CN108361319B - 一种橡胶减振器控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种橡胶减振器控制系统，包括刚度测量调节系统和刚度调节机构。在减振器所处工作环境变化时，外部环境测量模块用于测量外界环境振动加速度，经过对振动加速度数据处理计算出刚度调节所需的主要激励频率；经过减振器刚度优化模块实时计算减振器理论最优刚度，由减振器刚度调节模块根据减振器理论最优刚度，实时计算减振器橡胶压缩量，并将减振器橡胶压缩量转化为调节螺母的旋转量；刚度调节机构通过调节调节螺母的旋转量改变减振器初始预压量，使减振器的刚度适应外部工况而保持在最佳的隔振效果。

Description

一种橡胶减振器控制系统
技术领域
本发明涉及一种橡胶减振器，特别涉及一种橡胶减振器控制系统。
背景技术
机械振动普遍存在于各类机械设备中，振动的存在会对机械设备和相关人员造成不利影响。各类减振器被广泛地应用在机械设备的振动隔离中，用于减小噪声，提高舒适度，延长机械设备寿命。橡胶减振器作为一种重要的减振元件，由于其形状设计自由高，可以满足多向刚度的要求，内阻高而减振降噪的效果好、非线性承载性能、造价低廉等特性被用于汽车、铁路机车、水上运输工具、飞机及其他各类机械设备的减振降噪中。相较于传统的钢弹簧减振器，橡胶减振器具有具有质量小、形状可自由、拆卸方便等优点。
橡胶减振器的性能直接关系到减振系统的减振效果。影响橡胶减振器性能的主要因素由刚度和阻尼，阻尼是橡胶自身的固有特性，受形状的影响不大，而减振器刚度主要受减振器形状和胶料性能影响。现代各种机械设备常常需要在各种不同的环境下工作，减振系统受到的外界和内部的激励也随之变化，要达到最佳的减振效果就需对减振器的刚度特性进行调整。传统的橡胶减振器多为金属与橡胶层叠复合结构，其刚度特性在设计时就已经确定，无法在安装后调节，在应对变化的工况时其隔振效果无法达到最优。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在上述不足，提供一种橡胶减振器控制系统，在复杂多变的工作环境与振动情况下通过减振器控制系统调节减振器的刚度，以实现理想的隔振效果。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种橡胶减振器控制系统，包括：刚度测量调节系统和刚度调节机构；所述刚度测量调节系统包括外部环境测量模块、减振器刚度优化模块和减振器刚度调节模块；工作过程中，所述外部环境测量模块用于测量外界环境振动加速度，并对所述振动加速度进行数据处理而得到减震器刚度调节所需要主要激励频率；所述减振器刚度优化模块根据所述主要激励频率，并结合减振器的垂向静位移约束、惯性参数和期望的减振器隔振率参数，采用单自由度隔振理论，实时计算出减振器理论最优刚度；所述减振器刚度调节模块根据所述减振器理论最优刚度，实时计算减振器橡胶压缩量，并将所述减振器橡胶压缩量转化为减振器刚度调节量；所述刚度调节机构根据所述减振器刚度调节量改变减振器初始预压量，使减振器的刚度适应外部工况的变化。
优选的，所述减振器包括第一弹性橡胶体和第二弹性橡胶体；所述第一弹性橡胶体和所述第二弹性橡胶体在初始安装时均有一定的初始预压量，减振器处于工作状态时刚度为所述第一弹性橡胶体和所述第二弹性橡胶体刚度之和。
优选的，所述刚度调节机构包括螺杆和执行机构；所述执行机构通过改变螺杆上调节螺母的旋转量，来调节所述第一弹性橡胶体和所述第二弹性橡胶体的初始预压量，进而调节所述减振器的刚度。
优选的，所述减振器刚度调节模块根据所述减振器理论最优刚度和所述减振器的载荷-位移曲线，计算出所述减振器橡胶压缩量，并将所述减振器橡胶压缩量转换为调节螺母旋转量；其中所述减振器的载荷-位移曲线由实验测得。
优选的，所述外部环境测量模块包括加速度传感器；并分别在所述减振器的上、下连接基体上设置至少一个所述加速度传感器，以测量隔振前和隔振后的振动加速度。
优选的，所述外部环境测量模块还包括数据处理单元；所述数据处理单元用于对所述振动加速度进行数据处理，而得到减振器振动传递率、振动烈度和振动主要激励频率，并将振动主要激励频率传递给所述减振器刚度优化模块。
优选的，所述橡胶减振器控制系统还包括减震器刚度测量模块；且所述螺杆上还设置有应变片；所述减震器刚度测量模块通过对所述应变片的应变信号进行处理，得到所述第一弹性橡胶体和所述第二弹性橡胶体的载荷数据，再根据所述减振器的载荷-位移曲线，计算出所述减振器的刚度。
优选的，所述橡胶减振器控制系统还包括数据显示模块，用于显示所述根据橡胶减振器载荷-位移曲线计算出的所述减振器的刚度、所述振动传递率和所述振动烈度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供一种橡胶减振器控制系统，在减振器所处工作环境变化时，外部环境测量模块用于测量外界环境振动加速度，经过对振动加速度数据处理计算出刚度调节所需的主要激励频率；经过减振器刚度优化模块实时计算减振器理论最优刚度，由减振器刚度调节模块根据减振器理论最优刚度，实时计算减振器橡胶压缩量，并将减振器橡胶压缩量转化为调节螺母的旋转量；刚度调节机构通过调节螺母的旋转量改变减振器初始预压量，使减振器的刚度适应外部工况而保持在最佳的隔振效果。
附图说明
图1为本发明橡胶减振器控制系统的结构示意图；
图2为减振器结构剖视图；
图3为减振器结构俯视图；
图4为本发明橡胶减振器控制系统具有减振器刚度测量模块的结构示意图；
图5为本发明橡胶减振器控制系统中应变信号数据处理流程图；
图2中标记：1-调节螺母，2-垫片，3-顶板，4-第一弹性橡胶体，5-应变片，6-金属法兰，7-金属外套，8-螺栓，9-垫片，10-金属底座，11-第二弹性橡胶体
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1，如图1所示，刚度测量调节系统和刚度调节机构；所述刚度测量调节系统包括外部环境测量模块、减振器刚度优化模块和减振器刚度调节模块。
工作过程中，所述外部环境测量模块用于测量外界环境振动加速度，并对所述振动加速度进行数据处理而得到减震器刚度调节所需要主要激励频率。
所述减振器刚度优化模块根据所述主要激励频率，并结合减振器的垂向静位移约束、惯性参数和期望的减振器隔振率参数，采用单自由度隔振理论，实时计算出减振器理论最优刚度。
所述减振器刚度调节模块根据所述减振器理论最优刚度，实时计算减振器橡胶压缩量，并将所述减振器橡胶压缩量转化为减振器刚度调节量；所述刚度调节机构根据所述减振器刚度调节量改变减振器初始预压量，使减振器的刚度适应外部工况的变化。
实施例2，如图2所示，本发明刚度可调的橡胶减振器包括调节螺母1、垫片2、顶板3、第一弹性橡胶体4、应变片5、金属法兰6、金属外套7、螺栓8、垫片9、金属底座10、第二弹性橡胶体11、刚度测量调节系统12；顶板3、第一弹性橡胶体4、金属法兰6、金属外套7、第二弹性橡胶体11及金属底座10依次由上至下叠加安装，并在中间均开有圆形通孔；顶板3、金属法兰6、金属外套7、金属底座10中间圆形通孔均同轴设置；如图2金属法兰6与金属底座10四角设置四个安装孔；顶板3、第一弹性橡胶体4及金属法兰6通过胶粘剂及高温硫化粘结为一个整体结构；金属外套7、第二弹性橡胶体11及金属底座10通过胶粘剂及高温硫化粘结为一个整体结构；安装时顶板3、第一弹性橡胶体4及金属法兰6形成的整体结构与金属外套7、第二弹性橡胶体11及金属底座10形成的整体结构分开安装并最终通过螺栓8连接。螺栓8通过金属底座10上圆形通孔由下至上贯穿安装于上述叠加机构，并与调节螺母1相配合；螺栓8其螺杆顶部开有盲孔，盲孔底部向两侧开有通孔，联通于螺杆外壁；应变片5对称地贴于螺杆壁两侧并与刚度测量调节系统12连接；垫片2和垫片9分别与调节螺母1、螺栓8配合，起防松作用；调节螺母1与刚度测量调节系统12中的减振器刚度调节模块相连；刚度测量调节系统12中外部环境测量模块通过加速度传感器分别测量隔振前与隔振后的振动加速度，经数据处理单元对振动加速度经数据处理计算后得到的主要激励频率。其中数据处理包括对于本发明减振器的振动传递率的计算，如式(1)所示，振动烈度的计算，如式(2)所示；振动主要激励频率的计算，采用快速傅里变换(FFT),将时域加速度信号转换为频域信号并从中找出振动主要激励频率。
振动传递率计算公式：
Figure BDA0001556309130000061
式(1)中a1为减振器隔振后加速度，a2为减振器隔振前加速度。
振动烈度计算公式：
Figure BDA0001556309130000062
式(2)中Vrms为振动烈度，v为减振器隔振后速度，
减振器刚度优化模块根据所述主要激励频率并结合所述减振器的垂向静位移约束，惯性参数以及期望的减振器隔振率，采用单自由度隔振原理计算出所述减振器理论最优刚度，并将所述减振器理论最优刚度传递给所述减振器刚度调节模块。
机械设备惯性参数：
由于不考虑转动，机械设备的惯性参数只需要机械设备的质量m即可
例如：m＝1435.5kg
式(3)为减振器垂向位移约束，式(4)为减振器刚度调节最小值。忽略阻尼比，由式(5)、式(6)可导出式(7)计算出减振器理论最优动刚度kd。由式(8)可计算出理论最优静刚度ks。若ks<kmin则将ks传递给减振器刚度调节模块，否则将kmin传递给减振器刚度调节模块。
垂向静位移约束计算公式：
Smax＝min(S1,S2) (3)
式(3)中S1为减振器刚度调节最大垂向位移，S2为减振器安装结构支持的最大垂向位移。
减振器刚度调节最小值计算公式：
Figure BDA0001556309130000071
式(4)中m为单个减振器所承载质量，m＝M/n，M为总质量，n为减振器个数。
Figure BDA0001556309130000072
式(5)中ξ为减振系统的阻尼比，λ＝f/fn为减振系统的频率比，f为减振系统振动的主要激励频率，fn为减振系统的固有频率，由式(6)计算。
Figure BDA0001556309130000074
式(7)中m为单个减振器所承载质量，为期望减振率，f为激励频率。
Figure BDA0001556309130000076
式(8)中μ为橡胶减振器刚度动静比，计算出的ks为减振器静刚度。
本发明刚度可调的橡胶减振器初始安装时第一弹性橡胶体4与第二弹性橡胶体11均有一定的预压缩量。该橡胶减振器处于工作状态时第一弹性橡胶体4与第二弹性橡胶体11提供减振器刚度，其作用效果等效于弹簧并联，故该橡胶减振器的刚度为第一弹性橡胶体4刚度K1与第二弹性橡胶体11刚度K2之和。由于橡胶材料具有强烈的非线性，一般用载荷-位移曲线来描述橡胶减振器的动力学特性，载荷位移曲线一般由实验测得。
实施例3，如图3所示，在减振器的上、下连接基体上设置至少一个所述加速度传感器，以测量隔振前和隔振后的振动加速度。
实施例4，如图4所示，减震器刚度测量模块通过对所述应变片的应变信号进行处理，得到所述第一弹性橡胶体和所述第二弹性橡胶体的载荷数据，再根据所述减振器的载荷-位移曲线，计算出所述减振器的刚度，应变信号由设置于螺杆上的应变片5提供。
橡胶减振器控制系统包括数据显示模块，用于显示根据橡胶减振器载荷-位移曲线计算出的减振器刚度、计算得到的振动传递率和振动烈度。
如图5所示，应变信号数据处理方法如下：
在测量之前应先对测量系统进行标定调试，确定与应变信号所对应的载荷数值。即对减振器施加若干已知的标准载荷并反复调试测量系统使测量系统输出载荷与标准载荷一致。
应变片产生的应变信号经放大电路处理后换算为相应的载荷数值，再根据减振器载荷位-移曲线计算出减振器刚度。

Claims (5)

1.一种橡胶减振器控制系统，其特征在于，包括：刚度测量调节系统和刚度调节机构；所述刚度测量调节系统包括外部环境测量模块、减振器刚度优化模块和减振器刚度调节模块；工作过程中，所述外部环境测量模块用于测量外界环境振动加速度，并对所述振动加速度进行数据处理而得到减震器刚度调节所需要主要激励频率；所述减振器刚度优化模块根据所述主要激励频率，并结合减振器的垂向静位移约束、惯性参数和期望的减振器隔振率参数，采用单自由度隔振理论，实时计算出减振器理论最优刚度；所述减振器刚度调节模块根据所述减振器理论最优刚度，实时计算减振器橡胶压缩量，并将所述减振器橡胶压缩量转化为减振器刚度调节量；所述刚度调节机构根据所述减振器刚度调节量改变减振器初始预压量，使减振器的刚度适应外部工况的变化；
所述减振器包括第一弹性橡胶体和第二弹性橡胶体；所述第一弹性橡胶体和所述第二弹性橡胶体在初始安装时均有一定的初始预压量，减振器处于工作状态时刚度为所述第一弹性橡胶体和所述第二弹性橡胶体刚度之和；
所述刚度调节机构包括螺杆和执行机构；所述执行机构通过改变螺杆上调节螺母的旋转量，来调节所述第一弹性橡胶体和所述第二弹性橡胶体的初始预压量，进而调节所述减振器的刚度；
还包括减震器刚度测量模块；且所述螺杆上还设置有应变片；所述减震器刚度测量模块通过对所述应变片的应变信号进行处理，得到所述第一弹性橡胶体和所述第二弹性橡胶体的载荷数据，再根据所述减振器的载荷-位移曲线，计算出所述减振器的刚度；
在竖直方向上压缩时，所述第一弹性橡胶体受力为竖直方向；所述第二弹性橡胶体受力方向可分解成垂直于接触面的分量和平行于接触面的分量，所述接触面为第二弹性橡胶体和金属外套之间的接触面。
2.根据权利要求1所述的橡胶减振器控制系统，其特征在于，所述减振器刚度调节模块根据所述减振器理论最优刚度和所述减振器的载荷-位移曲线，计算出所述减振器橡胶压缩量，并将所述减振器橡胶压缩量转换为调节螺母旋转量；其中所述减振器的载荷-位移曲线由实验测得。
3.根据权利要求1所述的橡胶减振器控制系统，其特征在于，所述外部环境测量模块包括加速度传感器；并分别在所述减振器的上、下连接基体上设置至少一个所述加速度传感器，以测量隔振前和隔振后的振动加速度。
4.根据权利要求3所述的橡胶减振器控制系统，其特征在于，所述外部环境测量模块还包括数据处理单元；所述数据处理单元用于对所述振动加速度进行数据处理，而得到减振器振动传递率、振动烈度和振动主要激励频率，并将主要激励频率传递给所述减振器刚度优化模块。
5.根据权利要求1所述的橡胶减振器控制系统，其特征在于，还包括数据显示模块，用于显示所述根据橡胶减振器载荷-位移曲线计算出的所述减振器的刚度、所述振动传递率和所述振动烈度。
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