CN104632982B - 一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器 - Google Patents

Abstract

一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器，属于机械工程振动领域。成功解决了现有磁性液体阻尼减振器由于多种结构问题无法在工程实际中得到应用的问题。该装置包括左端盖(1)、弹性垫(2)、壳体(3)、左螺纹挡圈(4)、左定位永磁体(5)、左定位棒(6)、第一耗能永磁体(7)、连接棒(8)、第二耗能永磁体(9)、右定位棒(10)、右定位永磁铁(11)、磁性液体(12)、右螺纹挡圈(13)、右端盖(14)、通气槽(15)，当外界振动时，磁性液体随左定位永磁体(5)、第一耗能永磁体(7)、第二耗能永磁体(9)和右定位永磁体(11)一起运动，从而吸收能量，左定位永磁体(5)和右定位永磁体(11)在由于锥角作用使得质量块与壳体(3)之间形成频率差，使减振效率达到最大。

Description

一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器

技术领域

本发明涉及一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器，适用于航天器中长直物体的减振。

背景技术

磁性液体阻尼减振器是一种被动减振器，对惯性力的敏感度较高，具有结构简单、体积小、耗能大和寿命长等优点。由于空间飞行器特殊的运行环境，其自身体积、重量和能源受到一定的限制，因此磁性液体阻尼减振器非常适合于大型航天器长直物体的低频率、小振幅的减振，如空间站的太阳能帆板、天线等，同时，其在地面上也具有广阔的应用前景，如长达百米的大功率天线的减振，精密天平的减振等等。然而现有磁性液体阻尼减振器由于多种结构问题无法在工程实际中得到应用，具体问题如下：

现在最为常见的磁性液体阻尼减振器主要采用磁性液体的二阶浮力原理，如对比文献1(公开号CN102032304A的申请专利)所述、对比文献2(公开号CN104074903A的申请专利)所述、对比文献3(公开号CN102042359A的申请专利)所述、对比文献4(公开号CN102494070A)所述、对比文献5(公开号JP11-230255A)所述和对比文献6(公开号CN103122965A)，少数采用了磁性液体的一阶浮力原理，如对比文献7(公开号JP11-223247A的申请专利)所述。

对比文献1(公开号为CN102032304A的申请专利)所述的减振器装置，该减振器包括非导磁外壳、磁性液体、永磁体、螺母、端盖、螺栓、螺钉、密封垫和O型密封圈。该申请专利通过将圆柱形的永磁体作为质量块，在非导磁外壳内注满磁性液体，从而利用磁性液体的二阶浮力原理使得质量块悬浮在壳体中。当外界振动时，质量块和壳体之间的相对运动造成磁性液体在质量块与壳体之间的间隙中流动，从而产生粘性损耗。然而，该专利所述的减振器利用了磁性液体的二阶浮力原理，通过在壳体内充满磁性液体使得永磁体能够稳定悬浮在壳体中，然而由于磁性液体的磁粘效应，当磁性液体充满壳体后，永磁体在壳体内部运动将非常缓慢，减振效果不好。其次，由于质量块为永磁体，壳体为普通圆柱桶状，因此质量块重量和回复力大小均不可调。而且永磁体的材料通常比较脆，当加速度极大时，很容易造成永磁体与壳体之间的碰撞，最终导致永磁体碎裂，从而造成减振器失效因此在工程应用中不具有实用性。

对比文献2(公开号为CN104074903A的申请专利)所述的减振器装置，该减振器包括非导磁壳体、螺栓、螺母、永磁体、磁性液体、非磁性外壳、O型圈、气孔、环形间隙等。该申请专利也是将永磁体作为质量块，在永磁体两端吸附少量磁性液体，利用磁性液体的二阶浮力原理使得永磁体悬浮，通过将壳体内壁加工成圆弧状使得磁性液体产生弹性力，从而使得永磁体始终处于壳体的正中。同时，该结构也不需要将磁性液体充满整个壳体，从而避免了对比文献1的磁性液体充满后在永磁体两端的流动困难问题。然而当质量块运动时，整个质量块将发生偏斜，导致质量块底面与壳体弧形内壁发生刮蹭现象，导致减振效果不明显，也无法避免加速度较大时，永磁体与壳体碰撞碎裂的问题，同时该专利所用气孔需要安接外套，结构复杂，导致整个减振器质量增加，因此不具有实用性。

对比文献3(公开号为CN102042359A的申请专利)所述的减振器装置，该减振器与对比文献1所述的装置结构类似，但对比文献3在永磁体上加工有4～8个通孔，该通孔可以使得磁性液体流动更加顺畅，且增大摩擦面积。然而，由于磁性液体充满整个腔室，且永磁体两端磁场非常强，无论是通孔内的磁性液体还是永磁体与壳体之间的磁性液体都会因为粘度过大而无法正常流动，因此在永磁体上加工通孔的效果并不明显，因此不具有实用性。

对比文献4(公开号CN102494070A的申请专利)所述的减振器装置，该减振器原理与对比文献1所述装置原理类似，但该专利所述装置将壳体加工成圆形的空心球状，永磁体加工成实心球状。然而，单纯的形状改变并不能解决磁性液体在永磁体与壳体之间流动困难的问题，也不能避免永磁铁与壳体碰撞的碎裂问题，因此不具有实用性。

对比文献5(公开号JP11-230255A的申请专利)所述的减振器，该减振器是一种用于转轴振动的减振器，其利用磁性液体的二阶浮力原理，将永磁体作为一个旋转质量块。该专利也无法解决磁性液体在永磁体与壳体之间流动困难的问题，其陶瓷材料的环5由于是脆性材料，也不能解决永磁体与其碰撞碎裂的问题，因此不具有实用性。

对比文献6(公开号CN103122965A的申请专利)所述的减振器装置，该减振器是一种用于消减太阳能帆板振动的减振器，其利用了磁性液体的二阶浮力原理，质量块为环形永磁体。该专利通过用带锥角的垫片来保持永磁体的居中位置，然而当圆柱形永磁体在壳体底部运动时，由于锥角垫片的作用将发生倾斜从而导致永磁体与垫片发生刮蹭，粘性耗能降低。同时，该专利通过在壳体内壁粘接沿径向充磁的第一环形永磁体来防止作为质量块的第二环形永磁体的撞壁，第一环形永磁体与第二环形永磁体同极相对。当在航天器发射过程中，加速度极大，有时会超过10个重力加速度时，第一环形永磁体和第二环形永磁体间距越小斥力越大，可以有效防止第二环形永磁体沿径向的撞壁行为。然而由于永磁体之间的斥力为不平衡力，因此第二环形永磁体在受到沿径向的斥力的同时，还会受到一个沿轴向的力矩，因此在航天器发射过程中，该力矩很容易导致第二环形永磁体与壳体端盖或底面相撞，最终导致第二环形永磁体碎裂，不具有实用性因此在实际应用中存在一定问题。

对比文献7(公开号JP11-223247A的申请专利)所述的减振器装置，该减振器是一种用于消减转轴振动的减振器，其利用了磁性液体的一阶浮力原理，质量块为环形非导磁物质，在转轴上安装一圈永磁体使得质量块在周向不发生偏移。然而，通过磁性液体的一阶浮力原理可知，单独一组永磁体对非导磁性的物质悬浮是不稳定的，很容易导致质量块在沿转轴轴向方向产生偏移和扰动，同时永磁体碰撞问题无法得到解决，因此该专利不具有实用价值。

同时，对比文献8(公开号CN103149384A的申请专利)所述的磁性液体传感器，利用在壳体内部加工锥角的方式给永磁体提供一个回复力，并通过在壳体内壁开槽保证腔室两侧气体的流通，然而该专利不能避免永磁体在运动过程中倾斜后与壳体的刮蹭问题，同时也会导致永磁体倾斜后使得凹槽截面积减小，气体流通受阻从而降低永磁体与壳体之间的相对运动速度。再者，该专利的结构也很容易造成永磁体与壳体发生碰撞。

因此急需对磁性液体阻尼减振器的结构进行重新设计和改进，使其能够在实际工程中得到应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，现有磁性液体阻尼减振器由于多种结构缺陷造成磁性液体流动困难、永磁体撞壁和永磁体易倾斜与壳体锥角发生刮蹭等问题，使其无法在工程实际中得到应用。特提供一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器，该装置包括左端盖、弹性垫、壳体、左螺纹挡圈、左定位永磁体、左定位棒、第一耗能永磁体、连接棒、第二耗能永磁体、右定位棒、右定位永磁铁、磁性液体、右螺纹挡圈、右端盖、通气槽。

所述壳体左端为带锥角的内孔，锥孔的直径从左到右逐渐减小，右端为带锥角的内孔，锥孔的直径从右到左逐渐减小，中间部位为等直径的通孔，壳体内孔孔壁开有尺寸相同的通气槽；壳体中间内孔直径与左、右锥角的最小直径相同；所述弹性垫与壳体固定连接；所述左螺纹挡圈、左定位永磁体、左定位棒、第一耗能永磁体、连接棒、第二耗能永磁体、右定位棒、右定位永磁体和右螺纹挡圈从左到右依次固定连接形成工作单元，并保证同轴；在左定位永磁体、第一耗能永磁体、第二耗能永磁体和右定位永磁体上注射一定量的磁性液体；所述左端盖和右端盖分别与壳体左、右端面固定连接。由于第一耗能永磁体、第二耗能永磁体的支撑作用，使得锥孔角度可以在5°≤θ<90°范围内进行选取，扩大了参数选取范围。

所述壳体为非导磁性材料，其内孔左、右两端锥孔的锥角5°≤θ<90°，内孔通气槽数量为2～6个，沿内孔圆周方向均匀分布，所有通气槽的截面总面积为壳体中间部位等直径通孔面积的1/8～1/3。壳体左、右两端的锥孔可以给由左定位永磁体、左定位棒、第一耗能永磁体、连接棒、第二耗能永磁体、右定位棒和右定位永磁体所形成的质量块提供一个定心作用，使质量块在振动过程中始终受到一个指向对称中心的定心力。通气槽可以确保腔室两侧气体的流通，至少2个以上沿圆周均匀分布的通气槽可以防止现有技术(对比文献2和8所述装置)在地面使用时，用于重力影响使得磁性液体堵住通气槽或减小通气槽的面积，影响质量块的运动速度。

所述通气槽的长度与由左螺纹挡圈、左定位永磁体、左定位棒、第一耗能永磁体、连接棒、第二耗能永磁体、右定位棒、右定位永磁体和右螺纹挡圈、所形成的工作单元的长度之差应大于两倍的振幅。通气槽的长度设计可以有效防止在达到最大振幅时，质量块运动到无通气槽地带，使得腔室两端压力平衡被打破，从而无法回到中心位置。

所述弹性垫左端与右端的锥角外形尺寸与壳体左、右两端锥角内壁的形状尺寸完全相同，对应于凹槽的部位开有与通气凹槽尺寸相同的通孔，弹性垫中间部位外径与壳体外径相同，对应于通气凹槽的部位未开孔，弹性垫厚度为1～3mm。在壳体内壁固定连接一层1～3mm厚的弹性垫，弹性垫材料可以选用材质软、有一定弹性且表面光滑的橡胶或皮革垫。壳体左、右两端锥角处的弹性垫可以有效缓解加速度较大时，左、右定位永磁体与壳体表面的碰撞，使现有技术的刚性碰撞变为柔性碰撞。弹性垫较弱的弹性可以使得被永磁体撞击的凹陷部位在停止撞击后有一定的恢复能力，同时又对永磁体的定心力不产生影响。在壳体左、右两端锥角处的弹性垫由于在对应通气槽的部位设有与通气槽尺寸相同的通孔，因此不影响腔室两侧的气体流动。在壳体中间部位的弹性垫没有加工通孔，因此可以避免磁性液体流入通气槽内，使通气槽面积变小甚至封闭，同时又可以解决因开槽造成第一耗能永磁体与第二耗能永磁体悬浮力下降和与壁面接触面积减少，减振性能下降等问题。

所述左定位永磁体与右定位永磁体尺寸相同，为圆环形，且外径均大于壳体中间部位的通孔直径，小于壳体左、右两端锥孔的最大直径，所述第一耗能永磁体和第二耗能永磁体尺寸相同，为圆环形，且直径小于壳体中间部位的通孔直径。左、右定位永磁体的尺寸可以防止由于惯性作用，左、右定位永磁体与壳体锥角部位脱离，造成定心力失效。第一、第二耗能永磁体的尺寸可以有效的防止现有技术(对比文献2、6和8所述装置)在运动过程中永磁体产生的倾斜问题，从而避免了所有永磁体与壳体的刮蹭问题，也可以使左、右定位永磁体的受到的定心力更加均匀。

所述的左螺纹挡圈、左定位棒、连接棒、右定位棒和右螺纹挡圈的直径均小于第一耗能永磁体和第二耗能永磁体的外径，壳体中间部位通孔的长度与由连接棒、第一耗能永磁体和第二耗能永磁体所组成的耗能单元的长度之差大于两倍振幅。所述左、右定位棒和连接棒可以选用任意材料，因此能够对质量块的总重量进行调控。其直径小于永磁体的直径有利于使得永磁体产生吸附的磁性液体量比现有技术(对比文献2、6和8所述装置)更多，产生的粘性耗能更多。通孔与耗能单元之间的长度关系可以有效防止振幅达到最大时，第一、第二耗能永磁体与壳体中间通孔脱离。

所述的左螺纹挡圈左端为挡圈，右端加工有直径小于其左端挡圈的螺柱，所述右螺纹挡圈与左螺纹挡圈尺寸结构完全相同，所述左定位棒左、右两侧设有凸台，左凸台距左端面的距离为左定位永磁体的厚度，左定位棒左、右两端加工有螺纹孔，所述右定位棒与左定位棒结构尺寸完全相同，所述连接棒左、有侧设有凸台，左、右凸台距左、右端面的距离分别为第一、第二耗能永磁体的厚度，其左、右端面分别加工有螺柱。该结构使得左、右定位棒与连接棒之间均为螺纹连接，加强了同轴度，也更加便于安装和拆卸，而左、右螺纹挡圈和左、右定位棒、连接棒上的凸台确保了左、右定位永磁体、第一、第二耗能永磁体不会沿轴向产生滑移和脱落。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果如下：(1)壳体左、右两端的锥孔可以给由左定位永磁体、左定位棒、第一耗能永磁体、连接棒、第二耗能永磁体、右定位棒和右定位永磁体所形成的质量块提供一个定心作用，使质量块在振动过程中始终受到一个指向对称中心的定心力；(2)通气槽可以确保腔室两侧气体的流通，至少2个以上沿圆周均匀分布的通气槽可以防止现有技术在地面使用时，用于重力影响使得磁性液体堵住通气槽或减小通气槽的面积，影响质量块的运动速度，通气槽的长度设计可以有效防止在达到最大振幅时，质量块运动到无通气槽地带，使得腔室两端压力平衡被打破，从而无法回到中心位置；(3)左、右定位永磁体的尺寸可以防止由于惯性作用，左、右定位永磁体与壳体锥角部位脱离，造成定心力失效；(4)第一、第二耗能永磁体的尺寸可以有效的防止现有技术中永磁体产生的倾斜问题，从而避免了永磁体与壳体的刮蹭问题；(5)所述左、右定位棒和连接棒可以选用任意材料，因此能够对质量块的总重量进行调控；其直径小于永磁体的直径有利于使得永磁体产生吸附的磁性液体量更多，产生的粘性耗能更多；(6)壳体左、右两端锥角处的弹性垫可以有效缓解加速度较大时，左、右定位永磁体与壳体表面的碰撞，使现有技术的刚性碰撞变为柔性碰撞，同时又对永磁体的定心力不产生影响。在壳体中间部位的弹性垫没有加工通孔，可以避免磁性液体流入通气槽内，使通气槽面积变小甚至封闭，又可以解决因开槽造成第一耗能永磁体与第二耗能永磁体悬浮力下降和与壁面接触面积减少，减振性能下降等问题；(7)通孔与耗能单元之间的长度关系可以有效防止振幅达到最大时，第一、第二耗能永磁体与壳体中间通孔脱离；(8)左、右定位棒与连接棒之间均为螺纹连接，加强了同轴度，也更加便于安装和拆卸，而左、右螺纹挡圈和左、右定位棒、连接棒上的凸台确保了左、右定位永磁体、第一、第二耗能永磁体不会沿轴向产生滑移和脱落。

附图说明

图1一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器；

图2壳体通气槽数量为2时的侧视图；

图3壳体通气槽数量为4时的侧视图；

图4壳体通气槽数量为6时的侧视图；

图5弹性垫的三维图。

图1中：左端盖1、弹性垫2、壳体3、左螺纹挡圈4、左定位永磁体5、左定位棒6、第一耗能永磁体7、连接棒8、第二耗能永磁体9、右定位棒10、右定位永磁铁11、磁性液体12、右螺纹挡圈13、右端盖14、通气槽15。

具体实施方式

以附图为具体实施方式对本发明作进一步说明：

一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器，如图1，该减振装置包括：左端盖1、弹性垫2、壳体3、左螺纹挡圈4、左定位永磁体5、左定位棒6、第一耗能永磁体7、连接棒8、第二耗能永磁体9、右定位棒10、右定位永磁铁11、磁性液体12、右螺纹挡圈13、右端盖14、通气槽15。

构成该装置的各部分之间的连接：

先将所述弹性垫2与壳体1固定连接形成带弹性垫的壳体，连接方式为粘接方式；再将左螺纹挡圈4左定位永磁体5、左定位棒6、第一耗能永磁体7、连接棒8、第二耗能永磁体9和右定位棒10从左到右依次通过螺纹固定连接，并保证同轴。在所有永磁体上注入足量磁性液体12。然后将上述由左螺纹挡圈4、左定位永磁体5、左定位棒6、第一耗能永磁体7、连接棒8、第二耗能永磁体9和右定位棒10形成的连接体从左向右装入带弹性垫的壳体内。再将右定位永磁体11和右螺纹端盖13与上述连接体通过螺纹固定连接形成工作单元，并在右定位永磁体11上注入磁性液体12。最后将所述左端盖1和右端盖14分别与壳体3的左、右端面固定连接，连接方式为粘接、焊接或螺纹连接。

所述壳体3和左、右端盖均选用非导磁性材料。

所述连接棒8可以用于调配整个质量块的重量，即可选用导磁性材料也可选用非导磁性材料，甚至可以是永磁体。

左、右定位棒用于连接永磁体，优选较轻且不易变形的材料，也可选用导磁性材料和非导磁性材料，甚至可以是永磁体。

所述弹性垫2可选用材质较软，有一定弹性的非导磁性材料，如皮革和橡胶等。

Claims (6)

1.一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器，其特征在于：包括左端盖(1)、弹性垫(2)、壳体(3)、左螺纹挡圈(4)、左定位永磁体(5)、左定位棒(6)、第一耗能永磁体(7)、连接棒(8)、第二耗能永磁体(9)、右定位棒(10)、右定位永磁体(11)、磁性液体(12)、右螺纹挡圈(13)、右端盖(14)、通气槽(15)；所述壳体(3)左端为带锥角的内孔，锥孔的直径从左到右逐渐减小，右端为带锥角的内孔，锥孔的直径从右到左逐渐减小，中间部位为等直径的通孔，壳体(3)内孔孔壁开有尺寸相同的通气槽(15)；壳体(3)中间内孔直径与左、右锥角的最小直径相同；所述弹性垫(2)与壳体(3)固定连接；所述弹性垫(2)左端与右端的锥角外形尺寸与壳体(3)左、右两端锥角内壁的形状尺寸完全相同，对应于通气槽的部位开有与通气槽尺寸相同的通孔，弹性垫(2)中间部位外径与壳体(3)外径相同，对应于通气槽的部位未开孔，弹性垫(2)厚度为1～3mm；所述左螺纹挡圈(4)、左定位永磁体(5)、左定位棒(6)、第一耗能永磁体(7)、连接棒(8)、第二耗能永磁体(9)、右定位棒(10)、右定位永磁体(11)和右螺纹挡圈(13)从左到右依次固定连接形成工作单元，并保证同轴；在左定位永磁体(5)、第一耗能永磁体(7)、第二耗能永磁体(9)和右定位永磁体(11)上注射一定量的磁性液体(12)；所述左端盖(14)和右端盖(1)分别与壳体(3)左、右端面固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器，其特征在于：

所述壳体(3)为非导磁性材料，其内孔左、右两端锥孔的锥角5°≤θ<90°，内孔通气槽数量为2～6个，沿内孔圆周方向均匀分布，所有通气槽(15)的截面总面积为壳体(3)中间部位等直径通孔面积的1/8～1/3。

3.根据权利要求1所述的一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器，其特征在于：

所述通气槽(15)的长度与由左螺纹挡圈(4)、左定位永磁体(5)、左定位棒(6)、第一耗能永磁体(7)、连接棒(8)、第二耗能永磁体(9)、右定位棒(10)、右定位永磁体(11)和右螺纹挡圈(13)、所形成的工作单元的长度之差应大于两倍的振幅。

4.根据权利要求1所述的一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器，其特征在于：

所述左定位永磁体(5)与右定位永磁体(11)尺寸相同，为圆环形，且外径均大于壳体(3)中间部位的通孔直径，小于壳体(3)锥孔的最大直径，所述第一耗能永磁体(7)和第二耗能永磁体(9)尺寸相同，为圆环形，且直径小于壳体(3)中间部位的通孔直径。

5.根据权利要求1所述的一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器，其特征在于：

所述的左螺纹挡圈(4)、左定位棒(6)、连接棒(8)、右定位棒(10)和右螺纹挡圈(13)的直径均小于第一耗能永磁体(7)和第二耗能永磁体(9)的外径，壳体(3)中间部位通孔的长度与由连接棒(8)、第一耗能永磁体(7)和第二耗能永磁体(9)所组成的耗能单元的长度之差大于两倍振幅。

6.根据权利要求1或3或4或5所述的一种带弹性垫的内锥角磁性液体阻尼减振器，其特征在于：

所述的左螺纹挡圈(4)左端为挡圈，右端加工有直径小于其左端挡圈的螺柱，所述右螺纹挡圈(13)与左螺纹挡圈(4)尺寸结构完全相同，所述左定位棒(6)左、右两侧设有凸台，左凸台距左端面的距离为左定位永磁体(5)的厚度，左定位棒(6)左、右两端加工有螺纹孔，所述右定位棒(10)与左定位棒(6)结构尺寸完全相同，所述连接棒(8)左、右侧设有凸台，左、右凸台距左、右端面的距离分别为第一、第二耗能永磁体的厚度，其左、右端面分别加工有螺柱。