CN108412946A - 刚度及阻尼可调的半主动隔振系统 - Google Patents

刚度及阻尼可调的半主动隔振系统 Download PDF

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刘斌双
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Abstract

本发明公开了一种刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，包括：振动传感器，用于测量有效载荷和/或承载体的振动信息；弹性元件，一端连接有效载荷，另一端连接承载体；阻尼元件，一端连接有效载荷，另一端连接承载体；刚度调节机构，用于调节弹性元件的刚度；阻尼调节机构，用于调节阻尼元件的阻尼；以及控制器，用于接收振动传感器的信号，并向刚度调节机构或阻尼调节机构发出调整信号，通过刚度调节机构对弹性元件的刚度进行调节，通过阻尼调节机构对阻尼元件的阻尼进行调节，从而实现隔振。本发明可以利用较少的能源实时改变半主动隔振系统的刚度和阻尼大小，达到接近主动隔振系统的效果，且一定程度上避免了控制失稳问题。

Description

刚度及阻尼可调的半主动隔振系统
技术领域
本发明涉及振动与噪声控制技术领域，具体地，涉及一种刚度及阻尼可调的半主动隔振系统。
背景技术
根据关注减振对象不同，可将隔振分为消极隔振和积极隔振；其中，消极隔振是隔离承载体振动传递给设备，积极隔振指隔离设备本身产生的振动传递给承载体。通常隔振系统根据是否采用控制单元可分为被动隔振系统、主动隔振系统以及半主动隔振系统。被动隔振系统通常利用一定的弹性和阻尼元件实现隔振，由于不存在传感、控制回路，不需外部输入能量，因此具有结构简单、可靠性高等优点。主动隔振系统相较于被动隔振系统，需要向系统输入一定的能量以抵消扰动力做的功，通常系统包含作动器、传感器以及控制器以实现传统被动隔振系统不能实现的隔振性能。半主动隔振系统则是介于被动和主动控制系统之间，其作动器不是直接在承载体和载荷之间施加作用力，而是通过作动器施加少量能量改变刚度元件和阻尼元件性能，从而在实现接近于主动控制系统隔振效果的同时保证一定的可靠性。
中国发明专利CN 102459946 B公开了一种主动式隔振阻尼系统，该系统通过将作动器与有效载荷以及承载体之间相连，通过控制器处理传感器信号并给作动器输入作动信号，从而实现主动隔振控制，以阻尼有效载荷的振动。但是，在实现隔振的过程中，需要向系统输入较多的能量，且由于采用作动器采用主动控制方式，当外界扰动较大时，作动器可能会出现控制失稳现象，从而造成有效载荷的损坏。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，以解决现有技术中主动隔振控制所需要的能量较大以及控制易存在失稳的问题。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明所述刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，连接在有效载荷与承载体之间，包括：
振动传感器，用于测量所述有效载荷和/或所述承载体的振动信息；
弹性元件，一端连接所述有效载荷，另一端连接所述承载体；
阻尼元件，一端连接所述有效载荷，另一端连接所述承载体；
刚度调节机构，用于调节所述弹性元件的刚度；
阻尼调节机构，用于调节所述阻尼元件的阻尼；以及
控制器，用于接收所述振动传感器的信号，并向所述刚度调节机构或所述阻尼调节机构发出调整信号，通过所述刚度调节机构对所述弹性元件的刚度进行调节，通过所述阻尼调节机构对所述阻尼元件的阻尼进行调节，从而实现隔振。
优选地，所述弹性元件包括两端固支梁的结构形式，所述刚度调节机构通过调节两端固支梁的水平受力调节所述弹性元件的刚度。
优选地，两端固支梁的上表面和下表面均设置有滑动铰支撑，所述刚度调节机构通过调节所述滑动铰支撑的水平位置调节所述弹性元件的刚度。
优选地，所述半主动隔振系统还包括第一连接部和第二连接部，所述第一连接部连接在所述有效载荷和所述弹性元件以及所述阻尼元件之间，所述第二连接部连接在所述承载体和所述弹性元件以及所述阻尼元件之间。
优选地，所述振动传感器安装在所述第一连接部和/或所述第二连接部上。
优选地，所述刚度调节机构与所述弹性元件直接集成，或者，所述刚度调节机构单独设置。
优选地，所述阻尼调节机构与所述阻尼元件直接集成，或者，所述阻尼调节机构单独设置。
优选地，所述弹性元件和所述阻尼元件均有一个或多个，分布在所述有效载荷和所述承载体之间。
优选地，所述振动传感器有一个或多个。
优选地，所述刚度调节机构和所述阻尼调节机构是液压式作动机构、电磁式作动机构、气动式作动机构或基于智能材料的作动机构中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明通过输入较少的能量将有效载荷和承载体进行振动隔离，通过分别改变弹性元件和阻尼元件的刚度以及阻尼特性，实现接近如主动隔振的效果；当控制失效时，由于刚度元件和阻尼元件仍连接在有效载荷以及承载体之间，半主动隔振系统依旧可以发挥一定的隔振阻尼效果，从而一定程度上避免了控制失稳的问题。
本发明一方面可以实现承载体振动向有效载荷传递的隔离(即消极隔振)，也可以实现有效载荷振动向承载体传递的隔离(即积极隔振)，同时也可以同时实现消极和积极振动隔离，具有较高的隔振效果以及抑制共振放大作用，另一方面，由于本发明中的作动机构不直接与有效载荷以及承载体连接，而具有能量消耗少和控制稳定等优点。
附图说明
图1是本发明所述半主动隔振系统结构示意图；
图2a是本发明中弹性元件一个可选实施例的结构示意图；
图2b是本发明中弹性元件再一个可选实施例的结构示意图；
图3是本发明中刚度及阻尼调节效果对比示意图；
图4是本发明所述半主动隔振系统可选实施例结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
下面结合图1-图4来详细说明本发明。
图1是本发明所述半主动隔振系统结构示意图，如图1所示，本发明所述半主动隔振系统2连接在有效载荷1与承载体4之间，包括：
振动传感器3，用于测量有效载荷1和/或承载体4的振动信息，振动信息包括平动和转动两种信息；
弹性元件7，一端连接有效载荷1，另一端连接承载体4；
阻尼元件8，一端连接有效载荷1，另一端连接承载体4；
刚度调节机构，用于调节弹性元件7的刚度；
阻尼调节机构，用于调节阻尼元件8的阻尼；以及
控制器5，用于接收振动传感器3的信号，并向刚度调节机构或阻尼调节机构发出调整信号，通过刚度调节机构对弹性元件7的刚度进行调节，通过阻尼调节机构对阻尼元件8的阻尼进行调节，从而实现隔振。
本发明所述半主动隔振系统可以利用较少的能源将有效载荷1和承载体4进行振动隔离，根据有效载荷或承载体的振动信息，实时改变半主动隔振系统2的刚度和阻尼大小，从而达到接近主动隔振系统的效果。并且，本发明中，由于弹性元件7和阻尼元件8均连接在有效载荷1与承载体4之间，当控制器5的控制失效时，也可以实现隔振阻尼效果，避免由于控制失稳导致的一系列问题。
本发明中，振动传感器3主要用于测量有效载荷1或承载体4的振动信息，可以是电磁式、静电式、电容式、压电式、光电式或者其他任何能有效测量振动的传感器类型，可以有一个或多个。振动传感器3可以直接布置在有效载荷或承载体4上，测量振动信息，并将振动信息传递至控制器5。
在一个可选的实施例中，本发明所述半主动隔振系统2还包括第一连接部6和第二连接部9，第一连接部6连接在有效载荷1和弹性元件7以及阻尼元件8之间，第二连接部9连接在承载体4和弹性元件7以及阻尼元件8之间。第一连接部6和第二连接部9均可以是连接法兰。振动传感器3也可以布置在第一连接部6和/或第二连接部9上，以测量相应的有效载荷1或承载体4的振动信息。
本发明中，通过实时调节刚度和阻尼的大小，以达到接近主动隔振系统的效果，其中，通过刚度调节机构来调节弹性元件7的刚度，通过阻尼调节机构调节阻尼元件8的阻尼。刚度调节机构可以与弹性元件7直接集成，或者，刚度调节机构单独设置。刚度调节机构可以是液压式作动机构、电磁式作动机构、气动式作动机构或基于智能材料的作动机构中的一种或多种。其中，基于智能材料的作动机构可以是压电作动器、形状记忆合金(SMA)作动器以及磁致伸缩作动器等结构形式。在同一个半主动隔振系统中，可以选择同一种结构形式的刚度调节机构使用，也可以选择多种不同结构形式的刚度调节机构并用。
弹性元件7的刚度变化主要可以通过改变弹性元件边界条件，或采用非线性弹性元件等形式实现。图2a是本发明中弹性元件一个可选实施例的结构示意图，如图2a所示，弹性元件7包括两端固支梁11，两端固支梁11的两端为固定端10，刚度调节机构通过调节两端固支梁11的水平受力(拉力或压力Fx)来改变其垂向刚度，从而调节弹性元件7的刚度。图2b是本发明中弹性元件再一个可选实施例的结构示意图，如图2b所示，弹性元件7包括两端固支梁11，两端固支梁11的两端为固定端10，两端固支梁11的上表面和下表面均设置有滑动铰支撑12，刚度调节机构通过调节滑动铰支撑12的水平位置改变两端固支梁11的垂向刚度，从而调节弹性元件7的刚度。
以上，仅以两端固支梁为例进行说明，而本发明并不限于此，也可以是板或壳等结构。
类似地，阻尼调节机构与阻尼元件8直接集成，或者，阻尼调节机构单独设置。阻尼调节机构也可以是液压式作动机构、电磁式作动机构、气动式作动机构或基于智能材料的作动机构中的一种或多种。阻尼元件8的阻尼变化主要可以通过改变摩擦面压力大小，气体、液体流通阀门大小，磁流变液(MR)所处磁场，或者电流变液(ER)所处的电场等形式实现。
图3是本发明中刚度及阻尼调节效果对比示意图，如图3所示，本发明通过实时调节刚度及阻尼可以实现较高的隔振效果以及抑制共振放大作用。当半主动隔振系统2的刚度调小时，可以实现系统的固有频率变小，系统的隔振频带变宽，同时，相对于被动隔振系统，同一激励频率下，振动传递率小，隔振效果更佳；当针对系统固有频率处的阻尼进行调节，可实现抑制共振放大率的同时，基本不改变系统其他频率的隔振效率。
在一个可选的实施例中，弹性元件7和阻尼元件8均可以有多个，分布在有效载荷1和承载体4之间。弹性元件7和阻尼元件8的具体布置方式根据有效载荷的分布而定。图4是本发明所述半主动隔振系统可选实施例结构示意图，如图4所示，半主动隔振系统2包括振动传感器3、控制器5、第一连接部6、第二连接部9、多个弹性元件7和阻尼元件8，多个振动传感器3布置在第一连接部6上，测量有效载荷的振动信息。第一连接部6为类似于平台的结构形式，可以将表征有效载荷的机械设备直接放置于平台上，通过平台上设置的振动传感器测量机械设备的振动信息，从而通过所述半主动隔振系统实现机械设备的有效隔振。当有效载荷为大型机械设备时，可在每个机脚布置相应的弹性元件7及阻尼元件8，所有元件共用一套传感器和控制器5，此时第一连接部6可以用作设备安装机架。当有效载荷发生振动时，为避免摇摆信号对垂直信号的干扰，可采用多个振动传感器3并用进行工作振动模态识别。控制器5接收振动传感器3的感应信号，通过从感应信号中解耦出竖直方向分量，并根据控制要求经过算法处理后输出调整信号，将调整信号传递给刚度调节机构或阻尼调节机构，控制刚度调节机构或阻尼调节机构对弹性元件7和阻尼元件8的性能参数进行调节，从而实现振动的隔离，并有效抑制共振峰能。
本发明所述半主动隔振系统可广泛应用于汽车、船舶、飞机、航天器、动力机械、精密仪器以及精密加工等领域的隔振。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，连接在有效载荷与承载体之间，其特征在于，所述半主动隔振系统包括：
振动传感器，用于测量所述有效载荷和/或所述承载体的振动信息；
弹性元件，一端连接所述有效载荷，另一端连接所述承载体；
阻尼元件，一端连接所述有效载荷，另一端连接所述承载体；
刚度调节机构，用于调节所述弹性元件的刚度；
阻尼调节机构，用于调节所述阻尼元件的阻尼；以及
控制器，用于接收所述振动传感器的信号，并向所述刚度调节机构或所述阻尼调节机构发出调整信号，
通过所述刚度调节机构对所述弹性元件的刚度进行调节，通过所述阻尼调节机构对所述阻尼元件的阻尼进行调节，从而实现隔振。
2.根据权利要求1所述的刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，其特征在于，所述弹性元件包括两端固支梁，所述刚度调节机构通过调节两端固支梁的水平受力调节所述弹性元件的刚度。
3.根据权利要求2所述的刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，其特征在于，两端固支梁的上表面和下表面均设置有滑动铰支撑，所述刚度调节机构通过调节所述滑动铰支撑的水平位置调节所述弹性元件的刚度。
4.根据权利要求1所述的刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，其特征在于，所述半主动隔振系统还包括第一连接部和第二连接部，所述第一连接部连接在所述有效载荷和所述弹性元件以及所述阻尼元件之间，所述第二连接部连接在所述承载体和所述弹性元件以及所述阻尼元件之间。
5.根据权利要求4所述的刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，其特征在于，所述振动传感器安装在所述第一连接部和/或所述第二连接部上。
6.根据权利要求1所述的刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，其特征在于，所述刚度调节机构与所述弹性元件直接集成，或者，所述刚度调节机构单独设置。
7.根据权利要求1所述的刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，其特征在于，所述阻尼调节机构与所述阻尼元件直接集成，或者，所述阻尼调节机构单独设置。
8.根据权利要求1所述的刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，其特征在于，所述弹性元件和所述阻尼元件均有多个，分布在所述有效载荷和所述承载体之间。
9.根据权利要求1所述的刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，其特征在于，所述振动传感器有一个或多个。
10.根据权利要求1所述的刚度及阻尼可调的半主动隔振系统，其特征在于，所述刚度调节机构和所述阻尼调节机构是液压式作动机构、电磁式作动机构、气动式作动机构或基于智能材料的作动机构中的一种或多种。
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