CN107448536A - 一种可回收能量的自传感磁流变液阻尼器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，包括外缸筒，所述外缸筒的内部设有固连有两个普通活塞的活塞杆，活塞杆在两个普通活塞之间固连有线圈活塞以及位于线圈活塞上的励磁线圈，两个普通活塞之间的容腔内设有磁流变液，两个普通活塞与外缸筒的端部之间均设有压电堆，压电堆与普通活塞之间均设有直线轴承、弹簧，结构简单，当外负载受激振动时，一方面可通过实时控制电流，实现阻尼力半主动控制，对负载振动进行能量耗散；另一方面该装置可通过活塞杆及左、右活塞的往复运动，通过弹簧将正压力施加于压电堆，从而产生电能，实现振动能量回收，同时通过收集电能来反映力大小和振动频率，实现自传感。

Description

一种可回收能量的自传感磁流变液阻尼器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种可回收能量的自传感磁流变液阻尼器及其控制方法。
背景技术
磁流变液是一种具有流变特性的材料，由于其响应快、可逆性好、力学性能可通过调整磁场的大小来控制等许多传统材料无法比拟的优点，在土木结构、汽车悬架、机械抛光和军工设备等领域得到了广泛的发展。而磁流变液阻尼器是磁流变液的典型应用之一。
磁流变液阻尼器是根据磁流变液在磁场的作用下产生高的屈服应力从而产生反应迅速、可控性强的阻尼力来达到减振的目的。它是一种广泛应用于半主动控制系统中的新型智能阻尼器件，具有毫秒级响应速度、大控制范围和大阻尼力输出等特点，是一种应用前景非常广泛的控制技术。自磁流变阻尼器问世以来，其机械结构设计、控制方法以及减振系统的集成是国内外学者研究的主要方向，也取得了一定的成果，同时，随着研究的推进，也发现了新的问题，即磁流变阻尼器的电源供给和自传感问题。为实现对磁流变阻尼器阻尼力的控制，需要外加励磁磁场，但由于目前磁流变液阻尼器的外加磁场基本上采用的是向线圈中通入励磁电流的方式产生，因此磁流变液阻尼器需要配置可靠的供电系统，例如在汽车上是由蓄电池供电，电源线的引出破坏了磁流变阻尼器的密封性，因此存在漏液的问题，同时置于外部的导线也易受到环境的腐蚀和面临鼠咬等情况，从而导致断裂，造成磁流变阻尼器外部供电故障或中断，导致磁流变阻尼器的减振性能变差或不可控，最终导致磁流变阻尼器失效。另外，由于磁流变阻尼器依赖于外部电源的供给，在一些无法提供外部电源的场合无法工作，比如应用在桥梁、建筑等一些户外的结构抗震中，无法保证其供电，此时的外加电源设备不但会使磁流变液阻尼器振动控制系统复杂化，降低结构可靠性，还会加大设计成本，从而制约了磁流变阻尼器在这些方面上的应用。
基于以上不足，近年来，国内外的相关学者相继提出了多种自供能磁流变液阻尼器，其能量采集方式主要基于静电式、压电式、电磁式。压电式供电原理为安装于磁流变阻尼器内部的压电堆利用压电效应产生给磁流变阻尼器的励磁线圈供电的电能。例如公开号为201110151314.8的中国发明专利，在其说明书中公开了一种“无需外接电源的磁流变减振器”，其通过弹簧机构将外界振动力加载到压电发电装置上，利用压电材料的正压电效应收集外界环境振动能，将它转变成电能，并将电能施加到磁流变减振器活塞线圈上以激励磁流变液，实现变阻尼力的目的。但是该设计压电结构置于磁流变阻尼器外部，结构不够紧凑，同时由于采用单压电堆结构，只在一个振动方向上起作用，其电能回收效果不高。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种可回收能量的自传感磁流变液阻尼器及其控制方法，不仅结构简单，而且便捷高效。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，包括外缸筒，所述外缸筒的内部设有固连有两个普通活塞的活塞杆，活塞杆在两个普通活塞之间固连有线圈活塞以及位于线圈活塞上的励磁线圈，两个普通活塞之间的容腔内设有磁流变液，两个普通活塞与外缸筒的端部之间均设有压电堆，压电堆与普通活塞之间均设有直线轴承、弹簧。
优选的，所述活塞杆的输出端伸出外缸筒外部连接外负载，压电堆通过直线轴承与弹簧连接普通活塞，构成压电发电部分，所述活塞杆与外缸筒同轴。
优选的，所述普通活塞包括左活塞与右活塞，所述左活塞与活塞杆螺接，所述右活塞与活塞杆焊接，所述线圈活塞与活塞杆焊接，所述励磁线圈绕于线圈活塞上，所述左活塞、右活塞与外缸筒的内筒壁之间均设有密封圈。
优选的，所述外缸筒的两端部分别经内六角螺钉螺接有左端盖与右端盖，所述左端盖与右端盖的内周部圆周分布有若干个压电堆安置孔，所述左端盖的内中部螺接有用于套设直线轴承的轴承轴，所述活塞杆的输出端的直线轴承套设在活塞杆上，所述活塞杆的输出端穿出右端盖。
优选的，所述弹簧的一端与直线轴承固接，另一端与普通活塞固接，所述直线轴承与压电堆接触，并可在轴承轴上滑动，弹簧将外部振动通过直线轴承传递给压电堆从而产生电能，压电堆往复均可压。
优选的，所述线圈活塞与外缸筒的内筒壁之间形成环形节流通道。
优选的，所述压电堆结构是由一定数量的压电元件并联制成一压电堆，再将已制成的压电堆通过并联连接而成。
优选的，所述外缸筒和线圈活塞采用导磁性强的材料DT4，两个普通活塞的密封采用毡圈密封。
优选的，所述励磁线圈与可控电流源相电连，所述压电堆输出与一电能收集电路相连。
一种可回收能量的自传感磁流变液阻尼器的控制方法，按以下步骤进行：外部负载收到激励振动时，活塞杆会通过弹簧作用于压电堆，压电堆产生电能，通过能量收集电路让电能供于阻尼器或传感电路部分，同时压电堆相当于压电传感器，可检测外部负载振动情况，产生反馈信号到一控制器，控制器根据反馈信号控制相应的输出电流到励磁线圈，从而控制磁场大小，调节磁流变效应，继而控制阻尼器输出力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：采用两端双活塞结构，在线圈活塞往复运动的过程中，磁流变液腔室容积的变化很小，左右两磁流变液腔室可设计相对较小，同时可省去单输出杆阻尼器中采用的蓄能器，也容易实现与压电堆的直接相连，便于所有零件全置于一外缸筒内，结构上简单紧凑，适用于安装空间有限场合；采用左右两端双压电堆结构，当接收外部振动时，活塞杆往复运动时，不论往何方向运动，均有压电堆受压，比单端采用相同数量压电堆，能提高压电发电效率；压电堆可做压电传感器，实现自传感，可简化半主动控制系统。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的构造示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1~2所示，一种可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，包括外缸筒4，所述外缸筒的内部设有固连有两个普通活塞的活塞杆10，活塞杆在两个普通活塞之间固连有线圈活塞11以及位于线圈活塞上的励磁线圈12，两个普通活塞之间的容腔内设有磁流变液13，两个普通活塞与外缸筒的端部之间均设有压电堆3，压电堆与普通活塞之间均设有直线轴承5、弹簧6。
在本发明实施例中，所述活塞杆的输出端伸出外缸筒外部连接外负载，压电堆通过直线轴承与弹簧连接普通活塞，构成压电发电部分，所述活塞杆与外缸筒同轴。
在本发明实施例中，所述普通活塞包括左活塞8与右活塞14，所述左活塞与活塞杆螺接，所述右活塞与活塞杆焊接，所述线圈活塞与活塞杆焊接，所述励磁线圈绕于线圈活塞上，所述左活塞、右活塞与外缸筒的内筒壁之间均设有密封圈9。
在本发明实施例中，所述外缸筒的两端部分别经内六角螺钉1螺接有左端盖2与右端盖15，所述左端盖与右端盖的内周部圆周分布有若干个压电堆安置孔16，所述左端盖的内中部螺接有用于套设直线轴承的轴承轴7，所述活塞杆的输出端的直线轴承套设在活塞杆上，所述活塞杆的输出端穿出右端盖。
在本发明实施例中，所述弹簧的一端与直线轴承固接，另一端与普通活塞固接，所述直线轴承与压电堆接触，并可在轴承轴上滑动，弹簧将外部振动通过直线轴承传递给压电堆从而产生电能，压电堆往复均可压。
在本发明实施例中，所述线圈活塞与外缸筒的内筒壁之间形成环形节流通道。
在本发明实施例中，所述压电堆结构是由一定数量的压电元件并联制成一压电堆，再将已制成的压电堆通过并联连接而成，由压电材料制成的振动能量捕捉装置可实现反馈控制的自传感功能，将压电材料与磁流变阻尼器整合到一起，利用压电材料在振动条件下的正压电效应，实现机械能与电能之间的转换，所采用结构能有效提高电能回收效率，减少控制电路硬件。
在本发明实施例中，所述外缸筒和线圈活塞采用导磁性强的材料DT4，两个普通活塞的密封采用毡圈密封。
在本发明实施例中，所述励磁线圈与可控电流源相电连，所述压电堆输出与一电能收集电路相连。
一种可回收能量的自传感磁流变液阻尼器的控制方法，按以下步骤进行：外部负载收到激励振动时，活塞杆会通过弹簧作用于压电堆，压电堆产生电能，通过能量收集电路让电能供于阻尼器或传感电路部分，同时压电堆相当于压电传感器，可检测外部负载振动情况，产生反馈信号到一控制器，控制器根据反馈信号控制相应的输出电流到励磁线圈，从而控制磁场大小，调节磁流变效应，继而控制阻尼器输出力。
本发明的工作原理为：活塞杆接收外界振动沿轴向方向做往复运动，会带动线圈活塞运动，而外缸筒固定，磁流变液包括剪切模式和流动模式，流动模式主要指线圈活塞与左、右活塞的面积差造成压力差使磁流变液流过环形节流通道，剪切模式主要指磁流变液在磁场作用下固化，由于外缸筒与线圈活塞的相当运动而形成剪切屈服应力，受外电流可控，这样实现阻尼力可调可控；另外活塞杆的运动会带动两端普通活塞运动，继而拉伸或压缩弹簧，将力传递给直线轴承来正压于两端压电堆，具体说明如下：如果将活塞杆的运动过程细分为内缩与外伸，当活塞杆内缩时，振动通过直线轴承传递到左边的压电堆起作用，基于压电材料的正压电效应将振动机械能转化为电能；同理，当活塞杆外伸时，右边的压电堆接收到传递的振动能后将此转化为电能，这样不管活塞往何方运动，均有压电堆受压产生电能，再由收集电路回收供于其他控制电路或激励线圈；又由于所产生的电能与外界振动强弱成正比，这样压电堆可做压电传感器来检测振动能量，并反馈给控制器，改变控制电流大小，继而实现阻尼力可调可控，达到了阻尼器对振动能量进行回收及自传感反馈控制的效果。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的可回收能量的自传感磁流变液阻尼器及其控制方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，其特征在于：包括外缸筒，所述外缸筒的内部设有固连有两个普通活塞的活塞杆，活塞杆在两个普通活塞之间固连有线圈活塞以及位于线圈活塞上的励磁线圈，两个普通活塞之间的容腔内设有磁流变液，两个普通活塞与外缸筒的端部之间均设有压电堆，压电堆与普通活塞之间均设有直线轴承、弹簧。
2.根据权利要求1所述的可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，其特征在于：所述活塞杆的输出端伸出外缸筒外部连接外负载，压电堆通过直线轴承与弹簧连接普通活塞，构成压电发电部分，所述活塞杆与外缸筒同轴。
3.根据权利要求1所述的可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，其特征在于：所述普通活塞包括左活塞与右活塞，所述左活塞与活塞杆螺接，所述右活塞与活塞杆焊接，所述线圈活塞与活塞杆焊接，所述励磁线圈绕于线圈活塞上，所述左活塞、右活塞与外缸筒的内筒壁之间均设有密封圈。
4.根据权利要求1所述的可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，其特征在于：所述外缸筒的两端部分别经内六角螺钉螺接有左端盖与右端盖，所述左端盖与右端盖的内周部圆周分布有若干个压电堆安置孔，所述左端盖的内中部螺接有用于套设直线轴承的轴承轴，所述活塞杆的输出端的直线轴承套设在活塞杆上，所述活塞杆的输出端穿出右端盖。
5.根据权利要求1所述的可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，其特征在于：所述弹簧的一端与直线轴承固接，另一端与普通活塞固接，所述直线轴承与压电堆接触，并可在轴承轴上滑动，弹簧将外部振动通过直线轴承传递给压电堆从而产生电能，压电堆往复均可压。
6.根据权利要求1所述的可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，其特征在于：所述线圈活塞与外缸筒的内筒壁之间形成环形节流通道。
7.根据权利要求1所述的可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，其特征在于：所述压电堆结构是由一定数量的压电元件并联制成一压电堆，再将已制成的压电堆通过并联连接而成。
8.根据权利要求1所述的可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，其特征在于：所述外缸筒和线圈活塞采用导磁性强的材料DT4，两个普通活塞的密封采用毡圈密封。
9.根据权利要求1所述的可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，其特征在于：所述励磁线圈与可控电流源相电连，所述压电堆输出与一电能收集电路相连。
10.一种可回收能量的自传感磁流变液阻尼器的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-9所述的任一种可回收能量的自传感磁流变液阻尼器，并按以下步骤进行：外部负载收到激励振动时，活塞杆会通过弹簧作用于压电堆，压电堆产生电能，通过能量收集电路让电能供于阻尼器或传感电路部分，同时压电堆相当于压电传感器，可检测外部负载振动情况，产生反馈信号到一控制器，控制器根据反馈信号控制相应的输出电流到励磁线圈，从而控制磁场大小，调节磁流变效应，继而控制阻尼器输出力。
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