CN104879412B - 带隔磁罩的一阶浮力原理磁性液体阻尼减振器 - Google Patents

Abstract

带隔磁罩的一阶浮力原理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难题。该装置包括下隔磁外套(1)、下导磁内套(2)、上隔磁外套(3)、上导磁内套(4)、端盖(5)、第一永磁体(6)、磁性液体(7)、上球壳(8)、下球壳(9)、配重(10)、第二永磁体(11)、壳体(12)，当外界振动时，由上、下球壳和配重(10)形成的非导磁质量块在腔体内移动，磁性液体在壳体(12)内流动，从而吸收能量，第一永磁体(6)和第二永磁体(11)在磁性液体内部形成的一阶浮力使得质量块与壳体(12)之间形成频率差，上、下隔磁罩有效的防止了永磁体的漏磁现象。

Description

带隔磁罩的一阶浮力原理磁性液体阻尼减振器

技术领域

本发明属于机械工程振动领域。

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、重量和所携带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)所述，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由于利用了磁性液体的二阶浮力原理，质量块必须是永磁体，因此在实际应用中存在以下不足：第一、永磁体两端的磁场非常强，而磁性液体在磁场的作用下粘度会急剧增大，因此在永磁体与壳体之间的磁性液体的流动将非常困难，从而对惯性力不敏感，减振效果差；第二、永磁体的材料通常比较脆，当航天器发射升空时，加速度极大，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；第三、由于质量块是永磁体，因此减振器外部无法安装磁屏蔽保护套，导致永磁体产生的漏磁场较大，对周围设备的稳定运行产生不利影响，在有外界振动时，永磁体产生的磁场变化甚至会导致外界设备中产生感应电流，因此不具有实用性。

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。然而该专利无法克服在加速度极大时，永磁体与壳体之间碰撞所导致的永磁体碎裂问题和永磁体的漏磁问题，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产生的效果并不明显；其次，由于在永磁体上加工通孔，加大了永磁体的脆性，在加速度极大时，永磁体与壳体之间碰撞所导致的永磁体碎裂问题将更加突出；再者，该专利无法避免永磁体的漏磁问题，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永磁体碎裂和磁性液体在永磁体与壳体之间流动困难的问题，也无法避免永磁体的漏磁问题，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。虽然该专利在壳体壁面安装了一个陶瓷环5来避免永磁体与壳体的直接碰撞，但由于陶瓷的脆性远大于永磁体，当发生相撞时，陶瓷环5极易碎裂从而污染减振器内部腔室使得减振效果下降。同时，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，更无法避免永磁体的漏磁问题，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，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。再者，该专利由于无法安装磁屏蔽罩，因此也无法解决永磁体的漏磁问题

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，因此该专利不具有实用价值。同时，该专利所述装置未安装磁屏蔽罩，无法防止永磁体的漏磁问题。

除上述问题外，现有磁性液体阻尼减振技术还存在以下问题，如在失重环境下或太空环境中有较好的减振效果，然而在地面环境中使用时，无论磁性液体的一阶浮力原理还是二阶浮力原理都受到重力的严重影响，质量块过重则与壳体下表面距离过小甚至接触，质量块过轻又无法达到减振效果，因此使得磁性液体阻尼减振器在地面应用时无法进行竖直方向的振动衰减，对水平方向的振动进行衰减时，效果也远不如失重环境。

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

本发明需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、永磁体易碎裂、漏磁严重和受重力影响严重而无法有效地在地面环境中进行减振等问题，使其无法在工程实际中得到应用。特提供带隔磁罩的一阶浮力原理磁性液体阻尼减振器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的带隔磁罩的一阶浮力原理磁性液体阻尼减振器，包括下隔磁外套、下导磁内套、上隔磁外套、上导磁内套、端盖、第一永磁体、磁性液体、上球壳、下球壳、配重、第二永磁体、壳体。

所述上球壳和下球壳固定连接并密封后形成球壳，在球壳内部装有配重形成质量块，将质量块装入壳体。上球壳和下球壳为空心半球状，材料为非导磁性物质，配重材料为非导磁性物质，上、下球壳与配重的密度比为大于1/13，上、下球壳的外径是壳体内孔直径的1/3～5/6，所述配重可选用固体、液体、气体材料，也可以根据条件抽真空，若为固体材料时，配重为球形，硬度介于壳体与上、下球壳材料的硬度之间，外径等于上、下球壳的内径，若为液体材料时，可以充满或不充满球壳，且选用不溶于磁性液体的材料。当外界产生振动时，由上球壳、下球壳和配重组成的质量块将从中心位置偏离，质量块上、下两侧腔室内的磁性液体将从质量块与壳体中的间隙流过，从而产生粘性损耗。通过改变上、下球壳的外径与壳体内孔直径的比值，可以对减振器的减振效率进行有效控制。质量块由上球壳、下球壳和配重组成，当减振器在地面进行竖直方向振动的衰减时，可以将上球壳和下球壳选用密度较大的不导磁金属，如金、银、铅或铜，而将配重选用密度小的物质，如铝、塑料、木头、泡沫、液体、气体甚至抽真空。由于配重的密度小，质量块平均密度将变小，磁性液体对质量块的浮力变大，使得整个质量块居中性能可调，同时上、下球壳选用密度较大的材料，使得整个质量块的重量不会因过小而影响减振性能，极大地改善了现有技术(文献1、2、3、5、6和7所述装置)在地面应用时，质量块受重力影响过大而导致减振效果下降的情况。若配重选用固体材料，则加工成球形，直径与上、下球壳内径相同；若配重选用液体材料，应该选用不溶于磁性液体的材料，防止泄漏以后造成磁性液体失效，同时该液体可以充满或不充满球壳，如果不充满球壳的话，当外界振动时，球壳内部的液体也将发生晃动，可以提高减振性能。当减振器在太空中进行减振时，可以将上、下球壳选用硬度极小的材料而配重选用硬度较大的材料，既防止了由于火箭发射阶段加速度极大造成质量块与壁面的碰撞所导致的碎裂问题，又避免了上、下壳体变形过大减振效果降低的问题。上、下球壳的形状为球状，在同等质量的情况下，球形的表面积要大于现有技术(文献1、2、3、5、6和7所述装置)中的圆柱形或圆环形结构，因此可以进一步加强粘性耗能的作用，且球形质量块在液体中运动的阻力要小于现有技术(文献1、2、3、5、6和7所述装置)中的圆柱形和圆环形材料，在外界振动时，整个质量块与壳体之间的相对速度更大，减振效率也将更高。同时，上、下球壳的球状结构更有利于质量块悬浮在第一永磁体与第二永磁体产生的非均匀磁场中，所受到的磁性液体的一阶悬浮力也更加稳定，改善了现有技术(文献7所述装置)所采用的环形非导磁性物质的不稳定悬浮问题。上、下球壳和配重的材料为非导磁性物质可以彻底解决现有技术(文献1、3、4和5所述装置)中质量块为永磁体时所引起的磁粘效应，从而导致的质量块与壳体之间的磁性液体流动困难的问题。

所述第一永磁体固定连接在端盖的外端面，所述第二永磁体固定连接在壳体底部的外端面，第一永磁体和第二永磁体为同极相对，即，第一永磁体与壳体的连接部位为N(S)极，第二永磁体与端盖的连接部位也为N(S)极，且第一永磁体、第二永磁体和壳体的内孔同轴；第一永磁体与第二永磁体在壳体中会产生一个以壳体中心为原点的轴对称不均匀磁场，在该磁场的作用下，壳体内部的磁性液体会产生一个指向原点的体积力，因此可以保证质量块悬浮于壳体正中。该发明不同于现有技术(对比文献6所述装置)中为防止第二环形永磁体撞壁所采用的第一环形永磁体和第二环形永磁体同极相对的目的，也避免了现有技术(对比文献7所述装置)通过在转轴上安装永磁体对质量块产生的不稳定定心所增加的扰动问题。同时，将第一永磁体和第二永磁体安装在壳体和端盖外侧，彻底解决了现有技术(对比文献1、2、3、4、5和6所述装置)中永磁体撞击造成的碎裂问题和由于磁粘效应引起的磁性液体流动困难问题，也彻底解决了现有技术(对比文献1、3、4和5所述装置)中永磁体安放在壳体内部所导致的磁性液体注入困难甚至无法注满的问题。

上导磁内套和上隔磁外套之间固定连接形成上隔磁罩，下导磁内套和下隔磁外套之间固定连接形成下隔磁罩，上隔磁罩的底面固定连接在第一永磁体外端面，下隔磁罩的底面固定连接在第二永磁体外端面，上隔磁罩的端面与下隔磁罩的端面固定连接。其中上导磁内套和下导磁内套材料为导磁性能较好的软磁物质，上隔磁外套和下隔磁外套材料为抗磁性物质，上、下导磁内套的外形尺寸分别与上、下隔磁罩的内孔尺寸相同，且均为桶状，上、下导磁内套的内孔直径和壳体或端盖的外径相同，采用过渡配合。由于上导磁内套和下导磁内套为磁导率较好的软磁物质，通常选用最大相对磁导率大于400的不锈钢材料，可以将第一永磁体和第二永磁体所产生的磁场束缚在上、下导磁内套中，而上隔磁外套和下隔磁外套为抗磁性物质，其相对磁导率小于1，可以使第一、第二永磁体的漏磁场散射角度最大化。该隔磁罩可以最大程度上削弱第一、第二永磁体的漏磁场，避免了现有磁性液体阻尼减振器的漏磁现象，使得其具有实际应用价值，上、下导磁内套的内孔直径和壳体或端盖的外径相同，采用过渡配合可以使得封装后的减振器壳体与隔磁套之间不发生相对运动。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果如下：(1)通过改变上、下球壳外径和壳体内孔直径的比值可以控制减振效率；(2)通过改变上、下球壳与配重的密度比值，改变浮力，使得减振器在地面应用时，质量块可以更好的居中，频率差更大，减振效果更好，而在太空中，通过将上、下球壳选用硬度极小的材料，将配重选用硬度较大的材料，可有效解决撞壁后质量块碎裂问题和整个球壳的变形问题，同时通过调配配重和上、下壳体的材料密度，使得整个质量块的等效密度为所需的任何值；(3)若配重为液体材料时，如果不充满球壳，在外界振动时，球壳内部液体也将发生振动，增加减振效果；(4)上、下球壳的球形形状有效的增加了摩擦面积，也加强了质量块与壳体之间的频率差，同时使得质量块可以更加稳定地悬浮在壳体中；(5)上、下球壳和配重均选用非导磁性材料，避免了因磁粘效应引起的流动困难问题；(6)第一和第二永磁体产生的轴对称非均匀磁场作用在磁性液体上可以更加稳定的悬浮质量块，同时第一和第二永磁体安装在外侧有效避免了永磁体碎裂、磁粘效应引起的磁性液体流动困难和磁性液体注入困难的问题；(7)隔磁罩可以最大程度上减少现有磁性液体减振器的漏磁现象，为磁性液体阻尼减振器在工程实际中进行应用提供了可行性。

附图说明

图1带隔磁罩的一阶浮力原理磁性液体阻尼减振器；

图2配重为液体不充满时的减振器图；

图3配重为气体或液体充满时的减振器图。

图1中：下隔磁外套1、下导磁内套2、上隔磁外套3、上导磁内套4、端盖5、第一永磁体6、磁性液体7、上球壳8、下球壳9、配重10、第二永磁体11、壳体12。

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：

带隔磁罩的一阶浮力原理磁性液体阻尼减振器，如图1，该减振装置包括：下隔磁外套1、下导磁内套2、上隔磁外套3、上导磁内套4、端盖5、第一永磁体6、磁性液体7、上球壳8、下球壳9、配重10、第二永磁体11、壳体12。

构成该装置的各部分之间的连接：

所述配重10为固体材料时，先将配重10放入下球壳9内，然后将下球壳9与上球壳8固定连接形成质量块，连接方式可采用焊接或粘接。

所述配重10为液体或气体材料甚至抽真空时，先将上球壳8与下球壳9固定连接形成空心球壳，连接方式可采用焊接或粘接，必要时在上、下球壳的端面加工密封槽并安装密封圈保证密封性能。然后采用微孔注射技术向空心球壳内部注入液体或气体，也可进行抽真空，最后用激光快速熔化封口，形成质量块。

向壳体12内注入磁性液体7，当磁性液体7高度为壳体12高度的一半时，停止注入磁性液体。然后将制作好的质量块放入壳体12中，待质量块完全沉入壳体12的底部后，继续向壳体12内注入磁性液体7直至注满为止。然后将端盖5与壳体12固定连接，连接方式可以采用焊接、粘接或螺纹连接等方式。若采用焊接和粘接方式，壳体12的外径和端盖5直径相同；若采用螺纹连接方式，壳体12将加工法兰盘，法兰盘外径与端盖5直径相同。继将第一永磁体6与端盖5固定连接，第二永磁体11与壳体12的底面固定连接，连接方式为粘接。再将上导磁内套4和上隔磁外套3之间固定连接形成上隔磁罩，下导磁内套2和下隔磁外套1之间固定连接形成下隔磁罩，连接方式可选用粘接或焊接。继将上隔磁罩的底面固定连接在第一永磁体6外端面，下隔磁罩的底面固定连接在第二永磁体11外端面，连接方式采用粘接。最后将上隔磁罩的端面与下隔磁罩的端面固定连接，连接方式采用焊接、粘接或螺纹连接。

壳体12、上球壳8、下球壳9、配重10和端盖5的材料均为非导磁性材料，壳体12与端盖5的材料硬度较大，上球壳8、下球壳9的材料硬度要远小于壳体12和端盖5的材料硬度。

第一永磁体6和第二永磁体11结构参数和物料参数均相同，且均为圆柱形，直径与壳体12内孔直径相同。

配重10为固体材料时，硬度要大于上、下球壳材料的硬度，小于壳体12材料的硬度；配重10为液体时，通常选用与磁性液体不相溶的液体，防止密封不良泄漏之后造成磁性液体失效，为气体时，通常选用氢气或空气。

上、下导磁内套的材料为软磁性物质，相对磁导率大于400。

上、下隔磁外套的材料为抗磁性物质，相对磁导率小于1。

Claims (5)

1.带隔磁罩的一阶浮力原理磁性液体阻尼减振器，其特征在于：包括下隔磁外套(1)、下导磁内套(2)、上隔磁外套(3)、上导磁内套(4)、端盖(5)、第一永磁体(6)、磁性液体(7)、上球壳(8)、下球壳(9)、配重(10)、第二永磁体(11)、壳体(12)，所述壳体(12)设有内孔，所述上球壳(8)和下球壳(9)固定连接并密封后形成完整球壳，在球壳内部装有配重(10)形成质量块，将质量块装入壳体(12)，所述磁性液体(7)注满壳体(12)，所述第一永磁体(6)固定连接在端盖(5)的外端面，所述第二永磁体(11)固定连接在壳体(12)底部的外端面，上导磁内套(4)和上隔磁外套(3)之间固定连接形成上隔磁罩，下导磁内套(2)和下隔磁外套(1)之间固定连接形成下隔磁罩，上隔磁罩的底面固定连接在第一永磁体(6)外端面，下隔磁罩的底面固定连接在第二永磁体(11)外端面，上隔磁罩的端面与下隔磁罩的端面固定连接。

2.根据权利要求1所述的带隔磁罩的一阶浮力原理磁性液体阻尼减振器，其特征在于：

所述上球壳(8)和下球壳(9)为空心半球状，材料为非导磁性物质，配重(10)材料为非导磁性物质，上、下球壳与配重(10)的密度比为大于1/13，上、下球壳的外径是壳体(12)内孔直径的1/3～5/6。

3.根据权利要求1或2所述的带隔磁罩的一阶浮力原理磁性液体阻尼减振器，其特征在于：

所述配重(10)可选用固体、液体、气体材料，也可以根据条件抽真空，若为固体材料时，配重(10)为球形，硬度介于壳体(12)与上、下球壳材料的硬度之间，外径等于上、下球壳的内径，若为液体材料时，可以充满或不充满球壳，且选用不溶于磁性液体(7)的材料。

4.根据权利要求1所述的带隔磁罩的一阶浮力原理磁性液体阻尼减振器，其特征在于：

所述第一永磁体(6)和第二永磁体(11)为同极相对，即，第一永磁体(6)与端盖(5)的连接部位为N极，第二永磁体(11)与壳体(12)的连接部位也为N极，或，第一永磁体(6)与端盖(5)的连接部位为S极，第二永磁体(11)与壳体(12)的连接部位也为S极；第一永磁体(6)、第二永磁体(11)和壳体(12)的内孔同轴。

5.根据权利要求1所述的带隔磁罩的一阶浮力原理磁性液体阻尼减振器，其特征在于：

所述上导磁内套(4)和下导磁内套(2)材料为导磁性能较好的软磁物质，上隔磁外套(3)和下隔磁外套(1)材料为抗磁性物质，上、下导磁内套的外形尺寸分别与上、下隔磁外套的内孔尺寸相同，且均为桶状，上、下导磁内套的内孔直径和壳体(12)或端盖(5)的外径相同，采用过渡配合。