CN111396496A - 一种具有自耦合功能的电流变弹性体减振器 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构和机械隔振领域；采用智能材料的减振器件均需要施加外部磁场或电场激励，需要给减振器额外供能并设计相应的控制算法，使隔振系统变得复杂，本发明提供一种具有自耦合功能的电流变弹性体减振器，减振压杆与上部外壳的内腔顶面之间安装多个发电拉杆，其上部为用于发电的介电弹性体堆栈，介电弹性体薄片之间的柔性电极间隔连接正负极引出电极，电流变弹性体单体之间的电极片间隔连接介电弹性体堆栈的正负极，减振压杆将振动能传递给介电弹性体发电拉杆并带动其中的介电弹性体堆栈发生拉压变形，介电弹性体堆栈与减振压杆下方的电流变弹性体叠层结构的刚度匹配性好，并能提供较强电场，实现自耦合功能。

Description

一种具有自耦合功能的电流变弹性体减振器

技术领域

本发明涉及一种减振器，更具体的说，涉及一种具有自耦合功能的电流变弹性体减振器。

背景技术

目前，机械减振领域最常用的技术仍为被动式隔振，如金属弹簧、橡胶弹簧、充气弹簧和液压减振器等。该类型减振器整体减振性能虽然不错，但由于其刚度和阻尼不可控，仅适用于某些固定的振动情况，缺乏振动控制的灵活性；且该类型减振器普遍存在抗横向剪切作用能力差的缺陷，而充气弹簧和液压减振器对密封性的要求高，一旦气体或液压油发生泄漏就会失去减振效果。采用主动式隔振技术可使机械设备在不同振动工况下均获得良好的减振效果，但由于需在结构中串联或并联主动元件和供能控制单元，这使得主动式减振器结构复杂且能耗较大。

近年来，基于智能材料的半主动减振技术的发展为机械设备减振提供了新的途径。一方面，在周期性小振幅振动条件下，半主动减振器无需外界供能便可发挥类似被动式减振具备的作用；另一方面，当振动幅值或频率发生变化，可通过调控智能材料的刚度或阻尼使减振器改变固有特性适应该振动条件。然而，采用智能材料的减振器件一般均需要施加外部磁场或电场激励，这需要给减振器额外供能并设计相应的控制算法，也会使隔振系统变得复杂。

最近的研究中，有学者提出了一些基于智能材料的自供能减振器件设计，如申请专利号为CN104154169B的中国专利公开的一种自供能电流变弹性体减振器，该专利采用电流变弹性体作为变刚度隔振材料开发出半主动减振器，在采用具有主动压电基换能器作为供能单元，理论上减振器可无需外界供能。但对电流变弹性体来说，压电基换能器输出电压较小，这会使电流变弹性体刚度变化范围受限；且压电陶瓷与电流变弹性体弹性模量差异较大，由此在工作中压电材料输出电压与电流变弹性体变形会产生较大时滞，从而影响自供能控制效果。已公开的申请专利号为CN107255136A的中国专利智能电流变弹性体减振器中，采用永磁振子切割线圈的方法为电流变弹性体提供电能。永磁体发电电压与线圈切割频率成正比，因而在小振幅、低频率条件下该方法较难产生高电压，且线圈在长时间振动工况下需考虑放热，也由此还需增加散热单元增加器件复杂程度。因此，基于电流变弹性体等智能材料，开发一种结构简单、刚度变化范围较宽、性能稳定的新型智能减振器件，对于机械设备的振动控制具有重要的实际意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有自耦合功能的电流变弹性体减振器，该发明响应迅速，可自适应调节刚度，在回收设备振动能量的同时，免除器件刚度调控的能耗，简化隔振器的结构。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种具有自耦合功能的电流变弹性体减振器，包括减振压杆、若干发电拉杆、上部外壳和底座，上部外壳的外部和底座的外部通过固定螺栓和固定螺母连接，上部外壳的顶部中心设有用于减振压杆穿过的通孔，上部外壳腔内顶部设有若干螺纹孔；减振压杆的下端设有凸缘，凸缘与上部外壳的腔内顶面之间设有复位弹簧，复位弹簧套在减振压杆上；发电拉杆位于上部外壳的腔体内，发电拉杆两端分别位于上部外壳的腔内顶部和减振压杆凸缘的上表面，以减振压杆为圆心呈圆周阵列式均匀分布在减振压杆的凸缘上，发电拉杆包括第一绝缘衬套、金属拉杆和位于第一绝缘衬套内的介电弹性体堆栈，第一绝缘衬套的开口处配置绝缘衬套端盖和绝缘垫片；第一绝缘衬套开口的一端位于金属拉杆的顶部；介电弹性体堆栈包括若干叠层放置的介电弹性体薄片，相邻的介电弹性体薄片之间设有柔性电极，柔性电极位于刚性的绝缘外环的环内，每个柔性电极均有导线引出；还包括位于减振压杆和底座之间的电流变弹性体叠层结构，电流变弹性体叠层结构包括若干叠层放置的电极片和位于电流变弹性体叠层结构的顶层的上极板，相邻的两个电极片之间设有电流变弹性体单体，上极板和每个电极片均有导线引出；上极板与减振压杆之间设有顶部绝缘片，电流变弹性体叠层结构的最底层的电极片的底部设有底部绝缘片，电流变弹性体叠层结构与底座之间设有第二绝缘衬套。

进一步，上极板和所有电极片从上到下依次编号，上极板和奇数（或偶数）编号的电极片通过正极导线连接介电弹性体堆栈的正极，偶数（或奇数）编号的电极片通过负极导线连接介电弹性体堆栈的负极。

进一步，上极板和电极片为圆形或方形的薄片，材质为铜片或钢片。

进一步，电流变弹性体单体的材质为纳米或微米级二氧化钛颗粒填充的硅橡胶或天然橡胶，颗粒体积分数为30%。

进一步，介电弹性体堆栈的所有的柔性电极从下到上依次编号，奇数（或偶数）编号的柔性电极注入等量的初始正电荷并连接正极引出电极，偶数（或奇数）编号的柔性电极注入等量的初始负电荷并连接负极引出电极。

进一步，介电弹性体堆栈的两端均有绝缘保护层。

综上所述，发明具有以下有益效果：

1.本发明采用多个介电弹性体堆栈发电，介电弹性体堆栈与本发明中电流变弹性体的刚度匹配性好，在拉压作用下耐久性强、输出电压高，可以为本发明中的电流变弹性体叠层提供较强电场，无需外加高压控制电源，实现本发明自耦合的功能。

2.本发明所采用的减振材料为电流变弹性体，电流变弹性体具有电场下刚度、阻尼可逆可调的特性，物理化学性质稳定，材料成型方便且形状可调，同时克服了电/磁流变液材料因采用油体作为基体而造成的易泄漏、沉降的问题。

3.本发明器件结构更加简单，在振动工况下易于由介电弹性体堆栈产生高电压输出，可保证对电流变弹性体的刚度调控。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中A部分的局部放大图。

图3为图1中B部分的局部放大图。

图4为介电弹性体堆栈的立体示意图。

图中：1-减振压杆，2-复位弹簧，3-第一绝缘衬套，4-绝缘衬套端盖，5-固定螺栓，6-上极板，7-固定螺母，8-正极导线，9-电流变弹性体单体，10-底座，11-上部外壳，12-介电弹性体堆栈，13-绝缘垫片，14-金属拉杆，15-顶部绝缘片，16-电极片，17-负极导线，18-第二绝缘衬套，19-底部绝缘片，20-绝缘外环，21-介电弹性体薄片，22-柔性电极，23-正极引出电极，24-负极引出电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种具有自耦合功能的电流变弹性体减振器，包括减振压杆1、若干介电弹性体发电拉杆、上部外壳11和底座10，上部外壳11的外部和底座10的外部通过固定螺栓5和固定螺母7连接，上部外壳11的顶部中心设有用于减振压杆1穿过的通孔，上部外壳11腔内顶部设有若干螺纹孔；减振压杆1的下端设有凸缘，凸缘与上部外壳11的腔内顶面之间设有复位弹簧2，复位弹簧2套在减振压杆1上，当减振压杆受到拉压作用而偏离初始位置后，复位弹簧可帮助减振压杆回复到初始工作位。

发电拉杆位于上部外壳11的腔体内，发电拉杆两端分别位于上部外壳11的腔内顶部和减振压杆1凸缘的上表面，发电拉杆上端通过螺纹旋入上部外壳11腔内顶部的螺纹孔中，发电拉杆下端面与凸缘通过螺栓连接，以减振压杆1为圆心呈圆周阵列式均匀分布在减振压杆1的凸缘上，发电拉杆包括第一绝缘衬套3、金属拉杆14和位于第一绝缘衬套3内的介电弹性体堆栈12，第一绝缘衬套3的开口处配置绝缘衬套端盖4和绝缘垫片13，第一绝缘衬套3开口的一端位于金属拉杆14的顶部；介电弹性体堆栈12的两端均有绝缘保护层，介电弹性体堆栈12包括若干叠层放置的介电弹性体薄片21，相邻的介电弹性体薄片21之间设有柔性电极22，柔性电极22位于刚性的绝缘外环20的环内，绝缘外环20用于夹持固定介电弹性体薄片21的边缘，以保证介电弹性体中间部位具有足够变形量，每个柔性电极均有导线引出，柔性电极材料可选用导电碳膏、石墨粉或导电银膏等导电性和稳定性较好的材料，所有柔性电极22从下到上依次编号，奇数（或偶数）编号的柔性电极22注入等量的初始正电荷并连接正极引出电极23，偶数（或奇数）编号的柔性电极22注入等量的初始负电荷并连接负极引出电极24，柔性电极22的初始电荷在使用前通过预加低电压进行电荷的注入，正极引出电极23通过正极导线8将所有的正极引出电极23并联或串联，所有的负极引出电极24通过负极导线17采用与正极引出电极23相同的连接方式进行连接，通过正极导线8和负极导线17导出电压。

本发明还包括位于减振压杆1和底座10之间的电流变弹性体叠层结构，电流变弹性体叠层结构包括若干叠层放置的和电极片16和位于电流变弹性体叠层结构的顶层的上极板6，上极板6和电极片16为圆形或方形的薄片，材质为铜片或钢片，相邻的两个电极片之间设有电流变弹性体单体9，在上极板6与最顶层的电极片16之间也设有电流变弹性体单体9，电流变弹性体单体9和电极片16的数量可根据实际需要进行增减调整，电流变弹性体单体9的材质为纳米或微米级二氧化钛颗粒填充的硅橡胶或天然橡胶，颗粒体积分数为30%，每个电极片均有导线引出，上极板6和所有的电极片16从上到下依次编号，上极板6和奇数（或偶数）编号的电极片通过正极导线8连接介电弹性体堆栈12的正极，偶数（或奇数）编号的电极片通过负极导线17连接介电弹性体堆栈12的负极，同一片电流变弹性体单体9的上下两侧的电极片分别通过导线连接介电弹性体堆栈12的正极和负极。

电流变弹性体叠层结构的顶部为上极板6，上极板6的材质与电极片16的材质相同，上极板6的厚度为电极片厚度的1.5~2.5倍，上极板6与减振压杆1之间设有顶部绝缘片15，电流变弹性体叠层结构的最下层电极片底部设有底部绝缘片19，电流变弹性体叠层结构与底座10之间设有第二绝缘衬套18，第二绝缘衬套18与底座10、电流变弹性体叠层结构之间均留有间隙，绝缘衬套16能够为电流变弹性体叠层结构提供绝缘保护层，使得电流变弹性体叠层结构与底座10相隔离。

本发明使用时，将上部外壳和底座之间采用螺钉连接固定，将底座与安装基础采用螺钉固定；在使用过程中，减振压杆1与外部的振动机械相连，将振动能传递给介电弹性体发电拉杆并带动其中的介电弹性体堆栈发生拉压变形，介电弹性体堆栈产生的高电压可通过导线传递给下方的电流变弹性体叠层结构。当外部振动机械的振动幅值大，介电弹性体堆栈12的变形程度较大，此时在堆栈压缩时产生的电压较高，可为电流变弹性体提供较强的电场，电流变弹性体的刚度值变大而振动响应幅值变低，由此可实现本发明的自耦合功能。在上部外壳与减振压杆凸缘之间的复位弹簧可为介电弹性体堆栈提供预应力，防止介电弹性体因减振压杆自重长期处于拉应力下，同时，当减振压杆受到拉压作用而偏离初始位置后，复位弹簧可帮助减振压杆回复到初始工作位。介电弹性体堆栈与上部外壳和金属拉杆之间均有绝缘层做绝缘处理。

本发明受到振动作用，当减振压杆1受到压力向下运动时，介电弹性体堆栈12随金属拉杆14作用发生竖向拉伸，此时介电弹性体薄片21电容增大无电压输出，电流变弹性体单体9刚度不变并耗散减振压杆1的压下能量，此时介电弹性体堆栈没有电压输出，电流变弹性体在不加电压时刚度不变，仅如普通橡胶一样通过阻尼作用耗散振动能量；当减振压杆1向上运动时，介电弹性体堆栈12产生压缩，此时介电弹性体薄片21的电容减小开始输出高电压，电流变弹性体单体9两侧在受到介电弹性体堆栈12输出的高电压作用后刚度变大，减振压杆1受到向上运动阻力变大，振动幅值由此被抑制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有自耦合功能的电流变弹性体减振器，包括减振压杆（1）、若干发电拉杆、上部外壳（11）和底座（10），上部外壳（11）的外部和底座（10）的外部通过固定螺栓（5）和固定螺母（7）连接，所述上部外壳（11）的顶部中心设有用于减振压杆（1）穿过的通孔，其特征在于：所述上部外壳（11）腔内顶部设有若干螺纹孔；所述减振压杆（1）的下端设有凸缘，凸缘与上部外壳（11）的腔内顶面之间设有复位弹簧（2），复位弹簧（2）套在减振压杆（1）上；

所述发电拉杆位于上部外壳（11）的腔体内，发电拉杆两端分别位于上部外壳（11）的腔内顶部和减振压杆（1）凸缘的上表面，以减振压杆（1）为圆心呈圆周阵列式均匀分布在减振压杆（1）的凸缘上，发电拉杆包括第一绝缘衬套（3）、金属拉杆（14）和位于第一绝缘衬套（3）内的介电弹性体堆栈（12），所述第一绝缘衬套（3）的开口处配置绝缘衬套端盖（4）和绝缘垫片（13）；所述第一绝缘衬套（3）开口的一端位于金属拉杆（14）的顶部；所述介电弹性体堆栈（12）包括若干叠层放置的介电弹性体薄片（21），相邻的介电弹性体薄片（21）之间设有柔性电极（22），柔性电极（22）位于刚性的绝缘外环（20）的环内，每个柔性电极均有导线引出；

还包括位于减振压杆（1）和底座（10）之间的电流变弹性体叠层结构，电流变弹性体叠层结构包括若干叠层放置的电极片（16）和位于电流变弹性体叠层结构的顶层的上极板（6），相邻的两个电极片之间设有电流变弹性体单体（9），上极板（6）和每个电极片均有导线引出；所述上极板（6）与减振压杆（1）之间设有顶部绝缘片（15），电流变弹性体叠层结构的最底层的电极片（16）的底部设有底部绝缘片（19），电流变弹性体叠层结构与底座（10）之间设有第二绝缘衬套（18）。

2.根据权利要求1所述的具有自耦合功能的电流变弹性体减振器，其特征在于：所述上极板（6）和所有电极片（16）从上到下依次编号，上极板（6）和奇数（或偶数）编号的电极片通过正极导线（8）连接介电弹性体堆栈（12）的正极，偶数（或奇数）编号的电极片通过负极导线（17）连接介电弹性体堆栈（12）的负极。

3.根据权利要求1或2所述的具有自耦合功能的电流变弹性体减振器，其特征在于：所述上极板（6）和电极片（16）为圆形或方形的薄片，材质为铜片或钢片。

4.根据权利要求1~3中任一权利要求所述的具有自耦合功能的电流变弹性体减振器，其特征在于：所述电流变弹性体单体（9）的材质为纳米或微米级二氧化钛颗粒填充的硅橡胶或天然橡胶，颗粒体积分数为30%。

5.根据权利要求1所述的具有自耦合功能的电流变弹性体减振器，其特征在于：所述介电弹性体堆栈（12）的所有的柔性电极（22）从下到上依次编号，奇数（或偶数）编号的柔性电极（22）注入等量的初始正电荷并连接正极引出电极（23），偶数（或奇数）编号的柔性电极（22）注入等量的初始负电荷并连接负极引出电极（24）。

6.根据权利要求1或5所述的具有自耦合功能的电流变弹性体减振器，其特征在于：所述介电弹性体堆栈（12）的两端均有绝缘保护层。

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