俘能隔振器以及应用其的旋挖钻机钻杆系统

1.本发明涉及一种隔振器以及应用这种隔振器的旋挖钻机。


背景技术：

2.旋挖钻机是一种用于工程建设项目的大型灌注桩基钻孔设备，在过程中旋转的钻头往往受到很大的冲击动载荷与频繁的交变载荷。钻机在工作过程中，旋转的钻头往往受到很大的冲击动载荷与频繁的交变载荷，在此情况下，钻头必然产生强烈的振动现象，同时振动传导至钻杆，引起钻杆的剧烈振动。强烈的振动冲击加速钻杆的疲劳破坏，引起裂纹的扩展，甚至直接断裂。振动问题是导致旋挖钻机作业性能下降的最主要原因之一，它不仅会造成钻头破坏、钻杆断裂等机体的过早失效，还会影响钻孔质量，甚至造成钻孔坍塌等重大安全事故。虽然现在已有一些主动隔振技术，但是，这些技术不大适用于旋挖钻机隔振，尤其是在深井远离稳定电源的一些特殊场合主动隔振无法普及，如果能够把振动产生的能量利用起来，实现对主动隔振系统的电能自给，将为主动控制的隔振系统带来便利。


技术实现要素：

3.为了解决背景技术中所提到的技术问题，提供一种基于振动能量循环利用的主动隔振系统，将大大提升复杂振动控制的效率，以及复杂钻井环境下隔振器的适应性。本发明提供一种俘能隔振器以及应用其的旋挖钻机钻杆系统，应用此方案不仅能够较好实现宽频带隔振，还能主动俘获机械振动能量，实现了能量的循环利用，是一种绿色、高效和可自适应环境激励并且可用于钻杆系统的隔振器。
4.本发明的技术方案是：方案1：一种用于俘能隔振器的被动隔振系统，包括上基座23和下基座29，其独特之处在于：所述系统还包括螺旋弹簧24、弹簧支座25、中间阀体26以及金属橡胶27和金属橡胶固定器28；所述被动隔振系统采用上下双层隔振结构，上基座23和下基座29上面有螺栓孔用于实现固定安装。
5.所述上层隔振结构为：上基座23和中间阀体26中间是呈360度对称布置的四组螺旋弹簧24，所述螺旋弹簧通过弹簧支座25固定在所述中间阀体与上基座之间；弹簧支座25通过螺栓固定在所述上基座与中间阀体上。
6.所述下层隔振结构为：串联组合安装后的两组金属橡胶27，通过金属橡胶固定器28固定；中间阀体26与所述下基座用于安装固定金属橡胶固定器28。
7.方案2：一种用于俘能隔振器的能量俘获系统，包括次动俘能结构15和电能转换模块20，其独特之处在于：次动俘能结构15包括次动块30、固定销31、螺栓32、压电陶瓷片33、金属板34以及质量块35；电能转换模块20包括全波整流器37、超级电容38、升压装置39以及稳压装置40。导电管14里的导线19用于实现电子元件之间的电连接；所述电能转换模块还配置有交流电接
线端子36和直流电输出端子41。
8.两片规格相同的压电陶瓷片33上下对称粘贴在金属板34上形成压电振子，在所述压电振子上的附加质量块35以实现通过调节质量来改变压电振子固有频率；金属板34通过固定销31固定于次动块30上，当调节所述次动块中间与压电振子之间的距离能改变所述压电振子的振动幅度。
9.所述压电振子通过导线与电能转换模块的交流电接线端子36相连，产生的交流电经整流器37整流后变成直流电，进入由电容38组成的储能电路；升压装置39，用于将经由压电俘能后储存的电压升压并经稳压装置40稳压后输送到直流输出端子41，为主动控制系统提供电能供给。
10.方案3：一种俘能隔振器，包括主动控制系统，所述主动控制系统包括电磁作动器17、传感器18、主动控制器21以及作动器驱动器22；其独特之处在于：所述俘能隔振器还包括用于俘能隔振器的被动隔振系统和能量俘获系统；次动俘能结构15中的次动块30通过螺栓32固定于上基座23上，机械系统振动时，安装在上基座23上的四组压电振子发生形变并产生压电效应而产生电能；传感器18固定在下基座29上，电磁作动器17通过作动器固定器50固定在所述被动隔振系统的上层隔振结构；下基座29上固定的传感器18用于实时感知振动信号，当被动隔振不能满足对外界激励的要求时，所述传感器将检测到的信号通过信号引脚43反馈输入到主动控制器21，主动控制器根据dsp芯片44里设定好的程序，通过控制策略分析运算后，将振动信号转换成所控制的电信号，电信号经引脚45送至作动器驱动器22，作动器驱动器根据传送过来的电信号输出相对应的电流大小驱动电磁作动器17的运动；所述主动控制系统的工作电源来自于俘获的电能经直流输出端子41 输出。
11.方案4：一种应用俘能隔振器旋挖钻机钻杆系统，所述俘能隔振器安装在钻杆2与钻具8之间，置于钻杆弹簧5中间，通过法兰盘9与钻杆系统相连接。
12.方案5：优选地，隔振器置于上保护罩11和下保护罩12内。
13.本发明具有如下有益效果：本发明所给出的技术方案，以隔振性能优异的金属橡胶材料作为隔振单元实施被动隔振，通过传感检测系统采集外界随机振动信号的变化，将振动信号转变为电信号后传送至主动控制器，控制器根据控制策略进行主动控制参数调节，把接收到的电信号输出输送到作动器驱动器，驱动器依据调节后的电信号来控制电磁作动器的运动，产生反馈控制力以达到对振动的主动控制。当外界激励传递到隔振器上时，安装在隔振器上层的次动俘能结构接收到振动信号并将其传递到压电振子，压电振子由于振动而产生振动形变进而产生交流电，交流电通过整流，储存、转换和稳压后为主动控制系统提供稳定的直流电供给，从而实现了机械系统振动能量采集、转换和利用，同时在主动控制策略作用下，保证了隔振系统参数随外界激励变化实现了对钻井复杂振动的最优控制。
14.本发明可以为深井钻井钻杆环境，尤其是不能提供稳定电源的深井工作环境，提供智能化的振动控制，通过传感检测系统对振动信号实时监测，达到主动与被动共同作用，对外界复杂时变激励的最优控制。基于压电俘能的智能隔振器，通过俘获和利用振动产生的能量，构建的主动控制控制策略，实现了对复杂时变激励的振动有效控制，并促进了振动能量的循环利用，促成了节能环保隔振的实现。
15.附图说明：图1为本发明所述应用俘能隔振器旋挖钻机钻杆系统的结构示意图。
16.图2为本发明所述俘能隔振器外观结构示意图。
17.图3为本发明所述俘能隔振器内部结构示意图。
18.图4为本发明所述俘能隔振器各组成部分之间电连接关系示意图。
19.图5为本发明所述被动隔振系统的整体结构示意图。
20.图6为本发明所述能量俘获系统的整体结构示意图。
21.图7为本发明所述主动控制系统的整体结构示意图。
22.图8为本发明所述主动控制系统所在电路板的示意图。
23.图9为本发明所述电磁作动器驱动器整体结构示意图。
24.图10为本发明所述电磁作动器安装结构示意图。
25.图中，1-扁头2-钻杆系统，3-动力头，4-托盘，5-钻杆弹簧，6-隔振系统，7-方头，8-钻具部分，9-法兰盘，10-连接螺栓控，11-隔振器上层保护罩，12-隔振器下层保护罩，13-电箱，14-导线管，15-次动俘能结构,16-被动隔振系统，17-电磁作动器，18-传感器， 19-导线，20-能量转换模块，21-主动控制器，22-作动器驱动器，23-被动隔振器上基座，24-螺旋弹簧，25-弹簧支座，26-中间阀体，27-金属橡胶，28-金属橡胶固定器，29-下基座，30-次动块，31-固定销，32-螺栓，33-压电陶瓷，34-金属板，35-质量块， 36-交流电接线端子，37-全波整流器，38-超级电容，39-升压装置，40-稳压装置，41-直流电输出端子，42-主动控制器接线端子，43-振动信号接收引脚，44-dsp芯片，45-电信号输送引脚， 46-作动器驱动器接线端子，47-电信号接收引脚，48-驱动电容，49-供电端子，50-作动器固定器。
26.具体实施方式：本种应用于旋挖钻机钻杆系统的俘能隔振器，包括被动隔振系统，能量俘获系统和主动控制系统三部分。其中被动隔振系统由螺旋弹簧组，金属橡胶等组成。能量俘获系统包括次动俘能结构和能量转换模块。主动控制系统包括传感器，电磁作动器，主动控制器等。
27.被动隔振系统是一个双层结构，上层通过螺旋弹簧提供大刚度小阻尼，达到对电磁作动器的保护与振动的隔离作用。部分振动能量通过中间阀体传递到下层，下层主要由金属橡胶材料提供大阻尼特性。通过上下两层共同作用对较宽频率范围的耦合振动系统实施隔振控制。
28.次动俘能结构通过螺栓安装在被动隔振器的上基座，两片规格相同的压电陶瓷片粘贴在金属板上组成压电振子，压电振子垂直于隔振器安装，主要是为了解决旋转钻杆时俘获能量。压电振子通过固定销安装在次动块上，通过调节压电振子与次动块之间的距离改变压电振子的振动幅度，通过改变外加质量块以改变压电振子的固有频率。压电振子通过外界振动而产生压电效应，并形成交流电，经过能量转换装置的整流、储存、升压达到可供给主动控制系统的直流电。
29.在被动隔振器的下层壳体上安放振动传感器，振动传感器通过检测外界传递到隔振器的振动信号，把振动信号传递到控制器，控制器通过执行dsp芯片里的控制程序将检测到的并经转换后的电信号传输到电磁作动器，电磁作动器根据电流变化控制作动器的运动，从而产生随激励变化的控制力完成对外界激励的主动控制。在整个过程中主动控制系
统所需的电能取自于压电俘能系统。
30.下面结合附图1至10对本发明的具体实施方式做进一步说明：从整体结构上看如图1图2所以，隔振器安装在钻杆2与钻具8之间位置，装置在大型钻杆弹簧5中间，主要防止钻头引起的大振动传递到钻杆部分。隔振器通过法兰盘9与钻杆系统相连接使它们成为一个整体。隔振器被上保护罩11和下保护罩12保护在里面。保护罩里面是隔振系统，控制系统和俘能系统，所需要的电子元件都在电箱13里面。它们之间连接导线在导线管14中。
31.从结构功能上看如图4所示，一种基于旋挖钻机钻杆系统的俘能智能隔振器，包括被动隔振系统，能量俘获系统和主动控制系统三部分。
32.其中被动隔振系统如图5所示，是一个双层隔振器23，包括上层环360度对称布置四组螺旋弹簧24，螺旋弹簧通过弹簧支座25固定在阀体与上基座之间。下层串联组合安装两组金属橡胶试块27，金属橡胶通过金属橡胶固定器28固定在下层，二者通过中间阀体26上下连接，前者具有较好的组合刚度，后者具有较宽的阻尼范围，上下两层组合后可实现外界时变激励下较好的隔振效果。
33.能量俘获系统如图6和图7所示，主要是指次动俘能结构15和电能转换模块20，将次动块30通过螺栓32固定于隔振器上基座23上，将两片规格相同的压电陶瓷片33上下对称粘贴在金属板34上形成压电振子，金属板34通过固定销31固定于次动块30上。通过调节附加质量块35的质量可以改变压电振子固有频率，调节次动块中间与压电振子之间的距离可以改变压电振子的振动幅度。机械系统振动时，安装在隔振器上基座23上的四组压电振子发生形变并产生压电效应而产生电能。压电振子通过导线与电能转换模块的交流电接线端子36相连，产生的交流电经整流器37整流后变成直流电，进入由电容38组成的储能电路。由于压电俘能后储存的电压较小，因此需要升压装置39，将储存的电压升压并经稳压装置40稳压后输送到直流输出端子41，为主动控制系统提供电能供给。
34.下基座29上的传感器18实时感知外界出来的振动信号，当被动隔振不能很好的满足对外界激励的要求时，传感器将检测到的信号通过信号引脚43反馈输入到主动控制器21，主动控制器根据dsp芯片44里设定好的程序，通过控制策略分析运算后，将其振动信号转换成所控制的电信号，电信号经引脚45送至作动器驱动器22，作动器驱动器根据传送过来的电信号输出相对应的电流大小驱动电磁作动器17的运动，达到对振动的主动控制效果。其中电磁作动器被电磁作动器固定器50固定在被动隔振器上层，可以对外界激励更好的作用。作动器和控制器电路的电源均来自于俘获的电能经直流输出端子41 输出，即振动俘能获得有效利用，完成了对钻杆系统振动的主动控制。
35.应用主被动隔振器不仅能够较好实现宽频带隔振，还能主动俘获机械振动能量，实现了能量的循环利用，是一种绿色、高效和可自适应环境激励，可用于钻杆系统的智能隔振器。