CN109163050A - 一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器，包括基座、控制系统、直流可调电源和磁流变弹性体，所述基座为圆筒形钢结构，基座底部的中心位置处安装有重量传感器，所述基座内部的中间位置处设有呈圆柱形的铁芯，铁芯的环槽内固定有磁流变弹性体，所述磁流变弹性体下方的铁芯上缠绕有线圈，线圈的两端通过导线与直流可调电源的电流输出端相连接，控制系统的控制信号输出端通过导线与直流可调电源的信号输入端连接，所述磁流变弹性体的顶部安装有屈曲圆板，屈曲圆板的顶部安装有平台，且平台、屈曲圆板以及磁流变弹性体通过螺栓固定连接。本发明低频隔振效果好，结构简单、可靠，可以实时跟踪载荷重量的变化，控制方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及隔振器技术领域，具体为一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器。
背景技术
振动容易引起设备的疲劳破坏，在航空航天、船舶与海洋结构物及其上装备和精密仪器易受极端环境的干扰和破坏，应加以振动隔离；这些设备的振动激励源通常是低频或者是超低频的。传统的线性被动式隔振技术是通过设计合适的弹簧支承，在振动系统固有频率的倍以后的频率范围内，可起到有效的隔振作用，但是隔离低频振动的效果较差。为使隔振频率范围更大、隔振效果更好，就要进一步降低振动系统的固有频率。降低振动系统的固有频率一般是通过减小系统刚度，即减小隔振器的弹簧刚度，但是减小系统刚度将直接导致静变形增大和系统的不稳定。高静低动隔振技术通过正负弹性元件并联在静平衡位置获得准零刚度，可以使振动系统具有高静态刚度、低动态刚度特性，是一项新兴的非常有代表性的低频隔振技术，有望在精密仪器隔振、房屋桥梁抗震、高速车辆减振和船舶机械设备减振降噪等诸多方面得到广泛应用。
经检索，申请号为201210145254.3的中国发明专利申请公开了一种名称为“滑动梁和弹簧组合非线性超低频隔振器”的发明专利申请，该申请提供的技术方案是：主要由具有负刚度的滑动弹性梁和连接在其下方的具有正刚度的弹簧组成，并设有用于滑动弹性梁连接的连接部件和用于滑动弹性梁支撑的支撑结构，滑动弹性梁在变形时具有负刚度，弹簧为正刚度，两种弹性元件的组合使用使整个隔振器具有接近零刚度的特征。该隔振器具有较大的静刚度、却具有较小的动刚度，整体系统具有近似动态准零刚度特性，可以对实现超低频率的振动隔离，具有较好的低频隔振效果。但是该专利申请提供的隔振器不能主动适应承重载荷的变化，承载对象单一；如果承载载荷发生了变化，隔振系统就会偏离原有的准零刚度工作状态，隔振效果变差；在某些实际应用场合(如座椅等)，承载载荷是变化的，这种隔振系统不能根据承载载荷的变化，自动调节刚度；并且结构不够紧凑，较为复杂。
磁流变弹性体(MRE)是磁流变材料的一个新的分支，它由高弹性的聚合物(橡胶)和铁磁性颗粒组合而成，这种材料的弹性模量可以在外加磁场的激励下发生变化，铁磁性颗粒在磁场方向形成链状排列，并且反应时间是毫秒级的。基于上述原理，可以将这种材料应用到高静低动隔振器中，通过施加电流产生的磁场来控制材料的弹性模量，使得其刚度发生改变，从而适应承重载荷的变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器，以解决上述背景技术中提出的不能主动适应承重载荷的变化，承载对象单一；如果承载载荷发生了变化，隔振系统就会偏离原有的准零刚度工作状态，隔振效果变差；在某些实际应用场合(如座椅等)，承载载荷是变化的，这种隔振系统不能根据承载载荷的变化，自动调节刚度；并且结构不够紧凑，较为复杂的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器，包括基座、控制系统、直流可调电源和磁流变弹性体，所述基座为圆筒形钢结构，基座底部的中心位置处安装有重量传感器，所述基座内部的中间位置处设有呈圆柱形的铁芯，铁芯的环槽内固定有磁流变弹性体，所述磁流变弹性体下方的铁芯上缠绕有线圈，线圈的两端通过导线与直流可调电源电流输出端连接，控制系统的控制信号输出端通过导线与直流可调电源的信号输入端连接，所述磁流变弹性体的顶部安装有屈曲圆板，屈曲圆板的顶部安装有平台，且平台、屈曲圆板以及磁流变弹性体通过螺栓固定连接。
优选的，所述基座顶端的内侧设置有台阶，屈曲圆板的边缘处通过固定环固定在台阶内。
优选的，所述控制系统为具有控制算法组成的单片机硬件。
优选的，所述直流可调电源为电压一定、电流可调的直流源，可以根据控制系统的输入控制信号自动输出指定大小的电流。
优选的，所述屈曲圆板的厚度为0.5mm。
优选的，所述屈曲圆板与磁流变弹性体构成准零刚度结构。
优选的，所述磁流变弹性体为圆柱形橡胶块，由羟基铁粉、天然橡胶、添加剂、增塑剂以及防老剂通过硫化而成，其中羟基铁粉的质量比含量为60％。
本发明针对于承重载荷发生变化的低频隔振领域，适用于船舶设备、精密仪器、汽车座椅等载荷变化低频或超低频范围的隔振，同时也可以将其应用于其他场合。相对于现有的隔振器，本发明具有以下优点：
1.本专利设计的高静低动隔振器，结构简单，性能稳定，易于实现，所设计的屈曲板负刚度结构简单，按照设计好的固定环的压力约束不变，无需人为调节固定环的约束量；
2.本专利设计的高静低动隔振器可以跟踪外界承重载荷的实时变化情况，通过改变电流来改变磁流变弹性体的刚度，保证隔振装置始终处于静平衡位置，具有准零刚度的特性；
3.本专利用了智能材料磁流变弹性体的优点：磁流变弹性体的刚度可调，且响应快，可逆性好，不仅既有较高的磁流变效应，同时也具有较好的综合机械性能，其阻尼较小，无须封装，稳定性好等。
附图说明
图1为本发明的无重物时初始位置结构示意图；
图2为本发明的放置重物后平衡位置结构示意图；
图3为本发明的正负刚度合成总刚度示意图。
图中：1、基座；2、控制系统；3、直流可调电源；4、屈曲圆板；5、磁流变弹性体；6、线圈；7、重量传感器；8、平台；9、螺栓；10、固定环。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～3，本发明提供的一种实施例：一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器，包括基座1、控制系统2、直流可调电源3和磁流变弹性体5，所述基座1为圆筒形钢结构，基座1底部的中心位置处安装有重量传感器7，该重量传感器7的型号可为ZRN603A，所述基座1内部的中间位置处设有呈圆柱形的铁芯，铁芯的环槽内固定有磁流变弹性体5，磁流变弹性体5为圆柱形橡胶块，由羟基铁粉、天然橡胶、添加剂、增塑剂以及防老剂按照一定的比例硫化而成，其中羟基铁粉的质量比含量为60％，所述磁流变弹性体5下方的铁芯上缠绕有线圈6，线圈6的两端通过导线与直流可调电源3的电流输出端连接，控制系统2为具有控制算法组成的单片机硬件，该单片机硬件的型号可为AVR单片机，控制系统2的控制信号输出端通过导线与直流可调电源3的信号输入端连接，直流可调电源3为电压一定、电流可调的直流源，可以根据控制系统的输入控制信号自动输出指定大小的电流，所述磁流变弹性体5的顶部安装有屈曲圆板4，屈曲圆板4的厚度为0.5mm，屈曲圆板4与磁流变弹性体5构成准零刚度结构，其中屈曲圆板4具有负刚度，磁流变弹性体5具有正刚度，屈曲圆板4的顶部安装有平台8，平台8用于直接连接减振设备，且平台8、屈曲圆板4以及磁流变弹性体5通过螺栓9固定连接，基座1顶端的内侧设置有台阶，屈曲圆板4的边缘处通过固定环10固定在台阶内，屈曲圆板4在固定环10的约束压力作用下呈弯曲拱形状态，当在拱起的屈曲圆板4上放置重物或施加一定的载荷时，当载荷达到临界载荷时，屈曲圆板4将发生屈曲，其刚度由正刚度变成负刚度，而正刚度则由弹性模量可调的磁流变弹性体5构成，然后屈曲圆板4和磁流变弹性体5通过相互并联组成准零刚度结构，当隔振器在重物重量的作用下，屈曲圆板4由弯曲状态压至水平状态(如说明书附图2所示)，屈曲圆板4的垂直刚度先增大后减小，由正刚度转变为负刚度，达到静平衡位置(水平位置)时，隔振器的总动刚度为零，重物的重量刚好由磁流变弹性体5的静刚度支撑，当承载重量发生变化时，重量传感7测试出重量变化的大小，将重量变化信号转换成电信号，输送到控制系统2，控制系统2根据既定的控制算法，输出控制电流的信号，直流可调电源3按照控制电流信号输出控制电流，施加在线圈6上，线圈6产生的磁场作用在磁流变弹性体5上，使得磁流变弹性体5的弹性模量发生相应的改变，使系统保持在原静平衡位置(水平位置)不变，使系统始终工作在准零刚度状态。被隔振设备在平衡位置附近做小幅振动时，其动刚度很小，整个系统的固有频率很低，可实现大范围频率隔振，并具有良好的低频隔振效果。
工作原理：通过重量传感器采集重量的变化，控制系统计算得出磁流变弹性体刚度的相应必需改变量，根据控制电流和弹性模量的一一对应关系，折算出控制电流的大小，输出电流控制信号到直流可调电源，直流可调电源输出相应的控制电流作用在线圈上，产生的磁场施加于磁流变弹性体，磁流变弹性体内部的磁性颗粒在磁场的作用下将沿着磁场方向排列成粗链状，导致磁流变弹性体在宏观上表现为剪切模量发生改变，使得磁流变弹性体刚度相应发生改变，保持高静低动隔振装置始终在静平衡位置不变，确保隔振装置具有准零刚度的特性。
使用时：当隔振器受到重物重力载荷的作用下，屈曲圆板4由弯曲状态压至水平状态，如说明书附图2所示，屈曲圆板4的垂直刚度先增大后减小，由正刚度转为负刚度；隔振器的总刚度为屈曲圆板4垂直刚度k1和磁流变弹性体5的垂直刚度kMRE并联，总刚度k＝k1+kMRE，磁流变弹性体5材料为圆柱形的橡胶元件，提供的刚度kMRE＝EA/h0，h0为磁流变弹性体5的实际高度；当到达静平衡位置时，圆板提供的负刚度和由磁流变弹性体提供的正刚度的总刚度k＝k1+kMRE等于零，即为准零刚度。
当承重载荷增加时，为使系统始终在静平衡位置x＝h(取未加重物块时的圆板垂直位置为坐标原点，下移的位移记为x)处刚度为零，即达到本发明所述的准零刚度特性，由静平衡得(m+Δm)g＝(ko+ΔkMRE)h，ko为在静平衡位置时，重物质量未增加时磁流变弹性体5的刚度，ko＝mg/h；进一步，推出磁流变弹性体5刚度的变化量ΔkMRE＝Δm·g/h，进一步可得到在静平衡位置不变的情况下，磁流变弹性体5的弹性模量改变量ΔE∝ΔkMRE＝Δm·g/h，而磁流变弹性体5的弹性模量和施加在材料上的磁场强度成正比，线圈电流产生的磁场施加于磁流变弹性体5，磁流变弹性体5内部的磁性颗粒在磁场的作用下将沿着磁场方向排列成粗链状，导致磁流变弹性体5在宏观上表现为弹性模量发生改变，使得其刚度发生变化；因此，磁流变弹性体5的刚度改变量与励磁电流成正比，从而得出控制电流的调节量I＝C·Δm·g/h。当承重载荷发生变化时，重量传感器7的应变片检测出重量的变化量，将应力变化量转换成电信号输送到控制系统2，控制系统2根据上述的控制电流的调节量与重量的变化量的关系式计算出控制电流的大小，将控制电流的调节量信号输出到直流可调电源3的信号输入端，直流可调电源3输出既定的控制电流，线圈6在励磁电流的作用下产生相应的磁场强度，使磁流变弹性体5的弹性模量发生相应的改变，进而其刚度也发生改变，从而确保准零刚度结构的静平衡位置不变，屈曲圆板4的负刚度改变值和磁流变弹性体5的刚度改变值互相抵消，总刚度仍为零，即可实现承重发生变化下，隔振器仍然可以自动调节到静平衡位置，具有高静低动的低频隔振效果。由于磁流变弹性体5是智能材料，且响应快，基本在毫秒级，可逆性好，因此该隔振器具有自适应的自动调节功能，结构简单，稳定性好。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (7)
1.一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器，包括基座(1)、控制系统(2)、直流可调电源(3)和磁流变弹性体(5)，其特征在于：所述基座(1)为圆筒形钢结构，基座(1)底部的中心位置处安装有重量传感器(7)，所述基座(1)内部的中间位置处设有呈圆柱形的铁芯，铁芯的环槽内固定有磁流变弹性体(5)，所述磁流变弹性体(5)下方的铁芯上缠绕有线圈(6)，线圈(6)的两端通过导线与直流可调电源(3)电流输出端连接，控制系统(2)的控制信号输出端通过导线与直流可调电源(3)的信号输入端连接，所述磁流变弹性体(5)的顶部安装有屈曲圆板(4)，屈曲圆板(4)的顶部安装有平台(8)，且平台(8)、屈曲圆板(4)以及磁流变弹性体(5)通过螺栓(9)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器，其特征在于：所述基座(1)顶端的内侧设置有台阶，屈曲圆板(4)的边缘处通过固定环(10)固定在台阶内。
3.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器，其特征在于：所述控制系统(2)为具有控制算法组成的单片机硬件。
4.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器，其特征在于：所述直流可调电源(3)为电压一定、电流可调的直流源，可以根据控制系统的输入信号自动输出指定大小的电流。
5.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器，其特征在于：所述屈曲圆板(4)的厚度为0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器，其特征在于：所述屈曲圆板(4)与磁流变弹性体(5)构成准零刚度结构。
7.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体半主动式高静低动隔振器，其特征在于：所述磁流变弹性体(5)为圆柱形橡胶块，由羟基铁粉、天然橡胶、添加剂、增塑剂以及防老剂通过硫化而成，其中羟基铁粉的质量比含量为60％。
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