CN107606026B - 一种基于智能刚度元件的拓频吸振器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动控制领域，具体的说是一种基于智能刚度元件的拓频吸振器及其控制方法。包括吸振器本体和控制系统，吸振器本体包括由内向外依次套装的高导磁安装座、磁流变弹性体及高导磁吸振块，在高导磁安装座的中心位置设有用于连接受控系统的中心柱，中心柱的一端通过多根分别沿中心柱径向均匀分布的肋条与高导磁安装座的内圆周相连接，任意一根肋条上均缠绕设有励磁线圈；控制系统包括加速度传感器、控制器以及可控直流电源。本发明反应速度快、吸振频谱宽且有效避免受控系统因吸振器的引入而产生新的共振现象。

Description

一种基于智能刚度元件的拓频吸振器及其控制方法

技术领域

本发明涉及振动控制领域，具体的说是一种基于智能刚度元件的拓频吸振器及其控制方法。

背景技术

吸振器因为性能稳定，设计简单而应用广泛。吸振器工作原理可以简化为二自由度振动系统，具体如图1所示，受控系统质量、刚度分别为、，吸振器质量、刚度分别为、，受控系统在简谐激振力作用下的位移为，吸振器位移为，由振动力学理论可知运动学方程如式1： （1）

求解得到受控系统的振幅为：

（2）

由公式（2）可知，时，即时，受控系统振幅最小为零，即当吸振器固有频率等于外界激振频率时，吸振器可有效降低受控系统振动。被动式吸振器对于单频激励减振效果明显，但不适应与宽频减振。近些年自适应吸振器发展过迅速。其结构参数（刚度、阻尼、质量等）可调，故兼具结构简单、有效频带可拓展、无需大量能源供应等优点。但现有自适应吸振器多少存在一些缺点。主要表现为：（1）吸振器响应速度慢；（2）弹性体式刚度元件由于振动磨损致使刚度改变或者脱落；（3）易引起控制发散；（4）由于增加自由度，引起受控系统新的共振峰。

发明内容

本发明旨在提供一种反应速度快、吸振频谱宽且有效避免受控系统因吸振器的引入而产生新的共振现象的基于智能刚度元件的拓频吸振器及其控制方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于智能刚度元件的拓频吸振器，包括吸振器本体和控制系统，所述吸振器本体包括圆环形的高导磁安装座、套装在高导磁安装座外圆周的磁流变弹性体以及套装在磁流变弹性体外圆周的高导磁吸振块，在高导磁安装座的中心位置设有用于连接受控系统的中心柱，中心柱的一端通过多根分别沿中心柱径向均匀分布的肋条与高导磁安装座的内圆周相连接，任意一根肋条上均缠绕设有励磁线圈，励磁线圈通过通入不同的电流产生不同的磁场，使位于磁场中的磁流变弹性体获得不同的刚度，进而调节吸振器本体的固有频率实现宽频吸振；所述控制系统包括加速度传感器、控制器以及可控直流电源，加速度传感器用于采集受控系统的振动信号并输送至控制器，控制器用于将接收到的振动信号计算为外界激振频率并根据外界激振频率控制可控直流电源输出电流的大小，在控制器中存储有一组外界激振频率和可控直流电源输出电流之间的关联数据，可控直流电源由控制器控制向所述励磁线圈输出大小不同的电流。

优选的，所述高导磁安装座、磁流变弹性体以及高导磁吸振块均为锥度相同的锥环形。

优选的，所述中心柱远离高导磁安装座的一端设有螺纹。

优选的，所述中心柱通过四根肋条与高导磁安装座的内圆周相连。

优选的，所述加速度传感器所采集的受控系统振动信号经信号放大器放大后再传输至控制器。

优选的，所述高导磁吸振块采用高导磁硅钢材料制成。

一种基于智能刚度元件的拓频吸振器的控制方法，包括以下步骤：

1）、通过加速度传感器采集受控系统的振动信号，振动信号经信号放大器放大后传输至控制器：

2）、通过控制器对接收到的振动信号进行快速傅里叶分析以得到外界激振频率f，控制器根据所得外界激振频率f以及控制器内存储的一组外界激振频率f和可控直流电源输出电流i之间的关联数据发出控制信号来控制可控直流电源的输出电流i的大小；

如果f≤17.6Hz或f≥31.46Hz，控制器控制可控直流电源向励磁线圈输出电流i=1.5A；

如果17.6Hz＜f≤23.88Hz，控制器控制可控直流电源向励磁线圈输出电流i=0A；

如果23.88Hz＜f≤28.12Hz，控制器控制可控直流电源向励磁线圈输出电流i=0.5A；

如果28.12Hz＜f＜31.46Hz，控制器控制可控直流电源向励磁线圈输出电流i=1A。

有益效果

1、吸振器本体中的刚度元件刚度调整响应速度快，由于刚度元件采用磁流变弹性体，响应速度可达毫秒级。

2、吸振器本体的减振频带范围宽。通过电流控制改变通过磁流变弹性体所处的磁场以改变磁流变弹性体的刚度，进而调节吸振器本体的固有频率实现宽频吸振，充分发挥吸振器的减振性能。

3、通过刚度控制方法可有效消除由于引入吸振器后受控系统新增的共振峰。

4、吸振器实现拓宽频带以及消除受控系统共振现象都通过调节电流实现，无需再另加作动器及其它控制元件，实现简单，效果显著。

5、在本发明的优选实施方式中，高导磁安装座、磁流变弹性体及高导磁吸振块的接触面都为锥形面，可防止工作中刚度元件磨损以至于弹性体脱落。

6、高导磁吸振块在起到质量块作用的同时，也起到导磁支架作用，无需增加导磁支架而增重吸振器质量。吸振器底座内设有多个肋条，肋条上附缠励磁线圈，利用此结构形成闭合磁回路，有效优化了吸振器结构，减轻吸振器质量。

附图说明

图1为吸振器的工作原理图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的吸振器本体的立体结构示意图；

图4为本发明的吸振器本体形成的磁回路示意图；

图5为本发明针对受控系统在宽频激励下的时域减振效果图；

图6为本发明实验中采用不通电流时受控系统的幅频特性曲线；

图7为本发明的一种基于智能刚度元件的拓频吸振器的控制方法的流程图；

图8为现有技术中的被动式吸振器和本发明的自适应吸振器减振性能对比；

图9为使用本发明提出的控制方法后消除共振峰的效果；

图中标记：1、吸振器本体，101、高导磁安装座，102、磁流变弹性体，103、高导磁吸振块， 104、中心柱，105、肋条，106、励磁线圈，2、受控系统，301、加速度传感器，302、控制器，303、可控直流电源，304、信号放大器。

具体实施方式

如图2及图3所示，本发明的一种基于智能刚度元件的拓频吸振器，包括吸振器本体1和控制系统。

吸振器本体1包括圆环形的高导磁安装座101、套装在高导磁安装座101外圆周的磁流变弹性体102以及套装在磁流变弹性体102外圆周的高导磁吸振块103，高导磁安装座101、磁流变弹性体102以及高导磁吸振块103均为锥度相同的锥环形，在吸振器本体1工作过程中能够有效防止由于振动摩擦导致磁流变弹性体102磨损而松弛甚至脱落。高导磁吸振块103采用高导磁硅钢材料制成，不仅起到质量块作用的同时，同时起到导磁支架作用，有效优化了吸振器结构，减轻吸振器质量。在高导磁安装座101的中心位置设有中心柱104，中心柱104的一端设置有外螺纹，可通过外螺纹方便与受控系统2拆卸连接，中心柱104的另一端通过四根分别沿中心柱104径向均匀分布的肋条105与高导磁安装座101的内圆周相连接，任意一根肋条105上均缠绕设有励磁线圈106，励磁线圈106通过通入不同的电流产生不同的磁场，使位于磁场中的磁流变弹性体102获得不同的刚度，进而调节吸振器本体1的固有频率实现宽频吸振。

控制系统包括加速度传感器301、控制器302以及可控直流电源303，加速度传感器301用于采集受控系统2的振动信号并通过信号放大器304放大后输送至控制器302，控制器302用于将接收到的振动信号计算为外界激振频率并根据外界激振频率控制可控直流电源303输出电流的大小，在控制器302中存储有一组外界激振频率和可控直流电源303输出电流之间的关联数据，可控直流电源303用于由控制器302控制向励磁线圈106输出大小不同的电流。

如图6所示，本发明通过实验分别作出了可控直流电源303的输出电流为0A、0.5A、1A以及1.5A时受控系统2的幅频特性曲线，根据上述曲线提出电流控制方法以消除由于添加吸振器本体1后受控系统2增加的共振峰。如图7所示，本发明的控制方法包括以下步骤：

1）、通过加速度传感器301采集受控系统2的振动信号，振动信号经信号放大器304放大后传输至控制器302：

2）、通过控制器302对接收到的振动信号进行快速傅里叶分析以得到外界激振频率f，控制器302根据所得外界激振频率f以及控制器302内存储的一组外界激振频率f和可控直流电源303输出电流i之间的关联数据发出控制信号来控制可控直流电源303的输出电流i的大小；

如果f≤17.6Hz或f≥31.46Hz，控制器302控制可控直流电源303向励磁线圈106输出电流i=1.5A；

如果17.6Hz＜f≤23.88Hz，控制器302控制可控直流电源303向励磁线圈106输出电流i=0A；

如果23.88Hz＜f≤28.12Hz，控制器302控制可控直流电源303向励磁线圈106输出电流i=0.5A；

如果28.12Hz＜f＜31.46Hz，控制器302控制可控直流电源303向励磁线圈106输出电流i=1A。

由图8及图9可知，使用本发明提出的吸振器和控制方法后，受控系统2的共振峰被消除，吸振效果明显优于现有技术中的被动式吸振器。

Claims (6)

1.一种基于智能刚度元件的拓频吸振器，其特征在于：包括吸振器本体（1）和控制系统，所述吸振器本体（1）包括圆环形的高导磁安装座（101）、套装在高导磁安装座（101）外圆周的磁流变弹性体（102）以及套装在磁流变弹性体（102）外圆周的高导磁吸振块（103），所述高导磁安装座（101）、磁流变弹性体（102）以及高导磁吸振块（103）均为锥度相同的锥环形；在高导磁安装座（101）的中心位置设有用于连接受控系统（2）的中心柱（104），中心柱（104）的一端通过多根分别沿中心柱（104）径向均匀分布的肋条（105）与高导磁安装座（101）的内圆周相连接，任意一根肋条（105）上均缠绕设有励磁线圈（106），励磁线圈（106）通过通入不同的电流产生不同的磁场，使位于磁场中的磁流变弹性体（102）获得不同的刚度，进而调节吸振器本体（1）的固有频率实现宽频吸振；所述控制系统包括加速度传感器（301）、控制器（302）以及可控直流电源（303），加速度传感器（301）用于采集受控系统（2）的振动信号并输送至控制器（302），控制器（302）用于将接收到的振动信号计算为外界激振频率并根据外界激振频率控制可控直流电源（303）输出电流的大小，在控制器（302）中存储有一组外界激振频率和可控直流电源（303）输出电流之间的关联数据，可控直流电源（303）由控制器（302）控制向所述励磁线圈（106）输出大小不同的电流。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能刚度元件的拓频吸振器，其特征在于：所述中心柱（104）远离高导磁安装座（101）的一端设有螺纹。

3.根据权利要求1所述的一种基于智能刚度元件的拓频吸振器，其特征在于：所述中心柱（104）通过四根肋条（105）与高导磁安装座（101）的内圆周相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于智能刚度元件的拓频吸振器，其特征在于：所述加速度传感器（301）所采集的受控系统（2）振动信号经信号放大器（304）放大后再传输至控制器（302）。

5.根据权利要求1所述的一种基于智能刚度元件的拓频吸振器，其特征在于：所述高导磁吸振块（103）采用高导磁硅钢材料制成。

6.根据权利要求4所述的一种基于智能刚度元件的拓频吸振器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、通过加速度传感器（301）采集受控系统（2）的振动信号，振动信号经信号放大器（304）放大后传输至控制器（302）：

2）、通过控制器（302）对接收到的振动信号进行快速傅里叶分析以得到外界激振频率f，控制器（302）根据所得外界激振频率f以及控制器（302）内存储的一组外界激振频率f和可控直流电源（303）输出电流i之间的关联数据发出控制信号来控制可控直流电源（303）的输出电流i的大小；

如果f≤17.6Hz或f≥31.46Hz，控制器（302）控制可控直流电源（303）向励磁线圈（106）输出电流i=1.5A；

如果17.6Hz＜f≤23.88Hz，控制器（302）控制可控直流电源（303）向励磁线圈（106）输出电流i=0A；

如果23.88Hz＜f≤28.12Hz，控制器（302）控制可控直流电源（303）向励磁线圈（106）输出电流i=0.5A；

如果28.12Hz＜f＜31.46Hz，控制器（302）控制可控直流电源（303）向励磁线圈（106）输出电流i=1A。