CN110513422B - 一种新型杠杆式非线性电涡流阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械振动控制领域。目的是提供一种新型杠杆式非线性电涡流阻尼器；该阻尼器应具有耐久性好、可靠性高、阻尼可调的特点。技术方案是：一种新型杠杆式非线性电涡流阻尼器，其特征在于：该阻尼器包括提供线性力与阻尼的质量‑弹簧‑阻尼模块、提供非线性力的永磁体组模块或线圈模块、以及提供非线性阻尼即电涡流阻尼的杠杆模块；所述质量‑弹簧‑阻尼模块包括上下布置的负载板与激励板，负载板与激励板之间通过四套弹簧振动装置连接，该四套弹簧振动装置相互平行布置且分别固定于激励板四个角；所述永磁体组模块或线圈模块设有两套，关于激励板板中心对称；所述杠杆模块设有两套，关于激励板板中心对称。
Description
技术领域
本发明涉及机械振动控制领域，尤其是一种新型杠杆式非线性电涡流阻尼器。
背景技术
随着航天航空等高科技领域的发展，高精密仪器对振动响应的要求越来越高，常采用的方法是使用隔振器。被动式隔振器在频率大于时实现完全隔振。现有的被动式隔振器效果往往受到隔振器参数的约束，大多承载能力小，结构形式单一。
电涡流阻尼技术是基于法拉第电磁感应定律将物体运动时的机械能转化为导体板的电能，然后通过导体板的电阻效应将电能转换为热能耗散出去。导体板在磁场中做切割磁感线运动时，穿过导体板的磁通量会发生变化。根据法拉第电磁感应定律，导体板中会产生类似涡旋的电流，即电涡流。根据楞次定律，电涡流会产生一个与原磁场相反的新磁场，从而产生阻碍导体板和磁场相对运动的阻尼力，同时，导体板的电能通过电阻效应转换为热能不断耗散出去。电涡流阻尼技术采用非接触式耗能的方式，具有可靠性高、耐久性好以及阻尼易调节的优点，得到广泛应用。
电涡流阻尼所耗散能量的大小不仅与导体板本身材料性能和磁场强度有关，而且与磁场和导体板相对运动相关。多数隔振器由于自身位移行程过小，磁场与导体板的相对运动未能达到很好的隔振效果。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，将电涡流阻尼技术与机械杠杆结构相结合，提供一种新型杠杆式非线性电涡流阻尼器；该阻尼器应具有耐久性好、可靠性高、阻尼可调的特点。
本发明的技术方案是：
一种新型杠杆式非线性电涡流阻尼器，其特征在于：该阻尼器包括提供线性力与阻尼的质量-弹簧-阻尼模块、提供非线性力的永磁体组模块或线圈模块、以及提供非线性阻尼即电涡流阻尼的杠杆模块；所述质量-弹簧-阻尼模块包括上下布置的负载板与激励板，负载板与激励板之间通过四套弹簧振动装置连接，该四套弹簧振动装置相互平行布置且分别固定于激励板四个角；所述永磁体组模块或线圈模块设有两套，关于激励板板中心对称；所述杠杆模块设有两套，关于激励板板中心对称。
所述弹簧振动装置包括顶端与负载板固定且轴线垂直于负载板平面的光轴、穿套在光轴上且顶端固定在负载板上的上套筒、底端与激励板固定的下套筒、装套在光轴上且两端分别与上套筒及铝圆环固定的线性弹簧以及一端与光轴配合而另一端通过铝圆环与下套筒固定的直线轴承。
所述杠杆模块包括固定在激励板上的下轴承座、可绕水平轴线摆动地定位在下轴承座上且一端开设有长槽的杠杆、顶端通过滑槽结构竖直定位在负载板上而底端则固定有上轴承座的第二铝圆棒、与上轴承座中的轴承安装配合的同时又与所述长槽滑动配合的第三铝圆棒以及通过磁铁固定架固定在杠杆另一端的第三环形永磁体；所述滑槽结构包括开设在负载板上的腰圆槽以及制作在第二铝圆棒顶端且插入所述腰圆槽后再与第五螺钉固结的螺杆。
所述永磁体模块包括固定在负载板上的上部永磁体模块以及固定在激励板上且与上部永磁体模块相互作用的两个下部永磁体模块；
所述上部永磁体模块包括顶端与负载板固定的第一铝圆棒、穿套在第一铝圆棒底端的第一环形永磁体以及通过下部磁铁垫片将第一环形永磁体固定的调节螺钉；
所述下部永磁体模块包括第二环形永磁体以及将第二环形永磁体固定在激励板上的磁铁基座；两个磁铁基座的下部分别通过第四螺钉固定在激励板上同一个滑槽中。
第一环形永磁体与两个第二环形永磁体相斥；两个第二环形永磁体之间相斥。
所述线圈模块包括固定在负载板上且轴线垂直于负载板平面的线圈缠绕环、缠绕在线圈缠绕环上的线圈以及控制电路；所述线圈缠绕环通过第七螺钉与负载板固定；所述线圈沿同一个方向缠绕；所述线圈外接控制电路构成闭合回路。
所述控制电路包括电阻R0、可变电阻Rs、运算放大器U1、电阻R1以及电阻R2，运算放大器的正极通过R0与线圈上端连接，负极通过R2接地，线圈下端也接地；可变电阻Rs连接在运算放大器正极与输入端之间，电阻R1连接在运算放大器负极与输出端之间。
本发明的有益效果是：
本发明采用被动式阻尼隔振原理工作时，通过机械杠杆结构增大磁场与导体板之间的位移，从而增大电涡流阻尼，能够极大地提高该阻尼器的减振效果，通过机械结构的设计从而可以调节杠杆结构的力臂之比，使该阻尼器的阻尼特性可调，适应性更强，采用非接触式耗能方式，具有耐久性好、可靠性高等优点；本发明采用半主动式阻尼隔振原理工作时，线圈切割第三环形永磁体产生的磁感线，线圈产生电流，振动的能量转化为电流能量，被电阻元件消耗，加入了控制电路，使阻尼器的刚度、阻尼可调，采用正接、反接两种不同模式，使得阻尼可调范围增大；同时第一、第二环形永磁体可简化为一种非线性弹簧，异级相对为软弹簧，同级相对为硬弹簧，通过相对位置的设计以改变非线性弹簧刚度特性，从而提高隔振带宽。
附图说明
图1是实施例1的立体结构示意图。
图2是图1的部分结构示意图。
图3是图1杠杆模块结构示意图。
图4是实施例2的部分结构示意图。
图5是实施例3的部分结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1
图1所示的新型杠杆式非线性电涡流阻尼器，包括提供线性力与阻尼的质量-弹簧-阻尼模块1、提供非线性力的永磁体组模块2与提供非线性阻尼即电涡流阻尼的杠杆模块3。
所述质量-弹簧-阻尼模块中，负载板1-1与激励板1-3上下且水平布置，负载板与激励板之间设有连接负载板与激励板的四套弹簧振动装置1-2，此四套弹簧振动装置相互平行布置并且分别固定于激励板四个角。
如图2所示，所述弹簧振动装置中，光轴1-2-4的顶端与负载板固定（光轴的顶端通过第一螺钉1-2-1与负载板固定）且轴线垂直于负载板平面；上套筒1-2-3穿套在光轴上且顶端固定在负载板上（上套筒通过第二螺钉1-2-2与负载板固定），下套筒1-2-8的底端固定在激励板上，线性弹簧1-2-5装套在光轴上且两端分别与上套筒及铝圆环固定（所述线性弹簧的底端通过铝圆环固定）；直线轴承1-2-7的一端与光轴配合而另一端通过铝圆环1-2-6与下套筒连接。
所述永磁体组模块设有两套，关于激励板板中心对称。
每套永磁体模块包括固定在负载板上的上部永磁体模块2-1和固定在激励板上与上部永磁体模块作用的两个下部永磁体模块2-2；所述上部永磁体模块中，第一铝圆棒2-1-1的顶端与负载板固定，第一环形永磁体2-1-4固定在第一铝圆棒底端，调节螺钉2-1-5竖直往上依次穿过第一环形永磁体、下部磁铁垫片2-1-3以及上部磁铁垫片2-1-2后将第一环形永磁体固定在第一铝圆棒底端；通过调节调节螺钉所固定的上部磁铁垫片的数量（一片或几片）可以调节第一环形永磁体与第二环形永磁铁的距离。所述下部永磁体模块包括第二环形永磁体2-2-1和用于固定第二环形永磁体的磁铁基座2-2-3。所述磁铁基座上部通过第三螺钉2-2-2与第二环形永磁体固定，下部通过第四螺钉2-2-4固定在激励板上的滑槽1-3-1中（由图可知：两个磁铁基座的下部固定在同一个滑槽中）。每套永磁体模块中，两个第二环形永磁体之间相斥，所述第一环形永磁体又与两个第二环形永磁体相斥。通过调节两个第四螺钉在激励板上的同一个滑槽中的位置，可以调节两个第二环形永磁体之间的距离，结合第一环形永磁体距第二环形永磁铁中心的不同高度，可以得到不同的刚度特性。
所述杠杆模块设有两套，关于激励板板中心对称。
所述杠杆模块中：第二铝圆棒3-2的顶端通过滑槽结构竖直固定在负载板上，第二铝圆棒的底端与配有滚动轴承3-4的上轴承座3-3固定；下轴承座3-7固定在激励板上且配有轴承，杠杆3-6通过与下轴承座中的轴承安装配合的第四铝圆棒3-8可转动地（转动轴线水平布置）定位在下轴承座上；杠杆一端开设有沿长度方向伸展的滑槽3-6-1，与滚动轴承3-4安装配合的第三铝圆棒3-5又同时插入所述滑槽进行滑动配合。磁铁固定架3-9固定在杠杆的另一端，磁铁固定架上固定着第三环形永磁体3-10（第三环形永磁体通过第六螺钉3-11与磁铁固定架固定）。所述安装配合均是过盈配合；所述滑槽结构包括开设在负载板上的腰圆槽1-1-1以及制作在第二铝圆棒顶端且插入所述腰圆槽后再与第五螺钉3-1固结的螺杆。通过调节第一螺钉在负载板上的滑槽中的位置可以实现杠杆力臂之比的调节，从而可以实现不同的阻尼特性。
本实施例为被动式阻尼隔振原理，具体工作方式如下：
1）竖直方向的运动使负载板上下运动，永磁体组模块的上部永磁体模块与下部永磁体模块发生相对振动，由于磁力产生的刚度为负，使得系统总刚度降低，进而降低了固有频率，最终提高了隔振带宽。
2）竖直方向的运动使负载板上下运动，与负载板固连的第二铝圆棒带动长槽中的第三铝圆棒运动，使杠杆产生转动，从而带动第三环形永磁体分别与负载板和激励板发生相对位移，在负载板和激励板中产生电涡流，并通过电阻效应将能量耗散出去。
实施例2
图4所示的新型杠杆式非线性电涡流阻尼器，包括提供线性力与阻尼的质量-弹簧-阻尼模块1、提供非线性阻尼即电涡流阻尼的杠杆模块3以及提供非线性力的线圈模块4。本实施例与实施例1结构类同，不同之处仅在于用线圈模块4替代了永磁体组模块。
如图4所示，所述线圈模块4包括固定在负载板上且轴线与负载板平面垂直的线圈缠绕环4-1、缠绕在线圈缠绕环上的线圈4-3以及控制电路4-4。所述线圈缠绕环通过第七螺钉与负载板固定。所述线圈沿同一个方向缠绕。所述线圈外接控制电路构成闭合回路。所述控制电路包括电阻R0、可变电阻Rs、运算放大器U1、电阻R1以及电阻R2，运算放大器的正极通过R0与线圈上端连接，负极通过R2接地，线圈下端也接地；可变电阻Rs连接在运算放大器正极与输入端之间，电阻R1连接在运算放大器负极与输出端之间。
本实施例为半主动式阻尼隔振原理，具体工作方式如下：
1）竖直方向施加的负载使负载板上下运动，杠杆发生转动，第三环形永磁体与线圈发生相对位移，线圈切割第三环形永磁体产生磁感线，导致线圈产生电流，振动的能量通过电阻元件消耗出去。
2）调节可变电阻Rs的大小，可减小线圈内阻抗，增大控制力，提高隔振性能。
实施例3
图4所示的新型杠杆式非线性电涡流阻尼器，包括提供线性力与阻尼的质量-弹簧-阻尼模块1、提供非线性阻尼即电涡流阻尼的杠杆模块3以及提供非线性力的线圈模块5。本实施例与实施例1结构类同，不同之处仅在于用线圈模块5替代了永磁体组模块。
如图5所示，所述线圈模块5包括固定在负载板上且轴线与负载板平面垂直的上线圈缠绕环5-3、缠绕在上线圈缠绕环上的线圈5-2、固定在上线圈缠绕环上的下线圈缠绕环5-5（下线圈缠绕环轴线与上线圈缠绕环轴线同轴）、缠绕在下线圈缠绕环上的下线圈5-4以及控制电路4-4。所述上线圈缠绕环通过第八螺钉5-1与负载板固定。所述线圈沿同一个方向缠绕。
所述线圈与控制电路连接方法有两种，正接与反接。所述正接方法：上线圈上端与运算放大器的正极连接，上线圈下端接地，下线圈上端与运算放大器的正极连接，下线圈下端接地。所述反接方法：上线圈上端与运算放大器的正极连接，上线圈下端接地，下线圈上端接地，下线圈下端与运算放大器的正极连接。
实施例3的工作原理与实施例2的工作原理相同。
Claims (4)
1.一种新型杠杆式非线性电涡流阻尼器，其特征在于：该阻尼器包括提供线性力与阻尼的质量-弹簧-阻尼模块（1）、提供非线性力的永磁体组模块（2）或线圈模块（4）、以及提供非线性阻尼的杠杆模块（3）；所述质量-弹簧-阻尼模块（1）包括上下布置的负载板（1-1）与激励板（1-3），负载板与激励板之间通过四套弹簧振动装置（1-2）连接，该四套弹簧振动装置相互平行布置且分别固定于激励板的四个角；所述永磁体组模块（2）或线圈模块（4）设有两套，关于激励板板中心对称；所述杠杆模块（3）设有两套，关于激励板板中心对称；
所述弹簧振动装置包括顶端通过第一螺钉（1-2-1）与负载板固定且轴线垂直于负载板平面的光轴（1-2-4）、穿套在光轴上且顶端通过第二螺钉（1-2-2）固定在负载板上的上套筒（1-2-3）、底端与激励板固定的下套筒（1-2-8）、装套在光轴上且两端分别与上套筒及铝圆环（1-2-6）固定的线性弹簧（1-2-5）以及一端与光轴配合而另一端通过铝圆环与下套筒固定的直线轴承（1-2-7）；
所述杠杆模块包括固定在激励板上的下轴承座（3-7）、可绕水平轴线摆动地定位在下轴承座上且一端开设有长槽的杠杆（3-6）、顶端通过滑槽结构竖直定位在负载板上而底端则固定有上轴承座（3-3）的第二铝圆棒（3-2）、与上轴承座中的轴承安装配合的同时又与所述长槽滑动配合的第三铝圆棒（3-5）以及通过磁铁固定架（3-9）固定在杠杆另一端的第三环形永磁体（3-10）；所述第三环形永磁体通过第六螺钉（3-11）与磁铁固定架固定；所述滑槽结构包括开设在负载板上的腰圆槽以及制作在第二铝圆棒顶端且插入所述腰圆槽后再与第五螺钉（3-1）固结的螺杆；
所述永磁体组模块包括固定在负载板上的上部永磁体模块（2-1）以及固定在激励板上且与上部永磁体模块相互作用的两个下部永磁体模块（2-2）；
所述上部永磁体模块包括顶端与负载板固定的第一铝圆棒（2-1-1）、穿套在第一铝圆棒底端的第一环形永磁体（2-1-4）以及通过下部磁铁垫片（2-1-3）将第一环形永磁体固定的调节螺钉（2-1-5）；
所述下部永磁体模块包括第二环形永磁体（2-2-1）以及将第二环形永磁体固定在激励板上的磁铁基座（2-2-3），所述磁铁基座的上部通过第三螺钉（2-2-2）与第二环形永磁体固定；两个磁铁基座的下部分别通过第四螺钉（2-2-4）固定在激励板上的同一个滑槽中。
2.根据权利要求1所述的新型杠杆式非线性电涡流阻尼器，其特征在于：所述第一环形永磁体（2-1-4）与两个第二环形永磁体（2-2-1）相斥，两个第二环形永磁体（2-2-1）之间相斥。
3.根据权利要求2所述的新型杠杆式非线性电涡流阻尼器，其特征在于：所述线圈模块（4）包括固定在负载板上且轴线垂直于负载板平面的线圈缠绕环（4-1）、缠绕在线圈缠绕环上的线圈（4-3）以及控制电路（4-4）；所述线圈缠绕环通过第七螺钉与负载板固定；所述线圈沿同一个方向缠绕；所述线圈外接控制电路构成闭合回路。
4.根据权利要求3所述的新型杠杆式非线性电涡流阻尼器，其特征在于：所述控制电路（4-4）包括电阻R0、可变电阻Rs、运算放大器U1、电阻R1以及电阻R2，运算放大器的正极通过R0与线圈上端连接，负极通过R2接地，线圈下端也接地；可变电阻Rs连接在运算放大器正极与输入端之间，电阻R1连接在运算放大器负极与输出端之间。
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