CN104912994B - 一种柱形一阶浮力磁性液体减振器 - Google Patents
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Abstract
一种柱形一阶浮力磁性液体减振器，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。该装置包括第一限位永磁体(1)、壳体(2)、上V形衔铁(3)、磁性液体(4)、质量块(5)、第二限位永磁体(6)、下V形衔铁(7)、第一悬浮永磁体(8)、第二悬浮永磁体(9)、第三悬浮永磁体(10)和第四悬浮永磁体(11)，当外界振动时，质量块(5)在腔体内移动，磁性液体(4)在壳体(2)内孔壁与质量块(5)的间隙内流动，从而吸收能量达到减振目的。
Description
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、重量和所携带的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、永磁铁、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铁作为质量块，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，质量块必须是永磁铁，因此在实际应用中存在以下不足：第一、永磁铁两端的磁场非常强，而磁性液体在磁场的作用下粘度会急剧增大，因此在永磁铁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、永磁铁的材料通常比较脆，当航天器发射升空时，加速度极大，很容易造成永磁铁与壳体之间的碰撞，最终导致永磁铁碎裂，从而造成减振器失效，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、永磁铁、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铁作为质量块，在永磁铁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铁悬浮，通过将壳体内壁加工成圆弧状使得磁性液体产生弹性力，从而使得永磁铁始终处于壳体的正中，但当永磁体沿圆弧状曲面运动时，由于永磁体的底面为平面，易于外壳弧形内壁发生擦碰，且在加速度极大时，易出现永磁铁与壳体之间碰撞所导致的永磁铁碎裂问题，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在永磁铁上加工有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，由于永磁铁两端磁场非常强，无论是通孔内的磁性液体还是永磁铁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，因此在永磁铁上加工通孔所产生的效果并不明显；其次，由于在永磁铁上加工通孔，增加了永磁铁的易碎性，在加速度极大时，永磁铁与壳体之间碰撞所导致的永磁铁碎裂问题将更加突出，同时，圆柱形永磁体在侧面产生的磁场较弱，因此所提供的定心力不足，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空心球状，永磁铁加工成实心球状。然而，单纯的形状改变并不能解决永磁铁碎裂和磁性液体在永磁铁与壳体之间流动困难的问题，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，将永磁铁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来避免永磁铁与壳体的直接碰撞，但由于陶瓷的脆性远大于永磁铁，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铁与壳体之间流动困难的问题，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，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。
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铁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，单独一组永磁铁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。
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、定心效果不好和粘性耗能效率不高等问题，使其无法在工程实际中得到应用。特提供一种柱形一阶浮力磁性液体减振器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
该装置包括：第一限位永磁体、壳体、上V形衔铁、磁性液体、质量块、第二限位永磁体、下V形衔铁、第一悬浮永磁体、第二悬浮永磁体、第三悬浮永磁体和第四悬浮永磁体。
将所述壳体内充入磁性液体，并将质量块装入壳体中；将壳体进行密封后，在壳体的左端面固定安装第一限位永磁体，在壳体的右端面固定安装第二限位永磁体；在壳体的四个外侧面分别固定安装第一悬浮永磁体、第二悬浮永磁体、第三悬浮永磁体和第四悬浮永磁体；上V形衔铁固定安装在由第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体所形成的V形凸台面上，继将下V形衔铁固定安装在由第三悬浮永磁体和第四悬浮永磁体所形成的V形凸台面上。
当本专利应用在地面时，磁性液体可以不充满壳体，且不需要安装第一悬浮永磁体、第二悬浮永磁体和上V形衔铁；当应用在太空中时，壳体内必须充满磁性液体，且需要将第一悬浮永磁体、第二悬浮永磁体、第三悬浮永磁体和第四悬浮永磁体均安装在壳体侧壁上。
所述壳体为空心四棱柱，四棱柱的四个夹角分别为θ1、θ2、θ3和θ4，且均大于45度。壳体厚度为1～3mm，可以保证永磁体的磁场衰减不至于过大，造成回复力过小。当应用于地面减振时，四个夹角θ1、θ2、θ3和θ4可以不相同，下端夹角θ1的优选范围为45～135度，左侧夹角θ2和右侧夹角θ4通常大小相等。该角度的选择可以使得质量块能够克服重力悬浮起来，同时又不发生向左、右两侧偏移。当应用于太空中时，由于无重力影响，要求θ1、θ2、θ3和θ4全部为90度。所述第一悬浮永磁体、第二悬浮永磁体、第三悬浮永磁体和第四悬浮永磁体分别与安装位置处的壳体的侧面形状和大小相同；且任意相邻的两个悬浮永磁体极性相反，即，第一悬浮永磁体与壳体的接触面为N(S)极，第二悬浮永磁体与壳体的接触面则为S(N)极，第三悬浮永磁体与壳体的接触面则为N(S)极，而第四悬浮永磁体与壳体的接触面则为S(N)极。第一至第四悬浮永磁体优选与壳体等形状和大小的单块矩形永磁体，若壳体结构过长，可考虑用多块矩形永磁体拼装组合，也可以选择用多块圆柱形永磁体拼装组合。所述第一限位永磁体和第二限位永磁体大小形状完全相同，且为圆柱形或者四边形，第一限位永磁体与壳体的接触面为N(S)极，第二限位永磁体与壳体的接触面也为N(S)极。壳体上的角度使得第一至第四悬浮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。
所述质量块为非导磁性物质，其为圆柱形或者四棱柱，甚至可以加工成球形结构，而且可以是空心也可以是实心；上V形衔铁和下V形衔铁均为导磁性良好的材料，上V形衔铁的V形夹角为θ3，下V形衔铁的V形夹角为θ1；由上V形衔铁和下V形衔铁所形成的四棱柱空腔的四个夹角分别与壳体的四个夹角相等，为θ1、θ2、θ3和θ4。上、下V形衔铁形状的设计有助于形成磁屏蔽，同时防止长期使用过程中永磁体之间的吸力或者斥力使得永磁体安装发生松动。
质量块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。本发明中，质量块由于是非导磁性物质，因此可以选择硬度远小于壳体材料的物质，如实木、铝、钛、金、银和铜等，在加速度极大时，质量块与壳体相撞，仅发生形变而不发生碎裂，仍然能够保持较好的减振效果。在地面和太空应用时，对质量块的密度没有要求。
第一限位永磁体和第二限位永磁体与质量块之间的距离应当大于5mm小于等于20mm，通常优选10mm。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：(1)壳体上的角度使得第一至第四悬浮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，使得质量块的定心效果得到极大提高，同时可以更加稳定的悬浮质量块，同时所有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；(2)质量块选用非导磁性材料，因此可以选择硬度较小、塑性较大的材料，从而可有效解决撞壁后质量块碎裂问题，也避免了因磁粘效应引起的流动困难问题；(3)质量块选择用圆柱形或者四棱柱，使得质量块可以增大摩擦面积的同时还可以更加稳定的悬浮于壳体中。
附图说明
图1一种柱形一阶浮力磁性液体减振器；
图2一种柱形一阶浮力磁性液体减振器三维图；
图3一种柱形一阶浮力磁性液体减振器未安装V形衔铁的三维图；
图4 V形衔铁三维图。
图1中：第一限位永磁体1、壳体2、上V形衔铁3、磁性液体4、质量块5、第二限位永磁体6、下V形衔铁7、第一悬浮永磁体8、第二悬浮永磁体9、第三悬浮永磁体10和第四悬浮永磁体11。
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：
一种双锥角的一阶浮力原理磁性液体减振器，如图1，该减振装置包括：第一限位永磁体1、壳体2、上V形衔铁3、磁性液体4、质量块5、第二限位永磁体6、下V形衔铁7、第一悬浮永磁体8、第二悬浮永磁体9、第三悬浮永磁体10和第四悬浮永磁体11。
构成该装置的各部分之间的连接：
将所述壳体2内充入磁性液体4，并将质量块5装入壳体2中；将壳体2进行密封后，在壳体2的左端面固定安装第一限位永磁体1，在壳体2的右端面固定安装第二限位永磁体6；在壳体2的四个外侧面分别固定安装第一悬浮永磁体8、第二悬浮永磁体9、第三悬浮永磁体10和第四悬浮永磁体11；上V形衔铁3固定安装在由第一悬浮永磁体8和第二悬浮永磁体9所形成的V形凸台面上，继将下V形衔铁7固定安装在由第三悬浮永磁体10和第四悬浮永磁体11所形成的V形凸台面上；
所述壳体2为空心四棱柱，四棱柱的四个夹角分别为θ1、θ2、θ3和θ4，且均大于45度；
所述第一限位永磁体1和第二限位永磁体6大小形状完全相同，且为圆柱形或者四边形，第一限位永磁体1与壳体2的接触面为N(S)极，第二限位永磁体6与壳体2的接触面也为N(S)极；
所述第一悬浮永磁体8、第二悬浮永磁体9、第三悬浮永磁体10和第四悬浮永磁体11分别与安装位置处的壳体2的侧面形状和大小相同；且任意相邻的两个悬浮永磁体极性相反，即，第一悬浮永磁体8与壳体的接触面为N(S)极，第二悬浮永磁体9与壳体的接触面则为S(N)极，第三悬浮永磁体10与壳体的接触面则为N(S)极，而第四悬浮永磁体11与壳体的接触面则为S(N)极。
所述质量块5为非导磁性物质，其为圆柱形或者四棱柱；上V形衔铁3和下V形衔铁7均为导磁性良好的材料。质量块5材料的硬度要远小于壳体2材料的硬度。
永磁体均选用铷铁硼。
该减振器所消减的振动方向为轴向振动，该减振器适用的振幅为0.5mm～20mm，频率为0.1～20Hz。
Claims (2)
1.一种柱形一阶浮力磁性液体减振器，其特征在于：该减振器包括：第一限位永磁体(1)、壳体(2)、上V形衔铁(3)、磁性液体(4)、质量块(5)、第二限位永磁体(6)、下V形衔铁(7)、第一悬浮永磁体(8)、第二悬浮永磁体(9)、第三悬浮永磁体(10)和第四悬浮永磁体(11)；
将所述壳体(2)内充入磁性液体(4)，并将质量块(5)装入壳体(2)中；将壳体(2)进行密封后，在壳体(2)的左端面固定安装第一限位永磁体(1)，在壳体(2)的右端面固定安装第二限位永磁体(6)；在壳体(2)的四个外侧面分别固定安装第一悬浮永磁体(8)、第二悬浮永磁体(9)、第三悬浮永磁体(10)和第四悬浮永磁体(11)；将上V形衔铁(3)的下端面和下V形衔铁(7)的上端面固定连接，形成一个四棱柱空腔，将上V形衔铁(3)固定安装在由第一悬浮永磁体(8)和第二悬浮永磁体(9)所形成的V形凸台面上，继将下V形衔铁(7)固定安装在由第三悬浮永磁体(10)和第四悬浮永磁体(11)所形成的V形凸台面上；
所述壳体(2)为空心四棱柱，四棱柱的四个夹角分别为θ1、θ2、θ3和θ4，且均大于45度；
所述第一限位永磁体(1)和第二限位永磁体(6)大小形状完全相同，且为圆柱形或者四边形，第一限位永磁体(1)与壳体(2)的接触面为N极，第二限位永磁体(6)与壳体(2)的接触面也为N极；
所述第一悬浮永磁体(8)、第二悬浮永磁体(9)、第三悬浮永磁体(10)和第四悬浮永磁体(11)分别与安装位置处的壳体(2)的侧面形状和大小相同；且任意相邻的两个悬浮永磁体极性相反，即，第一悬浮永磁体(8)与壳体的接触面为N极，第二悬浮永磁体(9)与壳体的接触面则为S极，第三悬浮永磁体(10)与壳体的接触面则为N极，而第四悬浮永磁体(11)与壳体的接触面则为S极。
2.根据权利要求1所述一种柱形一阶浮力磁性液体减振器，其特征在于：
所述质量块(5)为非导磁性物质，其为圆柱形或者四棱柱；上V形衔铁(3)和下V形衔铁(7)均为导磁性良好的材料，上V形衔铁(3)的V形夹角为θ3，下V形衔铁(7)的V形夹角为θ1；由上V形衔铁(3)和下V形衔铁(7)所形成的四棱柱空腔的四个夹角分别与壳体(2)的四个夹角相等，为θ1、θ2、θ3和θ4。
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