CN108425989A - 一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器，包括吸振器、控制系统和振动模拟板，所述吸振器包括配重块、摆动支杆、旋转轴、上架体、下架体、伺服电机、法兰盘、扭簧上支架、扭簧、扭簧下支架；所述控制系统包括加速度传感器、动态信号分析仪、上位机、运动控制卡、驱动器；本发明通过扭簧和伺服电机的并联设计，成功地将扭簧的被动控制方式和伺服电机的半主动控制方式并联结合，整个吸振器既具有半主动控制方式的耗能低、稳定性好、参数可调、适用于非线性大幅振动的特点，又具有被动控制方式的结构简单、成本低廉、无需大量外界能量输入的特点；响应迅速、适用范围广泛、减振效果十分明显。

Description

一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器
技术领域
本发明涉及应用于机械振动领域，特别是涉及一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器，具体适用于高度耦合非线性的空间大型结构减振、柔性机械臂减振等领域。
背景技术
随着现代航天科技的发展，对于太空探测的要求逐步提升，为获取微小发射功率信号航天器帆板结构向大尺寸发展。这种空间大型柔性复杂结构在轨工作时，因为姿态调整、动力干扰、太空风等的影响而发生振动，影响信号准确传输。强烈的振动还会严重地影响各种有效载荷地正常工作，导致系统性能下降甚至失效，直接威胁航天结构的安全。因此，如何抑制这些振动使空间大型结构体能够准确运动成为关键。
内共振为非线性振动系统特有的现象。对于振动系统中的两个固有频率，在满足内共振条件时，两个振动模态强烈地耦合，发生一种振动激发另一种振动的现象，称为非线性系统振动的内共振现象。在不计阻力的条件下，系统的能量在两种振动之间不断地转换而不衰减，振幅和相位周期性变化。内共振耗能减振方法并非直接针对外界激励，而是着眼于构建一种基于内共振的内部能量交换机制，从而把被控模态受外界激励而产生的振动能量吸收并且耗散掉。
现有吸振器的设计中提供刚度和阻尼的元器件主要有伺服电机和扭簧两种，单独使用伺服电机具有调节方便、结构简单等优点，但是可靠性差，伺服电机出现任何问题会直接反映至吸振器上，降低减振效果，甚至导致吸振器无法工作，不易满足空间大型结构的高可靠性要求；单独使用扭簧可靠性高，但是结构复杂、调节困难和适应性差，一旦整体结构固定，吸振器的刚度和阻尼参数就无法跟随太空环境进行适应性的调节，不能适应复杂多变的太空环境要求。目前，缺乏一种具有较高可靠性、良好适应性，同时成功利用非线性振动内共振理论的吸振器。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器，可以利用非线性内共振机理，将半主动式减振方式和被动式减振方式并联组合，具有可靠的稳定性和广泛的适应性，能够针对减振对象的频率特性进行适应性调节，吸收减振对象的振动能量利用自身的阻尼进行耗散，达到良好的减振效果。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器，其特征在于所述装置包括吸振器(1)、控制系统(2)和振动模拟板(3)；
所述吸振器包括配重块(1.1)、摆动支杆(1.2)、旋转轴(1.3)、上架体(1.4)、下架体(1.5)、伺服电机(1.6)、法兰盘(1.7)、扭簧上支架(1.8)、扭簧(1.9)、扭簧下支架(1.10)；所述配重块(1.1)近似为球体，其上有安装孔，通过螺钉安装于摆动支杆(1.2)上，位置可进行调节；所述摆动支杆(1.2)固定连接于旋转轴(1.3)顶部，其上有三个通孔用于调节配重块(1.1)安装位置；所述上架体(1.4)固定连接于下架体(1.5)上，组成一个完整的立方体支撑架体；所述下架体(1.5)与上架体(1.4)固定连接后，整体再固定连接于振动模拟板(3)上；所述伺服电机固定(1.6)连接于下架体(1.5)上，伺服电机(1.6)的转轴与旋转轴(1.3)底部的安装孔为键联接，伺服电机(1.6)可驱动旋转轴(1.3)转动；所述法兰盘(1.7)安装于上架体(1.4)上，为旋转轴(1.3)提供转动支撑；所述扭簧上支架(1.8)上端通过螺钉与旋转轴(1.3)固定连接，下端通过安装孔与扭簧(1.9)固定连接；所述扭簧(1.9)一端固定连接于扭簧上支架(1.8)，另一端固定连接于扭簧下支架(1.10)；所述扭簧下支架(1.10)上端与扭簧(1.9)相连接，下端通过六个螺钉与下架体(1.5)固定连接；
所述控制系统(2)包括加速度传感器(2.1)、动态信号分析仪(2.2)、上位机(2.3)、运动控制卡(2.4)、驱动器(2.5)；所示加速度传感器(2.1)安装于振动模拟板(3)的最远端，即振动幅度较大的位置；所述动态信号分析仪(2.2)前后两端分别连接加速度传感器(2.1)和上位机(2.3)；所述上位机(2.3)前后两端分别连接动态信号分析仪(2.2)和运动控制卡(2.4)；所述运动控制卡(2.4)前后两端分别连接上位机(2.3)和驱动器(2.5)；所述驱动器(2.5)前后两端分别与运动控制卡(2.4)和伺服电机(1.6)相连。
进一步地，所述扭簧(1.9)与伺服电机(1.6)属于并联关系，一般工作状态下，单独使用扭簧(1.9)，吸振器即可具有良好吸振效果；当被吸振对象自身发生变化，伺服电机(1.6)可以在扭簧(1.9)的基础之上进行精细的参数调节，保证吸振器依然具有良好的吸振性能。
进一步地，所述摆动支杆(1.2)具有两种截面形状，分别为矩形和圆形，圆形截面部分为圆柱，用于安装配重块(1.1)，矩形截面部分为长条状钢材；摆动支杆上有一个沉孔和四个安装孔，沉孔用于和旋转轴(1.3)的轴头配合定位，安装孔用于安装螺钉来固定连接旋转轴(1.3)。
进一步地，所述旋转轴(1.3)底部与伺服电机(1.6)通过键联接，旋转轴(1.3)上有安装孔，用于与扭簧上支架(1.8)通过螺钉固定连接，旋转轴(1.3)与扭簧下支架(1.10)为轴孔配合，接触部分表面粗糙度等级较高。
进一步地，所述上架体(1.4)和下架体(1.5)均为厚度3mm的壳体，上架体(1.4)与下架体(1.5)之间通过八个螺栓连接，上架体和下架体组成的整体有八个长条孔，用于与振动模拟板(3)通过螺栓固定连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过扭簧和伺服电机的并联设计，成功地将扭簧的被动控制方式和伺服电机的半主动控制方式并联结合，整个吸振器既具有半主动控制方式的耗能低、参数可调、适应性强的特点，又具有被动控制方式的结构简单、成本低廉、可靠性高的特点；针对减振对象的不同振动频率，对于基础频率，可以使用吸振器扭簧单独的刚度和阻尼进行适应，对于基础频率附近变化的频率，可以在扭簧的参数之上精细地调节伺服电机的刚度和阻尼随之进行适应，进而有效吸收减振对象的振动能量并进行耗散，响应迅速、适用范围广泛、减振效果明显。
附图说明
图1为本发明的一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器总体系统示意图；
图2为本发明中的吸振器结构剖视图；
图3为本发明中的配重块结构示意图；
图4为本发明中的摆动支杆结构示意图；
图5为本发明中的旋转轴结构示意图。
图6为本发明中的上架体结构示意图。
图7为本发明中的下架体结构示意图。
图8为本发明中的法兰盘结构示意图。
图9为本发明中的扭簧上支架结构示意图。
图10为本发明中的扭簧下支架结构示意图。
附图中：
1、吸振器，2、控制系统，3、振动模拟板；
1.1、配重块，1.2、摆动支杆，1.3、旋转轴，1.4、上架体，1.5、下架体，1.6、伺服电机，1.7、法兰盘，1.8、扭簧上支架，1.9、扭簧，1.10、扭簧下支架；
2.1、加速度传感器，2.2、动态信号分析仪，2.3、上位机，2.4、运动控制卡，2.5、驱动器。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施不限于此。
本发明设计的一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器，包括吸振器1、控制系统2和振动模拟板3；
所述吸振器包括配重块1.1、摆动支杆1.2、旋转轴1.3、上架体1.4、下架体1.5、伺服电机1.6、法兰盘1.7、扭簧上支架1.8、扭簧1.9、扭簧下支架1.10；所述配重块1.1在摆动支杆1.2上的安装位置可以适应性调节，用于调整吸振器的振动频率；所述摆动支杆1.2固定连接于旋转轴1.3顶部，其上有三个通孔，用于调节配重块1.1安装位置；所述上架体1.4与下架体1.5组成一个完整的立方体支撑架体，用于支撑扭簧部分的结构；所述下架体1.5与上架体1.4固定连接后，整体再固定连接于振动模拟板3上；所述伺服电机1.6固定连接于下架体1.5上，伺服电机1.6的转轴与旋转轴1.3底部的安装孔为键联接，用于驱动旋转轴1.3转动，进而带动摆动支杆1.2摆动；所述法兰盘1.7安装于上架体1.4上，为旋转轴1.3提供转动支撑；所述扭簧上支架1.8上端通过螺钉与旋转轴1.3固定连接，下端通过安装孔与扭簧1.9固定连接，用于将扭簧1.9的一端和旋转轴1.3固定；所述扭簧1.9一端固定连接于扭簧上支架1.8，另一端固定连接于扭簧下支架1.10，用于提供恒定的刚度和阻尼；所述扭簧下支架1.10上端与扭簧1.9相连接，下端通过六个螺钉与下架体1.5连接，用于将扭簧1.9的一端和下架体1.5固定。
所述控制系统2包括加速度传感器2.1、动态信号分析仪2.2、上位机2.3、运动控制卡2.4、驱动器2.5；所示加速度传感器2.1安装于振动模拟板3的最远端，即振动幅度较大的位置，用于测量振动模拟板的振动加速度；所述动态信号分析仪2.2前后两端分别连接加速度传感器2.1和上位机2.3，用于采集加速度信号并做部分处理计算；所述上位机2.3前后两端分别连接动态信号分析仪2.2和运动控制卡2.4，用于运行控制软件并进行可视化显示；所述运动控制卡2.4前后两端分别连接上位机2.3和驱动器2.5，用于运行控制算法有规律地控制伺服电机；所述驱动器2.5前后两端分别与运动控制卡2.4和伺服电机1.6相连，用于驱动伺服电机运动。
所述振动模拟板3为简化模拟空间大型结构的构件，为装置的振动来源。
所述扭簧1.9与伺服电机1.6属于并联关系，吸振器整体的弹性系数K，扭簧的弹性系数K1，伺服电机的弹性系数K2，即：K＝K1+K2。扭簧提供一个可靠的基础调节参数K1，伺服电机提供精细调节能力K2；K1属于扭簧的机械结构属性，固定不变，K2属于伺服电机的电气控制属性，可以调节，两者并联组合成K1+K2构成吸振器的弹性系数。在使用过程中，选择合适刚度和阻尼的扭簧，使得单独利用扭簧的吸振器产生的频率和空间大型结构的主要振动频率构成内共振关系，这样，单独利用扭簧组成的吸振器实际上已经具有一定程度的减振效果；此时，利用伺服电机刚度和阻尼方便可调的特性，在扭簧的基础之上进行更为精密的调节，将吸振器的频率进一步优化，达到最优的内共振关系，进而产生最好的减振效果。此外，当因外太空环境变化或者空间大型结构约束变化等原因导致空间大型结构的主要振动频率发生变化时，同样可以利用伺服电机可调刚度和阻尼的特性，调节吸振器的频率，使之产生适应性变化，保持最好的减振效果。
所述摆动支杆1.2具有两种截面形状，分别为矩形和圆形，圆形截面部分为圆柱，用于安装配重块1.1，矩形截面部分为长条状钢材；摆动支杆上有一个沉孔和四个安装孔，沉孔用于和旋转轴1.3的轴头配合定位，安装孔用于安装螺钉来固定连接旋转轴1.3。
所述旋转轴1.3底部与伺服电机1.6通过键联接，旋转轴1.3上有安装孔，用于与扭簧上支架1.8通过螺钉固定连接，旋转轴1.3与扭簧下支架1.10为轴孔配合，接触部分表面粗糙度等级较高。
所述上架体1.4和下架体1.5均为厚度3mm的壳体，上架体1.4与下架体1.5之间通过八个螺栓连接，上架体和下架体组成的整体有八个长条孔，用于与振动模拟板3通过螺栓固定连接。
本发明一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器的工作原理和过程是：
(1)安装检查：利用螺栓将吸振器1与振动模拟板3夹紧固定，检查加速度传感器2.1安装情况，检查控制系统2的主机和线路情况，确认完好后进行下一步操作；
(2)采集信号：振动模拟板3开始摇摆振动，加速度传感器2.1测量加速度信号经过动态信号分析仪2.2进行采集和处理，经过处理计算后再传输给上位机2.3；
(3)处理计算：上位机2.3根据传输得来的信号，通过运动控制卡2.4的控制算法计算得出振动模拟板3振动的固有频率；然后利用2:1非线性内共振方法和原理，再根据现有的振动模拟板3固有频率，计算得出振动模拟板3固有频率的一半，即为此时相应的吸振器1的固有频率。
(4)发送控制信号：运动控制卡2.4将计算结果信号转化为可以驱动伺服电机1.6运动的运动信号，发送至驱动器2.5，使得驱动器2.5输出适合的电压和电流，进而调节伺服电机1.6和扭簧1.9的并联阻尼与刚度，使得吸振器1固有频率为振动模拟板3振动固有频率的一半。
(5)建立能量交换通道：此时，在振动模拟板3和吸振器1之间构建起模态能量交换通道，将振动模拟板3的振动能量迁移至吸振器1，并由吸振器1的阻尼进行耗散。
实时往复以上采集信号、处理计算、发送控制信号和建立能量交换通道的过程，即可根据振动模拟板3的不同振动情况对吸振器1的固有频率快速做出响应；反映至实际空间大型结构的振动中，就是针对减振对象不同状态的不同振动情况，吸振器1会迅速及时地做出随动性反应，实时保证吸振器1和空间大型结构振动的固有频率关系，有效地完成空间大型结构减振控制过程。
以上所述，仅为本种一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器的具体实施例，是为了便于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内理解和应用本发明，但本发明的保护范围不局限于此，在本技术方案的基础上做出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或者各种替换都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器，其特征在于所述装置包括吸振器、控制系统和振动模拟板，其中：
所述吸振器包括配重块、摆动支杆、旋转轴、上架体、下架体、伺服电机、法兰盘、扭簧上支架、扭簧、扭簧下支架；所述配重块近似为球体，其上有安装孔，通过螺钉安装于摆动支杆上，位置可进行调节；所述摆动支杆固定连接于旋转轴顶部，其上有三个通孔用于调节配重块安装位置；所述上架体固定连接于下架体上，组成一个完整的立方体支撑架体；所述下架体与上架体固定连接后，整体再固定连接于振动模拟板上；所述伺服电机固定连接于下架体上，伺服电机的转轴与旋转轴底部的安装孔为键联接，伺服电机可驱动旋转轴转动；所述法兰盘安装于上架体上，为旋转轴提供转动支撑；所述扭簧上支架上端通过螺钉与旋转轴固定连接，下端通过安装孔与扭簧固定连接；所述扭簧一端固定连接于扭簧上支架，另一端固定连接于扭簧下支架；所述扭簧下支架上端与扭簧相连接，下端通过六个螺钉与下架体固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器，其特征在于所述扭簧与伺服电机属于并联关系，一般工作状态下，单独使用扭簧，吸振器即可具有良好吸振效果；当被吸振对象自身发生变化，伺服电机可以在扭簧的基础之上进行精细的参数调节，保证吸振器依然具有良好的吸振性能。
3.根据权利要求1所述的一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器，其特征在于所述摆动支杆具有两种截面形状，分别为矩形和圆形，圆形截面部分为圆柱，用于安装配重块，矩形截面部分为长条状钢材；摆动支杆上有一个沉孔和四个安装孔，沉孔用于和旋转轴的轴头配合定位，安装孔用于安装螺钉来固定连接旋转轴。
4.根据权利要求1所述的一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器，其特征在于所述旋转轴底部与伺服电机通过键联接，旋转轴上有安装孔，用于与扭簧上支架通过螺钉固定连接，旋转轴与扭簧下支架为轴孔配合，接触部分表面粗糙度等级较高。
5.根据权利要求1所述的一种基于内共振机理的主被动并联式吸振器，其特征在于所述上架体和下架体均为厚度3mm的壳体，上架体与下架体之间通过八个螺栓连接，上架体和下架体组成的整体有八个长条孔，用于与振动模拟板通过螺栓固定连接。
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