CN107314073A - 基于sma变刚度弹簧的智能减振装置及工作过程 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SMA变刚度弹簧的智能减振装置及工作过程，该装置包括振动监测部分、工作腔温控部分和减振器主体部分，其中振动监测部分由示波器、电缆线和传感器探头组成，工作腔温控部分由温度显示器、温度调节器、导线、温度传感器、微型制冷器和加热器组成，减振器主体部分由铝弹簧、中心移动轴、橡胶垫片、高阻尼箍圈、NiTi‑SMA弹簧、移动滑块、铰接短杆和金属外壳组成；本发明利用了具有温敏特性的NiTi‑SMA弹簧在不同温度下表现出来的刚度变化规律，来实现新型减振器的智能减振和避振的功能；本发明的优点在于，智能可控，效果显著，结构简单，加工方便等；本发明适用于各种大中小型工业及民用设备的减振体系。

Description

基于SMA变刚度弹簧的智能减振装置及工作过程
技术领域
本发明涉及减振器领域，具体涉及基于SMA变刚度弹簧的智能减振装置及工作过程。
背景技术
振动是自然界最普遍的现象之一，它由外部干扰和机械振动等因素引起，渗透在人类生产和生活中的方方面面，给人类带来许多好处的同时，也造成了许多危害。例如持续的生产性振动会对人类的神经系统、心血管系统和骨组织等造成影响，甚至是永久性损伤；某些外部干扰会引起仪器，尤其是一些精密仪器产生共振现象，严重影响仪器的使用。针对这些情况，一般的方法是在设备结构中加设减振器，当振动产生的时候，能够通过减振元件达到减振和避振的效果，起到保护人体和设备，减低噪声等作用。传统减振器的减振元件由普通的线弹性金属弹簧逐渐演变为橡胶材料，但这些材料或致系统的整体刚度无法改变，在某些情况下无法避免共振现象，或容易出现高温老化、低温脆化的现象，影响材料的使用寿命。随着智能材料领域的推进式发展，振动的智能控制方法也越来越多，减振器也迎来了技术革新。专利2009201276121将磁流变液引入到了减振器中，通过改变电磁线圈或电磁铁或永久磁体或它们组合体中的电流强度来改变腔体内磁流变液的粘度，使得腔体的刚度发生变化，进而达到减振的目的。该减振器的适用范围可以通过改变弹性材料的材质、厚度和形状来进行调整。这种磁流变液减振器具备了变刚度特性，也可以达到智能减振的目的，解决了传统减振器的一些不足，但是其适用范围需要改变系统的物理参数和几何参数来实现，很不方便，而且磁流变液的粘度变化也无法得到精确的控制，因此该设计仍然存在许多局限性。形状记忆合金(Shape Memory Alloy，以下简称SMA；该合金一般由镍钛等材料制备而成，以下简称NiTi‐SMA)作为一种全新的智能材料，以其刚度的温度可控性，解决了上述设计的许多不足，在减振器领域得到了应用和发展。专利2011102636770利用了SMA超弹性特性产生的耗能减振效应，发明了一种滑动式性能可调SMA阻尼器，该阻尼器解决了现有SMA阻尼器的刚度和耗能能力不可调节的问题，主要用于结构变形后的复位以及耗能减振。但是该设计仅仅通过调整SMA丝的长度来实现对系统性能的调节，并没有考虑SMA出色的温敏特性，也没有提出温度‐振动的反馈调节机制，因此该设计仍然存在许多可以改进的地方。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供基于SMA变刚度弹簧的智能减振装置及工作过程，利用NiTi‐SMA弹簧的温敏变刚度特性，合理设计负刚度减振器结构，并在结构内增设振动监测和温度控制设备，充分发挥该新型减振装置的智能减振和避振功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于SMA变刚度弹簧的新型智能减振装置，该装置由三部分组成，分别是振动监测部分1，工作腔温控部分2和减振器主体部分3；所述振动监测部分1为通过金属外壳3‐8与减振器主体部分3内腔相连通的振动传感器，由示波器1‐1通过电缆线1‐2与设置在减振器主体部分3内腔的传感器探头1‐3连接组成；所述工作腔温控部分2包括温度监测部分和温度调节部分，其中温度监测部分由温度显示器2‐1通过导线2‐3与设置在减振器主体部分3内腔的温度传感器2‐4连接组成，温度调节部分由温度调节器2‐2通过导线2‐3分别与设置在减振器主体部分3内腔的微型制冷器2‐5和加热器2‐6连接组成，通过温度调节器2‐2的内置开关选择连通微型制冷器2‐5或加热器2‐6工作，其中：振动监测部分1负责实时监测减振器主体部分3的振动情况，并将信号输出显示在示波器1‐1上，工作腔温控部分2负责实时反馈减振器主体部分3内腔的温度，并通过人为启闭微型制冷器2‐5或加热器2‐6调节内腔温度。
所述的减振器主体部分3由铝弹簧3‐1、中心移动轴3‐2、橡胶垫片3‐3、高阻尼箍圈3‐4、NiTi‐SMA弹簧3‐5、移动滑块3‐6、铰接短杆3‐7和金属外壳3‐8组成，其中，NiTi‐SMA弹簧3‐5存在低温马氏体和高温奥氏体两种相态，两种相态在稳定时分别对应两种不同的材料刚度，且NiTi‐SMA弹簧3‐5在相变过程中刚度会随着SMA的马氏体体积分数变化而变化，NiTi‐SMA弹簧3‐5沿径向分布有多根，每根弹簧一端与金属外壳3‐8的内壁固接，另一端与移动滑块3‐6固接，形成了减振器主体部分3的横向弹性机构，减振器主体部分3的中间套嵌一根中心移动轴3‐2，能够沿着纵向上下自由移动，中心移动轴3‐2的下端外套一根铝弹簧3‐1，铝弹簧3‐1下端与橡胶垫片3‐3固接，上端与中心移动轴3‐2的凸起部分固接，能够在纵向上为减振器提供弹簧恢复力，此外，减振器主体部分3内腔的上下端对称安装有橡胶垫片3‐3，用来防止振动过激时引起的中心移动轴3‐2与金属外壳3‐8的刚性碰撞，与橡胶垫片3‐3相邻之处嵌装高阻尼箍圈3‐4，由阻尼系数高的材料制备而成，为减振器的纵向振动提供强大的阻尼作用力，铝弹簧3‐1、中心移动轴3‐2、橡胶垫片3‐3和高阻尼箍圈3‐4共同构成了减振器主体部分3的纵向弹性机构，八根铰接短杆3‐7沿径向分布，分别与中心移动轴3‐2的凸起部分和八块移动滑块3‐6铰接，从而将减振器主体部分3的纵向弹性机构和横向弹性机构联系起来，形成了负刚度结构，共同为减振器主体部分3提供纵向的恢复力，达到减振的目的，减振器主体部分3的外围由金属外壳3‐8保护，一般选用Q235钢等刚度比较大的材料制备而成。
所述NiTi‐SMA弹簧(3‐5)沿径向分布有八根。
所述温度传感器(2‐4)、微型制冷器(2‐5)和加热器(2‐6)均设置在减振器主体部分(3)内腔下端的环形壁面上，所述微型制冷器(2‐5)和加热器(2‐6)设置在温度传感器(2‐4)的下端。
所述金属外壳(3‐8)选用Q235钢制备而成。
所述的减振器主体部分3的承载能力由弹簧材料的物理参数和内腔的尺寸设计所决定。
所述的新型智能减振装置的工作过程，包括以下步骤：
1)减振器主体部分3在承载物重力作用下，处于静止平衡态，此时铝弹簧3‐1和NiTi‐SMA弹簧3‐5产生一定的压缩形变量提供恢复力，共同支撑承载物；
2)当减振器主体部分3受到外部激励或基础振荡干扰时，会产生振动，由于NiTi‐SMA弹簧3‐5为非线性材料，因此减振器的振动带有强非线性特征，减振器主体部分3的振动情况通过传感器探头1‐3与中心移动轴3‐2凸起之间的间隙调节，经由电缆线1‐2将信号输出显示在示波器1‐1上测得，减振器主体部分3内腔的温度可以由温度传感器2‐4捕获，经由导线2‐3将温度信号输出显示在温度显示器2‐1上，以获得及时反馈；
3)减振器主体部分3在特定温度条件下会抵抗外部激励或基础振荡的干扰，起到减振降噪，保护承载物的作用，如果在该温度下无法达到理想的减振效果或者在干扰作用下系统达到了共振，则通过操控温度调节器2‐2来实现减振器主体部分3内腔的温度调节，若闭合温度调节器2‐2内置制冷电路开关，在电流作用下，减振器主体部分3内腔的微型制冷器2‐5会开始制冷，内腔温度降低，若闭合温度调节器2‐2内置加热电路开关，在电流作用下，减振器主体部分3内腔的加热器2‐6会开始加热，内腔温度升高，若断开电路，则内腔温度会逐渐恢复至工作环境的温度，由于NiTi‐SMA弹簧3‐5的刚度会随温度发生改变，高温奥氏体下其弹性模量甚至可达低温马氏体下的2～3倍，因此通过温度调节能够对减振器主体部分3内腔的振动情况和系统的共振频率进行调节。
使用本发明，可以改进传统减振器和部分智能减振器的不足之处，具体如下：
1)本发明充分利用了NiTi‐SMA弹簧的变刚度特性，可以随着温度变化改变系统的等效刚度，成为温敏元件，进而实现了该装置的智能减振和避振，相较于传统弹簧减振器的刚度不变性，更加体现智能材料应用的优越性。
2)本发明较常规减振器装置增设了振动传感器和温度传感器，可以及时反馈减振器内腔的振动和温度变化情况。
3)本发明减振器内置的微型制冷器和加热器可以及时对减振器内腔的温度进行调节，具有温度可控性和及时性。
4)本发明所设计的结构为负刚度结构，其负刚度可部分抵消原结构的正刚度，降低结构的自振频率，较大幅度地减少了结构在干扰作用下的动力响应，具有更出色的减振性能。
5)NiTi‐SMA弹簧作为合金材料，其抗腐蚀性与不锈钢丝相仿，扩展了该装置的工作环境。
6)本发明拆装简易，耗材量少，占用空间小，减振效果明显。
总之，本发明用具有温敏变刚度特性的NiTi‐SMA弹簧替代普通的弹簧，来达到系统等效刚度可变可控的目的。基本原理是利用这种可以在不同温度下发生马氏体和奥氏体之间顺、逆相态转变的智能弹簧元件，实现刚度的自由转变。采用这种新型减振装置最终可以达到智能减振和智能避振等效果，反馈及时，安装方便，使用安全可靠。
附图说明
图1为本发明新型智能减振装置的原理图。
图2为本发明新型智能减振装置中减振器主体部分的结构详图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式和注意事项进行详细说明。
基于传感器技术的振动反馈机制
本发明一种基于SMA变刚度弹簧的新型智能减振装置的原理如附图1所示，由振动监测部分1、工作腔温控部分2和减振器主体部分3组成。振动监测部分1涉及振动传感技术，由示波器1‐1、电缆线1‐2和传感器探头1‐3组成，其工作原理是：传感器探头1‐3与中心移动轴3‐2的凸起部分有一定的距离，当减振器主体部分3在外部干扰的作用下开始振动时，中心移动轴3‐2的凸起部分会随之上下移动，与传感器探头1‐3之间的距离也会发生变化，且能反映此时的振动情况，传感器探头1‐3可以据此拾振并将机械参量转变为电参量信号，经由电缆线1‐2将电信号放大并显示在示波器1‐1上，操作者通过观察示波器1‐1可以获得即时的振动情况。工作腔温控部分2的温度监测部分涉及温度传感技术，由温度显示器2‐1、导线2‐3和温度传感器2‐4组成，其工作原理是：温度传感器2‐4一般为热电阻式传感器，通过与减振器主体部分3内腔的直接接触，可以即时感应内腔温度，产生一定的阻值，这部分信息可以转变为电信号输出显示在温度显示器2‐1。因此，在传感器技术支持下，当装置发生振动时，操作者可以通过振动监测部分1和工作腔温控部分2的温度监测部分对减振器主体部分3的振动和温度情况及时反馈，做出合理的调整，避免系统强振和共振的发生。
基于温度调节技术和SMA变刚度特性的减振避振机制
操作者可以通过示波器1‐1及时获取减振器的振动情况，当所述装置在外部干扰下产生强振或共振时，操作者可以及时获取振动信息，并通过调整工作腔温控部分2的温度调节部分来调整减振器主体部分3内腔的温度，从而达到减振或避振的效果，具体可以分为两部分。
第一部分是改变内腔温度，具体工作原理是：操作者观察到所述装置在当前工作环境下(包括外部干扰和环境温度)发生强振或共振时，可以操作工作腔温控部分2的温度调节部分。如果想使内腔温度降低，则闭合工作腔温控部分2的内置制冷电路开关，此时微型制冷器2‐5会与工作腔温控部分2的工作电源连通，微型制冷器2‐5的微型气泵开始工作，吸收的外界空气通过冷凝管降低温度，作为制冷气流进入到减振器主体部分3内腔中进行制冷，并通过缝隙排出内腔，达到降低内腔温度的目的；如果想使内腔温度升高，则闭合工作腔温控部分2的内置加热电路开关，此时加热器2‐6会与工作腔温控部分2的工作电源连通，加热器2‐6的电阻丝开始通电产生热量，并通过热对流将热量散发到内腔空气中，达到了提升内腔温度的目的；如果断开工作腔温控部分2的内置电路开关，则内腔的温度会逐渐恢复至工作环境的温度。需要注意的一点是，由于内腔体积比较小，因此无论是加热还是制冷所需要的时间都比较短。
第二部分是改变振动情况，具体工作原理是：减振器主体部分3的纵向弹性机构为正刚度弹簧减振机构，由铝弹簧3‐1、中心移动轴3‐2、橡胶垫片3‐3和高阻尼箍圈3‐4组成，横向弹性机构为负刚度弹簧减振机构，由八根NiTi‐SMA弹簧3‐5、八块移动滑块3‐6组成，其中八根NiTi‐SMA弹簧3‐5为温敏变刚度材料，随着温度的变化其刚度会发生变化，八根铰接短杆3‐7将移动滑块3‐6和中心移动轴3‐2的凸起部分铰接在一起，因此所述装置的等效刚度会随着温度的变化而发生改变。
所述NiTi‐SMA弹簧3‐5的材料弹性模量变化满足以下规律(刚度变化也满足类似的规律)：
E(ξ)＝ξ·EM+(1-ξ)·EA
其中，E(ξ)为SMA的弹性模量，ξ为SMA的马氏体体积分数，EM和EA分别为SMA处于完全马氏体相态和完全奥氏体相态下的弹性模量。ξ可以写为由应力引起的马氏体体积分数ξS和由温度引起的马氏体体积分数ξT之和，即ξ＝ξS+ξT，且在SMA的相变阶段，ξ的变化满足以下规律：
奥氏体→马氏体(T>Ms)
马氏体→奥氏体(T>As)
其中，下角标“0”代表初始状态，和分别表示临界应力的起始值和终止值，σ表示SMA的应力，As和Af表示奥氏体相的起始温度和终止温度，Ms为马氏体相的起始温度，CM和CA表示SMA材料本构滞回环的两个斜率常量，这些量的参考值分别如下：As＝34.5℃，Af＝49℃，Ms＝18.4℃，CM＝8(MPa/℃)，CA＝13.8(MPa/℃)。
据此，可以通过改变温度减振器主体部分3内腔的温度来改变减振器的振动情况，从而规避强振和共振的发生。

Claims (7)

1.一种基于SMA变刚度弹簧的智能减振装置，其特征在于：该装置由三部分组成，分别是振动监测部分(1)，工作腔温控部分(2)和减振器主体部分(3)；所述振动监测部分(1)为通过金属外壳(3-8)与减振器主体部分(3)内腔相连通的振动传感器，由示波器(1-1)通过电缆线(1-2)与设置在减振器主体部分(3)内腔的传感器探头(1-3)连接组成；所述工作腔温控部分(2)包括温度监测部分和温度调节部分，其中温度监测部分由温度显示器(2-1)通过导线(2-3)与设置在减振器主体部分(3)内腔的温度传感器(2-4)连接组成，温度调节部分由温度调节器(2-2)通过导线(2-3)分别与设置在减振器主体部分(3)内腔的微型制冷器(2-5)和加热器(2-6)连接组成，通过温度调节器(2-2)的内置开关选择连通微型制冷器(2-5)或加热器(2-6)工作，其中：振动监测部分(1)负责实时监测减振器主体部分(3)的振动情况，并将信号输出显示在示波器(1-1)上，工作腔温控部分(2)负责实时反馈减振器主体部分(3)内腔的温度，并通过人为启闭微型制冷器(2-5)或加热器(2-6)调节内腔温度。
2.根据权利要求1所述的智能减振装置，其特征在于：所述的减振器主体部分(3)由铝弹簧(3-1)、中心移动轴(3-2)、橡胶垫片(3-3)、高阻尼箍圈(3-4)、NiTi-SMA弹簧(3-5)、移动滑块(3-6)、铰接短杆(3-7)和金属外壳(3-8)组成，其中，NiTi-SMA弹簧(3-5)存在低温马氏体和高温奥氏体两种相态，两种相态在稳定时分别对应两种不同的材料刚度，且NiTi-SMA弹簧(3-5)在相变过程中刚度会随着SMA的马氏体体积分数变化而变化，NiTi-SMA弹簧(3-5)沿径向分布有多根，每根弹簧一端与金属外壳(3-8)的内壁固接，另一端与移动滑块(3-6)固接，形成了减振器主体部分(3)的横向弹性机构，减振器主体部分(3)的中间套嵌一根中心移动轴(3-2)，能够沿着纵向上下自由移动，中心移动轴(3-2)的下端外套一根铝弹簧(3-1)，铝弹簧(3-1)下端与橡胶垫片(3-3)固接，上端与中心移动轴(3-2)的凸起部分固接，能够在纵向上为减振器提供弹簧恢复力，此外，减振器主体部分(3)内腔的上下端对称安装有橡胶垫片(3-3)，用来防止振动过激时引起的中心移动轴(3-2)与金属外壳(3-8)的刚性碰撞，与橡胶垫片(3-3)相邻之处嵌装高阻尼箍圈(3-4)，由阻尼系数高的材料制备而成，为减振器的纵向振动提供强大的阻尼作用力，铝弹簧(3-1)、中心移动轴(3-2)、橡胶垫片(3-3)和高阻尼箍圈(3-4)共同构成了减振器主体部分(3)的纵向弹性机构，八根铰接短杆(3-7)沿径向分布，分别与中心移动轴(3-2)的凸起部分和八块移动滑块(3-6)铰接，从而将减振器主体部分(3)的纵向弹性机构和横向弹性机构联系起来，形成了负刚度结构，共同为减振器主体部分(3)提供纵向的恢复力，达到减振的目的，减振器主体部分(3)的外围由金属外壳(3-8)保护。
3.根据权利要求2所述的智能减振装置，其特征在于：所述NiTi-SMA弹簧(3-5)沿径向分布有八根。
4.根据权利要求2所述的智能减振装置，其特征在于：所述温度传感器(2-4)、微型制冷器(2-5)和加热器(2-6)均设置在减振器主体部分(3)内腔下端的环形壁面上；所述微型制冷器(2-5)和加热器(2-6)设置在温度传感器(2-4)的下端。
5.根据权利要求2所述的智能减振装置，其特征在于：所述金属外壳(3-8)选用Q235钢制备而成。
6.根据权利要求2所述的智能减振装置，其特征在于：所述的减振器主体部分(3)的承载能力由弹簧材料的物理参数和内腔的尺寸设计所决定。
7.权利要求2所述的智能减振装置的工作过程，其特征在于：包括以下步骤：
1)减振器主体部分(3)在承载物重力作用下，处于静止平衡态，此时铝弹簧(3-1)和NiTi-SMA弹簧(3-5)产生一定的压缩形变量提供恢复力，共同支撑承载物；
2)当减振器主体部分(3)受到外部激励或基础振荡干扰时，会产生振动，由于NiTi-SMA弹簧(3-5)为非线性材料，因此减振器的振动带有强非线性特征，减振器主体部分(3)的振动情况通过传感器探头(1-3)与中心移动轴(3-2)凸起之间的间隙调节，经由电缆线(1-2)将信号输出显示在示波器(1-1)上测得，减振器主体部分(3)内腔的温度可以由温度传感器(2-4)捕获，经由导线(2-3)将温度信号输出显示在温度显示器(2-1)上，以获得及时反馈；
3)减振器主体部分(3)在特定温度条件下会抵抗外部激励或基础振荡的干扰，起到减振降噪，保护承载物的作用，如果在该温度下无法达到理想的减振效果或者在干扰作用下系统达到了共振，则通过操控温度调节器(2-2)来实现减振器主体部分(3)内腔的温度调节，若闭合温度调节器(2-2)内置制冷电路开关，在电流作用下，减振器主体部分(3)内腔的微型制冷器(2-5)会开始制冷，内腔温度降低，若闭合温度调节器(2-2)内置加热电路开关，在电流作用下，减振器主体部分(3)内腔的加热器(2-6)会开始加热，内腔温度升高，若断开电路，则内腔温度会逐渐恢复至工作环境的温度，由于NiTi-SMA弹簧(3-5)的刚度会随温度发生改变，高温奥氏体下其弹性模量甚至可达低温马氏体下的2～3倍，因此通过温度调节能够对减振器主体部分(3)内腔的振动情况和系统的共振频率进行调节。
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