CN104632986A - 一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器及其对振动结构的减振方法 - Google Patents

一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器及其对振动结构的减振方法 Download PDF

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Abstract

一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器及其对振动结构的减振方法，包括两端开口的非铁磁质腔体，非铁磁质腔体一端安装有铁磁质端盖，另一端安装有非铁磁质端盖，铁磁质端盖和非铁磁质端盖将非铁磁质腔体密封，非铁磁质腔体中装有铁磁质颗粒，非铁磁质腔体外侧绕制有线圈。本发明当通电时螺线管产生的电磁场将会将铁磁质颗粒和铁磁端盖都进行磁化，铁磁质颗粒磁化后与磁场相互作用增加颗粒之间的相对运动，从而达到增加耗能的目的；在空间失重环境下，铁磁质端盖则可以给所有铁磁质颗粒一个整体的单向力，增加颗粒之间的正压力，从而增加颗粒之间碰撞的机会以及摩擦耗能，提高颗粒阻尼的减振作用；在大惯性力条件下，同样具有良好的减振效果。

Description

一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器及其对振动结构的减振方法
技术领域
本发明属于航天工程以及旋转机械中的振动控制领域，具体涉及一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器及其对振动结构的减振方法。
背景技术
颗粒阻尼是将金属或者是非金属颗粒按一定的填充比填充到一个空腔结构内，通过颗粒之间以及颗粒与空腔内壁之间的非弹性碰撞、摩擦和动量交换来消耗系统的动能，从而达到减振的目的。目前关于颗粒阻尼的研究主要集中在常规重力环境下进行，对颗粒阻尼的各个参数对减振特性的影响进行探讨。而且近些年来，学者们也对颗粒阻尼的形式进行了演变和发展，演变出了多种不同形式的颗粒阻尼，例如非阻塞性颗粒阻尼技术(NOPD)、柔性约束颗粒阻尼技术(简称豆包阻尼技术BBD)、带颗粒减振剂的碰撞阻尼、活塞式颗粒阻尼技术(PTD)等。诸多研究表明颗粒阻尼技术具有减振效果优良、频带宽、附加质量小等优点，适用于高温，高压等恶劣的环境，且结构简单成本低廉易于实施，具有重要的工程应用前景。
虽然在重力环境下颗粒阻尼具有良好的减振效果，但是在一些非常规的环境下如大惯性力(超重，离心)环境下、失重环境下，颗粒阻尼的运动形式与常规重力环境下相比必然发生改变。例如由于旋转条件下，离心力的存在导致颗粒阻尼技术在其减振应用时受到了限制。离心力使得振动构件上装载的颗粒处于压实状态，颗粒之间的相对运动减小，使得颗粒阻尼结构失去了效果。再比如失重环境下使颗粒之间失去正压力，从而失去摩擦力，导致耗能效应不再。因此在这些环境下颗粒阻尼将失去其优良的减振效果。如何有效的恢复提高颗粒阻尼在这些环境中的阻尼特性迫切需要研究探索，这也成为了现在关于颗粒阻尼研究的一个新的方向。
为了克服颗粒阻尼在上述大惯性力，失重环境下的颗粒阻尼难以应用的问题，国内外的一些学者对其进行了探索。有人对失重环境下颗粒阻尼器颗粒材料的运动规律进行了研究，提出了加扰动器10(十字形叶片)的方式增加颗粒的运动提高颗粒阻尼的减振效果，参见图1，但是在腔体9内固定扰动器比较难以实现；而且在失重环境下振动一段时间之后，颗粒可能会悬浮分布在扰动器分割成的两个腔体中间，导致扰动器可能不能达到预期的效果。也有人对旋转条件下的颗粒阻尼进行了讨论，对打孔方向以及长径比进行了讨论以提高在该环境下颗粒阻尼的减振效果，但是该方法也仅限于转速较低时使用，在大转速下孔的参数对颗粒阻尼的减振效果影响不大。因此探索可以使颗粒阻尼在这些不利环境下仍能发挥作用的方法具有非常大的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器及其对振动结构的减振方法，其能够在失重以及大惯性力环境下使用，并且具有很好的阻尼效果。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器，包括两端开口的非铁磁质腔体，非铁磁质腔体一端安装有铁磁质端盖，另一端安装有非铁磁质端盖，铁磁质端盖和非铁磁质端盖将非铁磁质腔体密封，非铁磁质腔体中装有铁磁质颗粒，非铁磁质腔体外侧绕制有线圈。
所述非铁磁质腔体和非铁磁质端盖的材质均为非铁磁性材料。
所述非铁磁性材料为有机玻璃、铝、铜或聚四氟乙烯。
所述铁磁端盖和铁磁质颗粒的材质均为铁磁性材料。
所述铁磁性材料为钢、铁、钴或镍。
所述线圈连接有能够调节电流大小的电源。
一种一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器对减振结构的减振方法，将非铁磁质腔体通过螺纹连接到振动结构上，通过电源给线圈供电，在非铁磁质腔体中产生磁场，此时铁磁质端盖和铁磁质颗粒都会被磁化，铁磁质端盖与所有磁化后的铁磁质颗粒相互吸引，从而实现对振动结构的减振。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明结合电磁场理论，将铁磁性端盖安装在非铁磁质腔体需要提供单向力的一端；为了避免磁屏蔽效应，腔体选择非铁磁性材料，腔体密封的另一端也选择非铁磁性材料，以便产生单向力；由于将密绕线圈(即导线)缠绕在非铁磁质腔体外侧形成螺线管，非铁磁质腔体一端采用铁磁材质的端盖进行密封，颗粒采用铁磁质颗粒，所以当通电时螺线管产生的电磁场将会将铁磁质颗粒和铁磁端盖都进行磁化，铁磁质颗粒磁化后与磁场相互作用增加颗粒之间的相对运动，从而达到增加耗能的目的；铁磁质端盖则可以给所有铁磁质颗粒一个整体的单向力，该单向力在失重环境下可以模拟重力的作用，从而增加颗粒之间的正压力，进而增加颗粒之间碰撞的机会以及增加摩擦耗能，提高在该环境下颗粒阻尼的减振作用；在大惯性力条件下，通过调整该单向力的方向，将铁磁质端盖加在大惯性力相反的方向产生一个与惯性力相反的力，从而克服大惯性力的影响，获得良好颗粒阻尼的减振效果，拓宽了颗粒阻尼的应用范围，具有重要的工程应用价值。
本发明提供了一种耦合了电磁场的颗粒阻尼器，在绕有线圈的非铁磁质腔体一端密封处采用的是铁磁性材质的端盖，通过电磁场改变腔体中颗粒的受力和运动情况，给所有颗粒一个整体的单向力，改善大惯性力以及失重等不利环境下颗粒阻尼的减振效果。使用时将本发明的颗粒阻尼器安装在需要减振的结构上，在振动产生时能够起到减振的效果。
本发明中通过采用填充有铁磁质颗粒的非磁铁质腔体，腔体一端为铁磁质端盖，另一端为非铁磁质端盖，即可实现增加颗粒阻尼特性的目的，所以本发明结构简单，并且易于实现，在大惯性力以及失重环境下具有较好的阻尼效果。
进一步的，由于密绕线圈连接有能够调节电流大小的电源即可调电源，针对外部环境的影响大小，通过调节外部的可调电源，螺线管产生大小合适的电磁场，增加颗粒之间的相互作用，克服外部环境，如大惯性力，失重等的不利影响，实现最佳的阻尼效果。
进一步的，在一般环境下，通过调节外部能够调节电流大小的电源也可以增加颗粒阻尼的减振效果，提高其阻尼特性。
附图说明
图1为现有技术中腔体中设置扰动器的示意图；
图2为一端加铁磁端盖的耦合电磁场的颗粒阻尼器结构示意图；
图3为一端加铁磁端盖的耦合电磁场的颗粒阻尼器装配示意图；
图4为失重环境下腔体内的颗粒空间分布示意图，其中，图4(a)为普通颗粒阻尼器；图4(b)为一端加铁磁质端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器；
图5为失重环境下普通颗粒阻尼器与一端加铁磁质端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器减振效果对比图；
图6为失重环境下普通颗粒阻尼器与一端加铁磁质端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器减振效果对比图。
图中，1为非铁磁质端盖；2为线圈；3为铁磁质端盖；4为铁磁质颗粒；5为非铁磁质腔体，6为振动结构；7为一端加铁磁端盖的耦合电磁场的颗粒阻尼器；8为电源，9为腔体，10为扰动器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图2，本发明包括两端开口的非铁磁质腔体5，非铁磁质腔体5一端设置有铁磁质端盖3，另一端设置有非铁磁质端盖1，铁磁质端盖3和非铁磁质端盖1可将非铁磁质腔体5密封，非铁磁质腔体5中装有铁磁质颗粒4，非铁磁质腔体5外侧绕制有密绕线圈2，密绕线圈2缠绕在非铁磁质腔体5上形成螺线管。其中，线圈2连接有能够调节电流大小的电源8，非铁磁质腔体5的材质为有机玻璃、铝、铜或聚四氟乙烯。
本发明的使用方法为：将非铁磁质腔体5通过螺纹连接到振动结构6上，通过能够调节电流大小的电源8给线圈2供电，在非铁磁质腔体5中产生磁场，此时铁磁质端盖3和铁磁质颗粒4都会被磁化，当磁场强度合适时，铁磁质颗粒4之间的磁力会增加颗粒的相互作用，铁磁质端盖3会给所有铁磁质颗粒4一个朝向铁磁质端盖3的单向力，铁磁质端盖与所有磁化后的铁磁质颗粒相互吸引，从而达到增加耗能的目的，实现对振动结构的减振。
实现改善减振效果的目的。
本发明中所用的振动结构被简化为单自由度系统。下面通过具体实施例进行说明。
实施例1
一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器结构如图2所示，在非铁磁质腔体5中装入铁磁质颗粒4，通过非铁磁质端盖1和铁磁质端盖3对非铁磁质腔体5进行密封构成颗粒阻尼器，并在非铁磁质腔体5外绕制上密绕线圈2，密绕线圈2缠绕在非铁磁质腔体5上形成螺线管，其中，非铁磁质腔体5材质为有机玻璃。
参见图3，将一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器7通过螺纹连接到振动结构6上，通过电源8给螺线管供电，在非铁磁质腔体5中产生磁场，此时铁磁质端盖和铁磁质颗粒都会被磁化，当磁场强度比较合适时，铁磁质颗粒4之间的磁力会增加颗粒的相互作用，而铁磁端盖会给所有铁磁质颗粒一个朝向铁磁端盖的单向力。
对于失重环境下的颗粒阻尼，由于重力的失去，颗粒悬浮在腔体内，颗粒之间的正压力也因此失去，振动发生时颗粒集中在腔体中部，从而颗粒之间以及颗粒与腔体之间的碰撞摩擦作用大大减小，导致颗粒阻尼减振效果变差。而一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器通过铁磁质端盖给所提供的单向力模拟重力的影响，增加颗粒之间相互作用，提高了颗粒之间的摩擦碰撞耗能。本发明采用仿真方法对比了采用普通颗粒阻尼与采用一端加铁磁质端盖耦合电磁场的颗粒阻尼在失重环境下的自由振动衰减曲线，其中，颗粒是直径为5mm的钢球，腔体为直径20mm，长40mm的圆筒，磁场强度为8000A·m-1，铁磁质端盖为钢盖，自由衰减振动初始振幅为5mm，颗粒填充率为70％，振动结构质量为0.61Kg，振动结构的刚度为5.8×104N/m。
参见图4，图4(a)展示了失重环境下普通颗粒阻尼的空间分布，图4(b)为一端加铁磁质端盖耦合电磁场的颗粒阻尼腔体内部颗粒的空间分布，其减振结果如图5所示。从图5中可以明显看出一端加铁磁质端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器其振动曲线衰减更快，而且减振后的振动幅值更小，说明其在失重环境下的减振效果较之普通颗粒阻尼有很大的提高。
本发明提出的一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼结构，只需在非铁磁质腔体外绕上面绕线圈即可，实施方便；而且本发明是通过电磁场磁化铁磁性端盖和铁磁性颗粒，给颗粒以整体的单向力模拟重力环境，减振效果更加可靠。
实施例2
一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器结构如图2所示，在非铁磁质腔体5中装入铁磁质颗粒4，通过非铁磁质端盖1和铁磁质端盖3对非铁磁质腔体5进行密封构成颗粒阻尼器，并在非铁磁质腔体5外绕制上线圈2，线圈2缠绕在非铁磁质腔体5上形成螺线管，非铁磁质腔体5的材质为有机玻璃。
对于旋转条件下的颗粒阻尼，由于离心力的作用使得颗粒紧紧的压实在一起，颗粒之间的相对运动急剧减少，从而导致颗粒阻尼减振效果变差。通过调整铁磁质端盖的位置，使得铁磁质端盖给颗粒的整体单向力的方向与离心力方向相反，来克服离心力的影响。本发明采用仿真的方法研究了旋转条件下普通颗粒阻尼与一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼的自由振动衰减曲线，研究的转速为300转/min，旋转半径为0.5m，颗粒为直径5mm的钢球，填充率为66％，分别对比了螺线管外加电流I为0A和0.3A时振动结构的自由衰减曲线，当电流为0A时，颗粒阻尼器腔体内部磁感应强度为0.0mT，此时为普通的颗粒阻尼减振，当电流为0.3A时，腔体内部磁感应强度约为7.42mT，此时为一端加铁磁质端盖的耦合电磁场的颗粒阻尼器。振动结构6的等效质量为0.96Kg，振动结构6的等效刚度为4.58×104N/m，其结果如图6所示。从图6中可以明显看出一端加铁磁质端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器其振动曲线衰减更快，而且减振后的振动幅值更小，说明其在旋转条件下的减振效果较之普通颗粒阻尼有很大的提高。
本发明中非铁磁质腔体5的材质为有机玻璃、铝、铜或聚四氟乙烯等，只要是非铁磁质的材料都可以；铁磁质颗粒4为铁磁质的材料，可以为钢球、铁球、钴球或镍球。本发明中的振动结构为振动的装置，或者装置中的一个振动部件。本发明中阻尼器的具体的尺寸可以根据具体的使用环境进行调整。
本发明所设计的结构可以有效的提高颗粒阻尼在旋转条件下的减振特性，而且针对不同的转速可以通过调整外加电源来获取比较好的减振效果，使得颗粒阻尼发挥最佳的效果，拓展了颗粒阻尼的应用范围。
本发明主要特点是在绕有螺线管的颗粒阻尼腔体一端密封处采用的是铁磁性材质的端盖，通过电磁场改变颗粒的受力和运动情况，给所有颗粒一个整体的单向力，改善大惯性力以及失重等不利环境下颗粒阻尼的减振效果。
本发明为一端加铁磁端盖的耦合电磁场的颗粒阻尼器，一端为铁磁材料的端盖，螺线管绕制在颗粒阻尼器腔体的外部，并与外部电源8相连接，铁磁质端盖安装在需要提供单向力的一侧，颗粒材料选择为铁磁性材料；为了避免磁屏蔽效应，颗粒阻尼器腔体选择非铁磁性材料，腔体密封的另一端也选择非铁磁性材料以便产生单向力。一端加铁磁端盖的耦合电磁场的颗粒阻尼器安装在需要减振的结构上，从而在振动产生时起到减振的效果。根据外部使用环境的情况调节外部电源8，通过螺线管产生合适的大小的磁场，增加颗粒之间的相互作用，克服外部环境(如大惯性力，失重等)的不利影响，使得颗粒阻尼产生令人满意的阻尼效果。
本发明是一种能够在失重以及大惯性力环境下使用的颗粒阻尼器，结合电磁场理论，采用导线缠绕在颗粒阻尼器的腔体外端形成螺线管，腔体一端采用铁磁材质端盖进行密封，颗粒采用铁磁质颗粒。当通电时螺线管产生的电磁场将会将颗粒和铁磁端盖都进行磁化，颗粒磁化后与磁场相互作用增加颗粒之间的相对运动，从而达到增加耗能的目的；而铁磁端盖则可以给所有铁磁颗粒一个整体的单向力，在失重环境下可以模拟重力的作用，增加颗粒之间的正压力，从而增加颗粒之间的碰撞耗能以及摩擦耗能提高在该环境下颗粒阻尼的减振作用；在大惯性力条件下，可以将铁磁端盖加在大惯性力相反的方向产生一个与惯性力相反的力，从而克服大惯性力的影响，获得良好颗粒阻尼的减振效果。

Claims (7)

1.一种一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器，其特征在于，包括两端开口的非铁磁质腔体(5)，非铁磁质腔体(5)一端安装有铁磁质端盖(3)，另一端安装有非铁磁质端盖(1)，铁磁质端盖(3)和非铁磁质端盖(1)将非铁磁质腔体(5)密封，非铁磁质腔体(5)中装有铁磁质颗粒(4)，非铁磁质腔体(5)外侧绕制有线圈(2)。
2.根据权利要求1所述的一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器，其特征在于，所述非铁磁质腔体(5)和非铁磁质端盖(1)的材质均为非铁磁性材料。
3.根据权利要求2所述的一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器，其特征在于，所述非铁磁性材料为有机玻璃、铝、铜或聚四氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器，其特征在于，所述铁磁端盖(3)和铁磁质颗粒(4)的材质均为铁磁性材料。
5.根据权利要求4所述的一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器，其特征在于，所述铁磁性材料为钢、铁、钴或镍。
6.根据权利要求1所述的一端加铁磁端盖耦合电磁场的颗粒阻尼器，其特征在于，所述线圈(2)连接有能够调节电流大小的电源(8)。
7.一种基于权利要求1所述的颗粒阻尼器对减振结构的减振方法，其特征在于，将非铁磁质腔体(5)通过螺纹连接到振动结构(6)上，通过电源(8)给线圈(2)供电，在非铁磁质腔体(5)中产生磁场，此时铁磁质端盖(3)和铁磁质颗粒(4)都被磁化，铁磁质端盖(3)与所有磁化后的铁磁质颗粒(4)相互吸引，从而实现对振动结构(6)的减振。
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