CN109944904B

CN109944904B - 多模态吸隔振系统与平台

Info

Publication number: CN109944904B
Application number: CN201910185758.XA
Authority: CN
Inventors: 杨斌堂; 王熙
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-09-15
Anticipated expiration: 2039-03-12
Also published as: CN109944904A

Abstract

本发明提供了一种多模态吸隔振系统与平台，其中多模态吸隔振系统包含隔振子系统与吸振子系统；所述隔振子系统包含位移调节机构，位移调节机构在位移方向上能够接触至初级振动子系统；所述吸振子系统包含一个或多个吸振单元，所述吸振单元包含动子质量体与弹性机构；所述吸振子系统安装在初级振动子系统上。本发明将隔振子系统和吸振子系统两种振动抑制结构加以结合，同时使用不但可以抑制谐振，还能有效降低低频振动。

Description

多模态吸隔振系统与平台

技术领域

本发明涉及吸振领域与隔振，具体地，涉及一种多模态吸隔振系统与平台，特别是一种吸振与隔振相结合的多模态振动控制系统与平台。

背景技术

隔振器可分为被动隔振器、半主动隔振器、主动隔振器。被动隔振器主要依靠被动隔振元件如空气弹簧、橡胶、弹簧等材料特性衰减振动传递，具有较好的高频隔振性能且结构原理简单易于实现，但不利于低频段的振动抑制；主动隔振器通过作动器的控制产生主动力，控制振动响应，适用于超低频和高精度的隔振；将主动和被动隔振技术混合使用形成主被动一体的混合隔振器。

动力吸振器最早出现于1909年，与隔振器相比，动力吸振器的优点在于其可以实现小型轻量化设计、对被控对象原结构破坏小、而同时又具有杰出的制振性能，其在机械振动抑制、建筑制振等领域具有广阔的应用范围。动力吸振器是广泛应用于工程实践中的一种减振技术。其通过在被控主振系的特定部位附加一个具有质量和刚度的子系统即动力吸振器，通过合理地选择动力吸振器的动力参数、结构形式及与主振系的耦合关系，从而改变主振系的振动状态，使能量重新分配，即将主振系上的振动能量转移到动力吸振器上，从而减少或消除主振系的振动。对于通常可以简化为单自由度质量弹簧系统的动力吸振器而言，就是要将附加子系统的质量和刚度调谐至其固有频率与主振系激励频率相同，从而引起动力吸振器发生反共振，使被控主振系的振动能量最大程度地输入到动力吸振器上，达到对被控主振系减振的目的。由于动力吸振器结构简单、减振效果明显、易于实施，因此在工程实践中得到了广泛应用。

动力吸振器最早的工程应用见于1909年Frahm在德国邮船上安装的防振水箱，但是当时并没有明确它的基本构造和原理。1928年J.Ormondroyd和Den Hartog通过对单自由度振动系统的研究，提出了利用动力吸振器的阻尼作用降低主振动系统振幅的动力吸振器设计思想，确定了最优阻尼的存在，建立了动力调谐原理。在此基础上，Hahnkamm利用振幅曲线上存在两个不受阻尼大小影响的定点现象，推导出了动力吸振器的最优同调频率。随后，Brock于1946年推导出了最优阻尼的关系，形成了完整的关于传统的动力吸振器的理论体系。从上世纪中后期开始，人们的研究重点主要是在传统吸振器的基础上，通过改变结构特点、利用特殊材料等来不断寻求适合当今技术发展要求的动力吸振技术。比如，多重动力吸振器、利用记忆合金和磁流变体等智能材料设计的新型吸振器。

现有技术中已有的吸振器、隔振器单独使用难以抑制多模态的振动，吸振器在初级系统谐振频率处效果最明显，而主动隔振器可工作于低频段，但其对谐振较为敏感，共振往往恶化主动隔振器的控制效果。

专利文献CN103615599A提供了一种设备层管道隔振结构，由安装在管道下的管道隔振构件及安装在管道隔振构件与地坪之间的下隔振结构组成。管道隔振构件由管道支承架、弹性吸振垫及上可调式弹簧隔振器组成，管道支承架由弧形钢板、二侧承力钢板及加劲板焊接成的一体式构件；下隔振结构由隔振质量块、支承钢结构、下可调式弹簧隔振器及橡胶减振垫组成，隔振质量块由钢板框架结构、配重形成的一体式构件。据该专利文献自述不仅能有效地控制管道振动的固体结构传播，隔振效率高。而且能根据需要调整隔振结构的高度，保证相关设备、管道的荷载均衡。但是该专利文献提供的结构吸振效果较差，难以满足多模态(如振动方向、频率)环境下的吸隔振要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多模态吸隔振系统与平台。

根据本发明提供的多模态吸隔振系统，包含隔振子系统与吸振子系统；

所述隔振子系统包含位移调节机构，位移调节机构在位移方向上能够接触至初级振动子系统；

所述吸振子系统包含一个或多个吸振单元，所述吸振单元包含动子质量体与弹性机构；

所述吸振子系统安装在初级振动子系统上。

优选地，所述位移调节机构包含主动驱动装置与位移放大机构；

隔振子系统还包含位移控制单元，包含以下模块：

第一初级振动位移信息获取模块：获取初级振动子系统的初级振动位移信息；

位移输出指令生成模板：根据初级振动位移信息，生成位移输出指令；

所述位移输出指令用于控制主动驱动装置的输出位移。

优选地，所述位移放大机构包含以下任一种或任多种结构：

--菱形位移放大结构；

--杠杆位移放大结构；

--存在具有不同横截面大小的两个活塞的液压系统或气压系统。

优选地，吸振单元还包含定子外壳(13)，弹性机构安装在定子外壳上，所述动子质量体安装与定子外壳中；

吸振单元为以下任一种或任多种结构：

--被动式调谐结构；

--半主动式调谐结构；

--主动式调谐结构。

优选地，所述被动式调谐结构包含以下任一种或全部结构：

--吸振单元还包含调节螺钉，一个或多个调节螺钉安装至弹性机构上。

--吸振单元还包含移动支点件与直线位移驱动结构，直线位移驱动结构能够驱动移动支点件产生位移；移动支点件、直线位移驱动结构分别安装在弹性机构、定子外壳上。

优选地，所述半主动式调谐结构还包含励磁线圈，

定子外壳、动子质量体上分别设置有相匹配的第一磁体件、第二磁体件，第一磁体件和/或第二磁体件形成所述励磁线圈。

优选地，所述主动式调谐结构包含励磁线圈，定子外壳、动子质量体上分别设置有相匹配的第一磁体件、第二磁体件，第一磁体件和/或第二磁体件形成所述励磁线圈；

主动式调谐结构还包含励磁电流调节单元，包含以下模块：

第二初级振动位移信息获取模块：获取初级振动子系统的初级振动位移信息；

惯性力信息生成模块：根据初级振动位移信息，生成惯性力输出信息；

电流输出指令生成模块：根据惯性力输出信息，生成电流输出指令；

所述电流输出指令用于控制通入励磁线圈中的实时电流大小。

本发明还提供了一种多模态吸隔振平台，包含初级振动子系统与上述的多模态吸隔振系统；

所述多模态吸隔振系统安装在初级振动子系统上。

优选地，多个吸振单元形成以下任一种或任多种结构：

--x轴向吸振单元；

--y轴向吸振单元；

--z轴向吸振单元。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明将隔振子系统和吸振子系统两种振动抑制结构加以结合，同时使用不但可以抑制谐振，还能有效降低低频振动。

2、本发明提供的吸振子系统可进行被动式、半主动式和主动式中任一种或任多种组合的调谐方式。

3、本发明的振动抑制频带较宽，可实现多模态振动抑制，且结构简单、易于安装、应用方便。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的多模态吸隔振系统简图；

图2为本发明单个吸振单元简图；

图3为本发明提供的群式吸振子系统结构示意图；

图4为手动调节的吸振单元结构示意图；

图5为电机丝杆调节的吸振单元结构示意图。

图中示出：

初级振动子系统1 第一动子质量体10

主动驱动装置2 励磁线圈11

位移放大机构3 第二动子质量体12

吸振子系统4 定子外壳13

第一x轴向吸振单元5 电机14

第一y轴向吸振单元6 丝杠15

第二x轴向吸振单元7 调节螺钉16

第二y轴向吸振单元8 移动支点件17

z轴向吸振单元9 第一弹性弹簧钢片18

第二弹性弹簧钢片19

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的多模态吸隔振系统，包含隔振子系统与吸振子系统4；所述隔振子系统包含位移调节机构，位移调节机构在位移方向上能够接触至初级振动子系统1；所述吸振子系统4包含一个或多个吸振单元，所述吸振单元包含动子质量体与弹性机构；所述吸振子系统4安装在初级振动子系统1上。所述多模态吸隔振系统能够应用于本发明提供的多模态吸隔振平台中，所述多模态吸隔振系统安装在初级振动子系统1上。初级振动子系统1实质上即需要进行振动抑制的目标，动子质量体可以理解为具有一定质量的活动部件，动子质量体运动产生的吸振力能够抵消初级振动子系统1的振动。如图1所示，初级振动系统1的质量记为m₁,刚度记为k₁；吸振系统4的质量记为m₂，线性刚度记为k₂，阻尼记为c₂。图中x₁、x₂分别代表初级振动子系统1运动幅度或位移、位移调节机构的输出幅度或位移。

所述位移调节机构包含主动驱动装置2与位移放大机构3。隔振子系统还包含位移控制单元，包含以下模块：第一初级振动位移信息获取模块：获取初级振动子系统1的初级振动位移信息；位移输出指令生成模板：根据初级振动位移信息，生成位移输出指令。所述位移输出指令用于控制主动驱动装置2的输出位移。位移放大机构3将位移调节机构的输出位移进行放大，可进行更大振幅的振动抑制；将初级振动子系统1的振动位移通过传感器测量后，输入位移控制单元，根据当前时刻初级振动子系统1的振动位移计算出下一时刻位移放大机构3应该输出的位移，解算后得到主动驱动装置2的输出位移，完成隔振子系统的闭环振动控制。所述位移放大机构3包含以下任一种或任多种结构：菱形位移放大结构；杠杆位移放大结构；存在具有不同横截面大小的两个活塞的液压系统或气压系统。值得注意的是，菱形位移放大结构是利用了其变形时长短轴变化长度不等的特定实现位移放大效果的，本申请所限定的菱形位移放大结构包含了狭义上的菱形形状的位移放大结构，也包含了例如折线形(菱形的一半)、X形、椭圆形等形状的位移放大结构。对于液压系统或气压系统，可以是在同一个液压缸或气压缸中设置两个不同横截面大小的活塞及输出杆，也可以是由多个液压缸串联，或者多个气压缸串联构成。

所述隔振子系统可实现低频、超低频振动控制，但是对谐振抑制效果则大大降低；为了提高振动抑制系统对谐振的抑振性能，本发明将所述吸振子系统4复合设计于隔振系统。如图2所示，吸振子系统4中的吸振单元简化为图中的模型进行表示，模型中包含了吸振单元三个维度的平动刚度k_x、k_y、k_z和扭转刚度

以及三个维度的平动阻尼c_x、c_y、c_z和扭转阻尼

吸振单元总共具有六个自由度，即三个轴向位于自由度加上三个转动自由度(6-DOF)。图中O为初级振动子系统1的几何中心，O′为吸振单元的几何中心，d为O′到O的距离。

吸振单元还包含定子外壳13，弹性机构安装在定子外壳13上，所述动子质量体安装与定子外壳13中。优选地，所述弹性机构包含弹性弹簧钢片，多个弹性弹簧钢片中包含有第一弹性弹簧钢片18与第二弹性弹簧钢片19，第一弹性弹簧钢片18与第二弹性弹簧钢片19形成对动子质量体的限位结构，将动子质量体限制在定子外壳13中。吸振单元为以下任一种或任多种结构：被动式调谐结构；半主动式调谐结构；主动式调谐结构。

对于被动式调谐结构，其结构形式可以存在多种。如图4所示，在一个优选实施例中，吸振单元还包含调节螺钉16，一个或多个调节螺钉16安装至弹性机构上；，可通过手动拧入不同位置的螺钉16改变弹性弹簧钢片的有效长度，进而实现对吸振单元的刚度调节。在另一个优选实施例中，吸振单元还包含移动支点件17与直线位移驱动结构，直线位移驱动结构能够驱动移动支点件17产生位移；移动支点件17、直线位移驱动结构分别安装在弹性机构、定子外壳13上；如图5所示，直线位移驱动结构包含电机14与丝杠15，可通过电机14驱动转动丝杠15，改变弹性弹簧钢片上的移动支点件17的位置，以调节吸振单的刚度。优选地，所述直线位移驱动结构还可以是例如直线电机、齿轮齿条、液压杆、气压杆等能够产生直线位移驱动的结构。

所述半主动式调谐结构还包含励磁线圈11，定子外壳13、动子质量体上分别设置有相匹配的第一磁体件、第二磁体件，第一磁体件和/或第二磁体件形成所述励磁线圈11，改变动子质量体与定子外壳13间的电磁力实现电磁弹簧功能，改变励磁电流即可改变吸振单元的刚度。优选地，多个动子质量体中包含有第一动子质量体10与第二动子质量体12，第一动子质量体10、励磁线圈11、第二动子质量体12依次布置。主动式调谐结构与半主动式调谐结构在实体构造上无差异，但是额外增加了励磁电流调节单元，励磁电流调节单元包含以下模块：第二初级振动位移信息获取模块：获取初级振动子系统1的初级振动位移信息；惯性力信息生成模块：根据初级振动位移信息，生成惯性力输出信息；电流输出指令生成模块：根据惯性力输出信息，生成电流输出指令。所述电流输出指令用于控制通入励磁线圈11中的实时电流大小。主动式调谐通过在传感器测量初级振动子系统1的振动位移，计算出吸振子系统应该输出的惯性力，经励磁电流调节单元中预先设定的“力-电流”模型计算出励磁线圈11中应该输出的实时动态控制电流，完成闭环主动振动控制。

图3给出了群式吸振系统结构示意图，吸振子系统4包含的多个吸振单元形成群式结构。合理布置各吸振单元的安装位置，并使其与初级振动子系统1的各有害振动模态相匹配，可完成多模态振动抑制。例如：多个吸振单元中包含以下任一种或任多种结构：x轴向吸振单元；y轴向吸振单元；z轴向吸振单元9。其中：多个x轴向吸振单元中包含的第一x轴向吸振单元5与第二x轴向吸振单元7用于抑制沿x轴方向的振动模态；多个y轴向吸振单元中包含的第一y轴向吸振单元6与第二y轴向吸振单元7用于抑制沿y轴方向的振动模态；z轴向吸振单元9用于抑制沿z轴方向的振动模态。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种多模态吸隔振系统，其特征在于，包含隔振子系统与吸振子系统(4)；

所述隔振子系统包含位移调节机构，位移调节机构在位移方向上能够接触至初级振动子系统(1)；

所述吸振子系统(4)包含一个或多个吸振单元，所述吸振单元包含动子质量体与弹性机构；

所述吸振子系统(4)安装在初级振动子系统(1)上；

所述位移调节机构包含主动驱动装置(2)与位移放大机构(3)；

所述隔振子系统(4)能够实现低频、超低频振动控制，所述隔振子系统(4)还包含位移控制单元，包含以下模块：

第一初级振动位移信息获取模块：获取初级振动子系统(1)的初级振动位移信息；

所述位移输出指令用于控制主动驱动装置(2)的输出位移；

所述位移放大机构(3)将位移调节机构的输出位移进行放大，进行更大振幅的振动抑制；将初级振动子系统(1)的振动位移通过传感器测量后，输入位移控制单元，根据当前时刻初级振动子系统(1)的振动位移计算出下一时刻位移放大机构(3)应该输出的位移，解算后得到主动驱动装置(2)的输出位移，完成隔振子系统的闭环振动控制；

所述位移放大机构(3)包含以下任一种或任多种结构：

--菱形位移放大结构；

--杠杆位移放大结构；

--存在具有不同横截面大小的两个活塞的液压系统或气压系统；

吸振单元还包含定子外壳(13)，弹性机构安装在定子外壳(13)上，所述动子质量体安装于定子外壳(13)中；

吸振单元为以下任一种或任多种结构：

--被动式调谐结构；

--半主动式调谐结构；

--主动式调谐结构。

2.根据权利要求1所述的多模态吸隔振系统，其特征在于，所述被动式调谐结构包含以下任一种或全部结构：

--吸振单元还包含调节螺钉(16)，一个或多个调节螺钉(16)安装至弹性机构上；

--吸振单元还包含移动支点件(17)与直线位移驱动结构，直线位移驱动结构能够驱动移动支点件(17)产生位移；移动支点件(17)、直线位移驱动结构分别安装在弹性机构、定子外壳(13)上。

3.根据权利要求1所述的多模态吸隔振系统，其特征在于，所述半主动式调谐结构还包含励磁线圈(11)，

定子外壳(13)、动子质量体上分别设置有相匹配的第一磁体件、第二磁体件，第一磁体件和/或第二磁体件形成所述励磁线圈(11)。

4.根据权利要求1所述的多模态吸隔振系统，其特征在于，所述主动式调谐结构包含励磁线圈(11)，定子外壳(13)、动子质量体上分别设置有相匹配的第一磁体件、第二磁体件，第一磁体件和/或第二磁体件形成所述励磁线圈(11)；

主动式调谐结构还包含励磁电流调节单元，包含以下模块：

第二初级振动位移信息获取模块：获取初级振动子系统(1)的初级振动位移信息；

所述电流输出指令用于控制通入励磁线圈(11)中的实时电流大小。

5.一种多模态吸隔振平台，其特征在于，包含初级振动子系统(1)与权利要求1至4中任一项所述的多模态吸隔振系统；

所述多模态吸隔振系统安装在初级振动子系统(1)上。

6.根据权利要求5所述的多模态吸隔振平台，其特征在于，多个吸振单元形成以下任一种或任多种结构：

--x轴向吸振单元；

--y轴向吸振单元；

--z轴向吸振单元(9)。