CN105240432B - 一种用于太空的一阶浮力磁性液体减振器 - Google Patents

Abstract

一种用于太空的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)、第一悬浮永磁体(2)、磁性液体(3)、壳体(4)、质量块(5)、第二悬浮永磁体(6)、第二限位永磁体(7)，当外界振动时，质量块(5)在腔体内移动，磁性液体(3)在壳体(4)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

一种用于太空的一阶浮力磁性液体减振器

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。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)所述和对比文献8(公开号CN104235248A的申请专利)。

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。

对比文献8(公开号CN104235248A的申请专利)所述的减振器装置，该减振器利用两个环形永磁体将沙漏状的非导磁性质量块悬浮，质量块的锥形角提供轴向方向的回复力，然而该专利应用于地面时，环形永磁体产生的磁场无法将质量较大的质量块悬浮，而应用于太空时，在航天器发射阶段非常容易造成质量块与永磁体之间的碰撞，从而造成永磁体的碎裂。此外，该专利所述装置安装极其不方便，甚至无法进行安装，从而不具备实用性。

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。特提供一种用于太空的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：

一种用于太空的一阶浮力磁性液体减振器，该装置包括：第一限位永磁体、第一悬浮永磁体、磁性液体、壳体、质量块、第二悬浮永磁体、第二限位永磁体；

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，在壳体的左端固定装入第一悬浮永磁体，使第一悬浮永磁体的左端面与壳体的左端面平齐，在壳体的右端固定装入第二悬浮永磁体，使第二悬浮永磁体的右端面与壳体的右端面平齐，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。所述壳体为空心圆柱形，第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体形状大小完全相同，且均为圆环形。磁性液体必须充满壳体，由于应用在太空环境中，质量块由于失重的影响将漂浮在壳体中，而第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体是环形永磁体，将在第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体的环形腔位置产生一个由中心逐渐增强的轴对称磁场分布，而该磁场磁性液体中形成的径向梯度使得质量块的径向运动被限制，当静止或者无径向扰动时，质量块的轴线和壳体的轴线将重合。为了确保在大幅度振动的情况下，质量块不脱离第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体之间的磁场梯度区域，第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体的长度必须大于等于两倍的质量块与壳体之间的单边间隙，即l₂≥2l₁，然而为了减轻重量，第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体不应过长，所以优选l₂＝2l₁，同时，为防止第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体互相磁场产生干扰，第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体之间的距离应大于等于2l₂。第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体由于是环形永磁体，因此只能采用轴向充磁，无法直接进行径向充磁。但这种充磁方式降低了轴向梯度，若轴向扰动较大的话，质量块将与壳体发生碰撞。因此在轴向扰动较大的场合，可以通过多个径向充磁的扇形永磁体拼接而成，也可以采用多块矩形永磁体直接固定连接在壳体上，此时壳体外侧安装永磁体的位置应加工成多边形结构，通常至少为6边形。拼接后相邻的永磁体的磁极排列方式可以采用同极排列也可以采用异极排列，即N(S)和N(S)极排列或者N(S)和S(N)极排列方式，优选N(S)和N(S)极排列，若为N(S)和S(N)极排列方式，永磁体数量必须为偶数。

由于第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体无法使质量块在轴向定位，因此在失重环境下，质量块任然会在轴向随意漂移，从而无法消减振动。因此在壳体两端安装第一限位永磁体和第二限位永磁体，从而在壳体左、右两个端面将形成从壳体端部向壳体中部逐渐衰减的磁场。该磁场梯度给质量块提高了一个轴向的回复力，使质量块在静止状态下始终能够悬浮在壳体中部。

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。

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，所述质量块为非导磁性物质，其为圆柱形。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。在地面应用时，质量块选用密度大于所选磁性液体密度的材料，使其能够更好的居中，在太空应用时，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)第一、第二悬浮永磁体和第一、第二定位永磁体可以稳定的悬浮质量块，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，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1一种用于太空的一阶浮力磁性液体减振器；

图2第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体采用径向充磁同极排列的方案；

图3第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体采用径向充磁异极排列的方案；

图4第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体采用多块矩形永磁体拼接方案的壳体三维图；

图1中：第一限位永磁体1、第一悬浮永磁体2、磁性液体3、壳体4、质量块5、第二悬浮永磁体6、第二限位永磁体7。

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：

一种用于太空的一阶浮力磁性液体减振器，如图1，该减振装置包括：第一限位永磁体1、第一悬浮永磁体2、磁性液体3、壳体4、质量块5、第二悬浮永磁体6、第二限位永磁体7。

构成该装置的各部分之间的连接：

将所述壳体4内充入磁性液体3，并将质量块5装入壳体4中；将壳体(4)进行密封后，在壳体4的左端固定装入第一悬浮永磁体2，使第一悬浮永磁体2的左端面与壳体4的左端面平齐，在壳体4的右端固定装入第二悬浮永磁体6，使第二悬浮永磁体6的右端面与壳体4的右端面平齐，在壳体4的左端面固定安装第一限位永磁体1，在壳体4的右端面固定安装第二限位永磁体7。质量块5材料的硬度要远小于壳体4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 (1)

1.一种用于太空的一阶浮力磁性液体减振器，其特征在于：该减振器用于失重环境中，该减振器包括：第一限位永磁体(1)、第一悬浮永磁体(2)、磁性液体(3)、壳体(4)、质量块(5)、第二悬浮永磁体(6)、第二限位永磁体(7)；

将所述壳体(4)内充入磁性液体(3)，并将质量块(5)装入壳体(4)中；将壳体(4)进行密封后，在壳体(4)的左端固定装入第一悬浮永磁体(2)，使第一悬浮永磁体(2)的左端面与壳体(4)的左端面平齐，在壳体(4)的右端固定装入第二悬浮永磁体(6)，使第二悬浮永磁体(6)的右端面与壳体(4)的右端面平齐，在壳体(4)的左端面固定安装第一限位永磁体(1)，在壳体(4)的右端面固定安装第二限位永磁体(7)；

所述壳体(4)为空心圆柱形，第一悬浮永磁体(2)和第二悬浮永磁体(6)形状大小完全相同，且均为圆环形；

第一悬浮永磁体(2)和第二悬浮永磁体(6)的长度必须大于等于两倍的质量块(5)与壳体(4)之间的单边间隙，即l₂≥2l₁；

所述第一限位永磁体(1)和第二限位永磁体(7)大小形状完全相同，且为圆柱形，分别与壳体(4)的外端面大小相同；

第一限位永磁体(1)与壳体(4)的接触面为N极，第二限位永磁体(7)与壳体(4)的接触面也为N极，或第一限位永磁体(1)与壳体(4)的接触面为S极，第二限位永磁体(7)与壳体(4)的接触面也为S极；所述质量块(5)为非导磁性物质，其为圆柱形，并选择硬度远小于壳体(4)硬度的材料，在加速度极大时，质量块(5)与壳体(4)相撞，质量块(5)将仅发生形变而不发生碎裂。