CN112628334B - 一种气囊式变刚度宽频动力吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气囊式变刚度宽频动力吸振器，具体包括气囊、控制器、加速度传感器、压力传感器、充放气电磁阀、电控节流阀、气源、气路和电缆。其中安装于壳体底部的加速度传感器用于采集主振动系统的振动信号，压力传感器用于感测气囊压力，控制器对传感器信号进行分析处理，通过控制充放气电磁阀调整气囊的刚度使动力吸振器满足最优同调条件，控制电控节流阀调节孔径面积调整动力吸振器的阻尼使其满足最优阻尼条件，以达到对主振动系统高效吸振的目的。本发明结构简单，气囊气压精确可控，抑振带宽，吸振效果好，可根据不同的设备需求灵活选择气囊、中间质量大小以满足各型机械设备特别是大型设备的吸振需求。

Description

一种气囊式变刚度宽频动力吸振器

技术领域

本发明涉及减振降噪处理技术领域，具体的说是一种气囊式变刚度宽频动力吸振器。

背景技术

动力吸振器由辅助质量和弹簧以及阻尼组成，结构简单，性能稳定且经济性好，所以广泛运用于机械工程、建筑等领域。动力吸振器的力学模型如图7所示。图中，M、K是主振动系统的质量和弹簧刚度，m、k是动力吸振器的质量和弹簧刚度。x₁、x₂分别是主振动系统和动力吸振器的位移。假设作用在主振动系统的定常激励力为F₀sinωt，则其响应为：

由公式可知当k-mω²＝0时，即

时，主振动系统的振幅最小为0，即当动力吸振器的固有频率等于外界激励频率时，吸振器可有效降低主振动系统振动。

动力吸振器按照构成和工作原理可分为被动、半主动、主动和混合型四类。传统动力吸振器多为被动式，其系统结构参数一旦确定便不可调整，由吸振器工作原理可知一旦设备激励频率偏离吸振器固有频率，动力吸振器就会失效。因此通过传感器检测振动，由外部供给能量的主动型动力吸振器近年来发展迅速，其优点是可以弥补动力吸振器所固有的鲁棒性不足的问题，且可以根据主振动系统的振动状态，自动调节吸振器的结构参数或振动状态，实现宽频带吸振，从而拓宽吸振器的使用频率范围，实现更好的减振效果。但主动型动力吸振器结构复杂，且如果控制系统设计存在失误或者控制回路的一部分有缺陷，则减振装置可能反过来变成激振装置，极大地影响减振效果，若主振动系统为振动较大的数百吨工业大型设备，根据理论分析，动力吸振器的质量比设计为0.01-0.02，可达数吨，其主动式动力吸振器工作需要大量能量供应，成本高，因此应用范围受限，如CN 207093637 U公开的一种电磁式主动吸振器、CN 10123586A公开的一种电动式主动吸振器，均无法满足大型设备的吸振需求。

从组成的结构形式上看，当前被动式动力吸振器基本组成包括：金属质量块和弹性元件。弹性元件可以采用金属弹簧、橡胶块、金属簧片等。如CN 11365399 A公开的一种可调节便携式动力吸振器，采用弹簧片作为弹性元件，这些弹性元件的性能易受外界环境影响，如环境温度、湿度、盐碱度等，且该结构易在质量块长期惯性作用下产生极限变形或老化现象，影响动力吸振器的使用寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种气囊式变刚度宽频动力吸振器，该装置结构简单、耐久性好，响应速度快，对外界能量供应需求小，可以有效解决现有动力吸振器抑振带宽窄、性价比低、长期使用稳定性差、不适用于大型设备的缺陷。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种气囊式变刚度宽频动力吸振器，包括吸振单元、反馈单元和控制器；所述吸振单元包括壳体、下气囊、质量块和上气囊，所述下气囊、质量块和上气囊均设置在壳体内，所述上气囊设置于质量块上方，下气囊设置于质量块下方，所述质量块固定在上气囊和下气囊之间；所述上气囊及所述下气囊通过气囊气嘴与外接气管连通，所述上气囊及所述下气囊通过所述外接气管相互连通，所述外接气管上设置有电控节流阀，且外接气管连接至外接气源，所述外接气管上设置有压力传感器、放气电磁阀和充气电磁阀，所述压力传感器、放气电磁阀和充气电磁阀均与控制器连接；

所述反馈单元用于检测主振动系统的振动参数并将振动参数发送到控制器，所述控制器用于根据主振动系统的振动参数调节吸振单元的上气囊和下气囊的充气量，进而调节动力吸振器的固有频率，使得动力吸振器的振动频率与主振动系统的振动频率一致，对主振动系统进行吸振。

进一步的，所述反馈单元安装于所述壳体内，具体包括压力传感器、电荷放大器、加速度传感器和电控节流阀；所述加速度传感器设置在所述壳体底部且用于采集所述主振动系统的振动信号，所述电荷放大器用于将加速度传感器采集的振动信号进行放大处理后发送到控制器。

进一步的，所述控制器用于对接收到的振动信号进行频谱分析，确定主振动系统的振动频率，并通过控制所述下气囊和上气囊的气压，调节所述动力吸振器的固有频率与主振动系统振动频率一致。

进一步的，所述控制器还用于根据主振动系统的振动频率调节电控节流阀的孔径面积，进而调节所述动力吸振器的阻尼。

进一步的，所述上气囊及下气囊为囊式结构、膜式结构或气缸式结构。

进一步的，所述质量块为金属材质，所述质量块上设置有附加安装接口，所述附加安装接口用于安装附加质量块。

进一步的，所述壳体为轻质金属薄壳，所述壳体上设置有控制器安装接口。

进一步的，所述上气囊和下气囊的总数量能根据质量块的承载需求增加为四个或八个。

进一步的，所述电控节流阀为常开式节流阀。

进一步的，所述放气电磁阀和充气电磁阀均为常闭式结构。

本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明结构简单，不需要大量的外界能量供应。

2.本发明抑振频带范围宽，通过电磁阀对气囊进行充放气操作，实现对吸振器的刚度调节，可在一定频域范围内充分利用反共振原理，发挥吸振器的抑振性能。

3.本发明通过带节流阀的气管将上、下气囊联通，构建双腔室气囊，可利用其良好的阻尼特性，通过改变节流阀孔径面积调整阻尼大小，使其满足最优阻尼条件，进一步提高动力吸振器的吸振效果。

4.本发明响应速度快，通过电磁阀对气囊进行刚度调节速度快、稳定性好，故吸振器调节固有频率的响应速度也快，因而可快速达到吸振效果。

5.本发明中的气囊选择面广，可根据不同振动设备的需求灵活选择，满足各型设备的吸振需求，特别是现有动力吸振器无法满足的工业大型设备的吸振需求，如对振动噪声指标较高的舰船动力设备。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明控制程序图；

图3为本发明的一种具体实现形式；

图4为本发明的另一实现形式；

图5为本发明仿真结果预测；

图6为本发明的吸振效果图。

图7为现有技术动力吸振器的原理示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、主振动系统；2、壳体；3、下气囊；4、质量块；5、附加质量块；6、上气囊；7、充气电磁阀；8、控制器；9、放气电磁阀；10、压力传感器；11、气囊气嘴；12、电荷放大器；13、加速度传感器；14、电控节流阀

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”“顺时针”“逆时针”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。

如图1-图4所示，本发明的上盖板和下盖板之间有囊体，囊体和上、下盖板之间构成上气囊6和下气囊3。上下气囊之间通过螺栓与质量块4连接，上气囊6、下气囊3与壳体2通过螺栓连接。壳体2通过螺栓与主振动系统1连接。气囊气嘴11通过电控节流阀14的管路相连通，并与反馈控制器的压力传感器10、放气电磁阀9和充气电磁阀7连接；压力传感器10、放气电磁阀9、充气电磁阀7和电控节流阀14通过电缆与控制器连接；充气电磁阀7连接压缩气源。反馈控制系统、控制器8集成安装在动力吸振器壳内。

所述气囊是囊式结构、膜式结构或气缸活塞式结构。气囊采用压缩气体承载和减振，其固有频率基本不变，具有可调节的特性，当通过充放气改变气囊囊内气压P时，气囊刚度K也随之改变，从而实现动力吸振器固有频率

的调节，达到吸振的目的。

所述中间质量块4为金属块式，其质量大小、厚度由动力吸振器设计吸振频带与气囊刚度决定，可根据吸振设备的需求通过增加附加质量块5进一步拓宽吸振器的吸振频带。

加速度传感器13安装在主振动系统1上，用于采集主振动系统1的振动信号并通过反馈控制系统传递至控制器8进行分析。

气囊气嘴11与电控节流阀14的管路相连通，并与反馈控制器的压力传感器10、放气电磁阀9和充气电磁阀7连接；压力传感器10、放气电磁阀9、充气电磁阀7和电控节流阀14通过电缆与控制器连接；充气电磁阀7连接压缩气源。放气电磁阀9、充气电磁阀7均为常闭式结构，放气电磁阀9和充气电磁阀7用于给上气囊6和下气囊3充气或放气，充气电磁阀7打开、放气电磁阀9关闭时，压缩气体进入上气囊6和下气囊3；充气电磁阀7关闭、放气电磁阀9打开时，囊体内气体排出。压力传感器10用于测量气囊内压缩气体的气压。电控节流阀14为常开式结构。

所述控制器8通过电缆与加速度传感器13、电磁阀7、9、压力传感器10和电控节流阀14连接，控制器8通过加速度传感器13采集的主振动系统1的振动信号通过快速傅里叶变换分析得出主振动系统1需要吸振的频率，计算动力吸振器的最优刚度、阻尼，结合压力传感器10的测量信号进行运算，分析判断需要给上气囊6和下气囊3实施的充气量或放气量及电控节流阀14的开孔面积，并向放气电磁阀9或充气电磁阀7和电控节流阀14发出动作指令。

具体工作过程中，将主振动系统1受外界激励产生振动时，加速度传感器13采集主振动系统1的振动信号，信号通过电荷放大器12的放大作用传输给控制器8，控制器8通过对加速度传感器10采集到的主振动系统1的振动信号进行快速傅里叶分析得到设备激励振级最高的谱线，控制器8根据分析所得需吸振的频率通过动力吸振器最优同调的条件计算得到在此激励频率下动力吸振器中上气囊6和下气囊3需设置的刚度K、阻尼c的大小，已知气囊减振器气压P与气囊刚度K之间、节流孔面积与阻尼c之间的函数关系，控制器通过计算所得的K大小分析判断需要给上气囊6和下气囊3实施的充气量或放气量，并向放气电磁阀9或充气电磁阀7发出动作指令；控制器8通过计算所得的c大小判断需要如何调整节流孔径面积，向电控节流阀14发出动作指令。至此实现吸振器对外界激振频率的追踪，保证在较宽的频带内吸振器的减振性能。

根据某型气囊的刚度可调范围，可计算得使用该型气囊的动力吸振器的固有频率可调范围，即动力吸振器的抑振带宽，如图5所示，针对两个主振动系统1号和主振动系统2号，分别对安装本发明前后的主振动系统振幅进行检测；从曲线图可以看出动力吸振器可以完成对外界激振频率在10Hz-30Hz之间任一频率的吸振，具有较宽的抑振带宽，提高了动力吸振器对机器的适用性。

为进一步验证本发明的吸振效果,利用激振器模拟主振动系统1的振动信号，分别测量相同位置安装、未安装如图1所示的动力吸振器的振动加速度响应如图6所示，从曲线图可以看出，安装动力吸振器后，主振动系统1的特征频率被消除，表明本发明气囊式变刚度宽频动力吸振器具有良好的吸振效果。

针对现有动力吸振器存在抑振带宽窄，可靠性低，环境适应性差、使用寿命短、无法满足大型设备的吸振需求等缺陷，本发明提出一种基于气囊为主体结构，利用气囊可调刚度作为刚度元素设计的半主动式动力吸振器，并进行性能试验，验证了其有效性。气囊是一种以空气为弹性介质的隔振元件，通常称空气弹簧，主要由封闭囊体、上下盖板以及内部的压缩空气组成，是一种利用压缩空气的弹性回复力来实现承载、减振的非金属弹性元件。气囊具有刚度可调，对于载荷和振动频率适应性强，性能稳定等优点。气囊的不同气压对应不同的刚度，调节气压可以改变动力吸振器的吸振频率，通过将上、下气囊通过带节流阀的气管连接，可通过调节节流阀孔径面积改善动力吸振器阻尼性能，发挥阻尼对振幅的限制作用，进一步提高动力吸振器吸振效果。针对大型设备的吸振需求，可选用高承载、高强度、高气密性的系列高性能舰用气囊作为气囊，解决现有吸振器对大型设备的不适用性问题，因此本发明具有更广泛的运用。

以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气囊式变刚度宽频动力吸振器，其特征在于，包括吸振单元、反馈单元和控制器(8)；所述吸振单元包括壳体(2)、下气囊(3)、质量块(4)和上气囊(6)，所述下气囊(3)、质量块(4)和上气囊(6)均设置在壳体(2)内，所述上气囊(6)设置于质量块(4)上方，下气囊(3)设置于质量块(4)下方，所述质量块(4)固定在上气囊(6)和下气囊(3)之间；所述上气囊(6)及所述下气囊(3)均通过气囊气嘴(11)与外接气管连通，所述上气囊(6)及所述下气囊(3)通过所述外接气管相互连通，所述外接气管上设置有电控节流阀(14)，且外接气管连接至外接气源，所述外接气管和外接气源之间还设置有压力传感器(10)、放气电磁阀(9)和充气电磁阀(7)，所述压力传感器(10)、放气电磁阀(9)和充气电磁阀(7)均与控制器连接；

所述反馈单元用于检测主振动系统(1)的振动参数并将振动参数发送到控制器(8)，所述控制器(8)用于根据主振动系统(1)的振动参数调节吸振单元的上气囊(6)和下气囊(3)的充气量，进而调节动力吸振器的固有频率，使得动力吸振器的振动频率与主振动系统(1)的振动频率一致，对主振动系统(1)进行吸振；

所述控制器(8)还用于根据主振动系统(1)的振动频率调节电控节流阀(14)的孔径面积，进而调节所述动力吸振器的阻尼。

2.根据权利要求1所述的气囊式变刚度宽频动力吸振器，其特征在于，所述反馈单元安装于所述壳体(2)内，具体包括压力传感器(10)、电荷放大器(12)、加速度传感器(13)和电控节流阀(14)；所述加速度传感器(13)设置在所述壳体(2)底部且用于采集所述主振动系统(1)的振动信号，所述电荷放大器(12)用于将加速度传感器(13)采集的振动信号进行放大处理后发送到控制器(8)。

3.根据权利要求1所述的气囊式变刚度宽频动力吸振器，其特征在于，所述控制器(8)用于对接收到的振动信号进行频谱分析，确定主振动系统(1)的振动频率，并通过控制所述下气囊(3)和上气囊(6)的气压，调节所述动力吸振器的固有频率与主振动系统(1)振动频率一致。

4.根据权利要求1所述的气囊式变刚度宽频动力吸振器，其特征在于，所述上气囊(6)及下气囊(3)为囊式结构、膜式结构或气缸式结构。

5.根据权利要求1所述的气囊式变刚度宽频动力吸振器，其特征在于，所述质量块(4)为金属材质，所述质量块(4)上设置有附加安装接口，所述附加安装接口用于安装附加质量块(5)。

6.根据权利要求1所述的气囊式变刚度宽频动力吸振器，其特征在于，所述壳体(2)为轻质金属薄壳，所述壳体(2)上设置有控制器安装接口。

7.根据权利要求1所述的气囊式变刚度宽频动力吸振器，其特征在于，所述上气囊(6)和下气囊(3)的总数量能根据质量块(4)的承载需求增加为四个或八个。

8.根据权利要求1所述的气囊式变刚度宽频动力吸振器，其特征在于，所述电控节流阀(14)为常开式节流阀。

9.根据权利要求1所述的气囊式变刚度宽频动力吸振器，其特征在于，所述放气电磁阀(9)和充气电磁阀(7)均为常闭式结构。

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