CN109322951B - 一种半主动隔振装置 - Google Patents

Abstract

一种半主动隔振装置，筒状壳体的底部由底板封闭，筒状壳体内在靠近上端开口的位置设有一环状连接板，环状连接板的外圆周与筒状壳体的内壁固定连接；环状连接板的内部中心设有载物台；载物台与环状连接板之间通过多个直片弹簧连接；载物台内部装配有永磁体；电磁铁与永磁体相对应地固定安装在底板上，电磁铁与永磁体之间留有气隙，且电磁铁的上端在通电后与永磁体的下端磁极相同；位移监测控制系统由位移传感器、信号转换器、电流控制器和智能控制终端组成，位移传感器固定设置在载物台的下方，位移传感器通过信号转换器与智能控制终端的输入端连接，智能控制终端的输出端通过电流控制器与电磁铁连接。该装置结构简单紧凑，易于控制，隔振效果好。

Description

一种半主动隔振装置

技术领域

本发明涉及一种隔振器，具体是一种半主动隔振装置，属于振动控制技术领域。

背景技术

振动隔离(简称隔振)技术是振动控制领域中应用最广的一项技术，在土木工程、航空航天、汽车、船舶、精密制造与加工等领域有着广泛的应用。隔振技术可分为被动隔振、主动隔振和半主动隔振，其中半主动隔振技术具有比被动隔振技术更好的隔振性能，特别是在低频范围，同时，与主动隔振相比，半主动隔振又不会带来大量的能量需求，而且控制系统相对简单，成本较低，运行可靠。

因此，半主动隔振技术作为被动隔振技术和主动隔振技术的折中方法，已成为一个研究热点，采用电磁控制方法来实现半主动隔振的技术受到越来越多的关注。例如，发明专利(公开号CN108019452A)公开了一种半主动可控刚度非线性电磁隔振器，其原理是通过调节可变电阻和可变电感的大小来实现对阻尼和非线性刚度的控制，该隔振器虽然具有控制力大的优点，但其需要同时控制两个量，增加了控制系统的复杂度；发明专利(公开号CN107606018A)公开了一种沙漏型电磁隔振器，其所需电流小,输出位移大,刚度可调,结构紧凑,可设计性强，但其是通过开断电的方式改变线圈中电流的方向来实现隔振的目的，电流调节的幅度较大，结构不易小型化，应用受限。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种半主动隔振装置，该装置结构简单紧凑，易于控制，隔振效果好。

为了实现上述目的，本发明提供一种半主动隔振装置，包括上端开口的筒状壳体、位于筒状壳体内部的电磁铁和位移监测控制系统，筒状壳体的底部由底板封闭，筒状壳体内在靠近上端开口的位置设有一环状连接板，环状连接板的外圆周与筒状壳体的内壁固定连接；

环状连接板的内部中心设置有载物台；载物台与环状连接板之间通过周向均匀设置的多个直片弹簧连接；

所述载物台的内部装配有永磁体；

所述电磁铁与永磁体相对应地固定连接在底板上，电磁铁与永磁体之间留有气隙，且电磁铁的上端在通电后与永磁体的下端磁极相同；

所述位移监测控制系统由位移传感器、信号转换器、电流控制器和智能控制终端组成，位移传感器固定设置在载物台的下方，用于监测载物台在纵向上的位移，位移传感器通过信号转换器与智能控制终端的输入端连接，智能控制终端的输出端通过电流控制器与电磁铁连接。

所述载物台的内部设置有开口在载物台上端面的容纳腔室，容纳腔室的上开口端装配有与载物台上端面固定连接的上部端盖，所述永磁体固定安装在容纳腔室的内部。

进一步地，为便于直片弹簧的安装，所述环状连接板的上端对应多个直片弹簧外连接端地设置有等弧度分布的多个矩形凹槽一，载物台下端的外侧设有环形凸台，环形凸台的下端对应多个直片弹簧内连接端地设置有等弧度分布的矩形凹槽二，直片弹簧的两端均通过螺栓分别固定于矩形凹槽一内和矩形凹槽二内。矩形凹槽一的开口朝上，且矩形凹槽二的开口朝下能不仅能便于直片弹簧的安装，而且能利用直片弹簧的里端来对载物台进有效的支撑。

进一步地，为了方便固定电磁铁，所述电磁铁通过设置在其下部相对两侧的一对夹具进行固定，一对夹具固定安装在筒状壳体内部的底端。

进一步地，为了提高夹持的稳定性，且能便于夹具的拆装，所述夹具由位于下部的固定底座和设置于固定底座内侧边缘的半圆形夹持段组成，固定底座与底板通过螺栓固定连接；两个夹具的半圆形夹持段之间夹紧在电磁铁的下部外侧，并通过位于电磁铁的外围的螺栓固定连接。

作为一种优选，直片弹簧的数量、矩形凹槽一的数量和矩形凹槽二的数量均为四个。

进一步，为保证电磁铁和永磁体之间的作用力效果最好，所述的电磁铁和永磁体同轴心地设置。

进一步，为了便于与基础进行连接，还包括底座，所述底座固定焊接在底板的下端，并且沿圆周方向等间距的开有四个通孔。

进一步地，为了便于拆装，上部端盖与载物台之间通过螺栓连接。

本装置通过位移传感器的设置，并以载物台的下端面作为观测面，根据被隔振物体质量和给定气隙计算使系统处于平衡位置所需的电磁力，直片弹簧处于水平状态时，传感器测得的位移信号为零，当物体受到外部扰动时，位移传感器检测到载物台相对于平衡位置的位移信号并将信号经信号转换器转换后传输给智能控制终端，智能控制终端接收到信号后进行处理并通过控制电流控制器的电流输出来改变电磁铁的电磁力大小。当永磁体和电磁铁之间的气隙变大，减小电磁铁线圈中的电流输出直至使系统达到平衡位置，当位移传感器测量到的位移信号为零时，保持电流控制器电流输出不变即可；当永磁体和电磁铁之间的气隙减小，增大电磁铁线圈中的电流直至使系统达到平衡位置，当位移传感器测量到的位移信号为零时，保持电流控制器电流输出不变即可。该调节过程通过PID闭环控制来实现，引入了PI电流环控制，实现了迅速改变电流的大小，及时产生所需的电磁力，提髙了电流的响应速度，达到了响应迅速、稳定、延迟小的良好特性，且调节电流大小时，不需要改变所述电磁铁线圈中电流的方向，易于控制，耗能小，结构简单紧凑，可小型化。该装置刚度可调，电流响应快，结构简单紧凑、体积小、质量轻、可小型化、便于安装，且应用前景广泛，针对变质量设备在受到扰动时，在其质量变化比较大的情况下，依然在低频段上或是特定频段上具有良好的隔振效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的剖视结构示意图；

图3是本发明的控制方法流程图；

图4是本发明电磁力随电磁铁和永磁体之间气隙和电流大小的变化曲线图。

图中：1、筒状壳体，2、环状连接板，3、直片弹簧，4、载物台，5、容纳腔室，6、永磁体，7、上部端盖，8、夹具，9、固定底座，10、夹持段，11、底板，12、电磁铁，13、位移传感器，14、矩形凹槽一，15、矩形凹槽二，16、底座，17、环形凸台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种半主动隔振装置，包括上端开口的筒状壳体1、位于筒状壳体1内部的电磁铁12和位移监测控制系统，筒状壳体1的底部由底板11封闭，筒状壳体1内在靠近上端开口的位置设有一环状连接板2，环状连接板2的外圆周与筒状壳体1的内壁固定连接；环状连接板2周向各部分的厚度相等。作为一种优选，环状连接板2可一体形成于筒状壳体1的内部。

环状连接板2的内部中心设置有载物台4；载物台4与环状连接板2之间通过周向均匀设置的多个直片弹簧3连接，直片弹簧3的两端分别与载物台4和环状连接板2固定连接；直片弹簧3在平衡位置上保持水平，可以通过更换不同厚度的直片弹簧使刚度达到工况要求。

所述载物台4的内部装配有永磁体6；

所述电磁铁12与永磁体6相对应地固定安装在底板11上，电磁铁12与永磁体6之间留有气隙，且电磁铁12的上端在通电后与永磁体6的下端磁极相同，进而通过改变电磁铁12的电磁力使直片弹簧3保持在平衡位置上。

所述位移监测控制系统由位移传感器13、信号转换器、电流控制器和智能控制终端组成，位移传感器13固定设置在载物台4的下方，用于监测载物台4在纵向上的位移，位移传感器13通过信号转换器与智能控制终端的输入端连接，智能控制终端的输出端通过电流控制器与电磁铁12连接。智能控制终端可以采用PLC控制器，也可以为计算机。

位移传感器13用于监测载物台4在纵向上的位移情况，位移传感器13可以采用激光测距仪，其感应面对准载物台4的下端面，以便于通过感知载物台4在纵向上位置的改变来得知扰动的情况。

所述载物台4的内部设置有开口在载物台4上端面的容纳腔室5，容纳腔室5的上开口端装配有与载物台4上端面固定连接的上部端盖7，所述永磁体6固定安装在容纳腔室5的内部。

为便于直片弹簧3的安装，所述环状连接板2的上端对应多个直片弹簧3外连接端处设置有等弧度分布的多个矩形凹槽一14，即矩形凹槽一14的开口朝上，载物台4下端的外侧固定连接有环形凸台17，环形凸台17的下端对应多个直片弹簧3内连接端处设置有等弧度分布的矩形凹槽二15，即矩形凹槽二15的开口朝下，直片弹簧3的两端均通过螺栓分别固定于矩形凹槽一14内和矩形凹槽二15内。矩形凹槽一14的开口朝上，且矩形凹槽二15的开口朝下不仅便于直片弹簧3的安装，而且能利用直片弹簧3的里端来对载物台4进行有效的支撑。

所述电磁铁12通过设置在其下部相对两侧的一对夹具8进行固定，一对夹具8固定连接在筒状壳体1内部的底端。

所述夹具8由位于下部的固定底座9和设置于固定底座9内侧边缘的半圆形夹持段10组成，固定底座9与底板11通过螺栓固定连接；两个夹具8的半圆形夹持段10之间夹紧在电磁铁12的下部外侧，并通过位于电磁铁12的外围的螺栓固定连接。

作为一种优选，直片弹簧3的数量、矩形凹槽一14的数量和矩形凹槽二15的数量均为四个。

为保证电磁铁12和永磁体6之间的作用力效果最好，所述的电磁铁12和永磁体6同轴心地设置。

为了便于与基础进行连接，还包括底座16，所述底座16固定焊接在底板11的下端，并且沿圆周方向等间距的开有四个通孔，以便于与基础通过螺栓进行连接。

为了便于拆装，上部端盖7与载物台4之间通过螺栓连接。

使用时，通过底座16将该装置与基础进行连接，将被隔振物置于载物台4的上端。如图1至图3所示，直片弹簧3在平衡位置上保持水平，根据工况，可通过更换不同厚度的直片弹簧3，以使刚度达到工况要求；位移传感器13用于测得容纳腔室5的下端面在上下方向的位移信号，即以直片弹簧3处于平衡位置时的容纳腔室5的下端面作为观测参照面，将观测参照面的相对位移来判断直片弹簧3的变形情况和电磁铁12与永磁体6之间的气隙的变化情况，并通过智能控制终端进行调节，即，当直片弹簧3沿竖直方向受压时，电磁铁12和永磁体6之间的气隙变小，位移传感器13将此相对下移即位移为负的信号通过信号转换器传送给智能控制终端，智能控制终端经处理后控制电流控制器增大电磁铁线圈的供电电流，电磁铁12中电流增大，永磁体6带动受压的直片弹簧3上移恢复到平衡位置，电磁铁12和永磁体6之间的气隙恢复到初始状态，电磁力达到工况要求；当直片弹簧3沿竖直方向受拉时，电磁铁12和永磁体6之间的气隙变大，位移传感器13将此相对上移即位移为正的信号通过信号转换器传送给智能控制终端，智能控制终端经处理后控制电流控制器执行减小电磁铁线圈的供电电流，电磁铁12中电流减小，永磁体6带动受拉的直片弹簧3下移恢复到平衡位置，电磁铁12和永磁体6之间的气隙恢复到初始状态，电磁力达到工况要求；电磁力随电磁铁和永磁体之间气隙和电流大小的变化曲线图如图4所示。

智能控制终端的调节过程通过PID闭环控制实现，另外，为了能够迅速改变电流的大小，及时产生所需的电磁力，引入了PI电流环控制，通过配置电流环，能有效提高电流的响应速度，达到响应迅速、稳定、延迟小的良好特性，且以上电流大小的调节无需改变电磁铁线圈中电流的方向，易于控制，节省耗能。

以上智能控制终端的调节基于电磁力随永磁体6和电磁铁12之间的气隙和电磁铁线圈中电流大小变化的规律。当确定平衡位置时的气隙和所需要提供的电磁力后，由此可得出此时电磁铁12线圈中的电流大小，此规律通过等效磁路法计算得出，具体地为，首先忽略电磁铁线圈和永磁体的漏磁通，且磁势均匀的分布在气隙中、永磁体和电磁铁线圈的散热性能良好，利用麦克斯韦方程组和磁路基本定律，可求得永磁体和电磁铁之间的电磁力可表示为：

其中F为电磁力的大小，N为所述电磁铁线圈的匝数，S为有效横截面积，I为所述电磁铁线圈中控制电流的大小，L_m为所述永磁体有效长度，H_c为所述永磁体的矫顽磁力，B_r为所述永磁体的剩磁感应强度，δ为所述永磁体和电磁铁之间气隙的大小，μ₀为空气磁导率。/>

Claims (9)

1.一种半主动隔振装置，包括上端开口的筒状壳体(1)，筒状壳体(1)的底部由底板(11)封闭，其特征在于，还包括位于筒状壳体(1)内部的电磁铁(12)和位移监测控制系统，筒状壳体(1)内在靠近上端开口的位置设有一环状连接板(2)，环状连接板(2)的外圆周与筒状壳体(1)的内壁固定连接；

环状连接板(2)的内部中心设置有载物台(4)；载物台(4)与环状连接板(2)之间通过周向均匀设置的多个直片弹簧(3)连接；

所述载物台(4)的内部装配有永磁体(6)；

所述电磁铁(12)与永磁体(6)相对应地固定安装在底板(11)上，电磁铁(12)与永磁体(6)之间留有气隙，且电磁铁(12)的上端在通电后与永磁体(6)的下端磁极相同；

所述位移监测控制系统由位移传感器(13)、信号转换器、电流控制器和智能控制终端组成，位移传感器(13)固定设置在载物台(4)的下方，用于监测载物台(4)在纵向上的位移，位移传感器(13)通过信号转换器与智能控制终端的输入端连接，智能控制终端的输出端通过电流控制器与电磁铁(12)连接。

2.根据权利要求1所述的一种半主动隔振装置，其特征在于，所述载物台(4)的内部设置有开口在载物台(4)上端面的容纳腔室(5)，容纳腔室(5)的上开口端装配有与载物台(4)上端面固定连接的上部端盖(7)，所述永磁体(6)固定安装在容纳腔室(5)的内部。

3.根据权利要求1或2所述的一种半主动隔振装置，其特征在于，所述环状连接板(2)的上端对应多个直片弹簧(3)外连接端处设置有等弧度分布的多个矩形凹槽一(14)，载物台(4)下端的外侧设有环形凸台(17)，环形凸台(17)的下端对应多个直片弹簧(3)内连接端处设置有等弧度分布的矩形凹槽二(15)，直片弹簧(3)的两端均通过螺栓分别固定于矩形凹槽一(14)内和矩形凹槽二(15)内。

4.根据权利要求3所述的一种半主动隔振装置，其特征在于，所述电磁铁(12)通过设置在其下部相对两侧的一对夹具(8)进行固定，一对夹具(8)固定连接在筒状壳体(1)内部的底端。

5.根据权利要求4所述的一种半主动隔振装置，其特征在于，所述夹具(8)由位于下部的固定底座(9)和设置于固定底座(9)内侧边缘的半圆形夹持段(10)组成，固定底座(9)与底板(11)通过螺栓固定连接；两个夹具(8)的半圆形夹持段(10)之间夹紧在电磁铁(12)的下部外侧，并通过位于电磁铁(12)的外围的螺栓固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种半主动隔振装置，其特征在于，直片弹簧(3)的数量、矩形凹槽一(14)的数量和矩形凹槽二(15)的数量均为四个。

7.根据权利要求6所述的一种半主动隔振装置，其特征在于，所述的电磁铁(12)和永磁体(6)同轴心地设置。

8.根据权利要求7所述的一种半主动隔振装置，其特征在于，还包括底座(16)，所述底座(16)固定焊接在底板(11)的下端，并且沿圆周方向等间距的开有四个通孔。

9.根据权利要求8所述的一种半主动隔振装置，其特征在于，上部端盖(7)与载物台(4)之间通过螺栓连接。

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