CN105570630B - 一种具有准零刚度的磁流变液减振平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有准零刚度的磁流变液减振平台，包括动平台机构，外围固定平台机构；外围固定平台机构由上固平台、支架和下固平台组成，通过螺栓螺母固定，其内部是动平台机构；动平台通过单筒磁流变液减振器上球铰座与单筒磁流变液减振器铰接；动平台上方通过三个双筒磁流变液减振器和上固平台相连，动平台下方通过一个单筒磁流变液减振器和下固平台相连，动平台处于中间位置，上下位置的磁流变液减振器在空间上构成了具有准零刚度的减振系统；动平台的周边还均布置多个位移传感器或多个重力传感器，用于检测振动方向并反馈给控制系统，控制系统根据反馈信号调整双筒磁流变液减振器各阻尼器的电流值，从而调整各位置阻尼器的阻尼数值。
Description
技术领域
本发明涉及一种低频或超低频减振平台，尤其涉及一种具有准零刚度的磁流变液减振平台及其控制方法，属于减振平台技术领域。该减振平台在力隔振、运动隔振方面均有良好的效果，可广泛运用于车辆、船舶、航空运输领域。
背景技术
隔振是指通过采用附加系统隔离开振源与受控对象以达到对受控对象的振动抑制的目的。现代社会中，人们对振动环境、产品与结构振动特性的要求进一步提高，比如测量时光学隔振平台对高精密光学仪器的隔振保护、水下航行潜艇的减振降噪等，都对隔振技术的要求越来越严格。然而，传统线性隔振器逐渐暴露出一些局限性，例如普通隔振系统只有在外扰频率大于隔振器固有频率的倍时才能有隔振效果，处理局部、低频外扰时振动控制效果受到结构空间和保证稳定性等限制。从隔振原理来说，减振平台的固有频率越低，隔振效果越好；要降低减振平台固有频率，一方面可以降低减振平台等效刚度，但是这通常要受到减振平台材料、成本等因素的制约；另一方面可以增大减振平台质量，这样一来势必造成机组功率增大，随之而来的即为机组振动量增大，形成一个恶性循环，因此增大隔振器的质量不是提高隔振性能的根本方法。近年来研究表明，准零刚度隔振系统具有高静态、动态刚度等优良特性，可以有效降低系统的固有频率，能在低频段有效隔振又能承受较大载荷。
目前现有的准零刚度减振平台，对大位移振动有良好的减振效果，其缺陷是当调节到平衡位置后，如果被减振设备产生微幅振动，如0.1-1mm的振动，则达不到预期的隔振效果。另一缺陷是仅针对某一特定承载重量设计系统参数，如果承载重量发生了变化，隔振系统就会偏离原有的准零刚度工作状态，起不到好的隔振效果；在某些应用场合(如物流运输中的减振平台)，承载重量经常变化，传统的隔振系统不能根据承载重量的变化，自动调节刚度。还有就是结构不够紧凑，承载量小，无法满足广范围的适用等缺点。
为了克服系统刚度和静态位移之间的矛盾，隔振系统应同时具有较高的静态刚度和较低的动态刚度，较高的静态刚度保证系统承载能力较大，静态位移较小；较低的动态刚度保证系统固有频率较低，低频隔振效果较好。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，现有的准零刚度减振平台对于微幅震动减振效果较差；对于承载重量变化的刚度适应性调整较差；结构不够紧凑、承载量小，适用范围小。为解决上述问题，本发明提供了一种具有较高的静态刚度和较低的动态刚度的具有准零刚度的磁流变液减振平台及其控制方法。
本发明采用以下技术方案：
一种具有准零刚度的磁流变液减振平台，其特征在于：包括动平台机构，外围固定平台机构；所述外围固定平台机构由上固平台11、支架5和下固平台7组成，通过螺栓螺母固定，其内部是动平台机构；所述动平台机构包括自上而下依次设置的双筒减振器上球铰座1、双筒磁流变液减振器3、双筒磁流变液减振器下球铰座9、动平台4、单筒磁流变液减振器8、单筒磁流变液减振器下球铰座6；所述动平台4上方为货物放置处10；动平台通过单筒磁流变液减振器上球铰座12与单筒磁流变液减振器8铰接；动平台4上方通过三个双筒磁流变液减振器3和上固平台11相连，动平台4下方通过一个单筒磁流变液减振器8和下固平台7相连，动平台4处于中间位置，上下位置的磁流变液减振器在空间上构成了具有准零刚度的减振系统；所述动平台4的周边还均布置多个位移传感器或多个重力传感器，用于检测振动方向并反馈给控制系统，控制系统根据反馈信号调整双筒磁流变液减振器3各阻尼器的电流值，从而调整各位置阻尼器的阻尼数值。
进一步的，支架5采用弧形结构，上部空间较大，适合安放较大体积的物件。
进一步的，上固平台11下方的三个双筒减振器上球铰座1均匀分布，两两之间与上固平台11的中心点共同构成120°角。
更进一步的，动平台4上方的三个双筒磁流变液减振器下球铰座9均匀分布，两两之间与动平台4的中心点共同构成120°角，下方的单筒磁流变液减振器上球铰座12位于动平台4的中心点。
更进一步的，下固平台7上方的单筒磁流变液减振器下球铰座6位于下固平台7的中心点。
更进一步的，下固平台7上设有下固平台圆形螺母槽72，用于保护螺栓螺母组件。
本发明的有益效果在于：
1、具有较大的静刚度和较小动态刚度，因而有良好的低频或超低频隔振效果，被隔振频率范围大；
2、容易实现，且结构简单、体积小、重量轻；
3、双筒式磁流变液减振器与准零刚度结构的巧妙组合，优化了减振平台的性能，使整个系统的刚度曲线最优，进一步减小了隔振系统的动态刚度，更好的实现了低频、宽频隔振的目的。
4、双筒式磁流变液减振器可协同工作，提高了减振平台的可靠性，延长了减振平台的使用寿命。
5、可承受较大重量的物件，易于实现工程化。
附图说明
图1是本发明的示意图
图2是本发明的轴测图
图3是本发明的准零刚度系统结构示意图
图4是本发明的三个双筒减振器的力-位移特性曲线
图5是本发明的三个双筒减振器的刚度-位移特性曲线
图6是本发明的系统刚度曲线的力与位移关系图
图7是本发明的动平台机构示意图
图8是本发明的动平台组件示意图
图9是本发明的下固平台示意图
图10是本发明的下固平台轴测图
图11是本发明的球铰座轴测图
图12是本发明的单筒磁流变液减振器轴向全剖视图
图13是本发明的单筒磁流变液减振器中活塞环轴测图
图14是本发明的双筒磁流变液减振器轴向全剖视图
图15是本发明的双筒磁流变液减振器轴测图
图16是本发明的双筒磁流变液减振器中底座轴测图
图17是本发明的双筒磁流变液减振器中1号阻尼器活塞组件轴测图
图18是本发明的双筒磁流变液减振器中1号阻尼器活塞组件全剖视图
图19是本发明的双筒磁流变液减振器中1号活塞杆的轴测图
图20是本发明的双筒磁流变液减振器中2号阻尼器活塞组件轴测图
图21是本发明的双筒磁流变液减振器中2号阻尼器活塞组件全剖视图
上述图中的标记均为：
1、双筒减振器上球铰座，2、上固平台螺栓螺母，
3、双筒磁流变液减振器，
31、2号阻尼器活塞杆，32、2号储液缸，33、2号补偿腔，34、2号移动活塞，35、2号密封圈，36、2号工作腔A，38、2号外励磁线圈，
39、2号活塞组件，
391、2号弹簧支撑杯座，392、2号碟片弹簧，393、2号蛇形磁流变液通道，394、栅格支撑架，395、第二活塞环，
310、2号工作腔B，311、永磁环，
312、2号中心励磁线圈，
3121、2号环形磁流变液通道，
313、2号工作腔C，314、2号阻尼器盖，315、阻尼减振器底座，316、1号阻尼器盖，317、1号工作腔D，
318、1号活塞组件，
3181、1号管形磁流变液通道，3182、1号蛇形磁流变液通道，3183、1号碟片弹簧，3184、1号弹簧支撑杯座，
319、1号内励磁线圈，320、1号外励磁线圈，321、1号工作腔E，322、1号移动活塞，323、1号密封圈，324、1号补偿腔，325、1号储液缸，326、1号阻尼器活塞杆，
4、动平台，5、支架，6、单筒减振器下球铰座，
61、球铰座球型槽，62、球铰座螺栓孔，
7、下固平台，
71、下固平台螺栓孔，72、下固平台圆形螺母槽，73、下固平台加强筋，
8、单筒磁流变液减振器，
801、单筒减振器活塞杆，802、单筒减振器工作腔A，803、单筒减振器励磁线圈，804、单筒减振器工作腔B，805、单筒减振器移动活塞，806、单筒减振器盖，807、单筒减振器弹簧，808、单筒减振器密封圈，809、单筒减振器流体间隙，810、单筒减振器活塞环，811、单筒减振器储液缸，
9、双筒减振器下球铰座，
91、双筒减振器下球铰座螺栓，92、双筒减振器下球铰座球型槽
10、货物放置处，11、上固平台，12、单筒减振器上球铰座，13、单筒减振器上球铰座螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。
如图1、2所示，本实例提供了一种具有准零刚度的磁流变液减振平台包括双筒减振器上球铰座1、上固平台螺栓螺母2、双筒磁流变液减振器3、动平台4、支架5、单筒磁流变液减振器下球铰座6、下固平台7、单筒磁流变液减振器8、双筒磁流变液减振器下球铰座9、货物放置处10、上固平台11、单筒磁流变液减振器上球铰座12、单筒磁流变液减振器上球铰座螺栓13。外围的固定平台机构由上固平台11、支架5和下固平台7组成，通过螺栓螺母固定；内部是动平台机构，由三个双筒磁流变液减振器9、一个动平台4、一个单筒磁流变液减振器8和若干球铰座组成，动平台上方通过三个双筒磁流变液减振器3和上固平台11相连，由于双筒磁流变液减振器3具有较大的抗拉伸、压缩能力，且可适用的力的范围较大，所以该减振平台能够承受较大重量的物件，动平台4下方通过一个单筒磁流变液减振器8和下固平台7相连，动平台4处于中间位置，上下位置的磁流变液减振器在空间上构成了具有准零刚度的减振系统，适用于低频或超低频减振领域。
如图1所示，支架5采用弧形结构，上部空间较大，适合安放较大体积的物件。
如图1、2、7、8所示，上固平台11下方的三个双筒减振器上球铰座1均匀分布，两两之间与上固平台11的中心点共同构成120°角；动平台4上方的三个双筒磁流变液减振器下球铰座9均匀分布，两两之间与动平台4的中心点共同构成120°角，下方的单筒磁流变液减振器上球铰座12位于动平台4的中心点；下固平台7上方的单筒磁流变液减振器下球铰座6位于下固平台7的中心点；分布在特定位置上的各个球铰座用于安装对应的磁流变液减振器，共同构成了具有准零刚度的减振系统，适用于低频或超低频减振领域。
如图9、10所示，下固平台7上设有下固平台圆形螺母槽72，用于保护螺栓螺母组件。
如图14、15所示，所述的双筒磁流变液减振器3处于拉伸行程时：当1号、2号阻尼器均通电后，阻尼器处于拉伸状态时，对于1号阻尼器：1号活塞组件318向1号工作腔E 321方向移动，磁流变液从1号工作腔E 321经过1号管形磁流变液通道3181和1号蛇形磁流变液通道3182流向1号工作腔D 317，由于1号内励磁线圈319和1号外励磁线圈320在通电状态下产生磁场的作用，会使经过1号管形磁流变液通道3181和1号蛇形磁流变液通道3182的磁流变液的状态发生变化，进而产生相应的阻尼力，使1号阻尼器具有一定的抗拉伸能力，同时两端的1号补偿阀组件会补偿一定的移动空间，进而提高了阻尼器的反应速度；对于2号阻尼器：2号活塞组件39向2号工作腔A 36方向移动，磁流变液从2号工作腔A 36经过2号蛇形磁流变液通道393再经过2号工作腔B 310和栅格支撑架394最后经过2号环形磁流变液通道3121流向2号工作腔C 313，由于2号外励磁线圈38和2号中心励磁线圈312在通电状态下产生磁场的作用，会使经过2号蛇形磁流变液通道393和2号环形磁流变液通道3121磁流变液的状态发生变化，进而产生相应的阻尼力，使2号阻尼器具有一定的抗拉伸能力，同时两端的2号补偿阀组件会补偿一定的移动空间，进而提高了阻尼器的反应速度。
所述的双筒磁流变液减振器3处于压缩行程时：当1号、2号阻尼器均通电后，阻尼器处于压缩状态时，对于1号阻尼器：1号活塞组件318向1号工作腔D 317方向移动，磁流变液从1号工作腔D 317经过1号管形磁流变液通道3181和1号蛇形磁流变液通道3182流向1号工作腔E 321，由于1号内励磁线圈319和1号外励磁线圈320在通电状态下产生磁场的作用，会使经过1号管形磁流变液通道3181和1号蛇形磁流变液通道3182的磁流变液的状态发生变化，进而产生相应的阻尼力，使1号阻尼器具有一定的抗压缩能力，同时两端的1号补偿阀组件会补偿一定的移动空间，进而提高了阻尼器的反应速度；对于2号阻尼器：2号活塞组件39向2号工作腔C 313方向移动，磁流变液从2号工作腔C 313经过2号环形磁流变液通道3121再经过2号工作腔B 310和栅格支撑架394最后经过2号蛇形磁流变液通道393流向2号工作腔A 36，由于2号外励磁线圈38和2号中心励磁线圈312在通电状态下产生磁场的作用，会使经过2号蛇形磁流变液通道393和2号环形磁流变液通道3121磁流变液的状态发生变化，进而产生相应的阻尼力，使2号阻尼器具有一定的抗压缩能力，同时两端的2号补偿阀组件会补偿一定的移动空间，进而提高了阻尼器的反应速度。
下面对本发明的设计原理进行详细介绍:
如图3-6所示，三个双筒减振器的一端的中心在D点，另一端分别铰接在水平面上的A，B，C点，且三个双筒减振器具有相同的原长L0、刚度k0以及相同的初始水平倾斜角。假设力f作用在点D，方向向上。作用点D的初始位置在水平面ABC的正下方h处，分别与点A，B，C水平相距a。
1)动平台产生位移x，系统合力为f，二者的关系可以表示为：
f＝3k0(L0-L)sinθ (1)
其中，L是压缩状态的双筒减振器长度，sinθ＝(h-x)/L。从图3可知那么，式(1)可以表示为：
2)如果坐标y定义为点D从位置O也就是静平衡位置开始在竖直方向上的位移，即y＝x-h，那么，式(2)可以表示为：
将力与位移的关系(3)无量纲化为：
其中，
是结构的一个几何参数，表示双筒减振器与水平面之间初始夹角的余弦值。当时，表示双筒减振器的初始状态是水平放置；当时，表示弹簧的初始状态是竖直放置。几何参数取不同值时，四倾斜弹簧结构系统的力-位移特性曲线如图4所示。
从图4可以看出，系统的力-位移特性曲线存在一个极大值和一个极小值。在极值点，系统刚度为零，在极大值与极小值之间系统表现为负刚度特性，这说明系统中存在很强的非线性特性。
3)根据刚度定义，将式(4)对位移求导得系统的无量纲刚度
从图5可以看出，系统的刚度-位移特性曲线存在一个极小值点和一个负刚度位移区间。随着几何参数的增大，极值点负刚度的绝对值逐渐减小，而负刚度位移区间逐渐增大。
4)刚度kv的竖直弹簧平行于刚度k0的倾斜弹簧在竖直方向上的分量。系统的弹性恢复力f*与位移x的关系可以表示如下：
f*＝kvx+f (6)
令y＝x-h，那么，式(6)可以表示为：
将力与位移的关系式(7)无量纲化为：
其中，α＝k0/kv
5)令那么，式(8)可化为：
6)根据刚度定义，将式(9)对位移求导，得系统的无量纲刚度
如果系统在静平衡位置处的刚度等于零，那么，满足系统零刚度条件的弹簧刚度系数之比
式(11)等价于：
由式(12)可以看出，系统的零刚度条件仅与参数α、L0、a有关，只要三者满足这一条件，就能保证系统是准零刚度系统。
从图4中还可以看出，系统的力-位移关系近似为三次立方关系。因此，为了方便分析，应用泰勒级数展开式，将弹性恢复力在静平衡位置处进行三阶泰勒展开。
将式(13)对位移求导，得准零刚度系统的近似刚度表达式为：
拟合得到弹性恢复力与位移的函数，如图6所示，系统刚度能够达到0值，说明该减振平台在低频、超低频隔振领域有较好的应用前景。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种等效变换，均在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种具有准零刚度的磁流变液减振平台，其特征在于：
包括动平台机构，外围固定平台机构；
所述外围固定平台机构由上固平台(11)、支架(5)和下固平台(7)组成，通过螺栓螺母固定，其内部是动平台机构；
所述动平台机构包括自上而下依次设置的双筒减振器上球铰座(1)、双筒磁流变液减振器(3)、双筒磁流变液减振器下球铰座(9)、动平台(4)、单筒磁流变液减振器(8)、单筒磁流变液减振器下球铰座(6)；所述动平台(4)上方为货物放置处(10)；动平台通过单筒磁流变液减振器上球铰座(12)与单筒磁流变液减振器(8)铰接；
动平台(4)上方通过三个双筒磁流变液减振器(3)和上固平台(11)相连，动平台(4)下方通过一个单筒磁流变液减振器(8)和下固平台(7)相连，动平台(4)处于中间位置，上下位置的磁流变液减振器在空间上构成了具有准零刚度的减振系统；
所述动平台(4)的周边还均布置多个位移传感器或多个重力传感器，用于检测振动方向并反馈给控制系统，控制系统根据反馈信号调整双筒磁流变液减振器(3)各阻尼器的电流值，从而调整各位置阻尼器的阻尼数值；
支架(5)采用弧形结构，上部空间较大，适合安放较大体积的物件；
上固平台(11)下方的三个双筒减振器上球铰座(1)均匀分布，两两之间与上固平台(11)的中心点共同构成120°角；
动平台(4)上方的三个双筒磁流变液减振器下球铰座(9)均匀分布，两两之间与动平台(4)的中心点共同构成120°角，下方的单筒磁流变液减振器上球铰座(12)位于动平台(4)的中心点；
下固平台(7)上方的单筒磁流变液减振器下球铰座(6)位于下固平台(7)的中心点。
下固平台(7)上设有下固平台圆形螺母槽(72)，用于保护螺栓螺母组件。
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