CN113669404B - 一种含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于减振降噪的技术领域，公开了一种含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置包括悬置固定设置在轨道车辆底部的底架基座下方的回转体框架，以及通过承重弹簧悬设在回转体框架内部的质量不同的两个振子，其中一个振子还通过对称设置的斜拉弹簧与回转体框架连接，它们的中心通过两个导磁杆串联在一起，两个导磁杆通过压缩弹簧连接，连接在一起的导磁杆的轴向中心与回转体框架重合，每个导磁杆均通过磁流变弹性体与回转体框架连接，两个导磁杆、回转体框架均为导磁体，在回转体框架的表面、且对应每个振子的位置均设置有一个或者多个绕线槽，其内部均设置有励磁线圈，从而形成具有两个固定频率的复合吸振器，拓宽复合吸振器的减振频带。

Description

一种含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置

技术领域

本发明涉及轨道交通减振降噪的技术领域，尤其涉及一种含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置。

背景技术

城市轨道交通车辆在行驶过程中，由于轨道系统不平顺所产生的激励作用，使得轮轨振动加剧，从而导致了低频振动的产生，其传递路径由一系悬挂传至转向架，再经二系悬挂传至挂车体，另一方面，振动的产生造成部分能量无法吸收，直接传递到车厢内，使得车辆行驶过程中，平稳性和舒适性均下降。动力吸振器由于具有结构简单、减振效果好的优点，已成为降低车体振动，提高乘客乘坐舒适度的有效手段之一。

动力吸振器被分为被动式、主动式、半主动式三种：被动式动力吸振器结构简单、减振效果好，但工作频段很窄，因此不适合频率变化大，即工作频带较宽的场合；主动式吸振器是指利用外部能源在主系统受激振动过程中，瞬时施加控制力或改变结构的动力特性，以迅速衰减和控制结构振动反应的减振装置，虽然该类吸振器减振频带较宽，但其具有结构复杂、控制精度要求高以及稳定性差等缺点；半主动式吸振器又称自适应吸振器，兼具了前两者的优点，结构简单、易于实施、减振效果好，而且能在一定宽度频率范围内对主系统有效减振。

传统的动力吸振器即被动式动力吸振器结构简单、可靠性好，但吸振频率单一，并不能有效解决轨道车辆车体的垂向振动的问题，因为轨道车辆运行时，车体的垂向振动是多频段的振动，分为刚性振动频段和弹性振动频段。

专利申请号为201711133363.2的发明专利中公开了一种磁流变弹性体半主动式动力吸振器及其选型安装方法，能够通过改变通过励磁线圈的电流强度,从而调整磁流变弹性体的刚度，使吸振器的固有频率与轨道车辆车体振动频率时刻相调谐，确保各频率下的车体振动能量都可以被吸振器的多层开槽振子所吸收，抑制车体垂向振动，实现对车体的宽频减振，但其与传动动力吸振器一样都属于单自由度的吸振器，都只有一个振子，而轨道车体的垂向振动是多频段的振动，分为刚性振动频段和弹性振动频段，加上磁流变弹性体的刚度变化有限，其只能针对刚性或弹性振动频段设计工作频率，并不能完全覆盖所有的车体垂向振动频段，减振效果不佳。

发明内容

本发明提供了一种含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置，能够有效解决上述问题，利用复合吸振器存在两个固有频率的特点并结合磁流变弹性体的力学特性，能够有效针对车体垂向振动时存在的刚性振动频段和弹性振动频段，进而可以对车体有效减振。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置，包括悬置固定设置在轨道车辆底部的底架基座下方的回转体框架，以及通过承重弹簧悬设在回转体框架内部的质量不同的两个振子，其中一个振子还通过对称设置的斜拉弹簧与回转体框架连接，

两个所述振子的中心通过两个导磁杆串联在一起，两个所述导磁杆之间通过压缩弹簧连接，连接在一起的导磁杆的轴向中心与回转体框架的轴向中心重合，每个所述导磁杆均通过磁流变弹性体与回转体框架连接，两个所述导磁杆、回转体框架均为导磁体，在所述回转体框架的表面、且对应每个振子的位置均设置有一个或者多个绕线槽，所述绕线槽内部均设置有励磁线圈，从而形成具有两个固定频率的复合吸振器，拓宽复合吸振器的减振频带，有效消耗车体垂向振动中的刚性振动频段和弹性振动频段，实现对车体的宽频减振。

因此，借助两个振子连同对应的承重弹簧、斜拉弹簧组成两个动力吸振系统，由于两个振子的质量不同，使得它们可以具有不同的固有频率，再加上与导磁杆相连的磁流变弹性体，共同构成复合吸振器，同时，利用压缩弹簧连接在一起的两个导磁杆将两个振子串联起来，能够有效缓解两个振子之间的振动能量，这样可以调节通过励磁线圈的电流大小，来改变磁流变弹性体的刚度，使得复合吸振器的吸振频率可以在两个不同的固有频率基础上有更宽的频段变化，从而可以范围地覆盖车体的垂向振动频率，只要实时地使之与车体的垂向振动的变化相协调，就可以有效地实施吸振。

进一步，根据车体垂向振动中的刚性振动频段和弹性振动频段，设置两个振子对应的质量，优选刚性振动频段和弹性振动频段的峰值，确保复合吸振器的两个固有频率大小相差较大，这样随着磁流变弹性体的刚度变化而带来复合吸振器的吸振频率变化范围更大，自适应调节范围更大。

轨道车辆在运行过程中产生垂向振动时，车体的垂向振动经过底架基座、两个导磁杆、压缩弹簧、回转体框架和磁流变弹性体传递至质量不同的两个振子，安装在轨道车辆上的振动传感器实时监测车体振动频率并反馈给控制单元，控制单元根据反馈信号改变通过励磁线圈的电流强度，从而调整磁流变弹性体的刚度，使复合吸振器的吸振频率与轨道车辆车体振动频率时刻相调谐，确保各频率下的车体振动能量都可以被吸振器的两个振子所吸收，抑制车体的垂向振动。

进一步，所述回转体框架包括上磁轭和下磁轭，以及设置在两者之间的沙漏状的腔体，在所述腔体凸起部的内部均悬设有振子，分别为上振子和下振子，在所述腔体凹陷部呈中空结构，所述下振子还通过斜拉弹簧与上磁轭连接，所述导磁杆和压缩弹簧之间设置有隔磁材料层。这样，处在腔体中段凹陷部的中空结构充满空气，起到隔磁作用，当然也可以采用其他隔磁方式，从而将腔体中两个凸起部内部的动力吸振系统中的导磁路径隔开，即对于腔体上部的励磁线圈，通电后产生的磁场，经由腔体上部的凸起部、导磁杆、磁流变弹性体、上磁轭，再重新回到励磁线圈，形成两个完整的闭合回路，同理，对于腔体下部的励磁线圈也可以形成两个完整的闭合回路。

另外，斜拉弹簧连接在下振子和上磁轭之间，该斜拉弹簧处于自然伸长状态，其产生的弹性在垂向方向的分力作用在下振子和上磁轭上，可使上振子和下振子快速复位，上下振动最大振幅不会过大，而在横向方向的分力可确保使振子的振动路径始终上下振动，横向方向不会有过多的摆动，进一步提高了整个结构的稳定性。

再进一步，所述上磁轭和下磁轭的中心均设置有安装通孔，所述上振子、下振子的中心均设置有轴孔，连接在一起的两个导磁杆的上端依次与上振子的轴孔、上磁轭的安装通孔配合，连接在一起的两个导磁杆的下端依次与下振子的轴孔、下磁轭的安装通孔配合，安装通孔与导磁杆之间均设置有环形的磁流变弹性体，所述磁流变弹性体外圈紧贴固定在安装通孔上，内圈包覆导磁杆外缘。这样，随着上振子和下振子的上下振动，带动导磁杆拖拽对应的磁流变弹性体弹性变形，从而改变其刚度。

进一步，所述上磁轭的底面通过多个承重弹簧与上振子的顶面连接，所述下磁轭的顶面通过多个称重弹簧与下振子的底面连接，所述下振子的两侧分别设置有一个外延部，所述外延部穿过腔体的避让槽、且沿腔体的径向向外延伸，不与避让槽接触，所述避让槽沿腔体的轴向延伸，所述斜拉弹簧的一端与外延部连接，另一端与上磁轭的边缘连接，所述上磁轭的直径大于下磁轭的直径。这样，整个回转体框架上大下小，增加了与车体底部基座的接触面积，有利于振动传递，同时，可以使两个斜拉弹簧的夹角为锐角，更有利于上振子和下振子的快速复位，提高减振速度。

进一步，与所述上磁轭连接的称重弹簧和与所述下磁轭连接的承重弹簧的弹性不同。

最后，在复合吸振器的外表面包覆隔磁材料，进行隔磁处理，保证复合吸振器与轨道车辆底部隔磁。

本发明有益的技术效果在于：

1)、城市轨道车辆运行时的振动特点出发，利用复合吸振器具体两个固有频率的特点以及磁流变弹性体刚度可变的特点，可以很好的针对车体振动的刚性振动频段及弹性振动频段进行减振，减振频带宽，减振效果好。

2)、沙漏型的回转体框架，结构简单，布置合理，因为整个结构为旋转对称结构，磁场分布均匀。

3)、两个导磁杆件之间用压缩弹簧连接，构成导磁杆件连接装置，导磁杆件连接装置之间的压缩弹簧可以有效缓解两个振子之间的振动能量。

4)、当外激励频率改变时，只需调整输入电流大小，即可使固有频率实时捕捉主振动系统的激励频率，在多谐频和宽频激励下获得较好的减振效果，耗能少。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的总体结构的轴向剖面示意图；

图3为本发明的腔体的结构示意图；

图4为本发明的两个导磁杆的连接结构示意图；

图5为本发明的下振子的结构示意图；

图6为本发明的导磁路径示意图；

图7为本发明的复合吸振器与车体三自由度简化模型示意图；

其中，1-上磁轭，2-下磁轭，3-腔体，4-斜拉弹，5-下振子，6-上振子，7-压缩弹簧，8-导磁杆，9-承重弹簧，10-磁流变弹性，11-绕线槽。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1、2、3所示，上磁轭1、下磁轭2和设置在两者之间的沙漏状的腔体3构成本发明的含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置的回转体框架，可以在腔体3的边缘均匀间隔设置多个耳朵，如四个，在这些耳朵上设置螺纹孔，借助螺栓将其与上磁轭1、下磁轭2能够拆卸地连接，而为了配合斜拉弹簧4的连接安装，可以在上磁轭1的底部边缘对称设置有两个三角块，设置在下振子5两侧的外延部对称设置，也呈三角状，确保它们与斜拉弹簧4的端面平行，方便连接设置。

如图2、4、5所示，该腔体3凸起部的容积大于上振子6、下振子5的体积，确保上振子6、下振子5可以有上下移动的空间，借助压缩弹簧7连接在一起的两个导磁杆8将上振子6、下振子5串联起来，采用过盈配合，确保导磁杆8和上振子6、下振子5沿上磁轭1、下磁轭2的安装通孔轴向相对底架基座上下振动，且保证导磁杆8在振动时不会脱落；再利用上部的承重弹簧9将上振子6悬挂在腔体3上部的凸起部，利用下部的承重弹簧9、斜拉弹簧4悬挂在腔体3下部的凸起部，同时，连接在一起的两个导磁杆8的顶端通过磁流变弹性体10与上磁轭1中心的安装通孔配合，连接在一起的两个导磁杆8的底端通过磁流变弹性体10与下磁轭2中心的安装通孔配合，也都采用过盈配合，而磁流变弹性10体呈环状，其内圈紧贴固定在导磁杆8的外缘，其外圈与安装通孔固定在一起；当上振子6、下振子5振动时，导磁杆8的拖拽使磁流变弹性体10弹性形变，使得振子具有上下振动的余地，从而形成和回转体框架之间的弹性连接。

如图6所示，在导磁路径的设计中，首要的是需要保证磁路通畅，这就意味着磁感线在经过各部件时，能够形成闭合的回路，该闭合回路中，包括腔体、导磁杆、上磁轭、下磁轭和磁流变弹性体。当设置在腔体3表面的绕线槽11内部的励磁线圈通电后，产生的磁场经过导磁杆，通过选用的磁流变弹性体和上磁轭、下磁轭，重新回到励磁线圈，这就是一个完整的闭合回路，即复合吸振器的导磁路径。

在轨道车辆运行过程中，车体产生的垂向振动经过底架基座、上磁轭、下磁轭、导磁杆以及磁流变弹性体传递至两个振子。当励磁线圈通电后，复合吸振器内部产生闭合环形磁场，一旦电流改变，那么相应的复合吸振器内的磁场强度就会发生改变，磁流变弹性体力学特性促使其剪切模量发生改变，从而磁流变弹性体复合吸振器的刚度也随之改变。因此，当外激励频率改变时，只需调整输入电流大小，即可使固有频率实时捕捉主振动系统的激励频率，在多谐频和宽频激励下获得较好的减振效果。

如图7所示，可将本发明的含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置与车体简化为三自由度模型，若M_di为复合吸振器第i个振子的质量，其中，i＝1,2，分别对应上振子、下振子；K_d1和C_d1为复合吸振器的上振子与车体间的刚度和阻尼、K_d2和C_d2为复合吸振器的上振子和下振子之间的刚度和阻尼、K_d3和C_d3为下振子M_d2与车体之间的刚度和阻尼，K_d4和C_d4为斜拉弹簧与车体之间在垂向方向上的等效刚度和阻尼，则复合吸振器系统的固有频率求解如下：

不考虑阻尼的影响，对复合吸振器的结构的二自由度固有频率求解，有

式中ω为吸振器的固有角频率，ω＝2πf_d，则复合吸振器的固有频率为

由上式可知，复合吸振器存在两个固有频率f_d1、f_d2(0＜f_d1＜f_d2)，其取值大小与复合吸振系统的质量与刚度参数有关。

对于本发明使用的磁流变弹性体的刚度大小均可随着磁场强度、剪切面积和磁流变弹性体的厚度等因素而改变，其表达式为：

K_di＝(A·H^-1)·G(B)

式中，K_di为磁流变弹性体复合吸振器的刚度，其中，i＝1，2，A表示剪切面积，H表示磁流变弹性体的厚度，G(B)表示磁场强度；因此可知，当A与H为定值时，K_d1与K_d3是随磁场强度G(B)变化的量，那么复合吸振系统固有频率f_d1，d2 ²也是随磁场强度G(B)变化的量，进而拓宽了吸振器的固有频率。

由上述式子可知，本发明的复合吸振器可以有效针对城市轨道车辆运行时的刚性振动与弹性振动频段，进而达到对车体多频段宽频减振的效果。

本发明通过使用两个质量不同的振子，使其具有两个固有频率，能够同时吸收车体垂向振动中的刚性振动频段及弹性振动频段的振动，结合轨道交通车辆的运行工况变化复杂的特点，实现对城市轨道车辆车体垂向振动的控制作用，考虑到城市轨道车辆的复杂性，仅依靠两个振子结构的特性无法满足振动要求，因此再结合磁流变弹性体材料，进而实现多频段宽频减振的目的。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置，其特征在于：包括悬置固定设置在轨道车辆底部的底架基座下方的回转体框架，以及通过承重弹簧悬设在回转体框架内部的质量不同的两个振子，其中一个振子还通过对称设置的斜拉弹簧与回转体框架连接，

两个所述振子的中心通过两个导磁杆串联在一起，两个所述导磁杆之间通过压缩弹簧连接，连接在一起的导磁杆的轴向中心与回转体框架的轴向中心重合，每个所述导磁杆均通过磁流变弹性体与回转体框架连接，两个所述导磁杆、回转体框架均为导磁体，在所述回转体框架的表面、且对应每个振子的位置均设置有一个或者多个绕线槽，所述绕线槽内部均设置有励磁线圈，从而形成具有两个固定频率的复合吸振器，拓宽复合吸振器的减振频带，有效消耗车体垂向振动中的刚性振动频段和弹性振动频段，实现对车体的宽频减振。

2.根据权利要求1所述的含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置，其特征在于：根据车体垂向振动中的刚性振动频段和弹性振动频段，设置两个振子对应的质量，

轨道车辆在运行过程中产生垂向振动时，车体的垂向振动经过底架基座、两个导磁杆、压缩弹簧、回转体框架和磁流变弹性体传递至质量不同的两个振子，安装在轨道车辆上的振动传感器实时监测车体振动频率并反馈给控制单元，控制单元根据反馈信号改变通过励磁线圈的电流强度，从而调整磁流变弹性体的刚度，使复合吸振器的吸振频率与轨道车辆车体振动频率时刻相调谐，确保各频率下的车体振动能量都可以被吸振器的两个振子所吸收，抑制车体的垂向振动。

3.根据权利要求2所述的含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置，其特征在于：所述回转体框架包括上磁轭和下磁轭，以及设置在两者之间的沙漏状的腔体，在所述腔体凸起部的内部均悬设有振子，分别为上振子和下振子，在所述腔体凹陷部呈中空结构，所述下振子还通过斜拉弹簧与上磁轭连接。

4.根据权利要求3所述的含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置，其特征在于：所述上磁轭和下磁轭的中心均设置有安装通孔，所述上振子、下振子的中心均设置有轴孔，连接在一起的两个导磁杆的上端依次与上振子的轴孔、上磁轭的安装通孔配合，连接在一起的两个导磁杆的下端依次与下振子的轴孔、下磁轭的安装通孔配合，安装通孔与导磁杆之间均设置有环形的磁流变弹性体，所述磁流变弹性体外圈紧贴固定在安装通孔上，内圈包覆导磁杆外缘。

5.根据权利要求3所述的含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置，其特征在于：所述上磁轭的底面通过多个承重弹簧与上振子的顶面连接，所述下磁轭的顶面通过多个承重弹簧与下振子的底面连接，所述下振子的两侧分别设置有一个外延部，所述外延部穿过腔体的避让槽、且沿腔体的径向向外延伸，不与避让槽接触，所述避让槽沿腔体的轴向延伸，所述斜拉弹簧的一端与外延部连接，另一端与上磁轭的边缘连接，所述上磁轭的直径大于下磁轭的直径。

6.根据权利要求5所述的含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置，其特征在于：与所述上磁轭连接的称重弹簧和与所述下磁轭连接的承重弹簧的刚性不同,根据振子的质量不同，选取不同刚度的承重弹簧。

7.根据权利要求2所述的含双振子结构的磁流变弹性体复合吸振器装置，其特征在于：所述导磁杆和压缩弹簧之间设置有隔磁材料层。

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