CN107781345B - 一种可检测活塞位移的磁流变阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可检测活塞位移的磁流变阻尼器，主要由活塞杆、阻尼器缸筒、活塞头、励磁线圈、电容式位移传感器、内置弹簧Ⅰ、内置弹簧Ⅱ以及弹簧连接板等组成。电容式位移传感器置于阻尼器缸筒内部，并与阻尼器左端盖刚性连接。外部发生振动时，活塞杆与阻尼器缸筒相对运动并压缩或拉伸弹簧，使得弹簧连接板也随之成比例移动。此时电容式位移传感器的电容也发生变化，从而感生出对应于活塞位移的传感输出信号。根据输出的活塞位移信号调节激励线圈电流大小，从而调节阻尼力的大小，达到优化阻尼效果目的。断电时，内置弹簧发挥一定的减振作用，保护阻尼器内部结构不受损。本发明特别适用于半主动控制系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁流变阻尼器，尤其涉及一种可检测活塞位移的磁流变阻尼器。
背景技术
磁流变阻尼器是基于磁流变液可控特性的一种半主动阻尼器件，该阻尼器件可对运动产生阻力，并用来耗散运动的能量；在其工作范围内拥有响应速度快、结构简单、体积小、容易控制和能耗低等优点；是一种理想的隔振、抗震装置；在建筑、机械、军工等方面具有广泛应用前景。
传统的弹簧阻尼器被用于各种减振场合，但随着人们对减振效果的要求越来越高，弹簧阻尼器所起到的减振效果逐渐不能被人们所满意。磁流变液的问世促进了磁流变阻尼器的发展，其在减振方面的优异表现获得了人们的好评。当磁流变阻尼器应用于各种场合时，其工作时测得的各项试验数据为优化阻尼器工作性能，研究阻尼器自身特性提供了很好的依据。被控对象振动时，控制器根据传感器检测到的被控对象主体与承载体之间的相对振动状况做出相应的分析和决策，并产生一控制电压作用于磁流变阻尼器的电流驱动器，通过电流驱动器给励磁线圈加载一驱动电流，调节励磁线圈的磁场强度，从而在毫秒级时间内改变位于阻尼器阻尼通道中的磁流变液的屈服应力大小，达到调节磁流变阻尼器阻尼的目的，实现对被控对象振动的半主动阻尼减振。在这个闭环的半主动阻尼减振控制系统中，一个重要的输出量就是磁流变阻尼器的缸筒和活塞之间的相对位移。
现有基于磁流变阻尼器的半主动减振系统中，实现磁流变阻尼器活塞位移信息的检测主要是利用外置的与磁流变阻尼器分离的位移传感器来实现。这种将磁流变阻尼器和传感器分离的设计，精度不高，且会增加整个系统的体积；另外，传感器直接暴露于外部环境之中很容易受到外界环境（如机械碰撞、渗油渗水、电磁波等）的干扰甚至破坏，从而影响控制系统的可靠性及稳定性，缩短系统使用寿命。
发明内容
为了克服背景技术中存在的问题，本发明提出一种可检测活塞位移的磁流变阻尼器。将电容式位移传感器与磁流变阻尼器集成在一起。被控对象振动时，阻尼器的活塞杆和阻尼器缸筒相对运动；当给励磁线圈通电时，磁流变液流经液流通道，受到磁场作用，流变后的剪切屈服强度增加，形成可控阻尼力，阻碍活塞头运动，达到减振目的。活塞头运动时，位移信息经由弹簧等比例转换为弹簧连接板的微小移动，电容式位移传感器检测弹簧连接板的位移，得到包含弹簧连接板位移信息的传感输出信号，此信号再等比例放大后即可得到活塞的位移信息。根据得到的活塞位移信息，适时的调整励磁线圈电流大小，从而达到最优的阻尼力控制，使输出阻尼力更加柔顺，提高了阻尼效率的同时降低了能量消耗，同时，由于此阻尼器集成有弹簧，当励磁线圈供电电路突然中断时，还可利用阻尼器缸筒内的弹簧力配合活塞与阻尼器缸筒之间的间隙产生的粘滞阻力，继续使阻尼器发挥减振作用，避免阻尼器免受外部载荷冲击而损坏内部结构，起到自动保护作用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：左吊耳(1)、活塞杆(2)、阻尼器左端盖(3)、电容式位移传感器(4)、弹簧连接板(5)、阻尼器缸筒(6)、活塞头(7)、右吊耳(8)、阻尼器右端盖(9)、浮动活塞(10)、螺母(11)、励磁线圈(12)、内置弹簧Ⅰ(13)以及内置弹簧Ⅱ(14)；活塞杆(2)的左端加工有外螺纹，左吊耳(1)与活塞杆(2)左端通过螺纹紧固连接；阻尼器左端盖(3)中间加工有圆形通孔，活塞杆(2)与阻尼器左端盖(3)圆形通孔内表面间隙配合，并通过密封圈进行密封；阻尼器左端盖(3)与阻尼器缸筒(6)通过密封圈密封，并通过螺钉固定连接；电容式位移传感器(4)左端与阻尼器左端盖(3)通过螺纹紧固连接；内置弹簧Ⅱ(14)左端与阻尼器左端盖(3)通过卡箍连接；弹簧连接板(5)左端与内置弹簧Ⅱ(14)右端通过卡箍连接；弹簧连接板(5)右端与内置弹簧Ⅰ(13)左端通过卡箍连接；内置弹簧Ⅰ(13)右端与活塞头(7)左端面通过卡箍连接；弹簧连接板(5)中间加工有圆形通孔，活塞杆(2)与弹簧连接板(5)圆形通孔内表面间隙配合；活塞头(7)内部加工有圆形通孔，活塞杆(2)右端与活塞头(7)内部圆形通孔内表面间隙配合；活塞头(7)左端通过活塞杆(2)台阶接触定位；活塞头(7)右端加工有外螺纹，活塞头(7)右端通过螺母(11)紧固定位；活塞头(7)外表面加工有圆环形凹槽，励磁线圈(12)缠绕在凹槽内；浮动活塞(10)与阻尼器缸筒(6)内表面间隙配合，并通过密封圈进行密封；阻尼器右端盖(9)与阻尼器缸筒(6)通过螺钉固定连接，并通过密封圈进行密封；阻尼器右端盖(9)右端加工有外螺纹，右吊耳(8)与阻尼器右端盖(9)通过螺纹紧固连接。活塞头(7)运动时，位移信息经由内置弹簧Ⅰ(13)以及内置弹簧Ⅱ(14)等比例转换为弹簧连接板(5)的微小移动；电容式位移传感器(4)检测弹簧连接板(5)的位移，得到包含弹簧连接板(5)位移信息的传感输出信号，此信号再等比例放大后即可得到活塞头(7)的位移信息；根据得到的活塞头(7)位移信息，适时的调整励磁线圈(12)电流大小，从而达到最优的阻尼力控制，使输出阻尼力更加柔顺，提高了阻尼效率的同时降低了能量消耗；当励磁线圈(12)供电电路突然中断时，内置弹簧Ⅰ(13)以及内置弹簧Ⅱ(14)可提供弹簧力；配合活塞头(7)与阻尼器缸筒(6)之间产生的粘滞阻力，可继续使阻尼器发挥减振作用，避免阻尼器受外部载荷冲击而损坏内部结构，起到自动保护作用。阻尼器左端盖(3)、阻尼器缸筒(6)和活塞头(7)左端面之间的空腔形成磁流变液容腔Ⅰ；活塞头(7)右端面、阻尼器缸筒(6)和浮动活塞(10)之间的空腔形成磁流变液容腔Ⅱ；活塞头(7)圆周外表面与阻尼器缸筒(6)圆周内表面之间的环形间隙形成磁流变液液流通道；浮动活塞(10)、阻尼器缸筒(6)和阻尼器右端盖(9)左端面之间的空腔形成压缩气体容腔Ⅲ。活塞头(7)与阻尼器缸筒(6)由低碳钢导磁材料制成；励磁线圈(12)中产生的磁力线通过活塞头(7)，经过液流通道中的磁流变液到达阻尼器缸筒(6)，再经过液流通道中的磁流变液返回活塞头(7)，形成闭合磁路。电容式位移传感器(4)的引线通过阻尼器左端盖(3)中的引线孔导出；励磁线圈(12)的引线通过活塞杆(2)中的引线孔导出。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
（1）与传统半主动减振系统相比，采用本发明构成的减振系统可有效减小系统体积，避免了位移传感器直接暴露于外部环境时，受到外界环境（如机械碰撞、渗油渗水、电磁波等）的干扰甚至破坏，从而提高了振动控制系统的整体可靠性及稳定性，延长了系统的使用寿命。
（2）与传统阻尼器相比，本发明使用弹簧内置于阻尼器缸筒内，在吸收部分振动能量的情况下，使阻尼器的阻尼力变化更加平稳，提高了消能减振效率，节约了能源。
（3）当集成电容式位移传感器的磁流变阻尼器断电时，阻尼器缸筒内的弹簧力发挥一定的减振作用，避免外部持续冲击造成阻尼器损坏，保护阻尼器内部结构不受损，从而拓宽了磁流变阻尼器的应用场合。
（4）与传统半主动减振系统相比，采用本发明构成的减振系统可有效提高阻尼力的控制精度，提高阻尼效率，得到最优的减振效果，降低能源消耗。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明结构示意图，主要包括左吊耳1、活塞杆2、阻尼器左端盖3、电容式位移传感器4、弹簧连接板5、阻尼器缸筒6、活塞头7、右吊耳8、阻尼器右端盖9、浮动活塞10、螺母11、励磁线圈12、内置弹簧Ⅰ13以及内置弹簧Ⅱ14。
本发明工作原理如下：
如图1所示，阻尼器工作时，励磁线圈通电后在磁流变液的有效阻尼间隙内产生磁场；磁场范围内的磁流变液工作，形成可控阻尼力。同时，活塞头和阻尼器缸筒相对运动，活塞头相对阻尼器缸筒的位移信息经由内置弹簧Ⅰ和内置弹簧Ⅱ等比例转换为弹簧连接板的微小移动，电容式位移传感器检测弹簧连接板的位移，得到包含弹簧连接板位移信息的传感输出信号，此信号再等比例放大后即可得到活塞头的位移信息。
活塞头的位移信息由x=x1(k1+k2)/k1计算得出，其中x为活塞头位移，x1为电容式位移传感器检测到的弹簧连接板的位移，k1为内置弹簧Ⅰ的弹性系数，k2为内置弹簧Ⅱ的弹性系数。根据得到的活塞头位移信息，适时调整励磁线圈加载电流大小，从而达到最优的阻尼力控制，使阻尼效果更加柔顺，提高了阻尼效率的同时降低了能量消耗。
由于故障导致供电线路中断时，内置弹簧Ⅰ和内置弹簧Ⅱ会继续蓄能，发挥一定的减振功能，自动保护阻尼器内部结构免受损坏。
Claims (4)
1.一种可检测活塞位移的磁流变阻尼器，其特征在于包括：左吊耳(1)、活塞杆(2)、阻尼器左端盖(3)、电容式位移传感器(4)、弹簧连接板(5)、阻尼器缸筒(6)、活塞头(7)、右吊耳(8)、阻尼器右端盖(9)、浮动活塞(10)、螺母(11)、励磁线圈(12)、内置弹簧Ⅰ(13)以及内置弹簧Ⅱ(14)；活塞杆(2)的左端加工有外螺纹，左吊耳(1)与活塞杆(2)左端通过螺纹紧固连接；阻尼器左端盖(3)中间加工有圆形通孔，活塞杆(2)与阻尼器左端盖(3)圆形通孔内表面间隙配合，并通过密封圈进行密封；阻尼器左端盖(3)与阻尼器缸筒(6)通过密封圈密封，并通过螺钉固定连接；电容式位移传感器(4)左端与阻尼器左端盖(3)通过螺纹紧固连接；内置弹簧Ⅱ(14)左端与阻尼器左端盖(3)通过卡箍连接；弹簧连接板(5)左端与内置弹簧Ⅱ(14)右端通过卡箍连接；弹簧连接板(5)右端与内置弹簧Ⅰ (13)左端通过卡箍连接；内置弹簧Ⅰ(13)右端与活塞头(7)左端面通过卡箍连接；弹簧连接板(5)中间加工有圆形通孔，活塞杆(2)与弹簧连接板(5)圆形通孔内表面间隙配合；活塞头(7)内部加工有圆形通孔，活塞杆(2)右端与活塞头(7)内部圆形通孔内表面间隙配合；活塞头(7)左端通过活塞杆(2)台阶接触定位；活塞头(7)右端加工有外螺纹，活塞头(7)右端通过螺母(11)紧固定位；活塞头(7)外表面加工有圆环形凹槽，励磁线圈(12)缠绕在凹槽内；浮动活塞(10)与阻尼器缸筒(6)内表面间隙配合，并通过密封圈进行密封；阻尼器右端盖(9)与阻尼器缸筒(6)通过螺钉固定连接，并通过密封圈进行密封；阻尼器右端盖(9)右端加工有外螺纹，右吊耳(8)与阻尼器右端盖(9)通过螺纹紧固连接；活塞头(7)运动时，位移信息经由内置弹簧Ⅰ(13)以及内置弹簧Ⅱ (14)等比例转换为弹簧连接板(5)的微小移动；电容式位移传感器(4)检测弹簧连接板(5)的位移，得到包含弹簧连接板(5)位移信息的传感输出信号，此信号再等比例放大后即可得到活塞头(7)的位移信息；根据得到的活塞头(7)位移信息，适时的调整励磁线圈(12)电流大小，从而达到最优的阻尼力控制，使输出阻尼力更加柔顺，提高了阻尼效率的同时降低了能量消耗；当励磁线圈(12)供电电路突然中断时，内置弹簧Ⅰ(13)以及内置弹簧Ⅱ(14)可提供弹簧力；配合活塞头(7)与阻尼器缸筒(6)之间产生的粘滞阻力，可继续使阻尼器发挥减振作用，避免阻尼器受外部载荷冲击而损坏内部结构，起到自动保护作用；
活塞头的位移信息由x=x1(k1+k2)/k1计算得出，其中x为活塞头位移，x1为电容式位移传感器检测到的弹簧连接板的位移，k1为内置弹簧Ⅰ的弹性系数，k2为内置弹簧Ⅱ的弹性系数。
2.根据权利要求1所述的一种可检测活塞位移的磁流变阻尼器，其特征在于：阻尼器左端盖(3)、阻尼器缸筒(6)和活塞头(7)左端面之间的空腔形成磁流变液容腔Ⅰ；活塞头(7)右端面、阻尼器缸筒(6)和浮动活塞(10)之间的空腔形成磁流变液容腔Ⅱ；活塞头(7)圆周外表面与阻尼器缸筒(6)圆周内表面之间的环形间隙形成磁流变液液流通道；浮动活塞(10)、阻尼器缸筒(6)和阻尼器右端盖(9)左端面之间的空腔形成压缩气体容腔Ⅲ 。
3.根据权利要求1所述的一种可检测活塞位移的磁流变阻尼器，其特征在于：活塞头(7)与阻尼器缸筒(6)由低碳钢导磁材料制成；励磁线圈(12)中产生的磁力线通过活塞头(7)，经过液流通道中的磁流变液到达阻尼器缸筒(6)，再经过液流通道中的磁流变液返回活塞头(7)，形成闭合磁路。
4.根据权利要求1所述的一种可检测活塞位移的磁流变阻尼器，其特征在于：电容式位移传感器(4)的引线通过阻尼器左端盖(3)中的引线孔导出；励磁线圈(12)的引线通过活塞杆(2)中的引线孔导出。
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