CN111396497A - 一种剪切增稠液体隔振器 - Google Patents

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牛智玲
李炳蔚
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丁晨
马靓
李连峰
张磊刚
胡晓
崔巍巍
马晓东
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Abstract

一种剪切增稠液体隔振器，包括活塞液压缸、剪切增稠液体，所述剪切增稠液体分布于活塞液压缸内部；所述活塞液压缸包括活塞、缸体、前盖和后盖，活塞分为粗段和细段，活塞细段套置于缸体内部，前盖和后盖套置于活塞细段外部两端。本发明提供的隔振器结构简单，且可以通过调整结构参数和材料参数实现对隔振器性能的优化设计，适用于各种工程场景隔振应用。

Description

一种剪切增稠液体隔振器
技术领域
本发明属于振动控制技术领域，具体涉及一种剪切增稠液体隔振器。
背景技术
剪切增稠液体(Shear Thickening Fluid，STF)是一种新型功能材料，这一材料是由纳米颗粒的分散相(如硅胶颗粒)和分散介质(如乙二醇、聚乙二醇)混合形成的悬浮液体，它在低剪切速率下非常容易变形，可像液体一样缓慢流动；在受到高速剪切时，一旦剪切速率达到临界速率，其表观粘度发生大幅度增大而变粘稠，甚至由液态转化为类固体。近年来，随着安全防护日益增长的需要，具有优异的能量衰减能力的剪切增稠液体作为方便实用的防护材料引起高度重视，正逐步应用于人体防护、吸能减振等领域。
工程上常采用隔振器来降低设备承受的振动量级以提升其环境适应性。阻尼是隔振器的重要特征参数之一，当激励频率接近系统固有频率时会引起系统共振，对于线性隔振系统，隔振器阻尼越大对共振峰放大的抑制效果越好，然而，当激励频率大于
Figure BDA0002431719180000011
倍固有频率时，阻尼将对隔振性能带来不利影响。因此，线性隔振系统对隔振器阻尼的选择存在固有矛盾，减振器设计一般对共振峰放大和隔振性能进行折中设计，难以达到最优隔振效果。
发明内容
本发明提出了一种剪切增稠液体隔振器，当远离共振频率时，由于剪切速率减小，隔振器具有小阻尼特性；在共振区附近时，由于剪切速度增大，隔振器阻尼骤然增加，实现对共振峰的有效抑制；通过调整分散相质量分数、活塞直径、液压缸腔体长度进一步实现对共振峰抑制效果的有效控制。
一种剪切增稠液体隔振器，包括活塞液压缸、剪切增稠液体，所述剪切增稠液体分布于活塞液压缸内部；所述活塞液压缸包括活塞、缸体、前盖和后盖，活塞分为粗段和细段，活塞细段套置于缸体内部，前盖和后盖套置于活塞细段外部两端，通过活塞细段与剪切增稠液体的相对剪切运动产生剪切阻尼，共振时活塞细段和剪切增稠液体的相对剪切速度大于临界速度，因此阻尼系数骤然增大，实现对共振的抑制。
所述的剪切增稠液体隔振器，还包括弹簧、后端盖，所述弹簧和活塞液压缸并联，弹簧套置于缸体外部，并置于后端盖内部，弹簧与后端盖底部内壁面和活塞粗段接触。
所述的剪切增稠液体隔振器，还包括密封圈，前盖和缸体接触部分、前盖和活塞细段之间、后盖和缸体接触部分、后盖和活塞细段之间均布置密封圈。
所述剪切增稠液体的阻尼系数随振动速度变化的关系为
Figure BDA0002431719180000021
其中，c为阻尼系数，η1是出现剪切增稠效果前剪切增稠液体的粘度，η2是出现剪切增稠效果后剪切增稠液体的粘度，η2>η1。r为活塞细段直径，R为缸体内径，l是缸体长度，v0是临界振动速度。
本发明的有益效果如下：
(1)结构简单，且可以通过调整结构参数和材料参数实现对隔振器性能的优化设计，适用于各种工程场景隔振应用；
(2)建立了临界振动速度和临界剪切速率的关系，并基于上述关系，进一步建立了剪切增稠液体阻尼系数随振动速度变化的定量关系，一方面可用于指导剪切增稠液体隔振器隔振性能评估，另一方面可用于指导剪切增稠液体隔振器阻尼性能优化设计；
(3)通过调整分散相质量分数、活塞细段直径、缸体长度参数进一步抑制共振峰，为剪切增稠液体隔振器的尺寸、性能、成本等一体化设计及后续优化设计奠定基础。
附图说明
图1是剪切增稠液体隔振器剖面图；
1-活塞，2-密封圈，3-缸体，4-剪切增稠液体，5-弹簧，6-后端盖，7-前盖，8-后盖
图2是不同分散相质量分数剪切增稠液体隔振器隔振性能对比图；
图3是活塞细段半径不同时剪切增稠液体隔振器隔振性能对比图；
图4是不同缸体3长度下剪切增稠液体隔振器隔振性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明要求保护的范围。
本发明针对线性隔振系统对隔振器阻尼设计的固有矛盾，即共振峰抑制和高频隔振无法兼顾的问题，提出了一种剪切增稠液体隔振器。利用剪切增稠液体的剪切增稠特性，以实现高频振动时小阻尼特性以保证良好的隔振性能，共振时具有大阻尼特性以确保能够有效抑制共振峰。并且可以通过调整分散相质量分数、活塞半径、液压缸腔体长度，对隔振器阻尼特性进行进一步调整，以适应不同工程场景的应用需求。
一种剪切增稠液体隔振器，如图1所示，包括活塞1，密封圈2，缸体3，剪切增稠液体4，弹簧5，后端盖6，前盖7，后盖8。活塞1分为粗段和细段，活塞1细段套置于缸体内部，前端盖7和后端盖8套置于活塞1细段外部，前盖7、后盖8、缸体3和活塞1共同组成活塞液压缸，剪切增稠液体4分布于活塞液压缸内部，弹簧5套置于缸体3外部，并置于后端盖6内部，弹簧5与后端盖6底部内壁面和活塞1粗段接触，提供弹性回复力。前盖7和缸体3接触部分、前盖7和活塞1细段之间、后盖8和缸体3接触部分、后盖8和活塞1细段之间均布置密封圈2实现密封。
本实施例中，采用二氧化硅颗粒作为分散相，采用聚乙二醇作为分散介质合成了剪切增稠液体。将少量二氧化硅颗粒添加到聚乙二醇中，利用电动搅拌器进行研磨，边研磨边继续添加二氧化硅颗粒直至达到所需的质量分数，充分研磨后，将混合样品进行抽真空处理，获得剪切增稠液体。
设计图1所示的剪切增稠液体隔振器。活塞1粗段受到振动或冲击激励时，活塞1随外界激励而产生运动，带动活塞1细段在剪切增稠液体4中运动并对剪切增稠液体施加剪切作用，从而使剪切增稠液体产生阻尼力。
当振动幅值较小时，剪切速率低于临界剪切速率，剪切增稠液体隔振器阻尼较小；当振动使得剪切速率超过临界剪切速率时，剪切增稠液体隔振器阻尼急剧增大，实现对振动或冲击峰值的抑制。因此，剪切增稠液体隔振器在隔振频率区具有小阻尼特性，而在接近共振时具有大阻尼特性，具有变阻尼特性，从而实现在对共振峰的有效抑制同时不影响隔振频率区的隔振性能，具有理想的隔振性能。剪切增稠液体4的临界剪切速率可通过流变仪测得。并可根据剪切增稠液体隔振器结构参数，获得临界振动速度和临界剪切速率的关系如下：
Figure BDA0002431719180000041
其中，r为减切增稠液体隔振器活塞1细段直径，R为缸体3内径，
Figure BDA0002431719180000042
为剪切增稠液体4的剪切速率，
Figure BDA0002431719180000043
为活塞1振动速度。
剪切增稠液体阻尼系数随振动速度变化的定量关系为：
Figure BDA0002431719180000044
式中，c为阻尼系数，η1是出现剪切增稠效果前剪切增稠液体的粘度，η2是出现剪切增稠效果后剪切增稠液体的粘度，η2>η1。l是缸体3内长度，v0是临界振动速度。r为活塞1细段直径，R为缸体3内径，
Figure BDA0002431719180000045
为活塞1振动速度。
根据式2所示的关系，可以实现剪切增稠液体隔振器的隔振性能评估，指导剪切增稠液体隔振器防共振峰设计。
表1为剪切增稠液体隔振器典型结构参数，其中K为弹簧5的刚度。
表1剪切增稠液体隔振器典型结构参数
Figure BDA0002431719180000046
表2为不同分散相质量分数剪切增稠液体隔振器性能参数，c1为出现剪切增稠效果前隔振器阻尼系数，c2为出现剪切增稠效果后隔振器阻尼系数。
表2不同分散相质量分数剪切增稠液体隔振器性能参数
Figure BDA0002431719180000047
Figure BDA0002431719180000051
图2为不同分散相质量分数剪切增稠液体隔振器隔振性能对比，随着分散相质量分数的增加，剪切增稠液体隔振器的共振峰显著降低，高频性能基本不变，整体隔振性能变好。
图3为活塞1细段半径变化时剪切增稠液体隔振器隔振性能对比，活塞1细段由22mm逐渐减小至18mm，随着活塞1细段半径的减小，剪切增稠液体隔振器的共振峰显著降低，高频性能基本不变，整体隔振性能变好。这是由于随着活塞1细段直径增加，一方面因为剪切面积增加且活塞1细段和缸体3间间隙变小，使得阻尼力变大；另一方面，活塞临界速度降低，剪切增稠现象更容易发生。
图4为不同缸体3长度下剪切增稠液体隔振器隔振性能对比，缸体3长度由80mm逐渐增加至400mm，随着缸体3长度的增加，剪切增稠液体隔振器的共振峰略有降低，高频性能基本不变，整体隔振性能略有变好。
在工程应用时，通过增加分散相质量分数、增大活塞1细段直径、增加缸体3长度，可提高剪切增稠液体隔振器对共振峰的抑制能力，同时不影响高频减振性能。
分散相质量分数增大，剪切增稠液体合成成本将显著增加；活塞1细段直径、缸体3长度的增加，都会导致结构重量和结构尺寸增加，因此工程应用中应对上述参数进行综合评估，平衡功能、性能、成本、尺寸等多方面因素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (4)

1.一种剪切增稠液体隔振器，其特征在于，包括活塞液压缸、剪切增稠液体，所述剪切增稠液体分布于活塞液压缸内部；所述活塞液压缸包括活塞、缸体、前盖和后盖，活塞分为粗段和细段，活塞细段套置于缸体内部，前盖和后盖套置于活塞细段外部两端。
2.根据权利要求1所述的剪切增稠液体隔振器，其特征在于，还包括弹簧、后端盖，所述弹簧和活塞液压缸并联，弹簧套置于缸体外部，并置于后端盖内部，弹簧与后端盖底部内壁面和活塞粗段接触。
3.根据权利要求2所述的剪切增稠液体隔振器，其特征在于，还包括密封圈，前盖和缸体接触部分、前盖和活塞细段之间、后盖和缸体接触部分、后盖和活塞细段之间均布置密封圈。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的剪切增稠液体隔振器，其特征在于，所述剪切增稠液体的阻尼系数随振动速度变化的关系为
Figure FDA0002431719170000011
其中，c为阻尼系数，η1是出现剪切增稠效果前剪切增稠液体的粘度，η2是出现剪切增稠效果后剪切增稠液体的粘度，η2>η1，r为活塞细段直径，R为缸体内径，l是缸体长度，v0是临界振动速度。
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