CN105909721A - 一种串联刚度宽频磁流变智能减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联刚度宽频磁流变智能减振装置，包括底部自润滑磁性导轨盘、底部磁轭外环柱、弧段圆环套键、底部磁轭异性棒、碟形弹簧、底部内柱励磁线圈、底部外柱励磁线圈、底部工作间隙、软磁金属封板、叠层磁流变弹性体MREs、叠层导磁钢板、Ⅰ型连接铁板、承载框架柱、Ⅱ型连接铁板、质量块阵列、上部内柱励磁线圈、上部外柱励磁线圈和上部工作间隙，其中负刚度系统和正刚度系统共同组成了串联刚度宽频磁流变智能减振装置的基本出力单元。本发明克服了传统被动式减振可控频带窄、性能不可调节和主动式减振辅助系统复杂的缺陷；相较现有智能减振装置，本发明更适用于减小柔性需求的低频干扰和刚性需求的高频振动，适应工况多，具有较好的经济优势。

Description

一种串联刚度宽频磁流变智能减振装置

技术领域

本发明主要涉及结构隔振减振技术领域，尤其是涉及一种串联刚度宽频磁流变智能减振装置。

技术背景

隔振系统广泛应用于高精度测量、汽车悬架、船舶轴系及重要的防灾减灾系统。隔振系统能够有效地降低或弱化实际工程应用中的不利环境干扰，按照传递路径，环境干扰主要分为两类：一是来自支撑系统传递的地面振动，如柱子和横檩作用于工程结构的地震动，相对于结构物，小刚度隔振系统可以增大结构柔度，是保护工程结构或装备的主要隔振策略；另一种是工程结构或装备自身重量或位置改变引起的环境干扰，此时需要大刚度隔振系统以增大结构的稳定性来减小工程结构或装备的自身扰动。由此可见，不同的工程结构对隔振系统刚度的要求可能不同，隔振系统可调范围是其隔振性能的一个重要指标，较大的刚度可调范围的隔振系统有更为广泛的应用领域。被动隔振系统以其结构简单、制造安装方便而得到普遍应用，但其固定刚度和有限频带给隔振系统的应用范围带来了限制。

磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomers,MREs)是以微米级软磁颗粒为填充料和粘弹性材料为基体而组成的一种力学性能主动可控的智能复合材料，在外加磁场作用下进行固化后，磁流变弹性体(MREs)相较无磁场固化(制备)时呈现出显著的磁流变效应。制备好的磁流变弹性体(MREs)在磁场的作用下其力学性能可实现瞬时可逆变化，如阻尼特性、杨氏模量和剪切模量等，尤其是制备磁场。磁流变弹性体(MREs)不存在软磁颗粒沉降以及其易封装的特性使得其在减振器、制动器和偏转传感器中广有应用。合理设置隔振系统的结构形式，使得在不同的激励磁场下磁流变弹性体(MREs)的刚度和阻尼特性改变的同时为系统提供负刚度是提高隔振系统隔振性能一个新途径。

目前，基于负刚度特性的隔振减振装置的成果大多着眼于利用主动力负刚度来降低对机构整体刚度的调节范围的下限。专利CN102808883B利用永磁体的排斥作用提供负刚度，并联一个线性弹簧，实现了超低频减振的目的，其实质是正负刚度线性弹簧的并联，降低机构的整体刚度，继而大幅调低了机构的固有频率，使得机构能够避开共振频率。Y-BKim利用电磁铁串联线性弹簧组成磁力阻尼器研究了单自由度支撑体系的隔振，此装置利用开环控制算法为电磁铁提供电流，但是其线性弹簧谐振限制了装置的减振效果。为了保证电磁负刚度隔振器中间质量的相对位置，专利CN103398132B引入磁流变弹性体对中间质量位置进行了限定。这种负刚度磁体组合与类弹簧体的并联机构具有较低的自振频率，能够保证变载荷情况下的低频隔振。两个弹簧串联后的弹簧系统的整体刚度可以用两个弹簧刚度的乘积与总和的比值表示。如果一个正刚度弹簧与一个负刚度弹簧串联后，根据整体刚度计算方法，弹簧系统的联合刚度的可调范围理论上可以达到无限大。因此，具有负刚度的可调被动隔振系统的整体刚度可调范围大，调节正负刚度弹簧的刚度直接影响弹簧系统的联合刚度和弹簧隔振系统的频带宽度，能够克服传统被动隔振系统不适用于宽频激励的缺陷。

发明内容

技术问题：

针对已有技术方案存在的问题，本发明公开的一种串联刚度宽频磁流变智能减振装置克服了传统被动式减振可控频带窄、性能不可调节和主动式减振辅助系统复杂的缺陷；相较现有智能减振装置，本发明更适用于减小柔性需求的低频干扰和刚性需求的高频振动，适应工况多，具有较好的经济技术优势。

技术方案：

本发明是一种串联刚度宽频磁流变智能减振装置，包括底部自润滑磁性导轨盘、底部磁轭外环柱、弧段圆环套键、底部磁轭异性棒、碟形弹簧、底部内柱励磁线圈、底部外柱励磁线圈、底部工作间隙、软磁金属封板、叠层磁流变弹性体MREs、叠层导磁钢板、橡胶保护层、Ⅰ型连接铁板、承载框架柱、Ⅱ型连接铁板、质量块阵列、上部自润滑磁性导轨盘、上部磁轭外环柱、上部磁轭异性棒、上部内柱励磁线圈、上部外柱励磁线圈和上部工作间隙，其特征在于：底部自润滑磁性导轨盘、底部磁轭外环柱、弧段圆环套键、底部磁轭异性棒、碟形弹簧、底部内柱励磁线圈、底部外柱励磁线圈、底部工作间隙、Ⅰ型连接铁板、Ⅱ型连接铁板、质量块阵列、上部自润滑磁性导轨盘、上部磁轭外环柱、上部磁轭异性棒、上部内柱励磁线圈、上部外柱励磁线圈、上部工作间隙共同组成负刚度系统；软磁金属封板、叠层磁流变弹性体MREs、叠层导磁钢板、橡胶保护层、Ⅰ型连接铁板、Ⅱ型连接铁板、质量块阵列共同组成正刚度系统；底部内柱励磁线圈绕制于弧段圆环套键的环形腔中，弧段圆环套键嵌套于底部磁轭异性棒的环形凹陷处并连同上下碟形弹簧组一起被底部磁轭外环柱包裹，底部磁轭外环柱外部绕制底部外柱励磁线圈并连同其内部机构一起置于底部自润滑磁性导轨盘上，其中，底部工作间隙包括底部磁轭异性棒端部与底部自润滑磁性导轨盘之间的圆形竖向空间和底部磁轭外环柱与Ⅰ型连接铁板之间的环形竖向空间；上部内柱励磁线圈绕制于弧段圆环套键的环形腔中，弧段圆环套键嵌套于上部磁轭异性棒的环形凹陷处并连同上下碟形弹簧组一起被上部磁轭外环柱包裹，上部磁轭外环柱外部绕制上部外柱励磁线圈并连同其内部机构一起置于上部自润滑磁性导轨盘上，其中，上部工作间隙包括上部磁轭异性棒端部与上部自润滑磁性导轨盘之间的圆形竖向空间和上部磁轭外环柱与Ⅱ型连接铁板之间的环形竖向空间；质量块阵列固定连接于Ⅱ型连接铁板；以叠层磁流变弹性体MREs为首层铺装，然后与叠层导磁钢板顺次交替粘结组成叠层体块，并在叠层体块上下表面以及外环面分别粘贴软磁金属封板和橡胶保护层；上部叠层体块的上软磁金属封板与Ⅱ型连接铁板用螺栓连接固定，下部叠层体块的下软磁金属封板与下连接盖板用螺栓连接固定，Ⅰ型连接铁板与上下叠层体块的下上软磁金属封板用螺栓连接固定；承载框架柱端部分别连接Ⅰ型连接铁板和上连接盖板并用螺栓固定；其中，自润滑磁性导轨盘采用超高分子量聚四氟乙烯材料制作，导磁钢板材料宜选用硅钢片。

软磁金属封板、叠层磁流变弹性体MREs、叠层导磁钢板、Ⅰ型连接铁板和Ⅱ型连接铁板一起构建正刚度系统的磁场闭合回路路径，底部自润滑磁性导轨盘、底部磁轭外环柱、弧段圆环套键、底部磁轭异性棒、底部工作间隙、Ⅰ型连接铁板、Ⅱ型连接铁板、质量块阵列、上部自润滑磁性导轨盘、上部磁轭外环柱、上部磁轭异性棒和上部工作间隙一起构建负刚度系统的磁场闭合回路路径；各部件连接关系如前文所述。在底(上)部磁轭外环柱与底(上)部磁轭异性棒接触部分、底(上)部磁轭外环柱与弧段圆环套键接触部分分别布置隔磁铜封环。与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明设置了可分离套筒式磁轭环柱(棒)，使得本装置能够以主动力的形式提供负刚度，利用磁流变弹性体有场条件下物理力学参数的可控性，实现了正负刚度工作部件的串联连接。相比并联连接具有更为宽广的整体刚度调节范围。

2.本发明针对现有传统减振器利用变刚度进行减振的方法，设置了顶板质量块进行耗能，减轻了本装置的能量输入消耗，统一了变刚度减振方法和耗能减振方法的各自优势，提高了本发明的减振能效。

3.本发明励磁线圈不仅通过工作间隙为本装置提供了负刚度，而且为磁流变弹性体MREs提供了多重工作磁场，保证了磁流变弹性体材料的磁流变效应以及叠层磁流变弹性体MREs部件的磁感应强度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的可分离套筒式磁轭环柱(棒)示意图；

图3为本发明的弧段圆环套键示意图；

图4为本发明的磁场回路示意图，其中：图4(a)为上下励磁线圈产生的磁场方向相同时本发明的磁场回路示意图，图4(b)为上下励磁线圈产生的磁场方向相反时本发明的磁场回路示意图。

图中：

1——底部自润滑磁性导轨盘 2——底部磁轭外环柱

3——弧段圆环套键 4——底部磁轭异性棒

5——碟形弹簧 6——底部内柱励磁线圈

7——底部外柱励磁线圈 8——底部工作间隙

9——软磁金属封板 10——叠层磁流变弹性体MREs

11——叠层导磁钢板 12——橡胶保护层

13——Ⅰ型连接铁板 14——承载框架柱

15——Ⅱ型连接铁板 16——质量块阵列

17——上部自润滑磁性导轨盘 18——上部磁轭外环柱

19——上部磁轭异性棒 20——上部内柱励磁线圈

21——上部外柱励磁线圈 22——上部工作间隙

23——隔磁铜封环 24——上连接盖板

25——下连接盖板

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明是一种串联刚度宽频磁流变智能减振装置，包括底部自润滑磁性导轨盘(1)、底部磁轭外环柱(2)、弧段圆环套键(3)、底部磁轭异性棒(4)、碟形弹簧(5)、底部内柱励磁线圈(6)、底部外柱励磁线圈(7)、底部工作间隙(8)、软磁金属封板(9)、叠层磁流变弹性体MREs(10)、叠层导磁钢板(11)、橡胶保护层(12)、Ⅰ型连接铁板(13)、承载框架柱(14)、Ⅱ型连接铁板(15)、质量块阵列(16)、上部自润滑磁性导轨盘(17)、上部磁轭外环柱(18)、上部磁轭异性棒(19)、上部内柱励磁线圈(20)、上部外柱励磁线圈(21)和上部工作间隙(22)，其特征在于：底部自润滑磁性导轨盘(1)、底部磁轭外环柱(2)、弧段圆环套键(3)、底部磁轭异性棒(4)、碟形弹簧(5)、底部内柱励磁线圈(6)、底部外柱励磁线圈(7)、底部工作间隙(8)、Ⅰ型连接铁板(13)、Ⅱ型连接铁板(15)、质量块阵列(16)、上部自润滑磁性导轨盘(17)、上部磁轭外环柱(18)、上部磁轭异性棒(19)、上部内柱励磁线圈(20)、上部外柱励磁线圈(21)、上部工作间隙(22)共同组成负刚度系统；软磁金属封板(9)、叠层磁流变弹性体MREs(10)、叠层导磁钢板(11)、橡胶保护层(12)、Ⅰ型连接铁板(13)、Ⅱ型连接铁板(15)、质量块阵列(16)共同组成正刚度系统；底部内柱励磁线圈(6)绕制于弧段圆环套键(3)的环形腔中，弧段圆环套键(3)嵌套于底部磁轭异性棒(4)的环形凹陷处并连同上下碟形弹簧(5)组一起被底部磁轭外环柱(2)包裹，底部磁轭外环柱(2)外部绕制底部外柱励磁线圈(7)并连同其内部机构一起置于底部自润滑磁性导轨盘(1)上，其中，底部工作间隙(8)包括底部磁轭异性棒(4)端部与底部自润滑磁性导轨盘(1)之间的圆形竖向空间和底部磁轭外环柱(2)与Ⅰ型连接铁板(13)之间的环形竖向空间；上部内柱励磁线圈(20)绕制于弧段圆环套键(3)的环形腔中，弧段圆环套键(3)嵌套于上部磁轭异性棒(19)的环形凹陷处并连同上下碟形弹簧组一起被上部磁轭外环柱(18)包裹，上部磁轭外环柱(18)外部绕制上部外柱励磁线圈(21)并连同其内部机构一起置于上部自润滑磁性导轨盘(17)上，其中，上部工作间隙(22)包括上部磁轭异性棒(19)端部与上部自润滑磁性导轨盘(17)之间的圆形竖向空间和上部磁轭外环柱(18)与Ⅱ型连接铁板(15)之间的环形竖向空间；质量块阵列(16)固定连接于Ⅱ型连接铁板(15)；以叠层磁流变弹性体MREs(10)为首层铺装，然后与叠层导磁钢板(11)顺次交替粘结组成叠层体块，并在叠层体块上下表面以及外环面分别粘贴软磁金属封板(9)和橡胶保护层(12)；上部叠层体块的软磁金属封板(9)与Ⅱ型连接铁板(15)用螺栓连接固定，下部叠层体块的软磁金属封板(9)与下连接盖板(25)用螺栓连接固定，Ⅰ型连接铁板(13)与上下叠层体块的下上软磁金属封板(9)用螺栓连接固定；承载框架柱(14)端部分别连接Ⅰ型连接铁板(13)和上连接盖板(24)并用螺栓固定；其中，自润滑磁性导轨盘采用超高分子量聚四氟乙烯材料制作，其摩擦面为球面，导磁钢板材料宜选用硅钢片。

工作原理：

本发明的一种串联刚度宽频磁流变智能减振装置主要由正刚度系统和负刚度系统共同组成并由Ⅰ型连接铁板实现正负刚度系统的串联连接。其中，软磁金属封板、叠层磁流变弹性体MREs、叠层导磁钢板、Ⅰ型连接铁板和Ⅱ型连接铁板一起构建正刚度系统的磁场闭合回路路径，底部自润滑磁性导轨盘、底部磁轭外环柱、弧段圆环套键、底部磁轭异性棒、底部工作间隙、Ⅰ型连接铁板、Ⅱ型连接铁板、质量块阵列、上部自润滑磁性导轨盘、上部磁轭外环柱、上部磁轭异性棒和上部工作间隙一起构建负刚度系统的磁场闭合回路路径，其磁场回路示意图如图4所示，其中，图4(a)为上下励磁线圈产生的磁场方向相同时本发明的磁场回路示意图，图4(b)为上下励磁线圈产生的磁场方向相反时本发明的磁场回路示意图。

通过调节励磁线圈输入电流强度，叠层磁流变弹性体MREs产生磁流变效应，与叠层导磁钢板顺次交替粘结组成的叠层体块的模量随着电流强度而变化大小并表现一定的粘弹性力学行为，此时叠层体块的弹性模量或刚度为电流强度的函数k_positive；另，底部内柱励磁线圈和底部外柱励磁线圈通入同向电流时，底部磁轭外环柱与底部磁轭异性棒具有相同极性，底部磁轭外环柱端部与Ⅰ型连接铁板产生排斥力F，底部内柱励磁线圈和底部外柱励磁线圈通入反向电流时，底部磁轭外环柱与底部磁轭异性棒具有相反极性，底部磁轭外环柱端部与Ⅰ型连接铁板产生吸引力F，类似地，上部内柱励磁线圈和上部外柱励磁线圈通入同向电流时，上部磁轭外环柱与上部磁轭异性棒具有相同极性，质量块阵列以其较大的惯性质量在磁场力产生瞬间通过Ⅱ型连接铁板和上部自润滑磁性导轨盘为上部磁轭外环柱提供反向力，上部磁轭外环柱端部与Ⅰ型连接铁板产生排斥力F，上部内柱励磁线圈和上部外柱励磁线圈通入反向电流时，上部磁轭外环柱与上部磁轭异性棒具有相反极性，质量块阵列以其较大的惯性质量在磁场力产生瞬间通过Ⅱ型连接铁板和上部自润滑磁性导轨盘为上部磁轭外环柱提供反向力，上部磁轭外环柱端部与Ⅰ型连接铁板产生吸引力F，此时Ⅰ型连接铁板偏离初始位置δl，可以得到负刚度系统产生的负刚度绝对值为此时，本串联刚度宽频磁流变智能减振装置的整体刚度可以表示为

当竖向振动荷载作用于该装置时，叠层体块产生压缩或拉伸变形，Ⅰ型连接铁板有向上(下)运动的趋势时，分别调节底部内柱励磁线圈和底部外柱励磁线圈通入同(反)向电流，上部内柱励磁线圈和上部外柱励磁线圈通入反(同)向电流，此时负刚度系统对Ⅰ型连接铁板施加了反向力，阻止了其过大的振幅，达到了减振的目的，应该注意叠层体块主要由叠层磁流变弹性体MREs组成，其整体刚度可以通过四个励磁线圈产生的磁场强度进行智能控制调节；当正负刚度绝对值相差不大时，磁流变智能减振装置的整体刚度达到无穷大，当正负刚度的绝对值足够小时，磁流变智能减振装置的整体刚度达到二阶微量，即磁流变智能减振装置的整体刚度具有非常大的调整范围，其固有频率范围更宽，大为拓宽了该装置的工程应用领域。当水平向振动荷载作用于该装置时，叠层体块产生剪切变形来消耗振动能量，配合底部自润滑磁性导轨盘以及上部自润滑磁性导轨盘形成两个摩擦摆，把质量块阵列的动能势能相互转化，并在摆动过程中消耗了振动能量，达到了减振的目的。

Claims (3)

1.一种串联刚度宽频磁流变智能减振装置，包括底部自润滑磁性导轨盘、底部磁轭外环柱、弧段圆环套键、底部磁轭异性棒、碟形弹簧、底部内柱励磁线圈、底部外柱励磁线圈、底部工作间隙、软磁金属封板、叠层磁流变弹性体MREs、叠层导磁钢板、橡胶保护层、Ⅰ型连接铁板、承载框架柱、Ⅱ型连接铁板、质量块阵列、上部自润滑磁性导轨盘、上部磁轭外环柱、上部磁轭异性棒、上部内柱励磁线圈、上部外柱励磁线圈和上部工作间隙，其特征在于：底部自润滑磁性导轨盘、底部磁轭外环柱、弧段圆环套键、底部磁轭异性棒、碟形弹簧、底部内柱励磁线圈、底部外柱励磁线圈、底部工作间隙、Ⅰ型连接铁板、Ⅱ型连接铁板、质量块阵列、上部自润滑磁性导轨盘、上部磁轭外环柱、上部磁轭异性棒、上部内柱励磁线圈、上部外柱励磁线圈、上部工作间隙共同组成负刚度系统；软磁金属封板、叠层磁流变弹性体MREs、叠层导磁钢板、橡胶保护层、Ⅰ型连接铁板、Ⅱ型连接铁板、质量块阵列共同组成正刚度系统；底部内柱励磁线圈绕制于弧段圆环套键的环形腔中，弧段圆环套键嵌套于底部磁轭异性棒的环形凹陷处并连同上下碟形弹簧组一起被底部磁轭外环柱包裹，底部磁轭外环柱外部绕制底部外柱励磁线圈并连同其内部机构一起置于底部自润滑磁性导轨盘上，其中，底部工作间隙包括底部磁轭异性棒端部与底部自润滑磁性导轨盘之间的圆形竖向空间和底部磁轭外环柱与Ⅰ型连接铁板之间的环形竖向空间；上部内柱励磁线圈绕制于弧段圆环套键的环形腔中，弧段圆环套键嵌套于上部磁轭异性棒的环形凹陷处并连同上下碟形弹簧组一起被上部磁轭外环柱包裹，上部磁轭外环柱外部绕制上部外柱励磁线圈并连同其内部机构一起置于上部自润滑磁性导轨盘上，其中，上部工作间隙包括上部磁轭异性棒端部与上部自润滑磁性导轨盘之间的圆形竖向空间和上部磁轭外环柱与Ⅱ型连接铁板之间的环形竖向空间；质量块阵列固定连接于Ⅱ型连接铁板；以叠层磁流变弹性体MREs为首层铺装，然后与叠层导磁钢板顺次交替粘结组成叠层体块，并在叠层体块上下表面以及外环面分别粘贴软磁金属封板和橡胶保护层；上部叠层体块的上软磁金属封板与Ⅱ型连接铁板用螺栓连接固定，下部叠层体块的下软磁金属封板与下连接盖板用螺栓连接固定，Ⅰ型连接铁板与上下叠层体块的下上软磁金属封板用螺栓连接固定；承载框架柱端部分别连接Ⅰ型连接铁板和上连接盖板并用螺栓固定。

2.根据权利要求1所述的一种串联刚度宽频磁流变智能减振装置，其特征在于：所述的自润滑磁性导轨盘采用超高分子量聚四氟乙烯材料制作。

3.根据权利要求1所述的一种串联刚度宽频磁流变智能减振装置，其特征在于：所述的导磁钢板材料选用硅钢片。