CN110748589A - 一种斜支弹簧系统的变频方法及变频吸振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种斜支弹簧系统的变频方法及变频吸振装置,属于变频吸振技术领域,斜支弹簧系统的变频方法包括将形状记忆合金弹簧替换;在形状记忆合金弹簧上绕制线圈并改变电流强度,形状记忆合金弹簧升温变形,其未受力前的长度变化并发生马氏体相变,光滑参数和刚度随之变化,达到变频;变频吸振装置包括壳体、移动直杆和形状记忆合金弹簧,移动直杆上套接有滑轨,滑轨上设有滑块,形状记忆合金弹簧连接移动直杆,通电后形状记忆合金弹簧变形,滑块限位,限制移动直杆的活动,实现变频;本发明提供的一种斜支弹簧系统的变频方法及变频吸振装置,实现了对斜支弹簧系统光滑参数和弹簧刚度的控制,实现变频的目的。
Description
技术领域
本发明属于变频吸振技术领域,更具体地说,是涉及一种斜支弹簧系统的变频方法及变频吸振装置。
背景技术
斜支弹簧系统又称斜支承弹簧系统,是一种非线性系统,其几何非线性使得恢复力为无理非线性形式,频率与光滑参数α有关,这就使得其频率可随光滑参数α的变化而变化。因而,斜支弹簧系统是变频非线性系统,有反应灵敏、结构简单且频率可变的特点。近几年,都有将斜支弹簧系统用于减振的研究,结果均表明,通过调节光滑参数α可使减振达到理想的效果。然而,以往对于斜支弹簧系统的工作均没有实现对光滑参数α的主动调节,斜支弹簧系统的实际工程应用仍存在一定阻力。
此外,振动广泛存在于土木工程和机械设备中,有害的振动会损害或影响在振动环境内工作人员的身体健康和工作效率,还会对对仪器、设备和建筑物造成损害。为了减少有害振动,科学家们研究发明了吸振器。吸振器一般是由振子、弹性元件、阻尼原件构成的“质量-弹簧-阻尼”系统。利用共振原理,吸振器可以吸收掉主系统振动的能量,从而使主系统的振动得到明显抑制。半主动式吸振器可结合被动吸振器的轻便和主动式的可控,可有效减少结构的有害振动,因此吸引了研究学者们的兴趣。按照调节方式,半主动式吸振器可分为刚度调节式和阻尼调节式。而吸振器的频率和其系统刚度有关。那么,选择怎样的弹簧系统使吸振器有变频的性能,这成为半主动式吸振器吸振性能改善需要考虑的主要问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种斜支弹簧系统的变频方法及变频吸振装置,旨在解决斜支弹簧系统中光滑参数α无法调节的技术问题。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:提供一种斜支弹簧系统的变频方法,包括以下步骤:
将形状记忆合金作为斜支弹簧系统中的弹簧材料;
在所述形状记忆合金弹簧上绕制线圈,所述线圈用于产生电流并改变所述形状记忆合金弹簧的温度;
使所述线圈连接电源,改变所述线圈中的电流强度,使所述形状记忆合金弹簧升温并产生变形,用于实现斜支弹簧系统的变频,分别记录所述形状记忆合金弹簧的刚度和伸缩长度随温度变化的规律。
作为本申请另一实施例,所述形状记忆合金弹簧的伸缩长度随温度变化规律为:
其中,GM为形状记忆合金低温剪切模量,GA为高温剪切模量,γmax为最大剪切模量,As为形状记忆合金奥氏体相变开始温度;
所述形状记忆合金弹簧在温度改变的作用下,在未受力之前,所述形状记忆合金弹簧的长度发生改变,用于改变所述斜支弹簧系统的光滑参数α;
其中,l00为所述斜支弹簧系统中弹簧水平投影长度的一半,l为所述形状记忆合金弹簧未受力前的长度。
其中,D为弹簧直径,d为弹簧丝径,N为弹簧圈数,Y为弹簧变形长度,T为弹簧温度,Mf为形状记忆合金马氏体相变结束温度,Af为形状记忆合金奥氏体相变结束温度,a1、a2为正常数。
作为本申请另一实施例,通过改变所述形状记忆合金弹簧上线圈的电流强度,使所述形状记忆合金弹簧升温并产生变形,所述形状记忆合金弹簧未受力前的长度变化并发生马氏体相变,进而所述斜支弹簧系统的光滑参数α和所述形状记忆合金弹簧的刚度发生改变,而所述斜支弹簧系统的光滑参数α和所述形状记忆合金弹簧的刚度分别与所述斜支弹簧系统的频率有关系,进而通过调节所述线圈的电流强度,实现所述斜支弹簧系统的变频作用;
所述斜支弹簧系统的控制方程为:
由上述可知,所述斜支弹簧系统的等价频率随着光滑参数α和所述形状记忆合金弹簧的刚度变化而变化,而所述斜支弹簧系统的光滑参数α和所述形状记忆合金弹簧的刚度受控于所述形状记忆合金弹簧的温度,而所述形状记忆合金弹簧的温度受控于所述线圈的电流强度,进而,通过改变所述线圈的电流强度,实现所述斜支弹簧系统频率的改变。
本申请还提供一种基于斜支弹簧系统的变频方法的变频吸振装置,包括壳体、移动直杆和形状记忆合金弹簧:移动直杆穿插在所述壳体顶部,所述移动直杆的外部用于连接产生激振信号的设备,所述移动直杆的内部套装有滑轨,所述滑轨上套装有滑块,所述滑块外侧绕制有可通电的第一线圈,所述滑块内部设有用于感应形状记忆合金弹簧变形的感应器和用于控制所述第一线圈中电流开闭的电流控制器;形状记忆合金弹簧设于所述壳体内部,绕制有可通电的第二线圈,所述第二线圈受控于所述电流控制器,所述形状记忆合金弹簧的一端连接所述滑块、另一端固设于所述壳体内壁上;根据激振信号,所述电流控制器控制所述第一线圈断电、所述第二线圈通电并产生变形,再次控制所述第一线圈通电,所述滑块在所滑轨上限位,并限制所述移动直杆的活动,用于实现变频。
作为本申请另一实施例,变频吸振装置还包括控制平台和导线,控制平台设于所述壳体外侧,与所述电流控制器电连接,用于接收所述激振信号和发送电信号给所述电流控制器;导线沿所述壳体内侧布置,一端连接至所述电流控制器、另一端从所述移动直杆的外端引出并连接至所述控制平台。
作为本申请另一实施例,所述形状记忆合金弹簧为多个,均匀安装在所述壳体内,所述形状记忆合金弹簧的一端通过支座连接在壳体上,另一端通过护套连接在所述滑块上。
作为本申请另一实施例,所述壳体内侧顶部和底部均设有橡胶垫座,所述橡胶垫座用于缓冲所述移动直杆在移动中的冲击力,并且能增大所述移动直杆的阻尼力。
作为本申请另一实施例,与所述移动直杆滑接的所述壳体上设有用于导向和密封的导向密封件。
作为本申请另一实施例,所述滑轨的下端截面呈L型,用于防止所述滑块掉落。
本发明提供的一种斜支弹簧系统的变频方法的有益效果在于:与现有技术相比,本发明一种斜支弹簧系统的变频方法,通过形状记忆合金弹簧的设置和对电流强度的调节,实现了对斜支弹簧系统光滑参数α和弹簧刚度的控制,进而可以实现对斜支弹簧系统中频率的调节,实现斜支弹簧系统变频的功能,解决了在斜支弹簧系统中光滑参数α不能调节的技术问题,具有能通过电流强度来改变斜支弹簧系统中光滑参数α和形状记忆合金弹簧刚度的大小,实现了斜支弹簧系统变频的功能。
本发明提供的一种基于斜支弹簧系统的变频方法的变频吸振装置的有益效果在于:与现有技术相比,本发明的变频吸振装置,可通过改变电流强度的大小,实现该吸振装置的变频吸振功能,安装方便,仅需改变电流强度,就可实现频率的调节,可满足不同条件下的吸振要求,以适应建筑或机械设备的工况变化,拓宽了变频斜支弹簧系统的工程应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种斜支弹簧系统的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的一种斜支弹簧系统的形状记忆合金弹簧的恢复力与温度关系曲线图,其中m=3kg,d=0.002m,D=0.03m,Mf=22℃,N=10,Ms=48℃,As=50℃,As=50℃,a1=9600,a2=12800,GA=15GPa,GM=6.5GPa,γmax=1.5%,L0=0.05m,l=0.03m;
图3为本发明实施例提供的一种斜支弹簧系统在图2所取参数条件下,形状记忆合金弹簧的刚度与温度关系图;
图4为本发明实施例提供的一种斜支弹簧系统在图2所取参数条件下,形状记忆合金弹簧的刚度与位移关系图;
图5为本发明实施例提供的一种基于斜支弹簧系统的变频方法的变频吸振装置的结构示意图;
图6为本发明实施例提供的一种变频吸振装置的左视图;
图7为本发明实施例提供的一种变频吸振装置的右视图。
图中:1、壳体;2、移动直杆;3、形状记忆合金弹簧;4、滑轨;5、滑块;6、导线;7、支座;8、橡胶垫座;9、导向密封件。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请一并参阅图1及图4,现对本发明提供的一种斜支弹簧系统的变频方法进行说明。所述一种斜支弹簧系统的变频方法,包括以下步骤:
将形状记忆合金作为斜支弹簧系统中的弹簧材料;
在形状记忆合金弹簧上绕制线圈,线圈用于产生电流并改变形状记忆合金弹簧的温度;
使线圈连接电源,改变线圈中的电流强度,使形状记忆合金弹簧升温并产生变形,用于实现斜支弹簧系统的变频,分别记录形状记忆合金弹簧的刚度和伸缩长度随温度变化的规律。
本发明提供的一种斜支弹簧系统的变频方法,与现有技术相比,本发明提出一种斜支弹簧系统的变频方法,通过形状记忆合金弹簧的设置和对电流强度的调节,实现了对斜支弹簧系统中光滑参数α和形状记忆合金弹簧刚度的控制,进而可以实现对斜支弹簧系统中频率的调节,实现斜支弹簧系统变频的功能,解决了在斜支弹簧系统中光滑参数α不能调节的技术问题,具有能通过电流强度来改变斜支弹簧系统中光滑参数α和形状记忆合金弹簧刚度的大小,实现了斜支弹簧系统变频的功能。
作为本发明提供的一种斜支弹簧系统的变频方法的一种具体实施方式,请参阅图1至图4,形状记忆合金弹簧的伸缩长度随温度变化规律为:
其中,GM为形状记忆合金低温剪切模量,GA为高温剪切模量,γmax为最大剪切模量,As为形状记忆合金奥氏体相变开始温度;
形状记忆合金弹簧在温度改变的作用下,在未受力之前,形状记忆合金弹簧的长度发生改变,用于改变斜支弹簧系统的光滑参数α;
其中,l00为斜支弹簧系统中弹簧水平投影长度的一半,l为形状记忆合金弹簧未受力前的长度。
作为本发明提供的一种斜支弹簧系统的变频方法的一种具体实施方式,请参阅图1至图4,形状记忆合金弹簧的刚度随温度的变化规律为:
其中,D为弹簧直径,d为弹簧丝径,N为弹簧圈数,Y为弹簧变形长度,T为弹簧温度,Mf为形状记忆合金马氏体相变结束温度,Af为形状记忆合金奥氏体相变结束温度,a1、a2为正常数。
作为本发明提供的一种斜支弹簧系统的变频方法的一种具体实施方式,请参阅图1至图4,通过改变形状记忆合金弹簧上线圈的电流强度,使所述形状记忆合金弹簧升温并产生变形,所述形状记忆合金弹簧未受力前的长度变化并发生马氏体相变,进而斜支弹簧系统的光滑参数α和形状记忆合金弹簧刚度发生改变,而斜支弹簧系统中光滑参数α和形状记忆合金弹簧的刚度分别与斜支弹簧系统的频率有关系,进而通过调节线圈的电流强度,实现斜支弹簧系统的变频作用。
斜支弹簧系统的控制方程为:
由上述可知,斜支弹簧系统的等价频率随着光滑参数α和形状记忆合金弹簧的刚度变化而变化,而斜支弹簧系统的光滑参数α和形状记忆合金弹簧的刚度受控于形状记忆合金弹簧的温度,而形状记忆合金弹簧的温度受控于线圈的电流强度,进而,通过改变线圈的电流强度,实现斜支弹簧系统频率的改变。
在一个具体实施例中,利用电流强度改变形状记忆合金弹簧的温度的步骤包括如下:
(1)根据所需频率确定所需斜支弹簧系统的光滑参数α和弹簧刚度;
(2)根据所需斜支弹簧系统的光滑参数α和弹簧刚度,确定形状记忆合金弹簧未受力前变化长度和形状记忆合金弹簧刚度大小;
(3)根据形状记忆合金弹簧未受力前变化长度和形状记忆合金弹簧大小,计算施加于形状记忆合金弹簧的温度大小;
(4)根据施加于形状记忆合金弹簧温度确定所需电流强度大小。
电流强度和温度的关系为:
在一个具体实施例中,在斜支弹簧系统中,令m=3kg,d=0.002m,D=0.03m,Mf=22℃,N=10,Ms=48℃,As=50℃,As=50℃,a1=9600,a2=12800,GA=15GPa,GM=6.5GPa,γmax=1.5%,L0=0.05m,l=0.03m。其斜支弹簧系统恢复力随温度的变化如图2所示,随着温度的升高,形状记忆合金弹簧的恢复力也会随着升高,恢复力与位移的斜率也会升高,这意味着刚度也在变化。
取上述同样的斜支弹簧系统的参数,斜支弹簧系统刚度随温度的变化如图3-图4所示,在位移为0处,整个曲面处于一个波谷,表明刚度最小且为负刚度。在同一位移下,随着温度的升高,刚度基本呈上升趋势。在同一温度下,随着位移的变化,刚度先上升再下降再上升,且正刚度区域和负刚度区域交替出现。另外,当温度较高时,可以看出,刚度的变化范围逐渐扩大,这表明了刚度可由温度进行控制,而温度改变可以通过改变电流强度来实现,这便为利用调节电流强度实现斜支弹簧系统的变频功能提供了条件。
本发明还提供一种基于斜支弹簧系统的变频方法制成的变频吸振装置,请参阅图5至图7,变频吸振装置包括壳体1、移动直杆2和形状记忆合金弹簧3:移动直杆2穿插在壳体1顶部,移动直杆2的外部用于连接产生激振信号的设备,移动直杆2的内部套装有滑轨4,滑轨4上套装有滑块5,滑块5外侧绕制有可通电的第一线圈,滑块5内部设有用于感应形状记忆合金弹簧3变形的感应器和用于控制第一线圈中电流开闭的电流控制器;形状记忆合金弹簧3设于壳体1内部,绕制有可通电的第二线圈,第二线圈受控于电流控制器,形状记忆合金弹簧3的一端连接滑块5、另一端固设于壳体1内壁上;根据激振信号,电流控制器控制第一线圈断电、第二线圈通电并产生变形,再次控制第一线圈通电,滑块5在所滑轨4上限位,并限制移动直杆2的活动,用于实现变频。
本发明提供的变频吸振装置,与现有技术相比,本发明的变频吸振装置,可通过改变电流强度的大小,实现该吸振装置的变频吸振功能,安装方便,仅需改变电流强度,就可实现频率的调节,可满足不同条件下的吸振要求,以适应建筑或机械设备的工况变化,拓宽了变频斜支弹簧系统的工程应用。
在一个具体实施例中,移动直杆2、滑轨4和滑块5均为铁质的。滑轨4可看做是一种套筒的结构,套接在移动直杆2上并与移动直杆2不产生相对运动,滑块5与滑轨4滑动连接,滑块5可理解为一种套环,在滑块5的内部为空腔体,在该空腔体内设有感应器和电流控制器,第一线圈绕制在滑块5的外侧。电流控制器是一种能够控制电流断连的部件,感应器用于感应形状记忆合金弹簧3在温度升高下是否完成变形动作,感应器即为传感器,或为位移传感器,能够探测记忆合金弹簧是否产生位移,产生位移可理解为已经发生变形。移动直杆2的长度不应过长,避免其频繁撞击吸振装置内侧表面,而影响减振效果。
在一个具体实施例中,感应器与电流控制器电性连接。
作为本发明提供的变频吸振装置的一种具体实施方式,请参阅图5及图7,变频吸振装置还包括控制平台和导线6,控制平台设于壳体1外侧,与电流控制器电连接,用于接收激振信号和发送电信号给电流控制器;导线6沿壳体1内侧布置,一端连接至电流控制器、另一端从移动直杆2的外端引出并连接至控制平台。导线6伸出壳体1后,与控制平台电性连接,控制平台可理解为一种工控机或综合计算机,能够接收/发送信号、分析信号和控制输出信号,而且还能够判断和设置信号的范围。
该变频吸振装置,根据传输至控制平台的激振信号,可以控制对第二线圈上的电流的大小,利用电流的热效应管和形状记忆合金的形状记忆效应,形状记忆合金弹簧3在温度作用下发生形状和性质的改变,应对不同工况下,通过改变施加于形状记忆合金弹簧3上的电流强度,形状记忆合金弹簧3的刚度和未受力钱的长度发生改变,进而造成斜支弹簧系统中的光滑参数α随之变化,达到频率改变的目的。
作为本发明提供的变频吸振装置的一种具体实施方式,请参阅图5及图7,形状记忆合金弹簧3为多个,均匀安装在壳体1内,形状记忆合金弹簧3的一端通过支座7连接在壳体1上,另一端通过护套连接在滑块5上。
作为本发明提供的变频吸振装置的一种具体实施方式,请参阅图5及图7,壳体1内侧顶部和底部均设有橡胶垫座8,橡胶垫座8用于缓冲移动直杆2在移动中的冲击力,并且能增大移动直杆2的阻尼力。
作为本发明提供的变频吸振装置的一种具体实施方式,请参阅图5及图7,与移动直杆2滑接的壳体1上设有用于导向和密封的导向密封件9。
作为本发明提供的变频吸振装置的一种具体实施方式,请参阅图5及图7,滑轨4的下端截面呈L型,用于限制滑块5移动,或防止滑块5脱离掉落。
在一个具体实施例中,在壳体1的侧部设有多个安装孔,用于对该变频吸振装置的安装和拆卸。
针对变频吸振装置的控制策略,包括以下步骤:
(1)根据激振设备上的振动传感器获取激振信号的速度和荷载强度等信息;
(2)控制平台利用优化算法确定施加于形状记忆弹簧和的电流强度;
(3)电流控制器断开滑块5上的第一线圈电流,根据电磁铁通电有磁、断电消磁的性质,滑块5磁性消除,与滑轨4解除吸附关系,滑块5可沿直线滑轨4自由移动;
(4)形状记忆合金弹簧3升温变形,推动滑块5沿滑轨4移动,完成形状记忆合金弹簧3的自由变形;
(5)电流控制器重新连接滑块5第二线圈电流,滑块5的磁性恢复,重新吸附于滑轨4上,防止在移动直杆2做往复运动时滑块5移动造成形状记忆合金弹簧3的额外变形;当变频吸振装置的频率与激振频率达到共振时,斜支弹簧系统的振动得到明显抑制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种斜支弹簧系统的变频方法,其特征在于,包括以下步骤:
将形状记忆合金作为斜支弹簧系统中的弹簧材料;
在所述形状记忆合金弹簧上绕制线圈,所述线圈用于产生电流并改变所述形状记忆合金弹簧的温度;
使所述线圈连接电源,改变所述线圈中的电流强度,使所述形状记忆合金弹簧升温并产生变形,用于实现斜支弹簧系统的变频,分别记录所述形状记忆合金弹簧的伸缩长度和刚度随温度变化的规律。
4.如权利要求2或3所述的一种斜支弹簧系统的变频方法及变频吸振装置,其特征在于,通过改变所述形状记忆合金弹簧上线圈的电流强度,使所述形状记忆合金弹簧升温并产生变形,所述形状记忆合金弹簧未受力前的长度变化并发生马氏体相变,进而所述斜支弹簧系统中的光滑参数α和所述形状记忆合金弹簧的刚度发生改变,而所述斜支弹簧系统的光滑参数α和所述形状记忆合金弹簧的刚度分别与所述斜支弹簧系统的频率有关系,进而通过调节所述线圈的电流强度,实现所述斜支弹簧系统的变频作用;
所述斜支弹簧系统的控制方程为:
由上述可知,所述斜支弹簧系统的等价频率随着光滑参数α和所述形状记忆合金弹簧的刚度变化而变化,而所述斜支弹簧系统的光滑参数α和所述形状记忆合金弹簧的刚度受控于所述形状记忆合金弹簧的温度,而所述形状记忆合金弹簧的温度受控于所述线圈的电流强度,进而,通过改变所述线圈的电流强度,实现所述斜支弹簧系统频率的改变。
5.一种基于权利要求1-4所述的斜支弹簧系统的变频方法的变频吸振装置,其特征在于,包括:
壳体;
移动直杆,穿插在所述壳体顶部,所述移动直杆的外部用于连接产生激振信号的设备,所述移动直杆的内部套装有滑轨,所述滑轨上套装有滑块,所述滑块外侧绕制有可通电的第一线圈,所述滑块内部设有用于感应形状记忆合金弹簧变形的感应器和用于控制所述第一线圈中电流开闭的电流控制器;以及
形状记忆合金弹簧,设于所述壳体内部,绕制有可通电的第二线圈,所述第二线圈受控于所述电流控制器,所述形状记忆合金弹簧的一端连接所述滑块、另一端固设于所述壳体内壁上;根据激振信号,所述电流控制器控制所述第一线圈断电、所述第二线圈通电并产生变形,再次控制所述第一线圈通电,所述滑块在所滑轨上限位,并限制所述移动直杆的活动,用于实现变频。
6.如权利要求5所述的一种变频吸振装置,其特征在于,还包括:
控制平台,设于所述壳体外侧,与所述电流控制器电连接,用于接收所述激振信号和发送电信号给所述电流控制器;以及
导线,沿所述壳体内侧布置,一端连接至所述电流控制器、另一端从所述移动直杆的外端引出并连接至所述控制平台。
7.如权利要求5所述的一种变频吸振装置,其特征在于,所述形状记忆合金弹簧为多个,均匀安装在所述壳体内,所述形状记忆合金弹簧的一端通过支座连接在壳体上,另一端通过护套连接在所述滑块上。
8.如权利要求5所述的一种变频吸振装置,其特征在于,所述壳体内侧顶部和底部均设有橡胶垫座,所述橡胶垫座用于缓冲所述移动直杆在移动中的冲击力,并且能增大所述移动直杆的阻尼力。
9.如权利要求5所述的一种变频吸振装置,其特征在于,与所述移动直杆滑接的所述壳体上设有用于导向和密封的导向密封件。
10.如权利要求5所述的一种变频吸振装置,其特征在于,所述滑轨的下端截面呈L型,用于防止所述滑块掉落。
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