CN106257123A - 一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器，采用动力吸振与阻尼耗能减振结合的方式控制管路的振动。磁流变减振器作为质量块与弹簧片构成一级动力减振结构，在管路发生振动时，质量块和弹簧片随管路振动并产生惯性反作用力，降低管路振动。磁流变减振器的活塞体、弹簧、磁流变液与缸筒构成二级动力阻尼减振结构，磁流变减振器随管路振动时，活塞体在惯性作用下压缩弹簧对磁流变减振器产生反作用力，并且在活塞与缸筒发生相对运动时，活塞受到磁流变液的阻尼力作用，消耗振动能量。控制器根据管路的振动加速度调整阻尼力，提高阻尼器的耗能效率。单向、径向、轴向和固定架能够根据管路振动情况灵活装配，对管路沿任意方向振动进行控制。

Description

一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器
技术领域
本发明涉及一种管路减振装置，具体涉及一种频率和阻尼可调的管路吸振器，主要用于液压传动、流体输送的管路系统中，属于振动控制技术领域。
背景技术
管路系统是液压传动、流体输送、能量传输的重要载体，被广泛应用于动力机械、船舶潜艇、航空航天、石油化工、热力系统、污水处理、给排水等领域。管路系统是机械设备与基体结构传递振动的主要途径之一。在管路系统中，压缩机、泵、液压马达等动力设备在工作过程中会导致管路内流体介质产生压力、流速脉动。同时，流体流经管路时，因管路系统中的管径变化、管路转弯等因素，以及管路中阀门的开启、调节与关闭，也会造成管路中流体压力、流速变化，脉动的流体对管路的冲击会造成管路振动；另外，原动机、压缩机、泵、液压马达等旋转机械由于转子不平衡等原因在工作过程中会将振动传递到管路系统中；此外，外界振动也会通过管路连接固定装置将基体结构的振动传递到管路系统中。管路振动会引发噪声，降低舰船、潜艇、飞机等设备的隐蔽性，影响工作人员身心健康。管路的振动会造成管路疲劳、接头松脱、紧固件松动、阀以及仪器仪表等设备损坏，甚至导致管路中流体介质泄露。管道振动问题一直是导致造成管道事故的主要原因之一，管路系统故障大部分起因都是由振动引起的振动疲劳和振动磨损。管路系统振动增加了设备维护费用，降低了系统使用寿命，甚至引起安全事故，造成经济财产损失，威胁工作人员的人身安全。因此，对管路振动的控制就显得极为重要。
调谐质量阻尼器(TMD)被广泛应用于土木工程、航空航天等领域。具有结构简单，减振效果显著，不需要支撑等优点。近年来TMD系统被推广应用到管路系统振动控制领域中，但TMD系统减振频带窄，当振动频率偏离TMD工作频率时，减振效果较差，甚至会放大振动。为了提高TMD系统的减振效果，工程中通常采用加装多组固有频率不同的TMD，而这种方式增加了管路的负载，也使得结构振动频率变得复杂，增加了TMD设计难度。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种管路减振装置，采用动力吸振与阻尼耗能减振结合的方式对管路的振动进行控制。磁流变减振器作为质量块与弹簧片构成一级动力减振结构，在管路发生振动时，磁流变减振器和弹簧片随管路振动并产生惯性反作用力，降低管路振动。磁流变减振器的活塞体、弹簧、磁流变液与缸筒构成二级动力阻尼减振结构，磁流变减振器随管路振动时，活塞体在惯性作用下压缩弹簧对磁流变减振器产生反作用力，并且在活塞与缸筒发生相对运动时，活塞受到磁流变液的阻尼力作用，消耗振动能量。控制器根据管路的振动加速度信息调整阻尼力大小，改变二级吸振器的吸振频率，提高阻尼器的耗能效率。图6中，md为吸振器响应质量(活塞和线圈质量)；Kd为弹簧刚度；Cd为吸振器的固有阻尼系数；Fτ为吸振器的库仑阻尼力；mc为阻尼器质量；Kc为弹簧片刚度；Cc为弹簧片阻尼系数。
本发明采用的技术方案：
一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器，该磁流变管路双重动力阻尼吸振器包括上盖(1)、密封垫(2)、弹簧(3)、导向环(4)、活塞(5)、励磁线圈(6)、导向杆(7)、缸筒(8)、弹簧片(13)、固定架、控制器以及固定螺钉；所述励磁线圈(6)缠绕在活塞(5)的线槽内，导向环(4)安装在活塞(5)中心孔两端的导向槽内，导向杆(7)穿过活塞(5)中心孔和导向环(4)后固定在缸筒(8)与上盖(1)之间，活塞(5)与缸筒(8)底部和上盖(1)之间采用弹簧(3)支撑，上盖(1)与缸筒(8)之间使用密封垫(2)密封并使用上盖螺钉(9)固定，缸筒(8)固定在弹簧片(13)的一端，弹簧片(13)的另一端固定在固定架上，固定架通过固定架螺钉(11)固定在管路上，控制器固定在缸筒(8)上或管路上。
所述活塞(5)和缸筒(8)采用高导磁率的软磁材料，上盖(1)由隔磁材料制成。缸筒(8)、导向杆(7)、活塞(5)和上盖(1)围成的活塞腔(a)内填充磁流变液。励磁线圈(6)采用漆包铜线绕制，导线通过活塞导线孔(c)和上盖导线孔(b)引出到磁流变吸振器(f)外侧与控制器相连，上盖导线孔(b)、活塞导线孔(c)采用绝缘胶密封。
所述上盖(1)、密封垫(2)、弹簧(3)、导向环(4)、活塞(5)、线圈(6)、导向杆(7)缸筒(8)、上盖螺钉(9)及磁流变液所构成的磁流变减振器作为质量块与弹簧片(13)构成吸振器一级动力吸振结构。导向环(4)、活塞(5)、励磁线圈(6)、磁流变液与弹簧(3)构成吸振器的二级动力阻尼吸振结构。
所述一级动力吸振结构，在管路发生振动时，带动磁流变减振器(f)和弹簧片(13)振动，由于惯性原因，磁流变减振器(f)在振动过程中产生的惯性力反作用到管路上，从而降低管路振动。
所述二级阻尼吸振结构，磁流变减振器(f)内部由活塞(5)、励磁线圈(6)和导向环(4)构成活塞体。在磁流变减振器(f)随管路振动时，活塞体由于惯性原因，会沿导向杆(7)与缸筒(8)发生相对运动，压缩弹簧(3)，对缸筒(8)产生一个反作用力。同时，活塞体在缸筒(8)内运动时受到磁流变液的阻尼力，消耗振动能量，实现动力阻尼双重吸振。
所述弹簧片(13)的一端设有沟槽(e)，通过调整磁流变减振器(f)在弹簧片(13)上的固定位置，改变吸振器的一级固有频率。具体调整方式为：向振动减小方向移动缸筒位置，直至无论向靠近管路方向或远离管路方向移动，管路的振动都增大时，缸筒的位置为最佳位置。
所述固定架分为单向固定架(12)、径向固定架(14)和轴向固定架(15)，磁流变吸振器沿径向或轴向方向固定在管路上。根据管路振动情况，采取径向安装或轴向安装或组合安装的方式对管路沿任意方向的振动进行控制。在振动剧烈，振动能量较大的管路系统中，通过安装多组吸振器的方式提高减振效果。
所述控制器集成处理器模块、数模转换模块、驱动器模块和加速度传感器。处理器模块通过加速度传感器的加速度信号进行分析和处理输出控制信号，数模转换模块将处理器输出的数字信号转换成控制驱动器模块的模拟信号，驱动器模块根据处理器模块的信号指令调整励磁线圈(6)电流的大小，进而调整阻尼间隙(d)内的磁场强度，从而改变磁流变吸振器所产生的阻尼力大小，消耗管路振动能量。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
本发明采用动力吸振与阻尼耗能减振结合的方式控制管路振动，能够有效控制管路振动，抑制振动在管路中的传播，降低管路振动造成的危害。通过调节磁流变减振器(f)固定在弹簧片上的位置，调整吸振器固有频率与管路振动频率一致，降低了吸振器设计过程中对振动测量和参数计算的精度要求。磁流变减振器(f)构成的二级动力阻尼减振结构能够吸收振动能量，降低管路振动。当管路振动频率偏离吸振器一级动力吸振频率时，由于磁流变减振器的阻尼耗能作用，能够使减振器的振动快速衰减。设计了吸振器单向、径向、轴向和固定架，可以根据管路振动情况灵活装配，实现对管路沿任意方向振动进行控制。系统断电时，由于磁流变减振器的活塞体受到磁流变液的黏滞阻尼力，使得吸振器仍然具有一定的减振效果，不会发生减振失效或加剧管路振动故障，具有较高安全性和可靠性。
附图说明
图1是磁流变管路双重动力阻尼吸振器结构示意图；
图2是单向吸振器结构示意图；
图3是轴向吸振器结构示意图；
图4是径向吸振器结构示意图；
图5是组合吸振器结构示意图。
图6是磁流变管路双重动力阻尼吸振器工作原理图。
图中：1、上盖，2、密封垫，3、弹簧，4、导向环，5、活塞，6、励磁线圈，7、导向杆，8、缸筒，9、上盖螺钉，10、弹片螺钉，11、固定架螺钉，12、单向固定架，13、弹簧片，14、径向固定架，15、轴向固定架，a、活塞腔，b、上盖导线孔，c、活塞导线孔，d、阻尼间隙，e、弹簧片沟槽，f、磁流变减振器。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行进一步详细说明：
图1为一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器示意图，是吸振器的主体部分，主要包括上盖(1)、密封垫(2)、弹簧(3)、导向环(4)、活塞(5)、线圈(6)、导向杆(7)、缸筒(8)。
图2为磁流变管路吸振器单向吸振器结构示意图，实现对沿固定方向振动的管路进行减振。安装调试流程为：现将单向固定架(12)固定在管路上，然后将弹簧片(13)固定在单向固定架(12)上，最后将磁流变减振器固定在弹簧片(13)的另一端。吸振器安装结束后，在管路上安装振动检测传感器，并使管路正常工作，检测管路振动幅值，调节磁流变减振器在弹簧片(13)上的位置，直至振动幅值不再减小，此时磁流变减振器的安装位置就是最佳安装位置。
图3、图4、图5分别为轴向、径向和组合吸振器结构示意图，安装和调试过程与单向吸振器安装调试过程相似。

Claims (9)

1.一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器，其特征在于：该磁流变管路双重动力阻尼吸振器包括上盖(1)、密封垫(2)、弹簧(3)、导向环(4)、活塞(5)、励磁线圈(6)、导向杆(7)、缸筒(8)、弹簧片(13)、固定架、控制器以及固定螺钉；所述励磁线圈(6)缠绕在活塞(5)的线槽内，导向环(4)安装在活塞(5)中心孔两端的导向槽内，导向杆(7)穿过活塞(5)中心孔和导向环(4)后固定在缸筒(8)与上盖(1)之间，活塞(5)与缸筒(8)底部和上盖(1)之间采用弹簧(3)支撑，上盖(1)与缸筒(8)之间使用密封垫(2)密封并使用上盖螺钉(9)固定，缸筒(8)固定在弹簧片(13)的一端，弹簧片(13)的另一端固定在固定架上，固定架通过固定架螺钉(11)固定在管路上，控制器固定在缸筒(8)上或管路上。
2.根据权利要求1所述的一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器，其特征在于：所述活塞(5)和缸筒(8)采用高导磁率的软磁材料，上盖(1)由隔磁材料制成；缸筒(8)、导向杆(7)、活塞(5)和上盖(1)围成的活塞腔(a)内填充磁流变液；励磁线圈(6)采用漆包铜线绕制，导线通过活塞导线孔(c)和上盖导线孔(b)引出到磁流变吸振器(f)外侧与控制器相连，上盖导线孔(b)、活塞导线孔(c)采用绝缘胶密封。
3.根据权利要求1所述的一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器，其特征在于：所述上盖(1)、密封垫(2)、弹簧(3)、导向环(4)、活塞(5)、线圈(6)、导向杆(7)缸筒(8)、上盖螺钉(9)及磁流变液所构成的磁流变减振器作为质量块与弹簧片(13)构成吸振器一级动力吸振结构；导向环(4)、活塞(5)、励磁线圈(6)、磁流变液与弹簧(3)构成吸振器的二级动力阻尼吸振结构。
4.根据权利要求3所述的一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器，其特征在于：所述一级动力吸振结构，在管路发生振动时，带动磁流变减振器(f)和弹簧片(13)振动，由于惯性原因，磁流变减振器(f)在振动过程中产生的惯性力反作用到管路上，从而降低管路振动。
5.根据权利要求3所述的一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器，其特征在于：所述二级阻尼吸振结构，磁流变减振器(f)内部由活塞(5)、励磁线圈(6)和导向环(4)构成活塞体；在磁流变减振器(f)随管路振动时，活塞体由于惯性原因，会沿导向杆(7)与缸筒(8)发生相对运动，压缩弹簧(3)，对缸筒(8)产生一个反作用力；同时，活塞体在缸筒(8)内运动时受到磁流变液的阻尼力，消耗振动能量，实现动力阻尼双重吸振。
6.根据权利要求1所述的一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器，其特征在于：所述弹簧片(13)的一端设有沟槽(e)，通过调整磁流变减振器(f)在弹簧片(13)上的固定位置，改变吸振器的一级固有频率；具体调整方式为：向振动减小方向移动缸筒位置，直至无论向靠近管路方向或远离管路方向移动，管路的振动都增大时，缸筒的位置为最佳位置。
7.根据权利要求1所述的一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器，其特征在于：所述固定架分为单向固定架(12)、径向固定架(14)和轴向固定架(15)，磁流变吸振器沿径向或轴向方向固定在管路上；根据管路振动情况，采取径向安装或轴向安装或组合安装的方式对管路沿任意方向的振动进行控制；在振动剧烈，振动能量较大的管路系统中，通过安装多组吸振器的方式提高减振效果。
8.根据权利要求1所述的一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器，其特征在于：述控制器集成处理器模块、数模转换模块、驱动器模块和加速度传感器；处理器模块通过加速度传感器的加速度信号进行分析和处理输出控制信号，数模转换模块将处理器输出的数字信号转换成控制驱动器模块的模拟信号，驱动器模块根据处理器模块的信号指令调整励磁线圈(6)电流的大小，进而调整阻尼间隙(d)内的磁场强度，从而改变磁流变吸振器所产生的阻尼力大小，消耗管路振动能量。
9.根据权利要求1所述的一种磁流变管路双重动力阻尼吸振器，其特征在于：先将单向固定架(12)固定在管路上，然后将弹簧片(13)固定在单向固定架(12)上，最后将磁流变减振器固定在弹簧片(13)的另一端；吸振器安装结束后，在管路上安装振动检测传感器，并使管路正常工作，检测管路振动幅值，调节磁流变减振器在弹簧片(13)上的位置，直至振动幅值不再减小，此时磁流变减振器的安装位置就是最佳安装位置。
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