收。

电磁离合器接通，两位三通电磁换向阀一和两位三通电磁换向阀二的左位同时接通，油液通过两位三通电磁换向阀一和两位三通电磁换向阀二的左位回到油箱，油液的动能通过四配流窗口液压泵驱动发电机发电储存在蓄电池中，实现油液的动能的回收。

第二种：此时海浪和海风较小，即大型海上起吊机产生小摇摆，海浪和海风产生的干扰力矩变化较小，此时可变惯量转子的油腔需要缓慢充油蓄能。

电磁离合器接通，两位三通电磁换向阀一的左位接通，两位三通电磁换向阀二的右位接通；一部分油液通过两位三通电磁换向阀一的左位回到油箱，油液的动能通过四配流窗口液压泵驱动发电机发电储存在蓄电池中，实现油液的动能的回收；另外一部分油液通过两位三通电磁换向阀二的右位进入可变惯量转子的油腔，进入油腔的油液推动环形活塞缓慢上移，气腔中的氮气被进一步压缩进入内套筒中，实现了可变惯量转子的转动惯量的无级缓慢增大。

第三种：此时海浪和海风较大，即大型海上起吊机产生大摇摆，海浪和海风产生的干扰力矩变化很大，此时可变惯量转子的油腔需要快速充油蓄能。

电磁离合器断开，两位三通电磁换向阀一的右位接通，两位三通电磁换向阀二的右位接通；油液通过两位三通电磁换向阀一和两位三通电磁换向阀二的右位汇流进入可变惯量转子的油腔，进入油腔的油液推动环形活塞快速上移，气腔中的氮气被进一步压缩进入内套筒中，实现了可变惯量转子的转动惯量的无级快速增大。

本发明的液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，采用多级无级调节可变惯量转子，既保证了执行机构工作油压的稳定性，避免机构振动和噪声，又实现了无级快速响应来自海浪和海风等不规则的干扰力矩。

2、本发明的液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，压力传感器检测的执行油缸无杆腔的油压数据，速度传感器检测的执行油缸活塞杆的速度数据，通过控制器负反馈控制四配流窗口液压泵的转速和动力有路，保证执行油缸工作的稳定性。

3、本发明的液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台的能量回收方法，将执行油缸无杆腔回流的油液的动能转变为电能驱动转子电机驱动可变惯量转子旋转，实现了节能减排的作用；另外将执行油缸无杆腔回流的油液的动能转变为无级变化的可变惯量转子的旋转动能，用以平衡海浪和海风带来的干扰力矩，也实现了能力的回收再利用。

附图说明

图1是本发明的液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台工作原理图；

图2是可变惯量转子剖视图；

其中：

1、平台板；2、支架；3、动力陀螺稳定器；4、四配流窗口液压泵；5、两位三通电磁换向阀一；6、两位三通电磁换向阀二；7、执行油缸；8、控制器；9、油箱；

30、可变惯量转子； 31、内框架；32、转轴；33、转子电机；

3-1、上隔断法兰；3-2、内套筒；3-3、外套筒；3-4、下隔断法兰；3-5、环形活塞；3-6、上端板；3-7、下端板；3-8、固定杆；

300、角度传感器；301、位移传感器；

40、电磁离合器；41、发电机；42、蓄电池；

70、压力传感器；71、比较器；72、速度传感器。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1至图2所示，本发明是一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台及能量回收方法，采用多级无级调节可变惯量转子，既保证了执行机构工作油压的稳定性，避免机构振动和噪声，又实现了无级快速响应来自海浪和海风等不规则的干扰力矩。充分利用了重力作用在货物上，给执行油缸的无杆腔油液的动能，实现能量回收再利用，节能减排。

具体的说，如图1至图2所示，包括平台板1、支架2、动力陀螺稳定器3、四配流窗口液压泵4、两位三通电磁换向阀一5、两位三通电磁换向阀二6、执行油缸7和控制器8，所述支架2对称设有两个，所述动力陀螺稳定器3与支架2转动连接，所述四配流窗口液压泵4上的A口、B口与执行油缸7的无杆腔相通连接，四配流窗口液压泵4上的C口与两位三通电磁换向阀一5的A口连接，四配流窗口液压泵4上的D口与两位三通电磁换向阀二6的A口连接，两位三通电磁换向阀一5和两位三通电磁换向阀二6的P口都与油箱9连接，两位三通电磁换向阀一5和两位三通电磁换向阀二6的T口相通，且都与动力陀螺稳定器3连接，所述控制器8通过控制线束与四配流窗口液压泵4连接。

所述动力陀螺稳定器3包括可变惯量转子30、内框架31、转轴32和转子电机33，所述可变惯量转子30两端与内框架31转动连接，所述转轴32一端与内框架31紧固连接，另外一端与支架2转动连接，所述转子电机33与内框架31紧固连接，且驱动可变惯量转子30旋转。

所述可变惯量转子30包括上隔断法兰3-1、内套筒3-2、外套筒3-3、下隔断法兰3-4、环形活塞3-5、上端板3-6、下端板3-7和固定杆3-8，所述上隔断法兰3-1和下隔断法兰3-4与内框架31转动连接，所述上隔断法兰3-1和下隔断法兰3-4通过螺旋副拧合在外套筒3-3端部内壁，且通过密封胶圈压紧在内套筒3-2端部，所述环形活塞3-5设置于内套筒3-2和外套筒3-3同轴线安装后形成的环形空腔中，且将环形空腔分为气腔和油腔，其中气腔通过上隔断法兰3-1上的通孔与内套筒3-2相通，油腔通过下隔断法兰3-4上的通孔与油路相通，所述固定杆3-8两端分别穿过上端板3-6和下端板3-7，且使上端板3-6和下端板3-7通过密封胶圈压紧在外套筒3-3端部。

所述四配流窗口液压泵4的伸出轴上设有电磁离合器40，所述电磁离合器40另外一端连接发电机41，发电机41通过电缆线与蓄电池42连接，所述蓄电池42给转子电机33供电驱动其工作。

所述转轴32端部设有角度传感器300，且转轴32的转角由角度传感器300采集，并通过线束与控制器8连接。

所述环形活塞3-5的位移通过位移传感器301采集，并通过线束与控制器8连接。

所述执行油缸7的无杆腔的液压油压力通过压力传感器70与控制器8连接；所述执行油缸7的活塞杆伸出速度通过速度传感器72经过比较器71与控制器8连接。

以下用具体实施例对具体工作方式进行阐述：

实施例1：

本发明的液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，大型海上起吊机，被吊货物下降时，执行油缸7的活塞杆收缩，此时，执行油缸7无杆腔的油液回流，控制器8根据角度传感器300检测的转轴32转角数据、位移传感器301检测的当前环形活塞3-5的位置数据，然后控制四配流窗口液压泵4工作，具体分以下三中情况。

第一种：此时海浪和海风很平稳，即大型海上起吊机很平稳，海浪和海风产生的干扰力矩变化很小，此时可变惯量转子30的油腔不需要充油蓄能。

电磁离合器40接通，两位三通电磁换向阀一5的左位接通，油液通过两位三通电磁换向阀一5的左位回到油箱，油液的动能通过四配流窗口液压泵4驱动发电机41发电储存在蓄电池42中，实现油液的动能的回收。

电磁离合器40接通，两位三通电磁换向阀一5和两位三通电磁换向阀二6的左位同时接通，油液通过两位三通电磁换向阀一5和两位三通电磁换向阀二6的左位回到油箱9，油液的动能通过四配流窗口液压泵4驱动发电机41发电储存在蓄电池42中，实现油液的动能的回收。

第二种：此时海浪和海风较小，即大型海上起吊机产生小摇摆，海浪和海风产生的干扰力矩变化较小，此时可变惯量转子30的油腔需要缓慢充油蓄能。

电磁离合器40接通，两位三通电磁换向阀一5的左位接通，两位三通电磁换向阀二6的右位接通；一部分油液通过两位三通电磁换向阀一5的左位回到油箱9，油液的动能通过四配流窗口液压泵4驱动发电机41发电储存在蓄电池42中，实现油液的动能的回收；另外一部分油液通过两位三通电磁换向阀二6的右位进入可变惯量转子30的油腔，进入油腔的油液推动环形活塞3-5缓慢上移，气腔中的氮气被进一步压缩进入内套筒3-2中，实现了可变惯量转子30的转动惯量的无级缓慢增大。

第三种：此时海浪和海风较大，即大型海上起吊机产生大摇摆，海浪和海风产生的干扰力矩变化很大，此时可变惯量转子30的油腔需要快速充油蓄能。

电磁离合器40断开，两位三通电磁换向阀一5的右位接通，两位三通电磁换向阀二6的右位接通；油液通过两位三通电磁换向阀一5和两位三通电磁换向阀二6的右位汇流进入可变惯量转子30的油腔，进入油腔的油液推动环形活塞3-5快速上移，气腔中的氮气被进一步压缩进入内套筒3-2中，实现了可变惯量转子30的转动惯量的无级快速增大。

实施例2：

在实施例1的基础上，本发明的液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，压力传感器70检测的执行油缸7无杆腔的油压数据，速度传感器72检测的执行油缸7活塞杆的速度数据，通过控制器8负反馈控制四配流窗口液压泵4的转速和动力有路，保证执行油缸7工作的稳定性。

实施例3：

本发明的液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台的能量回收方法，将执行油缸无杆腔回流的油液的动能转变为电能驱动转子电机33驱动可变惯量转子30旋转，实现了节能减排的作用；另外将执行油缸7无杆腔回流的油液的动能转变为无级变化的可变惯量转子30的旋转动能，用以平衡海浪和海风带来的干扰力矩，也实现了能力的回收再利用。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，其特征在于：包括平台板（1）、支架（2）、动力陀螺稳定器（3）、四配流窗口液压泵（4）、两位三通电磁换向阀一（5）、两位三通电磁换向阀二（6）、执行油缸（7）和控制器（8），所述支架（2）对称设有两个，所述动力陀螺稳定器（3）与支架（2）转动连接，所述四配流窗口液压泵（4）上的A口、B口与执行油缸（7）的无杆腔相通连接，四配流窗口液压泵（4）上的C口与两位三通电磁换向阀一（5）的A口连接，四配流窗口液压泵（4）上的D口与两位三通电磁换向阀二（6）的A口连接，两位三通电磁换向阀一（5）和两位三通电磁换向阀二（6）的P口都与油箱（9）连接，两位三通电磁换向阀一（5）和两位三通电磁换向阀二（6）的T口相通，且都与动力陀螺稳定器（3）连接，所述控制器（8）通过控制线束与四配流窗口液压泵（4）连接。

2.根据权利要求1所述的一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，其特征在于：所述动力陀螺稳定器（3）包括可变惯量转子（30）、内框架（31）、转轴（32）和转子电机（33），所述可变惯量转子（30）两端与内框架（31）转动连接，所述转轴（32）一端与内框架（31）紧固连接，另外一端与支架（2）转动连接，所述转子电机（33）与内框架（31）紧固连接，且驱动可变惯量转子（30）旋转。

3.根据权利要求2所述的一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，其特征在于：所述可变惯量转子（30）包括上隔断法兰（3-1）、内套筒（3-2）、外套筒（3-3）、下隔断法兰（3-4）、环形活塞（3-5）、上端板（3-6）、下端板（3-7）和固定杆（3-8），所述上隔断法兰（3-1）和下隔断法兰（3-4）与内框架（31）转动连接，所述上隔断法兰（3-1）和下隔断法兰（3-4）通过螺旋副拧合在外套筒（3-3）端部内壁，且通过密封胶圈压紧在内套筒（3-2）端部，所述环形活塞（3-5）设置于内套筒（3-2）和外套筒（3-3）同轴线安装后形成的环形空腔中，且将环形空腔分为气腔和油腔，其中气腔通过上隔断法兰（3-1）上的通孔与内套筒（3-2）相通，油腔通过下隔断法兰（3-4）上的通孔与油路相通，所述固定杆（3-8）两端分别穿过上端板（3-6）和下端板（3-7），且使上端板（3-6）和下端板（3-7）通过密封胶圈压紧在外套筒（3-3）端部。

4.根据权利要求2所述的一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，其特征在于：所述四配流窗口液压泵（4）的伸出轴上设有电磁离合器（40），所述电磁离合器（40）另外一端连接发电机（41），发电机（41）通过电缆线与蓄电池（42）连接，所述蓄电池（42）给转子电机（33）供电驱动其工作。

5.根据权利要求2所述的一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，其特征在于：所述转轴（32）端部设有角度传感器（300），且转轴（32）的转角由角度传感器（300）采集，并通过线束与控制器（8）连接。

6.根据权利要求3所述的一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，其特征在于：所述环形活塞（3-5）的位移通过位移传感器（301）采集，并通过线束与控制器（8）连接。

7.根据权利要求6所述的一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台，其特征在于：所述执行油缸（7）的无杆腔的液压油压力通过压力传感器（70）与控制器（8）连接；所述执行油缸（7）的活塞杆伸出速度通过速度传感器（72）经过比较器（71）与控制器（8）连接。

8.根据权利要求7所述的一种液压蓄能式可变惯量陀螺稳定平台的能量回收方法，其特征在于：具体包括三种回收方式，

第一种：电磁离合器（40）接通，两位三通电磁换向阀一（5）的左位接通，油液通过两位三通电磁换向阀一（5）的左位回到油箱（9），油液的动能通过四配流窗口液压泵（4）驱动发电机（41）发电储存在蓄电池（42）中，实现油液的动能的回收；

电磁离合器（40）接通，两位三通电磁换向阀一（5）和两位三通电磁换向阀二（6）的左位同时接通，油液通过两位三通电磁换向阀一（5）和两位三通电磁换向阀二（6）的左位回到油箱（9），油液的动能通过四配流窗口液压泵（4）驱动发电机（41）发电储存在蓄电池（42）中，实现油液的动能的回收；

第二种：电磁离合器（40）接通，两位三通电磁换向阀一（5）的左位接通，两位三通电磁换向阀二（6）的右位接通；一部分油液通过两位三通电磁换向阀一（5）的左位回到油箱（9），油液的动能通过四配流窗口液压泵（4）驱动发电机（41）发电储存在蓄电池（42）中，实现油液的动能的回收；另外一部分油液通过两位三通电磁换向阀二（6）的右位进入可变惯量转子（30）的油腔，进入油腔的油液推动环形活塞（3-5）缓慢上移，气腔中的氮气被进一步压缩进入内套筒（3-2）中，实现了可变惯量转子（30）的转动惯量的无级缓慢增大；

第三种：电磁离合器（40）断开，两位三通电磁换向阀一（5）的右位接通，两位三通电磁换向阀二（6）的右位接通；油液通过两位三通电磁换向阀一（5）和两位三通电磁换向阀二（6）的右位汇流进入可变惯量转子（30）的油腔，进入油腔的油液推动环形活塞（3-5）快速上移，气腔中的氮气被进一步压缩进入内套筒（3-2）中，实现了可变惯量转子（30）的转动惯量的无级快速增大。

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