CN105782333A - 一种复合式半主动超低频隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式半主动超低频隔振装置。本发明提出的复合式超低频隔振装置主要由连接板、惯容器、液压缓冲装置、形状记忆合金弹簧、活动薄膜、调整螺钉等部件组成。本发明提出的超低频隔振装置，采用液力惯容器提高系统的视在质量，利用液压缓冲原理给系统提供拟零刚度特性，将两者有机的结合起来从而达到超低频隔振的效果。

Description

一种复合式半主动超低频隔振装置

技术领域

本发明涉及一种复合式半主动超低频隔振装置，更准确地说，是涉及一种将基于磁流变流体的惯容器与拟零刚度结构复合起来的超低频隔振装置。

背景技术

低频振动对航空航天、军用设备具有很大的危害性，低频振动给一般的被动隔振技术提出了挑战。普通的橡胶隔振可以有效隔离5-6Hz以上频率的振动，但对于1-2Hz以下的低频振动就无法达到其隔振的效果了。

被动隔振因其结构简单、可靠性高且便于维护等优点，具有广泛的应用前景，并已经被广泛应用于各种振源隔离和抑制。线性隔振系统的固有频率，m为系统质量，k为系统刚度。当外界的振动频率大于系统的固有频率的1.414倍时，系统的振动就会受到抑制。因此，只有降低系统的固有频率，才能有可能实现良好的隔振效果。低频隔振的关键就在于将系统的固有频率尽可能降低，一般降至1Hz以内，从而实现增加系统的隔振频宽，达到低频甚至超低频隔振的效果。由固有频率的表达式可以看出，降低系统固有频率的方法主要是增加系统质量和降低系统刚度。

惯容器的提出为增加系统视在质量提供了解决方案，它是一种两端型元件，会产生正比于两端加速度的力，通常将这一比例系数称为“惯容值”，单位为kg。目前，惯容器已有应用在火车悬架系统、建筑物防震减灾、汽车悬架系统，大大的提高了系统的隔振性能。惯容器不增加系统实际质量，即隔振目标的质量，而是提高了系统的视在质量，从而降低了系统的固有频率，为达到低频隔振提供了思路。

降低被动隔振系统的刚度目前还有一种解决方案就是选用拟零刚度的隔振元件。选用的拟零刚度系统需要同时满足高静刚度和低动刚度的要求。通常将正负刚度并联以获得零刚度的特性，普通的机械螺旋弹簧提供正刚度，倾斜弹簧或电磁弹簧提供负刚度。这类拟零刚度装置需要精密的设计，结构复杂且工作行程较短。但拟零刚度的原理为解决低频隔振的难题提供了解决思路。

发明内容

本发明针对现有低频隔振技术的不足，提出了一种将惯容器与拟零刚度原理结合在一起的超低频隔振装置。本发明提出的超低频隔振装置，采用液力惯容器提高系统的视在质量，利用液压缓冲原理给系统提供拟零刚度特性，将两者有机的结合起来从而达到超低频隔振的效果。

为了实现上述要求，本发明所采取的技术方案是：本发明提出的复合式超低频隔振装置主要由连接板、惯容器、液压缓冲装置、形状记忆合金弹簧、活动薄膜、调整螺钉等部件组成。

所述惯容器内部置有一个双作用活塞杆，一端伸出惯容器，通过螺纹与上部连接板相连用以支撑重物。另一端伸入下方液压缓冲装置中。惯容器外围绕了连接管路，连接管的两端分别连接惯容器上下两腔的油口。

所述惯容器部分的工作介质为磁流变流体，连接管路有并行的两路，每路连接管路中都有一个磁场控制的节流阀，磁场强度由外接电磁线圈来调节。

所述液压缓冲装置为内部充满液压油的容积，并与一个气囊式蓄能器相通，缓冲装置中的液压有具有一定的初始压力，液压油的初始压力由蓄能器中的气压调节。缓冲装置的上部设有活动薄膜，活动薄膜上方由形状记忆合金弹簧给予一定的预压力。

此复合式低频隔振装置主要具有很高的静态支撑刚度和很低的动态振动刚度。并且可以有效的增加其视在质量。相比于传统隔振方式，可以有效的降低隔振系统的固有频率，下面详细描述如何实现上述特点：

当振源静止没有振动时，液压缓冲装置中的液压油已经有一定的预压力，作用于伸入液压缓冲装置中的活塞杆下端，产生一个向上的推力，通过连接板支撑振源质量。通过与缓冲装置相连的气囊式蓄能器来调节缓冲装置中的液压油的压力，使得活塞杆底面所受的作用力与振源重量相等。这样就可以很好的保证其静态下的支撑刚度。无需精密调节装置，就可以保证其在静止状态下的支撑稳定性。

当振源振动时，振源将振动通过活塞杆传入液压缓冲装置中。振源的振动会引起液压缓冲装置中油液的体积变化。由液压基本原理可知，油液体积的变化会引起系统油压的变化，油压变化作用于活动薄膜上，进而作用于形状记忆合金弹簧上。在初始状况下，调节调整螺钉使得形状记忆合金弹簧工作在超弹性区间。当形状记忆合金弹簧感知压力的变化时，由于其动态刚度很低，会产生较大的变形，从而吸收输入端产生的油液体积变化，使得液压缓冲装置中总体的压力变化接近于零。同时，由于相连的气囊式蓄能器的作用，由活塞杆的运动在缓冲装置中引起的体积变化，也有一部分会被蓄能器所吸收。由此，当系统振动时，缓冲装置内的压力变化会非常小，近似为零。也就是说，作用在活塞杆底部的作用力基本上没有变化，从而使得作用在活塞杆底部的作用力基本恒定，从而实现拟零刚度的效果。

另一个方面，降低系统固有频率的方法也可以通过增加系统质量来实现，但系统本身质量一般不宜过大，且一般由实际应用确定，无法调节。本发明装置中采用的惯容器，则可以在不增加系统实际质量的情况下，大幅提高系统的视在质量。由于惯容器会产生一个正比于两端加速度的力，这一比例系数就称为惯容值，这里的惯容值就相当于为系统引入了一个视在质量。本发明中采用的惯容器为一种液力式惯容器，惯容器中充满磁流变流体，上下两腔分别由两个连接管道相连，管路中有由磁场控制的节流阀。当系统振动时，惯容器中上下腔的流体会在连接管中往复流动，此时连接管中的液体质量就等于为系统增加的质量。为了增大系统的视在质量，需要使得连接管中流动的液体质量和其加速度的乘积越大越好。本发明中一路连接管道采用了一种螺旋式的缠绕布置方式，使连接管紧密的环绕在惯容器外围，从而有效的增加了液体的体积，增大了系统的视在质量，降低系统的固有频率。

惯容器中设有刚度很弱的对中弹簧。由于底部缓冲装置中的液压油的作用，抵消了振动系统所受的重力，因而系统实际上处于一种漂浮状态。为使系统在振动状态时总能恢复到平衡位置，需要布置一对很弱的对中弹簧。对中弹簧的恢复力非常小，仅需克服静摩擦力使得活塞杆恢复到平衡位置即可。由于对中弹簧的刚度非常小，因而系统的固有频率仍然非常低。

为实现对不同系统的不同隔振性能要求，在惯容器的液体连接管道中，设置调节装置。调节装置的基本原理是：在需要较大的惯容值时，给直线式通路中的线圈通较大电流，产生截止磁场，使得直线式通路1中的磁流变流体停止流动。螺旋式通路中无电流，活塞杆的振动迫使磁流变流体通过螺旋型通道流动，从而产生较大的惯容值。而当振动频率较高时，给两通道中的线圈引入不同大小的电流，就可以调节惯容值的大小，同时可以调节阻尼大小，以适应不同的隔振和减振要求。

本发明提出一种将两者结合在一起的隔振装置，将隔振系统的固有频率大幅降低，从根本上解决现有的低频隔振所遭遇的技术难题，且结构简单，工作带宽具有自适应能力。

附图说明

图1是复合式半主动超低频隔振装置的示意图。

具体实施方式

下面通过附图来说明本发明的设计思想。

如图1所示，本实施例中1为外加振源，2为连接板，中间开有螺纹孔，用于与惯容器中的活塞杆4相连。惯容器中置有对中弹簧3。惯容器中的工作介质为磁流变液体，惯容器内的上下两腔通过外接管路相连通，外接管路分为两个部分，左侧管路为直线式布置方式，右侧管路为螺旋式布置方式，两个外接管路中分别接有磁控节流阀5。

本实施例中活塞杆4的下端深入了液压缓冲装置9中，液压缓冲装置9中注有一定压力的液压油，并与外接蓄能器10相连通，并可以通过蓄能器10调节液压缓冲装置9中的油液压力。液压缓冲装置9的顶端有一部分是活动薄膜8，薄膜8上顶着形状记忆合金弹簧7。形状记忆合金弹簧7的预压力可以通过上方的调整螺钉6来调整。形状记忆合金弹簧7需要调整到其超弹性工作区间。

当超低频隔振装置上的振源没有振动时，通过调节蓄能器10改变液压缓冲装置9中的油液压力，用来支撑振源1的质量，为系统提供一定的静支撑刚度。

当振源1振动时，振源的振动通过与连接板相连的活塞杆传到下方的液压缓冲装置9中。活塞杆4在液压缓冲装置9中的相对运动会使得油液受到挤压，产生压力的变化作用在薄膜8上，进而作用到形状记忆合金弹簧7上，由于形状记忆合金弹簧7工作在其超弹性区间，其动刚度很低，可以完全吸收液压油体积的变化。从而使得液压缓冲装置中总体上不会产生压力变化，没有变化的压力作用在底面，从而达到很低的动态隔振刚度。

当振源1振动时，惯容器中充满磁流变液体，活塞的运动会使得上下腔的磁流变液在两侧管路中流动，通过调节磁控节流阀5来控制管路的通断，当需要较大惯容值时，给磁控节流阀通电，使得左侧管路关闭，右侧管路接通，螺旋式的右侧管路可以给系统提供较大的惯容值。同理，当需要较小的惯容值时，可以将左侧直线式管路接通，右侧管路关闭。针对不同的隔振要求，来调整系统的惯容值，从而获得更大的视在质量。

在两者的共同作用下，同时增加了系统的视在质量和降低了系统的动态刚度，从而大大降低系统的固有频率，达到低频甚至超低频隔振的效果。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种复合式半主动超低频隔振装置，主要由连接板、惯容器、液压缓冲装置、形状记忆合金弹簧和活动薄膜组成，其特征在于：

所述惯容器内部置有一个双作用活塞杆，一端伸出惯容器，通过螺纹与上部连接板相连用以支撑重物；另一端伸入下方液压缓冲装置中；惯容器外围绕了连接管路，连接管路的两端分别连接惯容器上下两腔的油口；

所述惯容器部分的工作介质为磁流变流体，连接管路有并行的两路，每路连接管路中都有一个磁场控制的节流阀，磁场强度由外接电磁线圈来调节；

所述液压缓冲装置为内部充满液压油的容积，并与一个气囊式蓄能器相通，缓冲装置中的液压有具有一定的初始压力，液压油的初始压力由蓄能器中的气压调节；缓冲装置的上部设有活动薄膜，活动薄膜上方由形状记忆合金弹簧给予一定的预压力。

2.根据权利要求1所述的一种复合式半主动超低频隔振装置，其特征在于：连接管路中的一路管路为直线式布置方式，另一路管路为螺旋式布置方式。