CN104930113B - 一种抗冲击型主被动混合隔振器 - Google Patents

一种抗冲击型主被动混合隔振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种抗冲击型主被动混合隔振器，包括气囊隔振器、电磁作动器、抗冲击弹簧、气囊上、下座，气囊上、下盖板，柔性导磁橡胶、永磁体、散热片及温度、加速度传感器，其中电磁作动器、抗冲击弹簧安装于气囊隔振器内，电磁作动器包括衔铁、铁芯、置于铁芯上的永磁体、置于永磁体上的柔性导磁橡胶、缠绕在铁芯上的线圈，衔铁固定在下座上，抗冲击弹簧装在气囊上盖板和上座之间或装在电磁作动器和下盖板之间。散热片端围绕作动器的铁芯和线圈，另一端紧贴气囊隔振器下盖板，气囊隔振器内装温度传感器、加速度传感器。本发明抗冲击性能好，可靠性高，能耗少、成本低、占用空间小，可用于工业、民用，特别是舰船领域机械设备、系统的高效隔振。

Description

一种抗冲击型主被动混合隔振器
技术领域
本发明涉及机械设备隔振领域，尤其涉及机械设备的主被动混合隔振领域，特别涉及一种可以承载设备重量、降低设备的宽频振动传递、控制低频线谱振动、防止设备因倾斜、摇摆、冲击等造成作动器结构损坏的一种抗冲击型主被动混合隔振器。
背景技术
控制机械设备引起的振动，使其满足标准要求，是工业、民用、特别是船舶机械系统设计的关键。采用隔振装置是降低设备振动传递最有效的方法之一。主被动混合隔振装置将被动隔振器与压电作动器、磁致伸缩作动器串联安装在机械设备与基座之间，被动隔振器对机械设备的宽频振动提供隔离效果，而作动器则对低频线谱振动实现有效控制。船舶机械在特殊的工作环境下，经常会遇到倾斜、摇摆以及冲击带来的不利影响。当隔振设备遭受外来强冲击时，由于没有抗冲隔振装置，可能导致隔振器完全失效，进而导致船舶减振降噪性能下降。
现有的《用于汽车发动机的惯性质量式隔振装置》(专利号200920067893.6)、《主动隔振器》(专利号：200610092560.X)采用橡胶隔振器支撑被隔振设备，将电磁惯性质量作动器采用单点安装方式固定在被隔振目标上，控制线谱振动，由于主、被动器件的集成度较低，存在占用空间大、适应性较差的缺点。《基于差动电磁作动器的空气弹簧超低频隔振方法与装置》(专利号200610150810.0)采用气囊隔振器与电磁作动器并联支撑精密平台并隔振，集成度较低，占用空间大。《主被动混合隔振器》(专利号201210198889.X)采用气囊隔振器承载设备重量并隔离设备宽频振动，同时由作动器隔离设备线谱振动，具有隔振性能优越，占用空间小、安装方便等优点，但其没有专门的抗冲击设计，当装置遭受外来强冲击时，可能使主被动混合隔振器中的电磁作动器破损甚至功能失效等。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种将电磁作动器集成在气囊隔振器内部，可以在高效隔离宽频振动和有效控制低频线谱振动的同时，能吸收冲击载荷，起到缓冲作用，防止冲击造成作动器结构损坏；具有抗冲击性能好、可靠性高、能耗低、集成度高、占用空间小等优点的抗冲击型主被动混合隔振器。
本发明目的的实现方式为，一种抗冲击型主被动混合隔振器，电磁作动器、抗冲击弹簧安装于囊式气囊隔振器内，抗冲击弹簧装在气囊上盖板和上座之间或装在电磁作动器和下盖板之间；下盖板上开有气孔、线孔，气孔、线孔的一端开口在下盖板的外侧面，另一端开口在下盖板处于弹性囊体内的上表面，气密封插座焊接在线孔外端口；
所述电磁作动器的铁芯上置有永磁体，永磁体上有柔性导磁橡胶，铁芯外缠绕线圈，衔铁固定在下座上；衔铁与永磁体间留有气隙，气隙中填充柔性导磁橡胶；
散热片一端围绕电磁作动器的铁芯和线圈，另一端紧贴囊式囊式气囊隔振器的下盖板，温度传感器二、加速度传感器在电磁作动器铁芯的底部和线圈内，温度传感器一在线圈内侧；加速度传感器安装于囊式气囊隔振器内侧。
本发明的技术效果如下：
(1)具有优良的宽频隔振性能。经过气囊隔振器高效隔振，能有效衰减振动能量的传递，大大降低电磁作动器控制残余线谱振动的功耗；
(2)电磁作动器和气囊之间安装有抗冲击弹簧，正常工作时衔铁不与作动器永磁体上的柔性导磁橡胶接触，电磁作动器的输出力稳定地传递到气囊盖板上；当被支撑机械设备发生倾斜、摇摆或遭遇冲击载荷时，电磁作动器衔铁有可能与永磁体上的柔性导磁橡胶发生碰撞，此时，弹簧被压缩起缓冲作用，可防止冲击造成作动器结构损坏，永磁体上面的柔性导磁橡胶也可以起到缓冲作用，进一步增强对永磁体的防护作用，增强抗冲击型主被动混合隔振器的抗冲击效果；
(3)将电磁作动器集成到气囊隔振器中，与气囊隔振器采用并联方式集成，气囊隔振器对设备提供可靠的支撑，电磁作动器无需承受静载荷，与其它类型作动器常用的串联隔振模式相比，具有可靠性高、能耗低、成本低、占用空间小、集成度高等优点；加速度传感器和温度传感器均可集成到气囊隔振器内，安装、接线简单，使用方便；
(4)采用电磁作动器来控制线谱振动，具有响应速度快、频响特性优良、力特性好的优点，可以有效控制线谱振动，而且具有无接触特性，不会造成振动短路传递；
(5)安装了温度传感器、速度传感器、散热片，使得隔振器能够实时监测工作状态，增加了其智能化和可靠性。
本发明隔振和抗冲击效果是积极明显的，具有抗冲击性能好、可靠性高、能耗少、成本低、占用空间小等优点，能随隔振装置载荷变化而进行适应性调整，可以实现宽频振动和线谱振动的同步有效控制，可承载设备重量、降低设备的宽频振动传递、控制低频线谱振动、防止设备因倾斜、摇摆、冲击等造成作动器结构损坏；为工业、民用，特别为船舶领域的宽频振动和线谱振动同步有效控制难题提供新的更可靠的解决途径。
附图说明
图1是本发明为囊式囊体的结构示意图；
图2是本发明去掉上盖板的结构俯视图；
图3是本发明为膜式囊体的结构示意图；
图4是抗冲击弹簧为一根弹簧实施方式的结构示意图；
图5是抗冲击弹簧为多根弹簧实施方式的结构示意图；
图6、7、8、9分别是为两根、三根、四根、五根抗冲击弹簧图5的结构俯视图；
图10是本发明的散热装置用散热片的结构示意图；
图11是本发明的散热装置用散热管的结构示意图；
图12是本发明抗冲击主被动混合隔振器的原理图。
具体实施方式
本发明将电磁作动器集成在囊式气囊隔振器内部，可以在高效隔离宽频振动和有效控制低频线谱振动的同时，通过安装在气囊盖板和作动器之间的抗冲击弹簧和置于永磁体上面的柔性导磁橡胶吸收冲击载荷，起到缓冲作用，防止冲击造成作动器结构损坏。
下面参照附图详述本发明。
参照图1、2、3，电磁作动器2、抗冲击弹簧18安装于囊式气囊隔振器1内，抗冲击弹簧18装在气囊上盖板5和上座19之间或装在电磁作动器2和下盖板7之间。下盖板7上开有气孔10、线孔11，气孔、线孔的一端开口在下盖板7的外侧面，另一端开口在下盖板7处于弹性囊体内的上表面，气密封插座3焊接在线孔外端口。
本发明可以通过气孔10给囊式气囊隔振器1充、放气，从而调整囊式气囊隔振器1的承载和高度。气囊隔振器1依靠内囊体6内的空气来承载重量，具有重量轻、隔振效果好的优点。
所述电磁作动器2的铁芯9上置有永磁体14，永磁体上有柔性导磁橡胶21，铁芯9外缠绕线圈15，衔铁8固定在下座20上。衔铁8与永磁体14间留有气隙17，气隙17中填充柔性导磁橡胶2。
散热片16一端围绕电磁作动器2的铁芯8和线圈15，另一端紧贴气囊隔振器1的下盖板7，温度传感器二12、加速度传感器4在电磁作动器铁芯9的底部和线圈15内，温度传感器一13在线圈15内侧。加速度传感器4安装于气囊隔振器1内侧。
所述电磁作动器的铁芯9是山字型叠片固定而成，衔铁8是一字型叠片固定而成，衔铁两侧的永磁体与中柱的永磁体磁极方向相反，形成左右两个闭合的永磁磁路。线圈绕在山字型铁芯的中柱上，占满铁芯槽宽。线圈15中通过电流时，也会形成左右两个闭合的电磁磁路。由于作动器的电磁磁场和永磁磁场闭合程度高，漏磁小，具有较高的电-力转换效率。电磁作动器衔铁8与铁芯9平行正对，铁芯与衔铁之间有气隙17，气隙中填充柔性导磁橡胶21，以减小气隙漏磁，并对永磁体起到抗冲击防护作用。气隙17中填充柔性导磁橡胶21，减小气隙17的磁阻，进一步提高电-力转换效率，降低作动器功耗，同时还可以防止衔铁8和铁芯9直接碰撞。
参照图4、5，本发明的抗冲击作用是通过抗冲击弹簧和柔性导磁橡胶实现，其中抗冲击弹簧18可以为一根、两根或多根，使用安装多根抗冲击弹簧时，多根抗冲击弹簧以相隔一定的角度的方式通过上，下座19、20固定安装在电磁作动器衔铁8和上盖板5之间，也可以安装在电磁作动器2和下盖板7之间。抗冲击弹簧18可以用橡胶、绝缘酯等抗冲击弹性材料代替。
图6、7、8、9分别显示了用两根、三根、四根、五根抗冲击弹簧四种情况下的抗冲击弹簧的安装分布情况，如果数量更加，以此类推，同时抗冲击弹簧也可安装在电磁作动器2与下盖板7之间。
抗冲击弹簧18通过上下座19、20固定，并有一定预压。预压缩位移为x1,其有效抗冲击位移为x2，且x1+x2<xs，其中xs为弹簧有效压缩行程。x1与x2由抗冲击位移与弹簧有效行程共同决定。衔铁8通过螺栓与下座20或气囊上盖板5相连，因此在衔铁8不与柔性导磁橡胶21接触时，电磁作动器的输出力稳定地传递到气囊上盖板5上。当被支撑机械设备发生倾斜、摇摆或遭遇冲击载荷时，电磁作动器的衔铁8有可能与电磁作动器的永磁体14上的柔性导磁橡胶21发生碰撞，此时抗冲击弹簧被压缩，起缓冲作用，柔性导磁橡胶21可同样增强其抗冲击能力。
所述的电磁作动器2电磁磁路方向根据右手定则确定，线圈15绕制方向确定后，电磁磁路方向由电流方向决定。当电磁磁路与永磁磁路方向相同时，气隙17中的磁场增大，铁芯9与衔铁8之间的吸引力增大，反之则气隙17中的磁场减小，铁芯9与衔铁8之间的吸引力减小，因此给线圈15输入交变电流即可驱动电磁作动器2产生交变输出力，从而完成线谱振动控制的任务。
所述的电磁作动器2的铁芯9和衔铁8材料为硅钢，为了降低涡流损耗，铁芯9和衔铁8采用厚0.35mm的硅钢片叠压而成；永磁体14由铷铁硼材料构成。
本发明的气囊隔振器可以是囊式气囊隔振器1(见图1)或膜式气囊隔振器24(见图3)，其中膜式气囊隔振器24由弹性囊体25及与囊体连成整体的活塞形上盖板22和壳体形下盖板23组成，气囊隔振器下盖板23开有气孔10和线孔11，气密封插座3焊接在气囊隔振器下盖板23的线孔11外端口上。
参照图10、11、12，本发明的加速度传感器4、温度传感器二、一12、13的输出端及电磁作动器2的线圈15通过导线与气密封插座3连接，然后经由插头和导线，将抗冲击主被动混合隔振器中的加速度传感器4和温度传感器12信号与控制器联接，并将作动器线圈15与功率放大器连接，功率放大器与控制器连接。
所述的控制器为本领域常用的控制器，控制器检测加速度传感器4所测得的下盖板7的振动信号，根据自适应控制算法产生输出信号，通过所述的功率放大器驱动电磁作动器2，进而实现线谱振动控制。
本发明可用散热片16提高作动器散热效率。散热片16由高导热率金属栅片构成，一端围绕作动器的铁芯9和线圈15，另一端紧贴气囊隔振器下盖板7。也可以用热管26来替代散热片16。
本发明的工作原理为：
本发明安装在设备和基座之间，气囊隔振器上盖板5与被隔振设备相连，而下盖板7与基座相连。
本发明采用了并联混合隔振模式，电磁作动器2具有无接触特性不会造成振动短路传递，因此充分发挥了气囊隔振器1的隔振效果，具有优良的宽频隔振效果，所需的主动控制力较低，并且当机械设备发生倾斜、摇摆或冲击时，并联安装在作动器和气囊盖板间的弹簧可以起到缓冲作用。弹簧的总刚度是所有弹簧刚度的和并且等于k2,且其大小满足k2<ka，其中ka为作动器的刚度。本发明由气囊隔振器1支撑设备载荷，电磁作动器2无需提供静态支撑力，比起其他类型作动器常用的串联隔振模式，具有更小的功耗和更高的可靠性。
将电磁作动器2集成到气囊隔振器1中，可以使结构紧凑；电磁作动器线圈15通电产生的热量通过散热片16、铁芯9和衔铁8传递到气囊隔振器1的金属盖板5，7上，然后通过被隔振设备机脚和基座迅速发散到外界空气中。铁芯9底部和线圈15内侧分别埋置了温度传感器12、13，实时监控气囊隔振器下盖板7附近和作动器线圈15的温度，确保系统安全可靠地工作。
气囊隔振器下盖板7有气孔10，可以由姿态控制系统控制充放气，针对设备重心和载荷的变化进行适应性调整，保证隔振装置的整体姿态平衡，并将作动器衔铁8与铁芯9之间的气隙17保持在适当范围。气囊下盖板7上开有线孔11，温度传感器12、13的信号输出端以及电磁作动器2的供电线均可从该孔引出。线孔11处使用气密封插头3，保证气囊隔振器1的气密性。
加速度传感器4输出与设备基座振动有关的信号，提供给控制器，控制器产生相应的信号，改变电磁作动器线圈15的电流，使电磁作动器2输出相应的交变力，抵消设备基座的线谱振动。因此该主被动混合隔振器可以实现宽频振动和低频线谱振动的同步有效控制，同时能防止冲击造成作动器结构损坏。

Claims (7)

1.一种抗冲击型主被动混合隔振器，其特征在于电磁作动器、抗冲击弹簧安装于囊式气囊隔振器内，抗冲击弹簧装在气囊上盖板和上座之间或装在电磁作动器和下盖板之间；下盖板上开有气孔、线孔，气孔、线孔的一端开口在下盖板的外侧面，另一端开口在下盖板处于弹性囊体内的上表面，气密封插座焊接在线孔外端口；
所述电磁作动器的铁芯上置有永磁体，永磁体上有柔性导磁橡胶，铁芯外缠绕线圈，衔铁固定在下座上；衔铁与永磁体间留有气隙，气隙中填充柔性导磁橡胶；
散热片一端围绕电磁作动器的铁芯和线圈，另一端紧贴囊式气囊隔振器的下盖板，温度传感器二、加速度传感器在电磁作动器铁芯的底部和线圈内，温度传感器一在线圈内侧；加速度传感器安装于囊式气囊隔振器内侧。
2.根据权利要求1所述的一种抗冲击型主被动混合隔振器，其特征在于抗冲击作用是通过抗冲击弹簧(18)和柔性导磁橡胶(21)实现，其中抗冲击弹簧(18)为一根、两根或多根，多根抗冲击弹簧以相隔一定的角度的方式通过上座(19)、下座(20)固定安装在作动器衔铁(8)和上盖板(5)之间，或安装在电磁作动器(2)和下盖板(7)之间。
3.根据权利要求1所述的一种抗冲击型主被动混合隔振器，其特征在于电磁作动器(2)的铁芯(9)是山字型叠片固定而成，衔铁(8)是一字型叠片固定而成，衔铁两侧的永磁体与中柱的永磁体(14)磁极方向相反，形成左右两个闭合的永磁磁路；线圈(15)绕在山字型铁芯的中柱上，占满铁芯槽宽；线圈中通过电流时，也会形成左右两个闭合的电磁磁路。
4.根据权利要求1所述的一种抗冲击型主被动混合隔振器，其特征在于抗冲击弹簧(18)用橡胶、绝缘酯抗冲击弹性材料代替。
5.根据权利要求1所述的一种抗冲击型主被动混合隔振器，其特征在于气囊隔振器可以是囊式气囊隔振器(1)或膜式气囊隔振器(24)，其中膜式气囊隔振器(24)由弹性囊体(25)及与囊体连成整体的活塞形上盖板(22)和壳体形下盖板(23)组成，气囊隔振器下盖板(7)开有气孔(10)和线孔(11)，气密封插座(3)焊接在气囊隔振器下盖板(7)的线孔(11)上。
6.根据权利要求1所述的一种抗冲击型主被动混合隔振器，其特征在于，散热片(16)由高导热率金属栅片构成，散热片(16)用热管(26)来替代。
7.根据权利要求1所述的一种抗冲击型主被动混合隔振器，其特征在于，铁芯(9)和衔铁(8)采用厚0.35mm的硅钢片叠压而成；永磁体(14)由铷铁硼材料构成。
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