CN102606670B - 差动传感式磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动传感式磁流变阻尼器，由活塞杆、活塞头、励磁线圈、励磁线圈套筒、压线板、绕线钢筒、感应线圈、外套筒、左端盖、右端盖、浮动活塞等组成。当向励磁线圈输入一定频率的交流电压时，活塞头两端产生闭合同频交变磁场，磁场内的感应线圈产生同频感应电动势。由于两组线圈差动连接，其输出值为两线圈感应电动势之差。当外部振动传入阻尼器后，活塞头因振动产生相对位移，使处在磁场内部的两组感应线圈数目发生变化，导致线圈内感应电动势变化。基于差动传感原理，其变化值能比例反映活塞杆的相对位移，由此实现阻尼器相对位移传感。该差动传感式阻尼器除产生阻尼力外还具备位移传感功能，实现了阻尼器和传感器的功能集成。

Description

差动传感式磁流变阻尼器

技术领域

本发明涉及一种磁流变阻尼器，尤其涉及一种差动传感式磁流变阻尼器。

背景技术

磁流变阻尼器是一种广泛应用于半主动控制系统中的新型阻尼器件。该阻尼器主要通过改变填充在阻尼器内部的磁流变液的屈服强度，达到动态改变输出阻尼力的目的。采用磁流变阻尼器的半主动控制系统一般由磁流变阻尼器、位移传感器及控制器组成。当位移传感器检测到阻尼器两端的振动信号后，将振动的频率和幅值等参数反馈给控制器，控制器根据振动信号以电流的形式传给阻尼器，阻尼器内部的磁流变液因电流的变化导致磁场强度发生变化，从而使磁流变液磁化程度发生变化，产生不同强度的剪切屈服应力。

目前，磁流变半主动控制系统已在建筑物减振、铁路机车车辆减振等方面取得广泛应用。磁流变阻尼器所具有的毫秒级响应速度、大控制范围和大阻尼力输出的特点，非常符合铁路机车车辆减振系统的需求。相对于建筑物减振，铁路机车车辆减振具有控制精度高、环境复杂多变的特点，应用于机车车辆减振的磁流变阻尼器需要外置传感器来保证减振精度和减振效果。由于安装传感器的位置要求能准确反映阻尼器的振动情况，因此在装配时需在阻尼器相邻位置预留与之配套使用的传感器的安装空间，从而构成半主动控制系统。由于机车车辆安装空间狭小、外界环境复杂多变，传感器容易暴露于外部环境中，并易受到渗水、渗油、电磁干扰等影响，从而降低半主动控制系统的可靠性。为保证控制系统可靠性，必须预留传感器安装空间并对传感器采取保护措施，此举虽然能够使系统可靠性增加，但同样会使得磁流变阻尼器系统安装空间、维护及安装成本提高，从而进一步阻碍磁流变阻尼器的工业应用发展。

发明内容

为了克服背景技术中存在的问题及在不影响阻尼器性能的前提下提升磁流变阻尼器的功能，本发明将差动理论思想与磁流变阻尼器相结合，提出一种差动传感式磁流变阻尼器。该阻尼器通过内置一绕线钢筒作为差动感应线圈载体，以活塞头内的阻尼器激励线圈复用为感应激励源，当激励源输入远大于磁流变液响应频率的交变电压后会在感应线圈中产生同频交变电动势；激励源位置的变化即活塞杆与缸体间相对位置的变化可直接被感应电动势的变化所反映。通过上述设计相当于在阻尼器内部集成一个可实时监测的有源差动位移传感器，可实时反映阻尼器两端由于振动所产生的相对位置变化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：活塞杆、左端盖、活塞头、励磁线圈套筒、压线板、绕线钢筒、浮动活塞、外套筒、右端盖、螺栓Ⅰ、密封圈Ⅰ、感应线圈、锁紧螺母、励磁线圈、螺栓Ⅱ以及密封圈Ⅱ；活塞杆与左端盖内孔间隙配合；活塞头与活塞杆过渡配合，其左端由活塞杆上的台肩固定，其右端由压线板压紧，并通过锁紧螺母固定；励磁线圈均匀缠绕于活塞头内的绕线区；励磁线圈套筒左端与活塞头过渡配合，励磁线圈套筒右端与压线板左端贴合后由锁紧螺母固定于活塞杆上；浮动活塞外壁与绕线钢筒内壁间隙配合，感应线圈均匀缠绕于绕线钢筒的绕线区；绕线钢筒外壁与外套筒内壁过渡配合；左端盖通过螺栓Ⅱ固定在外套筒上，并将绕线钢筒左端固定；右端盖通过螺栓Ⅰ固定在外套筒上，并将绕线钢筒右端固定。活塞头外壁、励磁线圈套筒外壁、压线板外壁与绕线钢筒内壁间隙配合并形成磁流变液的流动间隙；左端盖、活塞头和绕线钢筒构成阻尼器左压力腔；压线板、浮动活塞和绕线钢筒构成阻尼器右压力腔；左压力腔和右压力腔内部均充满磁流变液。活塞杆与左端盖之间配有一组密封圈Ⅱ；绕线钢筒与浮动活塞之间配有两组密封圈Ⅰ。左端盖与外套筒之间、右端盖与外套筒之间涂有胶封，防止磁流变液逸出。浮动活塞、绕线钢筒与右端盖形成一密闭容腔，容腔内封有一定量的压缩空气。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

(1)基于差动传感理论，通过对常规磁流变阻尼器结构的改进，使阻尼器的工作磁路与感应磁路互不影响。该差动传感式磁流变阻尼器既能完成可控阻尼力的输出又能实现与位移呈线性比例关系的电压信号输出，具备阻尼力可控和相对位移动态测量的复合功能。

(2)与传统的磁流变阻尼器和位移传感器分离安装设置相比，本发明差动传感式磁流变阻尼器使用时无需外接传感器，所需安装空间及工作空间少，安装成本和维护费用低廉。

(3)采用差动传感式磁流变阻尼器的半主动控制系统能够应对更加复杂多变的外部环境影响。在降低系统综合成本的同时，系统能够对阻尼器振动位移量实时采集和动态监测，实现磁流变阻尼器半主动控制系统的动态无滞后监测，可进一步提高系统可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是绕线钢筒结构示意图。

图3是组合活塞头结构示意图。

图4是本发明工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明包括：活塞杆1、左端盖2、活塞头3、励磁线圈套筒4、压线板5、绕线钢筒6、浮动活塞7、外套筒8、右端盖9、螺栓Ⅰ10、密封圈Ⅰ11、感应线圈12、锁紧螺母13、励磁线圈14、螺栓Ⅱ15以及密封圈Ⅱ16；活塞杆1与左端盖2内孔间隙配合；活塞头3与活塞杆1过渡配合，其左端由活塞杆1上的台肩固定，其右端由压线板5压紧，并通过锁紧螺母13固定；励磁线圈14均匀缠绕于活塞头3内的绕线区；励磁线圈套筒4左端与活塞头3过渡配合，励磁线圈套筒4右端与压线板5左端贴合后由锁紧螺母13固定于活塞杆1上；浮动活塞7外壁与绕线钢筒6内壁间隙配合，感应线圈12均匀缠绕于绕线钢筒6的绕线区；绕线钢筒6外壁与外套筒8内壁过渡配合；左端盖2通过螺栓Ⅱ15固定在外套筒8上，并将绕线钢筒6左端固定；右端盖9通过螺栓Ⅰ10固定在外套筒8上，并将绕线钢筒6右端固定。活塞头3外壁、励磁线圈套筒4外壁、压线板5外壁与绕线钢筒6内壁间隙配合并形成磁流变液的流动间隙；左端盖2、活塞头3和绕线钢筒6构成阻尼器左压力腔；压线板5、浮动活塞7和绕线钢筒6构成阻尼器右压力腔；左压力腔和右压力腔内部均充满磁流变液。活塞杆1与左端盖2之间配有一组密封圈Ⅱ16；绕线钢筒6与浮动活塞7之间配有两组密封圈Ⅰ11。左端盖2与外套筒8之间、右端盖9与外套筒8之间涂有胶封，防止磁流变液逸出。浮动活塞7、绕线钢筒6与右端盖9形成一密闭容腔，容腔内封有一定量的压缩空气。

图2所示为绕线钢筒结构示意图。绕线区隔离层18将钢筒测量区域分成两部分，即左端绕线区17和右端绕线区19。两段绕线区内的感应线圈以差动连接的形式缠绕在钢筒凹槽中。绕线钢筒采用不导磁材料制成。

图3所示为组合活塞头结构示意图。组合活塞头主要由活塞头3、励磁线圈套筒4及压线板5组成。其中，活塞头3和压线板5由高导磁材料制成，励磁线圈套筒4由不导磁材料制成。活塞头3右端表面加工出线圈导出孔20，激励线圈导线由导出孔20从活塞头3导出，并从活塞杆1中空位置导出阻尼器外。

图4所示为本发明工作原理示意图。图中A出口为励磁线圈控制线通道，B出口为感应线圈控制线通道。磁路穿过活塞头3、压线板5、绕线钢筒6及外套筒8，形成一闭合回路。磁场区域内的感应线圈12被绕线钢筒6分割成两部分，形成差动连接的感应区Ⅰ21和感应区Ⅱ22。

本发明工作原理如下：

如图4所示，初始状态时，浮动活塞与右端盖之间的压缩气体将磁流变液限制在工作区域，从而限定阻尼器的极限位移。阻尼器受到外部振动后，活塞杆与组合活塞头（活塞头3、励磁线圈套筒4及压线板5）产生同频同振幅运动，由于组合活塞头与绕线钢筒间隙固定，又因为闭合感应磁路中各部分材料不变、尺寸不随活塞振动发生变化，因而整个磁路中的磁阻为固定值。考虑到空气磁导率远低于其它金属，因而闭合磁路的磁阻可近似认为是组合活塞头与绕线钢筒之间的空气磁阻。由于激励电压、频率固定不变，活塞头结构也不随振动发生变化，即使漏磁通也因磁路不变而不随振动发生变化，因而磁路中的磁通量保持不变。假设感应线圈无感应电压输出时为初始平衡位置，组合活塞头在此平衡位置时绕线钢筒上两段差动连接的感应线圈处于磁场中的数目相同。当活塞杆远离平衡位置向上作拉伸运动时，绕线钢筒上端感应区Ⅰ内的感应线圈数目大于下端感应区Ⅱ内的感应线圈数目，此时感应线圈对外输出感应电动势，且随着活塞杆伸长该感应电动势幅值相应增加，直到活塞头到达最高极限位置时产生最大感应电动势输出。反之，当活塞杆向下做压缩运动时，下端感应区Ⅱ内的感应线圈数目大于上端感应区Ⅰ内的感应线圈数目，此时感应线圈也对外输出感应电动势，该电动势随活塞杆压缩量的增大而增大，直到活塞头达到最低极限位置时产生最大感应电动势输出。

根据差动传感原理，感应线圈输出的感应电动势信号经解调、滤波、放大后，可得到与活塞相对位移成比例的波动信号，从而达到实时检测相对位移的目的，实现外置式传感器位移检测的功能。

阻尼器接到外部控制发出直流电流，在活塞头外壁与绕线钢筒内壁的区域产生强静磁场，缝隙内的磁流变液被磁化，在活塞头外壁与绕线钢筒内壁之间产生高强度剪切屈服应力，使活塞头的振动幅度得到抑制，从而产生阻尼效果。随着输入直流电流大小的变化，其输出阻尼力的大小也随之发生相应变化。

通过以上过程，可使差动传感式磁流变阻尼器在动态获取阻尼器位移参数的同时，还可根据阻尼器的运动规律输出相应的控制电流，实现输出阻尼力可控，达到阻尼器与位移传感器功能集成的目的。

Claims (5)

1.一种差动传感式磁流变阻尼器，其特征在于包括：活塞杆(1)、左端盖(2)、活塞头(3)、励磁线圈套筒(4)、压线板(5)、绕线钢筒(6)、浮动活塞(7)、外套筒(8)、右端盖(9)、螺栓Ⅰ(10)、密封圈Ⅰ(11)、感应线圈(12)、锁紧螺母(13)、励磁线圈(14)、螺栓Ⅱ(15)以及密封圈Ⅱ(16)；活塞杆(1)与左端盖(2)内孔间隙配合；活塞头(3)与活塞杆(1)过渡配合，其左端由活塞杆(1)上的台肩固定，其右端由压线板(5)压紧，并通过锁紧螺母(13)固定；励磁线圈(14)均匀缠绕于活塞头(3)内的绕线区；励磁线圈套筒(4)左端与活塞头(3)过渡配合，励磁线圈套筒(4)右端与压线板(5)左端贴合后由锁紧螺母(13)固定于活塞杆(1)上；浮动活塞(7)外壁与绕线钢筒(6)内壁间隙配合，感应线圈(12)均匀缠绕于绕线钢筒(6)的绕线区；绕线区隔离层(18)将绕线钢筒(6)的测量区域分成两部分，即左端绕线区(17)和右端绕线区(19)，两段绕线区内的感应线圈以差动连接的形式缠绕在绕线钢筒(6)的凹槽中；绕线钢筒(6)外壁与外套筒(8)内壁过渡配合；左端盖(2)通过螺栓Ⅱ(15)固定在外套筒(8)上，并将绕线钢筒(6)左端固定；右端盖(9)通过螺栓Ⅰ(10)固定在外套筒(8)上，并将绕线钢筒(6)右端固定。

2.根据权利要求1所述的一种差动传感式磁流变阻尼器，其特征在于：活塞头(3)外壁、励磁线圈套筒(4)外壁、压线板(5)外壁与绕线钢筒(6)内壁间隙配合并形成磁流变液的流动间隙；左端盖(2)、活塞头(3)和绕线钢筒(6)构成阻尼器左压力腔；压线板(5)、浮动活塞(7)和绕线钢筒(6)构成阻尼器右压力腔；左压力腔和右压力腔内部均充满磁流变液。

3.根据权利要求1所述的一种差动传感式磁流变阻尼器，其特征在于：活塞杆(1)与左端盖(2)之间配有一组密封圈Ⅱ(16)；绕线钢筒(6)与浮动活塞(7)之间配有两组密封圈Ⅰ(11)。

4.根据权利要求1所述的一种差动传感式磁流变阻尼器，其特征在于：左端盖(2)与外套筒(8)之间、右端盖(9)与外套筒(8)之间涂有胶封，防止磁流变液逸出。

5.根据权利要求1所述的一种差动传感式磁流变阻尼器，其特征在于：浮动活塞(7)、绕线钢筒(6)与右端盖(9)形成一密闭容腔，容腔内封有一定量的压缩空气。

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