王利偉

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大型氣囊隔振裝置控制方案比較分析

王利偉

（91404部隊(duì)91分隊(duì)，河北秦皇島066001）

對(duì)氣囊隔振裝置的壓力分布進(jìn)行了分析，以氣囊壓力分布的方差最小為約束條件，在保證氣囊隔振裝置的高度的控制精度前提下，實(shí)現(xiàn)壓力優(yōu)化分布，將多氣囊分組連通進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)優(yōu)化壓力分布，通過(guò)壓力傳感器比較理論壓力與實(shí)際壓力值，對(duì)氣囊充氣，直到滿(mǎn)足額定工作高度。

連通 等效氣囊 控制 優(yōu)化

0 引言

大型氣囊隔振系統(tǒng)采用剛度較小、姿態(tài)可調(diào)、固有頻率較低的氣囊作為隔振元件。氣囊隔振系統(tǒng)用在船用柴油發(fā)電機(jī)的減振降噪上，其減振效果十分理想，該隔振裝置的加速度振級(jí)落差可達(dá)40 dB。為了發(fā)揮良好的隔振性能，又能保證軸系對(duì)中連接、管路和機(jī)組間剛性連接、連接管路的變形等。則必須使隔振系統(tǒng)保持高度上的控制精度，控制高度就是控制氣囊壓力，即通過(guò)自動(dòng)充氣，維持各氣囊的一個(gè)最佳壓力分布，是控制策略要解決的重要問(wèn)題，這對(duì)于延長(zhǎng)氣囊壽命，提高裝置的安全性與可靠性具有重要意義。

由于需要支撐大型設(shè)備，氣囊的額定承載量是有限的，這樣就需要多個(gè)氣囊來(lái)共同支撐，多氣囊充氣控制方案的優(yōu)化很關(guān)鍵。

1 氣囊布置圖

圖1氣囊隔振系統(tǒng)氣囊布置簡(jiǎn)圖(●表示位移傳感器)

2 氣囊隔振系統(tǒng)力學(xué)分析

為了使隔振裝置達(dá)到平衡，氣囊的壓力分布必須滿(mǎn)足兩個(gè)力矩平衡方程和一個(gè)力平衡方程：

圖2氣囊隔振系統(tǒng)側(cè)視圖

由于16個(gè)氣囊是同一型號(hào)的產(chǎn)品，其物理特性基本一致，因此，當(dāng)氣囊的高度相同時(shí)，各個(gè)氣囊的有效面積基本一致。顯然，當(dāng)所有氣囊的高度均為時(shí)，氣囊支持力與壓強(qiáng)。之間有如下關(guān)系：

由式（5）可知，當(dāng)隔振系統(tǒng)在一定高度下穩(wěn)定時(shí)，無(wú)論各氣囊壓強(qiáng)怎樣分布，所有氣鞋壓強(qiáng)之和是一個(gè)常數(shù)G/S。

由上可知，方程（3）可以化為

裝置的重量和重心位置是已知的，氣囊的安裝位置也是事先確定的，因此，就可以建立一個(gè)固定于重心的直角坐標(biāo)系，得出各氣囊的坐標(biāo)。在解上述方程組中，16個(gè)氣囊的壓強(qiáng)P是未知數(shù)，顯然該方程組（1）（2）（6）有無(wú)窮多組解。為了使氣囊的壓力分布盡可能均勻，對(duì)氣囊的壓力分布施加方差最小的約束條件，即：

利用Matlab的最小二乘優(yōu)化函數(shù)lsqlin，就可以計(jì)算出一組特定的壓力分布[,，…，]，它們的方差最小。

3 氣囊隔振系統(tǒng)控制策略

在保證氣囊隔振系統(tǒng)高度上的控制精度的同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)氣囊的壓力最佳分布，這是控制策略要研究的重要問(wèn)題。

本文主要思想是通過(guò)理論計(jì)算，得出一個(gè)最佳的壓力分布，得到各氣囊壓力的理論值，將理論值與壓力傳感器測(cè)得的實(shí)際值比較，對(duì)壓力小于理論值的氣囊進(jìn)行充氣，直到測(cè)得滿(mǎn)足額定高度就停止充氣。其主要程序流程如圖3所示。

圖3 控制策略流程圖

4 控制方案比較

16個(gè)氣囊的支撐，其中某一個(gè)氣囊充放氣，則裝置的改變量會(huì)很小，或者說(shuō)不滿(mǎn)足變化最小量，若兩個(gè)或更多氣囊同時(shí)進(jìn)行充氣或同時(shí)進(jìn)行放氣，則裝置高度改變量要明顯，但為了考慮控制精度，同時(shí)進(jìn)行充放氣的氣囊也不能太多，本裝置選用兩個(gè)，以重心為參考點(diǎn)，布置在X軸方向上重心的同側(cè)，這樣當(dāng)裝置發(fā)生傾斜時(shí)既可以及時(shí)扶正，又能快速達(dá)到規(guī)定高度。

由于同時(shí)進(jìn)行充氣或者同時(shí)進(jìn)行放氣，所以進(jìn)行了連通。

16個(gè)氣囊連通后變成8個(gè)虛擬的等效氣囊，如圖4所示

圖4 連通后的等效氣囊布置簡(jiǎn)圖

這樣每個(gè)氣囊都采用單獨(dú)控制充放氣的氣動(dòng)單元，可以改進(jìn)到每個(gè)氣動(dòng)單元同時(shí)控制兩個(gè)氣囊，則氣動(dòng)單元由16個(gè)就可以減少到8個(gè)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的組成，控制數(shù)據(jù)通道也由16路變?yōu)?路，提高了達(dá)到額定高度系統(tǒng)反應(yīng)所需時(shí)間，提高了系統(tǒng)的可靠性，更進(jìn)一步對(duì)氣囊隔振裝置的動(dòng)態(tài)控制提供了控制依據(jù)。

5 計(jì)算

以圖1所示的系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，隔振系統(tǒng)的額定工作高度為200.0mm，已知：

G/S==28.8 MPa

對(duì)氣囊的壓力分布施加方差最小的約束條件時(shí)，可以計(jì)算出裝置在額定高度處平衡時(shí)，16個(gè)氣囊壓力方差最小的壓力分布，如圖5。

圖 5 16個(gè)氣囊壓力分布（方差6.400403）

那么連通計(jì)算時(shí)除了方差最小外，還增加了約束條件：

16個(gè)氣囊壓力分布，圖6是計(jì)算結(jié)果。

計(jì)算值對(duì)比圖5和圖6。不連通的圖5壓力分布方差為6.400403，連通的圖6壓力分布方差為6.048896。方差越小波動(dòng)越小，則連通時(shí)好。

圖 6 16個(gè)氣囊壓力分布(方差6.048896)

更進(jìn)一步，去掉圖1中的1號(hào)氣囊后，用剩下的15個(gè)氣囊在保證裝置高度控制精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了15個(gè)氣囊壓力方差最小的壓力分布，計(jì)算值對(duì)比圖7和圖8。連通的圖7壓力分布方差為16.02627，不連通的圖8壓力分布方差為6.8936.則不連通時(shí)好，若選擇采用連通等效氣囊布置，則應(yīng)在2號(hào)氣囊增加截止閥。

圖 7 15個(gè)氣囊壓力分布（方差16.02627）

圖 8 15個(gè)氣囊壓力分布（方差6.8936）

6 結(jié)論

氣囊隔振裝置由于有多個(gè)氣囊的支承，其壓力分布具有一定的不確定性，如何使裝置既能保持高度上控制精度，又能使氣囊壓力保持一個(gè)最佳的分布，這對(duì)裝置穩(wěn)定可靠的運(yùn)行具有重要意義。本文采用連通式等效氣囊的控制方案簡(jiǎn)化了氣囊控制系統(tǒng)的組成，減少應(yīng)用造價(jià)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性，縮短了裝置平衡穩(wěn)定時(shí)間。連通后壓力方差小于不連通，則壓力分布更均勻，延長(zhǎng)了氣囊使用壽命。

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Control Method of Large Airbag Vibration Isolation Equipment

Wang Liwei

(No.91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066001, Hebei, China)

TP212

A

1003-4862（2016）08-0033-03

2016-03-07

王利偉（1981-），男，工程師。研究方向：船舶動(dòng)力裝置振動(dòng)與噪聲控制。