CN108253075B - 一种具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器，包括穿过缸体一端的活塞杆，所述活塞杆位于缸体内部的部位上设置活塞体，活塞体上设置励磁线圈；缸体内充满磁流变液；缸体的外侧固定弹簧底座，活塞杆的顶端设置弹簧顶盖，所述弹簧底座与弹簧顶盖间设置多组弹簧和磁铁柱串联体，每组弹簧和磁铁柱串联体均包括两个串联体，每个串联体包括依次串联的弹簧、磁柱体、弹簧，两个串联体以活塞杆的轴线为轴对称设置；弹簧底座上还设置绕线柱，绕线柱上缠绕线圈；磁铁柱整体处在绕缠线圈的绕线柱的腔室内；本发明的优点是：实现了对安装有半主动磁流变阻尼器且具有多工作频段的结构处的振动能量更加高效地回收。

Description

一种具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器
技术领域
本发明涉及一种工程用振动能量回收设备，具体涉及一种应用法拉第电磁感应定律且具有多工作频段的能量回收结构的磁流变液阻尼器的设计。
背景技术
磁流变液是一种流变特性可控的新型智能材料，在无外界磁场作用时，其具有良好的流动性，而在施加外磁场后，磁流变液可以在毫秒级的时间内从磁性颗粒无序分布的状态转变成沿磁力线方向的链状或柱状微结构，使其表观粘度增加两个数量级以上，呈现类固体的力学性质。一般半主动磁流变阻尼器是以磁流变液作为阻尼器的工作液，并在阻尼器的活塞上缠绕多匝线圈，其中通上电流后产生的磁场作用于磁流变液，通过调控励磁线圈中的电流来改变磁流变液的表观粘度，实现对阻尼的动态控制。磁流变智能材料制作的半主动阻尼器具有响应快、结构简单、阻尼力连续顺逆可调、易与计算机结合实现智能控制等一般被动阻尼器或隔振器所没有的优点，因而有着广泛的应用前景。但其工作离不开电源供给，在一些恶劣或持续供电存在困难的工程环境里，我们可以考虑从应用阻尼器的结构振动中转化部分振动能量为电能，通过储存装置实现对磁流变阻尼器的电能供给。
发明内容
为了实现对安装有半主动磁流变阻尼器且具有多工作频段的结构处的振动能量更加高效地回收，本发明提出一种具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器，具体技术方案如下：
一种具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器，包括穿过缸体一端的活塞杆，所述活塞杆位于缸体内部的部位上设置活塞体，活塞体上设置励磁线圈；缸体内充满磁流变液；缸体的外侧固定弹簧底座，活塞杆的顶端设置弹簧顶盖，所述弹簧底座与弹簧顶盖间设置多组弹簧和磁铁柱串联体，每组弹簧和磁铁柱串联体均包括两个串联体，每个串联体包括依次串联的弹簧、磁柱体、弹簧，两个串联体以活塞杆的轴线为轴对称设置；弹簧底座上还设置绕线柱，绕线柱上缠绕线圈；磁铁柱整体处在绕缠线圈的绕线柱的腔室内；所述线圈与蓄电设备连接；每组弹簧和磁铁柱串联体中的弹簧的弹性系数k，磁柱体的质量m满足下式：其中ωn为磁铁柱的固有频率，选取参数k，m的组合使得ωn与位移激励x1的频率相近。
所述弹簧和磁铁柱串联体中，每组的弹簧的弹性系数不同。
所述弹簧和磁铁柱串联体中，每组的磁铁柱的质量不同。
所述弹簧和磁铁柱串联体为三组，且均匀排列。
所述绕线柱的外侧设置防尘罩。
所述壳体的上方设置顶端盖，壳体的下方设置底端盖，所述底端盖与双头螺栓螺纹连接。
所述防尘罩上端与弹簧顶盖通过螺栓固定。
所述防尘罩与弹簧底座间设置防沉毛毡圈。
本发明的优点是：实现了对安装有半主动磁流变阻尼器且具有多工作频段的结构处的振动能量更加高效地回收。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明实例装配体的剖视图；
图3是图2去除防尘罩和绕线柱上线圈后的三维视图；
图4是图2中只显示一对磁铁柱-弹簧串联体的结构布置的三维视图；
图5是弹簧底座结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
图2中：1活塞杆，2螺母(M8)，3弹簧顶盖，4弹簧I(刚度k1)，5弹簧II(刚度k2)，6弹簧III(刚度k3)，7磁铁柱(质量m，径向充磁)，8绕线柱，9线圈，10防尘罩，11防沉毛毡圈，12弹簧底座，13缸体，14六角螺栓(M3×10)，15底端盖，16双头螺柱，17O型密封圈，18活塞体(DT-4)，19紧定螺栓(M3×7)，20励磁线圈,21六角螺栓(M2×8)，22顶端盖，除外购件外以上其他零件未注材质均为45钢，图中的标注23指的是导线槽，点状物24表示的是磁流变液，其他标注如图。
图3是拆除了防尘罩10和绕线柱8上的线圈I9之后的所述具有多频能量回收功能的磁流变液阻尼器整体外观结构，由此可以看出弹簧-磁铁柱-绕线柱串联体的空间分布规律。
图5中的局部放大图的环状突起结构是为了防止弹簧与弹簧底座脱离接触。
本发明原理如图1示，图上的活塞杆1通过弹簧顶盖3与弹簧I4、弹簧II 5、弹簧III6相连，弹簧I4、弹簧II 5、弹簧III6连接磁铁柱7的上端，磁铁柱7的下端与弹簧I4、弹簧II 5、弹簧III6连接，磁铁柱7整体处在绕缠导线圈的绕线柱8的腔室内，弹簧I、弹簧II 5、弹簧III6下端固定在弹簧底座12上，活塞杆1与弹簧底座12有相对运动位移激励x1，如此活塞杆1的振动传到磁铁柱7上并使其切割线圈产生输出电动势，由此完成振动能量向电能的转化，即为振动能量回收。上述弹簧刚度均为k，磁铁柱7质量为m，由动力学知识可知，磁铁柱7的固有频率ωn为选取参数k，m的组合使得ωn与位移激励x1的频率相近，则磁铁柱7的运动就会接近共振状态，其运动(位移和速度)的幅值会比激励的幅值要大，而其切割导线圈产生的电能就会增大，这样振动能量的回收效率也得以提高。
本发明结构中，弹簧底座12与缸体13上的预留的阶梯结构实现配装，在通过紧定螺栓19实现上述两者之间的周向和轴向的固定；这里的弹簧I4、弹簧II 5、弹簧III6分别安装在磁铁柱7的两端，且磁铁柱两端使用同种弹簧，形成两个弹簧-磁铁柱-弹簧这样顺序的串联体；前述的串联体以活塞杆的轴线为对称轴，对称安装在弹簧底座12的既定位置，如图4所示；接着将绕缠既定匝数线圈9的绕线柱8安装在弹簧底座12上的既定位置上，其腔室完全将前述串联体容括在内；而前述串联体的另一端则是与弹簧顶盖3上既定的柱槽形成过盈配合；弹簧顶盖3通过中心的孔安装在活塞杆1既定位置处的阶梯结构上，外侧用螺栓2加以压紧固定；防沉毛毡圈11安装在弹簧底座12既定的环形槽内；防尘罩10通过螺栓21固定在弹簧顶盖3上。当该阻尼器工作时，活塞杆1会在缸体13的轴向上以工况频率做往复运动，其运动通过弹簧顶盖3传递到弹簧上，此时弹簧I4、弹簧II 5、弹簧III6和磁铁柱7形成串联体时，其中的磁铁柱7就会存在3种不同的固有频率，分别与正常工况(指的是本发明被使用的的场合)下的3种频率相近，这样就会总是有一组上述串联体中的磁铁柱7以处于接近共振的状态切割绕线柱8上的线圈9，从而高效地将振动能够量转换为电能输出，从而实现对多频振动源能量回收的设计初衷。
需要指出的是，这里回收来的电能并不能直接应用于本发明所述阻尼器自身的励磁线圈20上，需要经由交流变直流的步骤后进入到小型蓄电设备中，然后由小型蓄电设备给本发明所述阻尼器的励磁线圈20供电。
所述具有多频能量回收功能的磁流变液阻尼器中除了上述构成的多频能量回收机构的各零件之外，其他零件的配合关系如图2并描述如下：将励磁线圈20绕缠于活塞18上的既定位置，导线经由导线槽23进入导杆中心处的长直通孔引出到外界电源上；活塞18上部与导杆下表面通过螺栓14形成固定连接；导杆1与顶端盖23形成小间隙配合，并在既定位置处安装密封圈17；顶端盖22与缸体13用螺栓14实现固定连接，并在既定位置安装密封圈；底端盖15与缸体13通过螺栓14形成固定连接，并同时在既定位置安装密封圈；双头螺柱16一端通过M8螺纹安装在底端盖15中心处的将螺纹孔处。
其次，磁铁柱7两端部有环状凸起结构(与图5中的放大结构相同)，防止弹簧-磁铁柱串联体运动过程中出现脱离接触的情况。
再次，绕缠既定匝数线圈9的绕线柱8与弹簧底座12之间为过盈配合且配合接触面处点涂有金属胶以增强配合。
再次，导杆1与活塞18经由螺栓14形成的压合接触面处及导线槽处压入有热熔胶，防止磁流变液经由这些地方产生泄露。
最后，本发明中在设计三组固有频率ωn时采用的是保持磁铁柱7质量不变，而变化出三种弹簧刚度的方式，事实上依据前文所提到的弹簧-磁铁柱串联体中磁铁柱7固有频率的表达式，也可以采取保持弹簧刚度不变而变化出三种磁铁柱质量的方式来实现上述目的。

Claims (8)

1.一种具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器，其特征在于：包括穿过缸体一端的活塞杆，所述活塞杆位于缸体内部的部位上设置活塞体，活塞体上设置励磁线圈；缸体内充满磁流变液；缸体的外侧固定弹簧底座，活塞杆的顶端设置弹簧顶盖，所述弹簧底座与弹簧顶盖间设置多组弹簧和磁铁柱串联体，每组弹簧和磁铁柱串联体均包括两个串联体，每个串联体包括依次串联的弹簧、磁柱体、弹簧，两个串联体以活塞杆的轴线为轴对称设置；弹簧底座上还设置绕线柱，绕线柱上缠绕线圈；磁铁柱整体处在绕缠线圈的绕线柱的腔室内；所述线圈与蓄电设备连接；每组弹簧和磁铁柱串联体中的弹簧的弹性系数k，磁柱体的质量m满足下式：其中ωn为磁铁柱的固有频率，选取参数k，m的组合使得ωn与位移激励x1的频率相近，则磁铁柱的运动就会接近共振状态，其运动的幅值会比激励的幅值要大，而其切割导线圈产生的电能就会增大，这样振动能量的回收效率也得以提高。
2.根据权利要求1所述的具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器，其特征在于：所述弹簧和磁铁柱串联体中，每组的弹簧的弹性系数不同。
3.根据权利要求1所述的具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器，其特征在于：所述弹簧和磁铁柱串联体中，每组的磁铁柱的质量不同。
4.根据权利要求1所述的具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器，其特征在于：所述弹簧和磁铁柱串联体为三组，且均匀排列。
5.根据权利要求1所述的具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器，其特征在于：所述绕线柱的外侧设置防尘罩。
6.根据权利要求1所述的具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器，其特征在于：所述壳体的上方设置顶端盖，壳体的下方设置底端盖，所述底端盖与双头螺栓螺纹连接。
7.根据权利要求5所述的具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器，其特征在于：所述防尘罩上端与弹簧顶盖通过螺栓固定。
8.根据权利要求5所述的具有多频段振动能量回收能力的磁流变阻尼器，其特征在于：所述防尘罩与弹簧底座间设置防沉毛毡圈。
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