CN101055015A - 变刚度全主动动力吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于机械、电器设备减振和噪声控制的变刚度全主动动力吸振器。解决了被动控制式吸振器控制带宽过窄，主动控制式吸振器所需控制能量过多以及半主动控制式吸振器吸振效果不足的缺点。结构特点是：执行部件包括基架，基架顶面设有一对基座，基座上设有环状导杆，环状导杆的开口端两侧分别连接着磁流变弹性体，环状导杆连接着动质量块，动质量块下部设有动力机构。本发明吸振效果好，减振频率带宽，消耗能量少，输入能量比主动控制吸振器要少，因此稳定性比主动控制吸振器好；其结构简单，控制方法容易，系统可靠性高。

Description

变刚度全主动动力吸振器

技术领域

本发明涉及一种应用于机械、电器设备减振和噪声控制的装置。

背景技术

在以往的机械和电器设备中，经常出现由于设备的振动致使机械和电器设备过早损坏或对环境造成噪声污染的情况。

作为一种减振手段，现有的吸振器技术已经发展成为包括主动控制式吸振器、被动控制式吸振器和半主动控制式吸振器在内的减振技术。被动控制式吸振器完全没有调节能力，有一定的局限性，只适合窄带振动控制，在激振频率偏离吸振器固有频率时，传统的被动式吸振器减振效果会出现减小甚至恶化的情况。主动控制的减振效果优于被动控制，可以进行主动调节，适合宽带控制。但主动控制属于力控制，需要提供控制力的能源，造价较高，技术实现复杂。通过传统的主动控制减振时，激励频率离吸振器固有频率越远，需要的主动力就越大，所需提供的能量也就越大。半主动控制式吸振器属于参数控制，它依赖于结构的传递特性和动载荷的信息，实时改变结构的参数来减小结构的振动。改变半主动控制式吸振器固有频率是半主动控制中的一种常用方法，但即使半主动控制式吸振器的固有频率精确跟踪了激振频率，即保持半主动控制式吸振器固有频率与激振频率相同，减振效果也会随着减振对象的固有频率与激振频率偏离量的增加而减小，不易实现在宽频段内都达到好的减振效果。

申请号96107066.8的发明专利中提到的吸振装置就是采用被动控制式吸振器的原理设计的。由于减振带宽较窄，只有采用增大阻尼或减振器重物质量以及采用多个减振重物的方式来解决，但增大阻尼是减振效果减小；增加减振器重物质量以及采用多个减振重物的方式使结构笨重。同时，这样的方式对减振带宽的增加非常有限，一般仅几赫兹。申请号02131043.2的发明专利中提到了一种主动式磁流变也阻尼式吸振器及安装方法，能够使用直线电机、金属弹簧和磁流变液阻尼器来主动改变系统控制力和阻尼等参数来达到“最佳调谐”的目的，但是这种控制方法复杂，因为需要推动直线电动机，会消耗较多的能量，并且根据吸振器原理，改变这些参数对吸振器的特性影响不太显著。申请号为94246820.1的实用新型专利提到了一种带有主动控制式吸振器的组合式减振装置是采用在被动吸振器上增加了主动控制的力，但是由于吸振器的固有频率不可变，当激励频率偏离吸振器固有频率越远时，需要的主动力就越大，所需要的能量也就越大，同时稳定性也相应变差。此外，申请号200520076452.4的实用新型专利中提到的磁流变弹性体移频式吸振器是采用半主动控制的原理设计的，由于激振频率很可能偏离减振对象的固有频率较远，因此其吸振效果有限。

发明内容

为了解决被动控制式吸振器控制带宽过窄，主动控制式吸振器所需控制能量过多以及半主动控制式吸振器吸振效果不足的缺点，本发明设计了一种结合半主动控制和主动控制技术优点的全主动变刚度动力吸振器，达到了在很宽的频率范围内用较小的能量取得最佳吸振效果的目的。

具体地结构设计方案如下：

变刚度全主动动力吸振器，包括执行部件、控制部件和传感器，所述执行部件包括基架2，基架2顶面设有一对基座6，基座6上通过轴承24设有一侧开口的环状导杆4，环状导杆4的开口端位于基座6内，开口端为T字状，开口端之间由联轴器26连接，T字状开口端两侧分别连接着磁流变弹性体5，磁流变弹性体5外侧连接着外圈导磁环25，外圈导磁环25位于基座上，环状导杆4连接着动质量块，动质量块下部设有动力机构；

所述动质量块包括环状导杆4和绕设在环状导杆4上的励磁线圈21；

所述动力机构连接着用于提供主动力的与动质量块相连的部件17，相对应基架连接着用于提供主动力的与减振对象相连的部件18。

所述联轴器材料为隔磁材料。

所述动质量块下部连接的用于提供主动力的与动质量块相连的部件17为一侧电容极板，相对应基架连接着用于提供主动力的与减振对象相连的部件18为另一侧电容极板。

所述动质量块下部连接的用于提供主动力的与动质量块相连的部件17为通电线圈，相对应基架连接着用于提供主动力的与减振对象相连的部件18为减振通电线圈。

其中环状导杆4、磁流变弹性体5和外圈导磁环25组成一个闭合的导磁回路，磁流变弹性体5连接着环状导杆4和外圈导磁环25，磁场方向沿环状磁流变弹性体的径向。

上述提供主动力环节的替代结构一，其特征在于它是由安装在吸振器动质量块和减振对象间上的通电线圈组成的。通过通电线圈产生的磁场的相互作用就可以实现提供主动力。

本专利使用变刚度环节作为吸振器的弹性元件和阻尼元件，并采用移频的控制方法，通过变刚度控制环节，在不改变结构和尺寸的情况下调节吸振器的固有频率，使吸振器的固有频率始终与激励频率相等，同时在吸振器动质量块和减振对象之间提供一组内力，通过主动力控制环节控制主动力使其始终与减振对象振动加速度方向相反，大小等于减振对象的惯性力。控制的最终目标是使吸振器的固有频率始终和作用在减振对象上的激励的频率相等，同时使作用在减振对象上的主动力的大小等于减振对象振动时的惯性力，方向与减振对象加速度方向相反。如果减振对象上包括多个需要控制的基本振动频率，可以采用多个吸振器的组合，分别控制每一个频段的振动。

和传统的吸振器相比，本发明具有以下显著优点：

1、吸振效果好，在减振对象的振动频率基本稳定的情况下，可以有效地减小减振对象的振动。

2、减振频率带宽，通过调节吸振器的固有频率和控制作用在减振对象上的主动力，可以在较宽的范围内跟踪减振对象的振动频率，始终达到显著的减振效果。

3、由于吸振器固有频率可调，同时又提供了主动力，使得作用在减振对象上的激励频率即使偏离了减振对象的固有频率，吸振器也能在提供较小的主动力的情况下，达到较好的吸振效果，保证了在较宽的频率范围内有较好的减振效果。

4、消耗能量少，只要提供改变吸振器固有频率的基本电压和较小的主动力就可以达到较好的减振效果。

5、输入能量比主动控制吸振器要少，因此稳定定比主动控制吸振器好。

6、吸振器附加质量小，吸振效率高，在较小的质量比(吸振器的质量与减振对象之比)下在更宽的吸振带宽中可以具有更高的吸振效果。

7、本发明结构简单，控制方法容易，因此系统可靠性高。

8、容易实现模块化，易于根据不同频段的减振要求组合使用多个吸振器。

附图说明

图1为全主动变刚度动力吸振器原理示意图。

图2为电场力驱动回转式全主动变刚度动力吸振器结构示意图。

图3为磁场力驱动回转式全主动变刚度动力吸振器结构示意图。

图4为回转式全主动变刚度动力吸振器变刚度部分结构简图

其中：减振对象1；基架2；动质量块3；导杆4；磁流变弹性体5；基座6；用于提供主动力的与动质量相连的电容极板7；用于提供主动力的与减振对象相连的电容极板8；基础9；电荷放大器10；控制部件11；功率放大器12；数据采集和处理系统13；传感器14；回转式全主动变刚度动力吸振器变刚度部分15；执行部件16；用于提供主动力的与动质量相连的部件17；用于提供主动力的与减振对象相连的部件18；用于提供主动力的与动质量相连的通电线圈19；用于提供主动力的与减振对象相连的通电线圈20；励磁线圈21；导磁棒22；导磁板23；轴承24；外圈导磁环25；连轴器26。

m1、k1、c1是减振对象的等效质量、等效刚度和等效阻尼m1上作用了p1sinwt和-p2sinwt这两个激励力，其中p1sinwt是载荷激励，-p2sinwt是施加的主动控制力；x1代表了减振对象的位移m2、k2、c2是吸振器的等效质量、等效刚度和等效阻尼，其中后两者代表了磁流变弹性体的特性m2上作用了p2sinwt，它是施加的主动控制力；x2代表了吸振器动质量块的位移。

图2、图3、和图4中的箭头方向是励磁线圈产生的在磁流变弹性体中的磁场的方向。

具体实施方式

实施例1：

变刚度全主动动力吸振器包括执行部件16、控制部件11和传感器14，吸振器控制部件11包括电荷放大器10、功率放大器12和数据采集和处理系统13，见图1。

如图2，图4所示的电场力驱动回转式全主动变刚度动力吸振器的执行部件，是由减振对象1；基架2；动质量块3；环形导杆4；磁流变弹性体5；基座6；用于提供主动力的与动质量相连的电容极板8；用于提供主动力的与减振对象相连的电容极板7；励磁线圈21；轴承24；外圈导磁环25；连轴器26组成的。基架2的下端用螺纹固定在减振对象1上，用螺栓将基架2的上端和基座6连接在一起，环形导杆4通过轴承24和基座6相连使环形导杆4只能绕轴转动，外圈导磁环25通过螺纹连接和基座6固定在一起，磁流变弹性体5连接着外圈导磁环25和环形导杆4组成了导磁回路，环形导杆4的两端由连轴器26连接在一起，环形导杆4和连轴器26之间用螺栓连接，连轴器26的材料是隔磁材料使绝大部分磁场流经磁流变弹性体5，励磁线圈21套在环形导杆4上，用于提供主动力的与动质量块相连的电容极板8用螺钉固定在动质量块的下端，在其正下方用螺钉将用于提供主动力的与减振对象相连的电容极板7固定在减振对象1上。

上述结构的设计原则如下：测试减振对象振动的主要频段，按照无磁场下全主动变刚度动力吸振器的固有频率比需要的减振频率低20％至50％选择参数。电场力驱动回转式全主动变刚度动力吸振器的固有频率为 $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{M}},$ $K=\frac{{\mathrm{GAr}}^2}{h}=\frac{{2\mathrm{\πGbr}}^3}{h},$ M＝mR²，其中K为磁流变弹性体在无场下的广义刚度，M为吸振器的动质量块的广义质量，G为无场下磁流变弹性的剪切模量，b为磁流变弹性体的宽度，r为外圈导磁环内壁的半径，m为吸振器动质量的大小，R为等效回转半径，m一般选择减振对象质量的5％至40％，通过改变磁流变弹性体的尺寸就可以调节吸振器执行部件在无磁场下的固有频率，使得无磁场下全主动变刚度动力吸振器的固有频率比需要的减振频率低20％至50％。

变刚度全主动动力吸振器工作过程如下：安装在吸振器动质量块3上的传感器14和安装在减振对象1上的传感器14将信号经电荷放大器10传输给控制部件，控制部件经信号处理得到外载荷的频率，控制部件输出控制信号给功率放大器12，通过功率放大器12设定合适大小的励磁电流使吸振器的固有频率与外载荷的激励频率相等。安装在减振对象1上的传感器14将信号传输给控制部件，控制部件经数据处理得到减振对象的加速度，根据减振对象1的加速度输出控制信号给功率放大器12，功率放大器12驱动用于提供主动力的与动质量相连的部件8和用于提供主动力的与减振对象相连的部件7发生相互作用，实现减振对象1上施加一个主动力，其大小等于减振对象的惯性力的大小，方向与减振对象加速度方向相反。

上述的磁流变弹性体作为实现变刚度的一种方法，是一种新型的智能材料，一般是由微米尺寸的可在磁场下磁化的软铁磁性的固体颗粒嵌入弹性体(高分子聚合物如橡胶等)并固化后得到，其在磁场作用下具有许多独特的性能，如材料的刚度(包括剪切模量和杨氏模量)和阻尼可由磁场控制。由于其颗粒被固定在基体中，不存在颗粒沉降和团聚的问题，因而与普通磁流变液相比，磁流变弹性体不但具有可控性、可逆性、响应迅速等特点，而且稳定性好、结构设计简单、制备成本低等特点。磁流弹性体可以从美国lord公司购买。

实施例2：

如图3、图4所示的磁场力驱动回转式全主动变刚度动力吸振器的执行部件，是由减振对象1；基架2；动质量块3；环形导杆4；磁流变弹性体5；基座6；用于提供主动力的与动质量块相连的通电线圈20；用于提供主动力的与减振对象相连的通电线圈19；励磁线圈21；轴承24；外圈导磁环25；连轴器26组成的。基架2的下端用螺纹固定在减振对象1上，用螺栓将基架2的上端和基座6连接在一起，环形导杆4通过轴承24和基座6相连使环形导杆4只能绕轴转动，外圈导磁环25通过螺纹连接和基座6固定在一起，磁流变弹性体5连接着外圈导磁环25和环形导杆4组成了导磁回路，环形导杆4的两端由连轴器26连接在一起，环形导杆4和连轴器26之间用螺栓连接，连轴器26的材料是隔磁材料使绝大部分磁场流经磁流变弹性体，励磁线圈21套在环形导杆4上，用于提供主动力的与动质量块相连的通电线圈20用螺钉固定在动质量块15的下端，在其正下方用螺钉将用于提供主动力的与减振对象相连的通电线圈19固定在减振对象1上。其工作原理、工作过程和控制方式与实施例1基本相同，不同之处在于用通电线圈的磁场力作为主动力。

Claims (4)

1、变刚度全主动动力吸振器，包括执行部件、控制部件和传感器，其特征在于：所述执行部件包括基架(2)，基架(2)顶面设有一对基座(6)，基座(6)上通过轴承(24)设有一侧开口的环状导杆(4)，环状导杆(4)的开口端位于基座(6)内，开口端为T字状，开口端之间由联轴器(26)连接，T字状开口端两侧分别连接着磁流变弹性体(5)，磁流变弹性体(5)外侧连接着外圈导磁环(25)，外圈导磁环(25)位于基座上，环状导杆(4)连接着动质量块，动质量块下部设有动力机构；

所述动质量块包括环状导杆(4)和绕设在环状导杆(4)上的励磁线圈(21)；

所述动力机构连接着用于提供主动力的与动质量块相连的部件(17)，相对应基架连接着用于提供主动力的与减振对象相连的部件(18)。

2、根据权利要求1所述的变刚度全主动动力吸振器，其特征在于：所述联轴器材料为隔磁材料。

3、根据权利要求1所述的变刚度全主动动力吸振器，其特征在于：所述动质量块下部连接的用于提供主动力的与动质量块相连的部件(17)为一侧电容极板，相对应基架连接着用于提供主动力的与减振对象相连的部件(18)为另一侧电容极板。

4、根据权利要求1所述的变刚度全主动动力吸振器，其特征在于：所述动质量块下部连接的用于提供主动力的与动质量块相连的部件(17)为通电线圈，相对应基架连接着用于提供主动力的与减振对象相连的部件(18)为减振通电线圈。

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