CN113565923B - 一种宽频吸振器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于振动控制领域，具体涉及一种宽频吸振器及其控制方法，包括空气弹簧和控制模块；空气弹簧包括主气室和附加气室，所述主气室与所述附加气室通过导管连接，所述导管中间设置有用于控制气流通断的电磁阀；所述控制模块包括采集单元和控制单元；所述采集单元安装于主系统上，用于采集主系统的振动信号；所述控制单元分别与采集单元、电磁阀连接，控制单元根据采集单元所采集的振动信号控制电磁阀的通断。所述主气室和所述附加气室组合能产生改变空气弹簧刚度的不同结构，从而改变空气弹簧的固有频率，适应主系统的不同激振频率，有效拓宽吸振器的工作范围。

Description

一种宽频吸振器及其控制方法
技术领域
本发明属于振动控制领域，具体涉及一种宽频吸振器及其控制方法。
背景技术
吸振器被用于各个领域的振动控制工程中，被动式吸振器与其他吸振器相比具有低耗能、操作简单、成本低等众多优点，但实际应用时，传统的被动式吸振器的吸振频率范围往往有限，当主系统激振频率偏离吸振器固有频率时，共振状态会逃逸进而导致吸振效果急剧下降；另外安装吸振器后会导致主系统产生两个离原有共振点很近的共振峰，使得吸振效果对激励频率非常敏感，进而造成吸振效果不理想。
由振动力学理论可知，地面加振，不考虑主系统阻尼有二自由度耦合方程：
Figure BDA0003180564000000011
求解得主系统幅频响应为：
Figure BDA0003180564000000012
其中，
μ为质量比，ξ为阻尼比，λ为频率比，γ为固有频率比；
由公式(2)可得，当地面激励频率
Figure BDA0003180564000000013
时，即当(γ2-λ2)＝0时，主系统响应幅值最小，即当吸振器固有频率等于外界激振频率时吸振器可有效降低主系统振动，且当参数固定时，由公式(2)表示的函数曲线的极值点为确定的，，且极大值点与极小值点在坐标横轴方向上相距较近，即共振点与调谐点相距较近，这就反映出传统被动式吸振器其有效吸振频带相对较窄。为了获取多个调谐点，避开新产生的共振峰，拓宽吸振频带，越来越多的研究着眼于半主动式吸振技术，即通过改变吸振器的固有频率，使其跟踪外界激励频率，使主系统调谐点始终在外界激励频率附近。
公布号为CN103423368A的发明所涉及的一种变质量动力吸振器中，采用的主系统-变质量动力组成的复合系统中，其变质量部分使用自来水，其结果误差大，对装置要求更高；变质量导致吸振器的吸振质量发生突然改变，带来冲击，从而影响吸振性能，同时变质量控制在实际应用中几乎不具备可行性。
发明内容
本发明在于提供一种结构简便、可调刚度空气弹簧的宽频吸振器，依据传感器所获取的主系统激励频率信号，实时控制电磁阀的启闭以实现空气弹簧刚度的切换，从而解决传统被动吸振器工作频带窄的技术问题以及实际操作可行性的问题。
一种宽频吸振器，包括空气弹簧和控制模块；空气弹簧包括主气室和附加气室，所述主气室与所述附加气室通过导管连接，所述导管中间设置有用于控制气流通断的电磁阀；所述控制模块包括采集单元和控制单元；所述采集单元安装于主系统上，用于采集主系统的振动信号；所述控制单元分别与采集单元、电磁阀连接，控制单元根据采集单元所采集的振动信号控制电磁阀的通断。空气弹簧的选取能够使得整个吸振器装置安装简单，降低了使用成本的同时增加了实际应用可行性；所述主气室和所述附加气室组合能产生改变空气弹簧刚度的不同结构，从而改变空气弹簧的固有频率，适应主系统的不同激振频率，有效拓宽吸振器的工作范围。
进一步地，所述主气室包括承载端、固定端和底座；所述承载端与所述固定端滑动配合且密封，所述承载端与所述固定端之间限定出主气室腔体；所述固定端与底座固定连接。
进一步地，所述底座设有第二通孔；所述承载端上连接有朝向固定端所在方向凸起的多个长突键；所述长突键插入所述第二通孔内，并且可沿所述第二通孔的轴向方向移动。
进一步地，所述附加气室沿所述底座的周向布置，且附加气室呈弧形状；所述附加气室的头尾两端分别设置有第一气孔和第二气孔；所述第一气孔与所述导管连接，所述第二气孔用于与拓展气室连接。周布式的弧形所述附加气室可以有效减小吸振器垂向的高度；通过增设附加气室可以突破吸振器气室空间大小的制约，可以根据不同需求来改变其容积，进而动态改变空气弹簧的刚度。
进一步地，所述采集单元包括传感器和功率放大器，所述传感器安装于主系统上用于采集主系统的振动信号；所述功率放大器分别与所述传感器、控制单元连接，将振动信号放大后传递至控制单元。
进一步地，所述传感器包括加速度传感器和位移传感器；所述加速度传感器固定安装于主系统端部，用于采集主系统的振动信号；所述位移传感器安装于主系统端部上方，用于检测空气弹簧的工作高度。
进一步地，所述电磁阀为常闭状态；所述电磁阀作为簧上质量随承载端面而动。
一种实施上述任一项宽频吸振器的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：控制电磁阀的通断切换空气弹簧的不同容积状态，分别获取每一种容积状态下对应的主系统吸振率曲线；
步骤二：将空气弹簧不同容积状态下的主系统吸振率曲线绘制于同一频率-幅值坐标系内；根据相邻吸振率曲线之间交点的频率值划分多个连续的频率区间段，并将各频率区间段分别与各不同容积状态匹配；
步骤三：利用采集单元采集主系统的振动信号，对振动信号进行快速傅里叶变换后判断该振动信号的频率范围落入哪个频率区间段；
步骤四：将空气弹簧切换至与步骤四中振动信号所落入频率区间段对应的容积状态。进一步地，所述根据相邻吸振率曲线之间交点的频率值划分多个连续的频率区间段，并将各频率区间段分别与各不同容积状态匹配包括如下步骤：
S1、取最小容积状态对应的吸振率曲线作为第一吸振率曲线、与该最小容积状态相邻的容积状态对应的吸振率曲线作为第二吸振率曲线；
S2、划分第一吸振率曲线起点对应的频率值、至第一吸振率曲线与第二吸振率曲线交点所对应的频率值作为频率区间段，将该频率区间段与第一吸振率曲线所对应的容积状态匹配；
S3、以前一步骤中的第二吸振率曲线作为第一吸振率曲线，取与第一吸振率曲线的相邻容积状态的吸振率曲线作为第二吸振率曲线；
S4、以前一步骤中所划分频率区间段的末端值、至步骤S3中第一吸振率曲线与第二吸振率曲线交点所对应的频率值作为下一频率区间段，将该频率区间段与该第一吸振率曲线所对应的容积状态匹配；
S5、重复步骤S3和S4获取多个连续的频率区间段，并将各频率区间段与相应容积状态匹配。
进一步地，所选取的第二吸振率曲线为与第一吸振率曲线相交后振动幅值增长速度最小的吸振率曲线。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：空气弹簧材料的选取能够使得整个吸振器装置安装简单，且同时降低了使用成本；通过增设附加气室可以突破吸振器气室空间大小的制约，能动态改变空气弹簧的刚度；周布式的弧形附加气室可以有效减小吸振器垂向的高度，对于操作环境要求降低；主气室和附加气室组合能产生改变空气弹簧刚度的不同结构，得到不同的主系统频响曲线，选择合适的区间段可以有效拓宽吸振器的工作范围；在不改变原附加气室空间结构的情况下，具有附加气室容积拓展功能，进而满足不同的工作需求；采用频率分区控制的策略使得主系统响应幅值能够在宽频范围内保持到相对最优的吸振状态；使用数字量信号控制，降低了控制系统的成本；整个宽频吸振器结构简便，使用过程中易控制电磁阀的启闭。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为主气室结构示意图；
图3为主气室与底座配合图；
图4为附加气室结构图；
图5为吸振器耦合原理图；
图6为主系统激励频率区间段划分图；
图7为控制流程图；
图8为拓展气室装配图。
附图标记：1、主气室；2、附加气室；3、底座；4、电磁阀；5、加速度传感器；6、位移传感器；7、功率放大器；8、控制器；9、继电器；10、导管；11、第一气孔；12、第二气孔；13、第一通孔；14、第二通孔；15、滑动轴承；16、拓展气室；17、长突键；18、固定端；19、承载端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，并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。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
图1中所示的是一种宽频吸振器，空气弹簧包括主气室1和附加气室2，所述主气室1与所述附加气室2通过导管10连接，所述导管10中间设置有用于控制气流通断的电磁阀4；所述控制模块包括采集单元和控制单元；所述采集单元安装于主系统上，用于采集主系统的振动信号；所述控制单元分别与采集单元、电磁阀4连接，控制单元根据采集单元所采集的振动信号控制电磁阀4的通断。所述主气室1和所述附加气室2组合能产生改变空气弹簧刚度的不同结构，得到不同的主系统频响曲线，选择合适的区间段可以有效拓宽吸振器的工作范围。
在本实施例中，通过电磁阀4控制导管10内的气流通断，从而改变空气弹簧的气室容积来调整空气弹簧的刚度，获得具有不同固有频率的吸振器；并通过采集单元采集主系统的振动信号，控制系统根据不同振动信号调整各电磁阀4的通断，从而匹配不同固有频率的吸振器，有效拓宽了吸振器的吸振频率范围，提高对主系统的吸振效果。并且在固有频率的调节过程中，仅需要通过控制电磁阀4的开启与关闭来实现气室容积的改变来切换刚度，工作过程柔和，没有质量变化，不会带来额外的冲击，进一步保证了吸振器的吸振性能。
在本实施例中，采集单元包括传感器和功率放大器7，所述传感器包括位移传感器6和加速度传感器5，位移传感器6固定在主系统端部，用于检测空气弹簧的工作高度；加速度传感器5固定在主系统端部上方位置上，用于采集振动信号；传感器、控制器8、继电器9依次相连接，继电器9另一端连接电磁阀4。为了防止空气弹簧漏气而影响吸振效果，采用位移传感器6检测空气弹簧的高度能够及时反应空气弹簧气压的变化，从而检测空气弹簧是否产生漏气。
在本实施例中，如图2所示的是主气室1结构示意图，包括承载端19、固定端18和底座3；固定端18与底座3固定连接。
在本实施例中，如图3所示的是主气室1与底座3的配合图；主气室1的承载端19与固定端18滑动配合且密封，承载端19与固定端18之间限定出主气室1腔体，其承载端19凸缘法向周布设置多个长突键17；所述承载端19端面开设第一通孔13与主气室1导通；底座3设有一个凹槽和第二通孔14，主气室1的固定端18过盈嵌套在凹槽中，主气室1的承载端19的多个长突键17通过滑动轴承15与第二通孔14配合。
在本实施例中，如图4所示的是附加气室2结构图；弧形附加气室2沿底座3的周向布置，且头尾两端分别设置有第一气孔11和第二气孔12；所述第一气孔11与所述导管10连接，所述第二气孔12用于与拓展气室16连接。
在本实施例中，电磁阀4周布在主气室1的承载端19端面，电磁阀4为常闭状态，通电时开启。
在本实施例中，选取3个周布的弧形附加气室2，整个装置的参数选取如下表所示：
Figure BDA0003180564000000061
另外，本实施例提供了实施上述吸振器的控制方法，按照以下步骤：
步骤一：依据上述空气弹簧吸振器的参数，包括充气初压力、质量比，阻尼比以及气室容积，通过控制电磁阀4的通断获得四种不同气室容积状态下的空气弹簧，分别得到相对应的4条主系统吸振率曲线。
具体来说各容积状态包括V1(0.008m3)、V2(0.018m3)、V3(0.028m3)和V4(0.038m3)；其中V1为主气室1容积，V2为主气室1容积加上一个附加气室2容积，V3为主气室1容积加上两个附加气室2容积，V4为主气室1容积加上三个附加气室2容积。
步骤二：参考图6所示，将上述4条主系统吸振率曲线绘制同一频率-幅值坐标系内；根据相邻吸振率曲线之间交点的频率值划分多个连续的频率区间段，并将各频率区间段分别与各不同容积状态匹配。
具体来说，根据相邻吸振率曲线之间交点的频率值划分多个连续的频率区间段，并将各频率区间段分别与各不同容积状态匹配包括：
S1、取容积状态V1对应的吸振率曲线作为第一吸振率曲线、与容积状态V1相邻的容积状态对应的吸振率曲线作为第二吸振率曲线。
S2、划分第一吸振率曲线起点对应的频率值、至第一吸振率曲线与第二吸振率曲线交点所对应的频率值作为频率区间段，将该频率区间段与第一吸振率曲线所对应的容积状态匹配；
S3、以前一步骤中的第二吸振率曲线作为第一吸振率曲线，取与第一吸振率曲线的相邻容积状态的吸振率曲线作为第二吸振率曲线；
S4、以前一步骤中所划分频率区间段的末端值、至步骤S3中第一吸振率曲线与第二吸振率曲线交点所对应的频率值作为下一频率区间段，将该频率区间段与该第一吸振率曲线所对应的容积状态匹配；
S5、重复步骤S3和S4获取多个连续的频率区间段，并将各频率区间段与相应容积状态匹配。
参照图6所示，首先选取容积状态最小即吸振器刚度最大的吸振率曲线作为目标曲线，从图中可以看出，当频率超过6.2Hz这个交点时，目标曲线的走向峰值，因此需要切换至相邻气室容积对应的吸振率曲线，从而遏制吸振率的增长趋势，使吸振率保持最小，而相邻的气室容积包括V2和V4，从图中可以看出V4所对应的吸振率曲线在与目标曲线相交后幅值增长速度最小，因此将目标曲线切换至V4所对应吸振率曲线，该吸振率曲线与前一目标吸振率曲线的交点频率值正是为6.2Hz，因此将0-6.2Hz划分为第一频率区间，且第一频率区间与容积状态V1匹配。
接下来V4所对应的吸振率曲线即将达到峰值，因此取与容积状态V4相邻的气室容积状态V3所对应的吸振率曲线作为目标曲线，与V4所对应的吸振率曲线相交后V3所对应的吸振率曲线的幅值增长速度最小，V4与V3所对应的吸振率曲线的交点频率值为8.5Hz，因此将6.2Hz-8.5Hz作为第二频率区间，且第二频率区间与容积状态V4对应。
按照上述过程依次获得其余的频率区间段8.5Hz-9.1Hz、9.1Hz-10.2Hz、10.2Hz-13.8Hz以及13.8Hz-20.7Hz，并将上述各频率区间段与各气室容积状态匹配，依次包括V3、V2、V1、V4。参考图6所示，在交点频率值13.8Hz以后，4条吸振率曲线基本重合，因此将13.8Hz-20.7Hz作为一个频率区间段。
如图6所示，将主系统激励频率区间段数据划分为6个频率区间段：[0,6.2]、[6.2,8.5]、[8.5,9.1]、[9.1,10.2]、[10.2,13.8]、[13.8,20.7]，上述6个频率区间段对应的气室容积状态分别为0.008m3、0.038m3、0.028m3、0.018m3、0.008m3、0.038m3。切换上述气室容积状态的电磁阀4启闭模式的二进制数据为：000、111、110、001、000、111，其中二进制数各位分别对应3个电磁阀4，所述电磁阀4为常闭阀，通电开启。如图7所示，依照控制流程图，不同频率区间段激发相对应的电磁阀4控制码，根据各频率区间段设置对应的电磁阀4控制二进制序列，并存储于控制模块内。
即当0＜ω≤6.2时，气室总容积为0.008，对应电磁阀4控制码为000；
当6.2＜ω≤8.5时，气室总容积为0.038，对应电磁阀4控制码为111；
当8.5＜ω≤9.1时，气室总容积为0.028，对应电磁阀4控制码为110；
当9.1＜ω≤10.2时，气室总容积为0.018，对应电磁阀4控制码为001；
当10.2＜ω≤13.8时，气室总容积为0.008，对应电磁阀4控制码为000；
当13.8＜ω≤20.7时，气室总容积为0.038，对应电磁阀4控制码为111；
其中，ω为主系统的激励频率。
步骤三：利用采集单元采集主系统的振动信号，对振动信号进行快速傅里叶变换，通过控制模块判断该振动信号的频率范围落入哪个频率区间段。
步骤四：控制模块输出对应的电磁阀4控制码，使空气弹簧切换至与步骤三中振动信号所落入频率区间段对应的容积状态。
通过上述过程划分频率区间段，并将频率区间段与相应气室容积状态匹配，根据主系统的振动信号，始终能够将吸振器切换至与其匹配的最佳吸振状态，保证吸振器的吸振效果。
步骤一中吸振器动刚度与气室容积满足的关系式为：
Figure BDA0003180564000000081
其中，Pa为大气压，n为多变指数，
Figure BDA0003180564000000082
为空气弹簧特性参数；
进一步，如图8所示增加拓展气室16容积进而可得到不同频带的主系统频响曲线，同理可以得到若干个不同的频率区间，按照相同的原理对应有若干组电磁阀4控制二进制序列。
上述吸振器在实际工作中，可通过传感器实时获取主系统激励频率信号，利用控制程序处理输入频率信号，并选择输出主系统频响曲线段，依据预先设置控制电磁阀4启闭，进而改变空气弹簧容积进而改变其刚度，使得吸振器固有频率追踪激励频率，规划主系统频响轨迹，达到宽频调节效果。

Claims (4)

1.一种宽频吸振器的控制方法，其特征在于：
所述宽频吸振器包括空气弹簧和控制模块；空气弹簧包括主气室(1)和附加气室(2)，所述主气室(1)与所述附加气室(2)通过导管(10)连接，所述导管(10)中间设置有用于控制气流通断的电磁阀(4)；所述控制模块包括采集单元和控制单元；所述采集单元安装于主系统上，用于采集主系统的振动信号；所述控制单元分别与采集单元、电磁阀(4)连接，控制单元根据采集单元所采集的振动信号控制电磁阀(4)的通断；
所述主气室(1)包括承载端(19)、固定端(18)和底座(3)；所述承载端(19)与所述固定端(18)滑动配合且密封，所述承载端(19)与所述固定端(18)之间限定出主气室(1)腔体；所述固定端(18)与底座(3)固定连接；
所述附加气室(2)沿所述底座(3)的周向布置，且附加气室(2)呈弧形状；所述附加气室(2)的头尾两端分别设置有第一气孔(11)和第二气孔(12)；所述第一气孔(11)与所述导管(10)连接，所述第二气孔(12)用于与拓展气室(16)连接；
所述采集单元包括传感器和功率放大器(7)，所述传感器安装于主系统上用于采集主系统的振动信号；所述功率放大器(7)分别与所述传感器、控制单元连接，将振动信号放大后传递至控制单元；
所述传感器包括加速度传感器(5)和位移传感器(6)；所述加速度传感器(5)固定安装于主系统端部，用于采集主系统的振动信号；所述位移传感器(6)安装于主系统端部上方，用于检测空气弹簧的工作高度；
所述宽频吸振器的控制方法包括如下步骤：
步骤一：控制电磁阀(4)的通断切换空气弹簧的不同容积状态，分别获取每一种容积状态下对应的主系统吸振率曲线；
步骤二：将空气弹簧不同容积状态下的主系统吸振率曲线绘制于同一频率-幅值坐标系内；根据相邻吸振率曲线之间交点的频率值划分多个连续的频率区间段，并将各频率区间段分别与各不同容积状态匹配；
步骤三：利用采集单元采集主系统的振动信号，对振动信号进行快速傅里叶变换后判断该振动信号的频率范围落入哪个频率区间段；
步骤四：将空气弹簧切换至与步骤三中振动信号所落入频率区间段对应的容积状态；
所述根据相邻吸振率曲线之间交点的频率值划分多个连续的频率区间段，并将各频率区间段分别与各不同容积状态匹配包括如下步骤：
S1、取最小容积状态对应的吸振率曲线作为第一吸振率曲线、与该最小容积状态相邻的容积状态对应的吸振率曲线作为第二吸振率曲线；
S2、划分第一吸振率曲线起点对应的频率值、至第一吸振率曲线与第二吸振率曲线交点所对应的频率值作为频率区间段，将该频率区间段与第一吸振率曲线所对应的容积状态匹配；
S3、以前一步骤中的第二吸振率曲线作为第一吸振率曲线，取与第一吸振率曲线的相邻容积状态的吸振率曲线作为第二吸振率曲线；
S4、以前一步骤中所划分频率区间段的末端值、至步骤S3中第一吸振率曲线与第二吸振率曲线交点所对应的频率值作为下一频率区间段，将该频率区间段与该第一吸振率曲线所对应的容积状态匹配；
S5、重复步骤S3和S4获取多个连续的频率区间段，并将各频率区间段与相应容积状态匹配。
2.根据权利要求1所述的一种宽频吸振器的控制方法，其特征在于：所述底座(3)设有第二通孔(14)；所述承载端(19)上连接有朝向固定端(18)所在方向凸起的多个长突键(17)；所述长突键(17)插入所述第二通孔(14)内，并且可沿所述第二通孔(14)的轴向方向移动。
3.根据权利要求1所述的一种宽频吸振器的控制方法，其特征在于：所述电磁阀(4)为常闭状态。
4.根据权利要求1所述的一种宽频吸振器的控制方法，其特征在于：所选取的第二吸振率曲线为与第一吸振率曲线相交后振动幅值增长速度最小的吸振率曲线。
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