CN103939517B - 抗冲击磁流变缓冲器的抗过冲击的方法 - Google Patents

Abstract

一种抗冲击磁流变缓冲器的抗过冲击的方法，采用抗冲击磁流变缓冲器控制高强度冲击环境设备中的过冲击，所述抗冲击磁流变缓冲器包括活塞杆和缸筒，所述缸筒的两端分别设有密封端座和密封端盖，形成密闭空腔，该密闭空腔中充满磁流变液，所述活塞杆的凹腔口设有活塞阻尼环，与缸筒间隙配合，将缸筒的密闭空腔分隔成两个相互独立的腔体，所述密封端座上固定连接有一沿轴向延伸的阻尼杆，所述活塞阻尼环内侧设有极齿环，与阻尼杆的外周面形成磁流变间隙，所述阻尼杆沿轴向依次设有起始段线圈组、极速段线圈组、衰减段线圈组，各线圈组的引出线与电源系统电连接。本抗冲击磁流变缓冲器的抗过冲击的方法特别适合要求快速响应的冲击场合。

Description

抗冲击磁流变缓冲器的抗过冲击的方法

技术领域

本发明涉及缓冲器领域，特别涉及一种抗冲击磁流变缓冲器的抗过冲击的方法。

背景技术

缓冲器是一种在各种工业领域广泛应用的机械装置，特别是在高精密电子设备、航空航天、武器系统等高强度冲击环境下设备中广泛应用，以减小对结构的过冲击并抑制结构共振。缓冲器对保证系统工作的稳定性和可靠性能具有十分重要的意义。

磁流变缓冲器是一种以磁流变液为工作介质的新型半主动可控缓冲器。磁流变液是一种铁磁粒子均匀地悬浮在载流体中的一种智能材料。磁流变液能在磁场作用下发生迅速的流变特性（黏度、屈服应力）变化，并且这种变化是可逆的。以磁流变液为工作介质的磁流变缓冲器具有电源功率小、工作温度范围宽，可以实现阻尼力的实时连续控制等优点，因此在车辆减振、结构抗震、以及各种仪器设备中都得到了广泛的应用。

由于种种局限性，普通液压缓冲器均存在冲击力峰值过大，没有平台效应，属于被动缓冲器。而传统磁流变缓冲器采用了以加速度传感器作为反馈信号作为闭环控制环节，对单线圈施以瞬时电流以建立磁场形式，这种工作方式由于线圈自身感抗和传感器响应时间等因素，导致磁流变缓冲器存在对时间响应严重滞后等问题，不能很好地满足需要快速响应的冲击场合。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种抗冲击磁流变缓冲器的抗过冲击的方法，本抗冲击磁流变缓冲器的抗过冲击的方法特别适合要求快速响应的冲击场合，如可以应用在航空航天、武器系统等高强度冲击环境领域，以减小对结构的过冲击并抑制结构共振。

本发明的技术方案为：一种抗冲击磁流变缓冲器的抗过冲击的方法，采用抗冲击磁流变缓冲器控制高强度冲击环境设备中的过冲击，所述抗冲击磁流变缓冲器包括活塞杆和缸筒，所述缸筒的两端分别设有密封端座和密封端盖，形成密闭空腔，该密闭空腔中充满磁流变液，所述活塞杆设有凹腔，该凹腔中设有回位弹簧，所述活塞杆的凹腔口设有活塞阻尼环，与缸筒间隙配合，将缸筒的密闭空腔分隔成两个相互独立的腔体，所述活塞阻尼环设有多个通孔，用于连通缸筒的第一腔体和第二腔体，所述密封端座上固定连接有一沿轴向延伸的阻尼杆，所述阻尼杆的延伸端穿过活塞阻尼环伸入活塞杆的凹腔中，穿过回位弹簧与凹腔中的导向体固定连接，对回位弹簧轴向限位，通过活塞杆凹腔口设有的定位凸台，使活塞杆的轴向运动转换为回位弹簧的弹力，所述活塞阻尼环内侧设有极齿环，与阻尼杆的外周面形成磁流变间隙，所述阻尼杆沿轴向依次设有起始段线圈组、极速段线圈组、衰减段线圈组，所述起始段线圈组、极速段线圈组、衰减段线圈组均至少为一个，各线圈组的引出线与电源系统电连接；

采用抗冲击磁流变缓冲器抗过冲击的方法，有以下步骤：

1）缓冲器的电源系统分别输出励磁电流I1、I2、I3给起始段线圈组、极速段线圈组、衰减段线圈组；

2）当活塞杆受到瞬时冲击时，活塞阻尼环沿冲击力的方向轴向移动，迫使磁流变液流动，磁流变液从缸筒的第一腔体通过活塞阻尼环与阻尼杆之间的磁流变间隙流向缸筒的第二腔体时会依次受到起始段线圈组、极速段线圈组、衰减段线圈组产生的磁场的作用，分别产生不同大小的抗过冲击的缓冲阻尼力；

3）冲击完成后，活塞杆依靠回位弹簧的弹力自动快速恢复到原位。

各线圈组的励磁电流从大到小的顺序为：起始段线圈组的励磁电流I1、衰减段线圈组的励磁电流I3、极速段线圈组的励磁电流I2。

各相邻线圈组之间磁场极性相同。

各线圈组的磁极间距与活塞阻尼环间距二者之比值为小于１的无理数，使磁流变间隙磁路畅通。

所述起始段线圈组、极速段线圈组以及衰减段线圈组，其线圈组内分别至少２个以上线圈串联或并联，且相邻线圈之间磁场极性相反。

所述活塞杆与活塞阻尼环一体成型，形成一段圆锥段，该圆锥段的圆周壁上设置通孔。

所述活塞阻尼环内侧设有两组极齿环，两组极齿环沿轴向并排设置。

所述阻尼杆与密封端座的固定端为球形，通过压紧环与密封端座形成万向球铰链，所述阻尼杆的延伸端与导向体的一端通过螺栓连接，所述导向体另一端为半球面，与活塞杆的凹腔底之间留有间距，形成过冲保护腔，所述活塞杆的凹腔底为半球形凹面与导向体的半球面相配合。

所述活塞阻尼环、阻尼杆均采用铁磁性材料制成。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）由于采用了多线圈分段预置电流控制方法，消除了传感器系统响应时间带来的滞后性，使得本发明特别适合要求快速响应的冲击场合，如可以应用在航空航天、武器系统等高强度冲击环境领域，以减小对结构的过冲击并抑制结构共振。（2）由于采用了多线圈分段预置电流控制方法，能够对冲击载荷过程进行分阶段缓冲，避免了普通缓冲器出现的冲击力峰值，对冲击力达到削峰平谷的作用，以更好地保护好结构安全。（3）由于采用了多线圈分段预置电流控制方法，能够对冲击载荷过程进行分阶段缓冲，有利于缩短缓冲位移。（4）由于采用了多线圈分段预置电流可以根据载荷量大小情况事先预置，所以对不同当量的冲击载荷具有一定适应性的特点。（5）由于采用阻尼活塞环、阻尼杆以及缸筒等结构，没有体积补偿结构，减小了整个缓冲器外形尺寸和可靠性。（6）无需设置传统磁流变缓冲器中的加速度传感器等装置或系统，大大减少了设备以及软件设计成本。

附图说明

图1为本发明的抗冲击磁流变缓冲器的结构示意图；

图2为本发明的活塞阻尼环与活塞杆的结构示意图；

图3为本发明的阻尼杆的结构示意图；

图4为普通缓冲器的冲击力与缓冲位移之间的曲线图像和本发明的抗冲击磁流变缓冲器的冲击力与缓冲位移之间的曲线图像；

图5本发明的抗冲击磁流变缓冲器的线圈组励磁电流与缓冲位移之间的图像。

附图中，1为缸筒，1a为第一腔体，1b为第二腔体，2为密封端座，3为密封端盖，4为活塞杆，4a为凹腔，5为活塞阻尼环，5a为极齿环，5b为通孔，6为阻尼杆，7为回位弹簧，8为导向体，9为压紧环，10为起始段线圈组，11为极速段线圈组，12为衰减段线圈组，13为引出线，14为密封件。

具体实施方式

参见图1至图3，一种抗冲击磁流变缓冲器的抗过冲击的方法，采用抗冲击磁流变缓冲器控制高强度冲击环境设备中的过冲击，所述抗冲击磁流变缓冲器包括活塞杆4和缸筒1，所述缸筒1的两端分别设有密封端座2和密封端盖3，形成密闭空腔，该密闭空腔中充满磁流变液。所述密封端座2、密封端盖3分别与缸筒1的两端焊接。所述密封端座2、密封端盖3分别与缸筒1之间设有密封件14。所述活塞杆4设有凹腔4a，该凹腔4a中设有回位弹簧7，所述活塞杆4的凹腔4a口设有活塞阻尼环5，与缸筒1间隙配合，将缸筒1的密闭空腔分隔成两个相互独立的腔体。所述活塞阻尼环5与缸筒1之间设有密封件。所述活塞杆4与缸筒1的密封端盖3间隙配合，通过密封件密封。所述活塞阻尼环5设有多个通孔5b，用于连通缸筒1的第一腔体1a和第二腔体1b。所述活塞杆4与活塞阻尼环5一体成型，形成一段圆锥段，该圆锥段的圆周壁上设置通孔5b。所述通孔5b为4～6个。所述密封端座2上固定连接有一沿轴向延伸的阻尼杆6，所述阻尼杆6的延伸端穿过活塞阻尼环5伸入活塞杆4的凹腔4a中，穿过回位弹簧7与凹腔4a中的导向体8固定连接，对回位弹簧7轴向限位，通过活塞杆4凹腔4a口设有的定位凸台，使活塞杆4的轴向运动转换为回位弹簧7的弹力。所述阻尼杆6与密封端座2的固定端为球形，通过压紧环9与密封端座2形成万向球铰链，保证在工作过程中磁流变间隙始终保持四周均匀。所述阻尼杆6的延伸端与导向体8的一端通过螺栓连接，所述导向体8另一端为半球面，与活塞杆4的凹腔4a底之间留有间距，形成过冲保护腔，所述活塞杆4的凹腔4a底为半球形凹面与导向体8的半球面相配合。所述活塞阻尼环5内侧设有极齿环5a，活塞阻尼环5的极齿环5a与阻尼杆6的外周面形成磁流变间隙。所述活塞阻尼环5内侧设有两组极齿环5a，两组极齿环5a沿轴向并排设置。所述极齿环为梯形齿。所述阻尼杆6沿轴向依次设有起始段线圈组10、极速段线圈组11、衰减段线圈组12。所述起始段线圈组、极速段线圈组、衰减段线圈组均至少为一个。各线圈组分别嵌装在阻尼杆6上，使线圈组的外表面与阻尼杆的外表面齐平。所述起始段线圈组10、极速段线圈组11、衰减段线圈组12从左到右依次根据普通缓冲器的冲击力与缓冲位移的规律而分布。如图4，根据普通缓冲器的冲击力F与缓冲位移S的规律，将缓冲位移S依次分为起始段S1、极速段S2、衰减段S3。所述起始段S1占缓冲位移S的5﹪～10﹪，极速段S2占缓冲位移S的15﹪～35﹪，衰减段S3占缓冲位移S的55﹪～80﹪。本发明可以采用所述起始段S1占缓冲位移S的10﹪，极速段S2占缓冲位移S的35﹪，衰减段S3占缓冲位移S的55﹪。分别在起始段S1、极速段S2、衰减段S3中设置至少一个线圈组。位于起始段中的线圈组为起始段线圈组，位于极速段中的线圈组为极速段线圈组，位于衰减段中的线圈组为衰减段线圈组。所述起始段线圈组10位于起始段中的个数至少为一个。所述极速段线圈组11位于极速段中的个数至少为一个。所述衰减段线圈组位于衰减段中的个数至少为一个。所述起始段线圈组10、极速段线圈组11、衰减段线圈组12的个数可以根据实际需要确定。本实施例的所述起始段线圈组10为一个，极速段线圈组11为一个，衰减段线圈组12为四个。所述起始段线圈组10、极速段线圈组11、衰减段线圈组12分别对应分布于起始段S1、极速段S2、衰减段S3中，分别与移动到起始段、极速段、衰减段中的活塞阻尼环5的极齿环5a形成磁流变间隙。各相邻线圈组之间磁场极性相同。同时保证在冲击运动过程中至少有一个线圈组磁极与活塞阻尼环5极齿环5a重合，以保证磁流变间隙磁路的畅通。只要保证各线圈组的磁极间距与活塞阻尼环间距二者之比值为小于１的无理数，即可保证在冲击运动过程中至少有一个线圈组磁极与活塞阻尼环5极齿环5a重合，使磁流变间隙磁路畅通。本实施例的活塞阻尼环间距为两组极齿环5a的轴向间距。所述起始段线圈组、极速段线圈组11以及衰减段线圈组12，其线圈组内分别至少２个以上线圈串联或并联，且相邻线圈之间磁场极性相反，以保证在线圈组内形成多个磁极靴，产生多个有效磁流变间隙。所述活塞阻尼环5采用铁磁性材料制成。所述阻尼杆6均采用铁磁性材料制成。所述活塞杆4、采用铁磁性材料制成。所述阻尼杆6上设有引出通道，各线圈组的引出线13通过阻尼杆6的引出通道引出与电源系统电连接。所述电源系统为多个直流电源，分别与各线圈组一一对应电连接。所述电源系统的直流电源的数量与线圈组的数量相同。本电源系统的直流电源可以采用电池，也可以采用将220V交流转换为不同直流电压的电源稳压器。本电源系统根据实际需要设置。本电源系统与传统磁流变缓冲器相配套的控制系统完全不同，大大减少了设备和软件设计的成本。本电源系统可以通过手动控制方式控制各线圈组的通电和断电，也可以采用自动控制方式控制各线圈组的通电和断电。自动控制的方式可以采用行程开关、继电器等现有的自动控制方式。

参见图4和图5，采用抗冲击磁流变缓冲器抗过冲击的方法，有以下步骤：

1）将缓冲器的电源系统分别与起始段线圈组10、极速段线圈组11、衰减段线圈组12电连接后，缓冲器的电源系统分别输出励磁电流I1、I2、I3给起始段线圈组、极速段线圈组、衰减段线圈组；各线圈组的励磁电流从大到小的顺序为：起始段线圈组的励磁电流I1>衰减段线圈组的励磁电I3>极速段线圈组的励磁电流I2。起始段线圈组的励磁电流I1、衰减段线圈组12的励磁电I3、极速段线圈组11的励磁电流I2根据实际情况设置。本实施例的极速段线圈组的励磁电流I2为起始段线圈组的励磁电流I1的55﹪～70﹪。衰减段线圈组的励磁电流I3为起始段线圈组的励磁电流的70﹪～85﹪。

2）当活塞杆4受到向右的瞬时冲击时，活塞阻尼环5沿冲击力的方向轴向移动，挤压缸筒1的第一腔体1a中的磁流变液，迫使缸筒1的第一腔体1a中的磁流变液向缸筒1的第二腔体1b流动，当活塞阻尼环5位于起始段时，磁流变液从缸筒1的第一腔体1a通过活塞阻尼环5与阻尼杆6之间的磁流变间隙流向缸筒1的第二腔体1b时就会受到起始段线圈组10产生的磁场的作用，产生起始段阻尼力，使冲击力F沿陡峭的曲线上升；当活塞阻尼环5移动到极速段时，磁流变液从缸筒1的第一腔体1a通过活塞阻尼环5与阻尼杆6之间的磁流变间隙流向缸筒1的第二腔体1b时就会受到极速段线圈组11产生的磁场的作用，产生极速段阻尼力，使冲击力F沿平坦的曲线过渡，避免了出现冲击力峰值；当活塞阻尼环5移动到衰减段时，磁流变液从缸筒1的第一腔体1a通过活塞阻尼环5与阻尼杆6之间的磁流变间隙流向缸筒1的第二腔体1b时就会受到衰减段线圈组12产生的磁场的作用，产生衰减段阻尼力，使冲击力F沿陡峭的曲线下降，减少了缓冲位移。起始段阻尼力、极速段阻尼力、衰减段阻尼力的大小不同，避免了普通缓冲器出现的冲击力峰值。同时，回位弹簧7产生的弹力也会产生缓冲阻尼力。

3）冲击完成后，各线圈组断电，活塞杆4依靠回位弹簧7的弹力自动快速恢复到原位，磁流变液快速地从缸筒1的第二腔体1b流向缸筒1的第一腔体1a，直到第二腔体1b与第一腔体1a的压力差为零，完成一次抗过冲击的缓冲，如此重复，即可不断地减小对结构的过冲击并抑制结构共振。

参见图4，经实验得出，实线为普通缓冲器的冲击力与缓冲位移之间的曲线图像，虚线为本发明的抗冲击磁流变缓冲器的冲击力与缓冲位移之间的曲线图像，通过对比，在同样荷载当量的瞬时冲击下，本发明对不同线圈组采取分段预置电流进行控制，大大减小了冲击力，避免出现冲击力峰值，冲击力F在起始段沿陡峭的曲线上升后，在极速段冲击力F沿平坦的曲线过渡到衰减段，沿陡峭的曲线下降，减少了缓冲位移，冲击力F更稳定，抗冲击效果明显提高，更好地保证系统工作的稳定性和可靠性，以更好地保护好结构安全。

Claims (9)

1.一种抗冲击磁流变缓冲器的抗过冲击的方法，其特征在于：采用抗冲击磁流变缓冲器控制高强度冲击环境设备中的过冲击，所述抗冲击磁流变缓冲器包括活塞杆和缸筒，所述缸筒的两端分别设有密封端座和密封端盖，形成密闭空腔，该密闭空腔中充满磁流变液，所述活塞杆设有凹腔，该凹腔中设有回位弹簧，所述活塞杆的凹腔口设有活塞阻尼环，与缸筒间隙配合，将缸筒的密闭空腔分隔成两个相互独立的腔体，所述活塞阻尼环设有多个通孔，用于连通缸筒的第一腔体和第二腔体，所述密封端座上固定连接有一沿轴向延伸的阻尼杆，所述阻尼杆的延伸端穿过活塞阻尼环伸入活塞杆的凹腔中，穿过回位弹簧与凹腔中的导向体固定连接，对回位弹簧轴向限位，通过活塞杆凹腔口设有的定位凸台，使活塞杆的轴向运动转换为回位弹簧的弹力，所述活塞阻尼环内侧设有极齿环，与阻尼杆的外周面形成磁流变间隙，所述阻尼杆沿轴向依次设有起始段线圈组、极速段线圈组、衰减段线圈组，所述起始段线圈组、极速段线圈组、衰减段线圈组均至少为一个，各线圈组的引出线与电源系统电连接；

采用抗冲击磁流变缓冲器抗过冲击的方法，有以下步骤：

1）缓冲器的电源系统分别输出励磁电流I1、I2、I3给起始段线圈组、极速段线圈组、衰减段线圈组；

2）当活塞杆受到瞬时冲击时，活塞阻尼环沿冲击力的方向轴向移动，迫使磁流变液流动，磁流变液从缸筒的第一腔体通过活塞阻尼环与阻尼杆之间的磁流变间隙流向缸筒的第二腔体时会依次受到起始段线圈组、极速段线圈组、衰减段线圈组产生的磁场的作用，分别产生不同大小的抗过冲击的缓冲阻尼力；

3）冲击完成后，活塞杆依靠回位弹簧的弹力自动快速恢复到原位。

2.根据权利要求１所述的抗过冲击的方法，其特征在于：各线圈组的励磁电流从大到小的顺序为：起始段线圈组的励磁电流I1、衰减段线圈组的励磁电流I3、极速段线圈组的励磁电流I2。

3.根据权利要求１所述的抗过冲击的方法，其特征在于：各相邻线圈组之间磁场极性相同。

4.根据权利要求１所述的抗过冲击的方法，其特征在于：各相邻线圈组的磁极间距与活塞阻尼环内侧极齿环的轴向长度二者之比值为小于１的无理数，保证在冲击运动过程中至少有一个线圈组磁极与活塞阻尼环极齿环重合，使磁流变间隙磁路畅通。

5.根据权利要求１所述的抗过冲击的方法，其特征在于：所述起始段线圈组、极速段线圈组以及衰减段线圈组，其线圈组内分别有至少２个线圈串联或并联，且相邻线圈之间磁场极性相反。

6.根据权利要求１所述的抗过冲击的方法，其特征在于：所述活塞杆与活塞阻尼环一体成型，形成一段圆锥段，该圆锥段的圆周壁上设置通孔。

7.根据权利要求１所述的抗过冲击的方法，其特征在于：所述活塞阻尼环内侧设有两组极齿环，两组极齿环沿轴向并排设置。

8.根据权利要求１所述的抗过冲击的方法，其特征在于：所述阻尼杆与密封端座的固定端为球形，通过压紧环与密封端座形成万向球铰链，所述阻尼杆的延伸端与导向体的一端通过螺栓连接，所述导向体另一端为半球面，与活塞杆的凹腔底之间留有间距，形成过冲保护腔，所述活塞杆的凹腔底为半球形凹面与导向体的半球面相配合。

9.根据权利要求１所述的抗过冲击的方法，其特征在于：所述活塞阻尼环、阻尼杆均采用铁磁性材料制成。