CN114738414B - 一种易控的半主动式非线性双作用吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动控制领域，特别是一种易控的半主动式非线性双作用吸振器，包括变质量模块、变刚度模块和信号采集和控制模块三个部分；变质量模块通过可变质量桶内液体的流入流出，从而改变吸振器的质量；变刚度模块通过刚度弹簧在步进电机的驱动下改变刚度弹簧与竖直导杆之间的角度，从而实现吸振器在竖直方向上刚度的非线性改变；信号采集和控制模块能够实时检测外界激励频率的变化并发出相应控制信号，使吸振器的固有频率与外界激励频率同步。本发明为半主动式吸振器，具有结构简单、耗能少、控制方便的特点。

Description

一种易控的半主动式非线性双作用吸振器

技术领域

本发明涉及振动控制领域，特别是一种易控的半主动式非线性双作用吸振器。

背景技术

在实际工程中，振动是各类机械设备无法避免的现象，这些机械设备的振动会导致机械结构的破坏，影响设备运行的稳定性。长期以来，人们进行了大量的研究，采取了各种措施来减小有害振动，其中，吸振器是广泛应用于工程实践中的一种减振设备。

传统吸振器结构简单、性能稳定，但由于其各项参数一旦设定好后就不再改变，有效减振频带较窄，当外界激励频率偏离吸振器的频率时，吸振器的减振效果会大幅度降低；主动式吸振器通过改变吸振器的刚度、质量和阻尼等参数，能够自动调整自身频率与外界激励频率相等，最常见的方式为改变刚度，主动式吸振器克服了传统吸振器减振频带窄的问题，但主动式吸振器系统质量大、成本高、结构复杂且需要大量外界能量，在调节刚度时对控制系统的要求高，调节较为困难。

国内专利号为201910430639.6的发明专利提出了一种同时改变刚度和质量的吸振器，该发明利用压电陶瓷改变刚度，同时利用水泵增减质量，该发明虽然扩宽了吸振器的减振频带，但其在变刚度上需要大质量振子，同时需要较大的外部能量供应驱动水泵。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的主动式吸振器刚度调节困难的问题，提供一种易控的半主动式非线性双作用吸振器，这种吸振器刚度调节简单可靠，能够同时调整刚度和质量，减振频带较宽，耗能少，适用范围广。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种易控的半主动式非线性双作用吸振器，包括变质量模块、变刚度模块、用于固定在需要减振的系统上的基座和信号采集和控制模块，所述变质量模块包括储液桶、可变质量桶、排液桶，所述吸振器还包括：用于承载所述储液桶的支架，所述支架固定在所述基座上；其中，所述变刚度模块包括：用于承载所述可变质量桶的刚度架，所述刚度架包括位于其底部的弧形轨道；能够在所述刚度架底部弧形轨道滑动的滑套和弹簧导杆，所述弹簧导杆能够穿过所述滑套；所述刚度架和所述排液桶安装在所述基座上；用于限位所述弹簧导杆上端的丝杠滑块，所述丝杠滑块安装在丝杠上，所述丝杠由步进电机驱动；用于固定所述步进电机的固定板，所述固定板与竖直导杆连接，所述竖直导杆固定在所述基座上；用于连接所述弹簧导杆下端的铰链结构，所述铰链结构固定在所述基座上；所述滑套下端与刚度弹簧一端连接，所述刚度弹簧的另一端与所述铰链结构相连接，所述弹簧导杆能够穿过所述刚度弹簧内部。

本发明所述的易控的半主动式非线性双作用吸振器通过与需要减振的系统相连接，输入初始质量和刚度弹簧处于竖直方向时的刚度，信号采集和控制模块计算得到吸振器初始固有频率，当振动能量传递至该吸振器时，通过信号采集和控制模块采集外界激励频率信号，计算出外界激励的频率同时对比吸振器初始固有频率和外界激励频率，发出相应的控制信号，通过改变可变质量桶内液体的流入或流出以及刚度弹簧与竖直导杆的角度，从而改变吸振器的质量和刚度，经过上述对吸振器的刚度的非线性调节和质量的线性调节，从而能够快速改变吸振器的固有频率，达到减振的目的。

作为本发明的优选方案，所述刚度架的底部弧形轨道设有滑道，所述滑道宽度大于所述弹簧导杆的直径，用于约束所述弹簧导杆的运动方向。

作为本发明的优选方案，所述滑道内装有滑珠，所述弹簧导杆能够穿过所述滑珠的通孔，用于减小所述弹簧导杆转动时与所述刚度架产生的摩擦。

作为本发明的优选方案，所述可变质量桶桶口安装有悬臂，所述悬臂外端固定在所述变质量桶桶口，内端向所述变质量桶桶内延伸，所述可变质量桶桶内设置有维稳板，所述维稳板与维稳弹簧的一端连接，维稳弹簧另一端与所述悬臂内端相连接，通过维稳弹簧的弹性力保持维稳板的稳定。

作为本发明的优选方案，所述维稳板为圆锥形，内部为中空结构，使储液桶流出的液体能够顺利流入可变质量桶内成为可变质量桶的质量，保持可变质量桶底部与维稳板之间容纳的液体液面稳定。

作为本发明的优选方案，所述可变质量桶底部设有圆柱状凸起，所述圆柱状凸起尺寸与所述竖直导杆尺寸相适配，防止振幅过大时所述竖直导杆与所述可变质量桶产生撞击。

作为本发明的优选方案，所述可变质量桶侧面底部连接有第一连通管，所述排液桶位于所述第一连通管出口下方，所述排液桶侧面顶部连接有第二连通管，方便接收可变质量桶流出的液体并及时排出所述排液桶内多余的液体。

作为本发明的优选方案，所述铰链结构包括铰链块、铰链轴以及铰链座，铰链结构用于方便刚度弹簧的安装，以便于刚度弹簧的压缩、拉伸和绕铰链结构转动。

作为本发明的优选方案，信号采集和控制模块包括第一电磁阀、第一流量传感器、第二电磁阀、第二流量传感器、第一加速度传感器、第二加速度传感器、电荷放大器、控制系统和可控电源，所述电荷放大器的输入端与所述第一加速度传感器和所述第二加速度传感器的输出端连接，所述控制系统的输入端与所述电荷放大器、所述第一流量传感器、所述第二流量传感器和所述可控电源的输入端连接，所述控制系统的输出端与所述第一电磁阀和所述第二电磁阀连接，所述可控电源输出端与所述步进电机连接，信号采集和控制模块用于检测需要减振的系统的信号，经控制系统分析，并发出相应的控制信号。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、设计的变刚度模块消除避免了现有变刚度设计的缺点，不需要质量较大的振子、不附加冗余质量、调节简单可靠；

2、本发明为半主动式吸振器，耗能少，其中变质量模块由重力驱动改变质量，不需要外界供能，变刚度模块只需要在改变刚度时为步进电机提供电能，而不需要改变刚度时，由自身结构保持刚度恒定，大幅降低了现有主动控制吸振器所需的能量；

3、能够同时调整刚度和质量，其中变质量模块的存在弥补了余弦规律在特定阶段刚度变化不明显的缺点，大幅提高了控制响应时间；

4、变刚度模块和变质量模块能独立工作，吸振器的可靠性高。

附图说明

图1是本发明易控的半主动式非线性双作用吸振器的结构示意图1；

图2是本发明易控的半主动式非线性双作用吸振器的结构示意图2；

图3是本发明易控的半主动式非线性双作用吸振器的部分结构剖视图；

图4是维稳板剖视图；

图5是铰链结构示意图。

图标：1-储液桶；2-第一电磁阀；3-第一流量传感器；4-维稳弹簧；5-悬臂；6-可变质量桶；6-1-圆柱状凸起；7-第一连通管；8-第二电磁阀；9-第二流量传感器；10-排液桶；11-第二连通管；12-支架；13-维稳板；14-刚度架；14-1-滑道；15-步进电机；16-丝杠；17-丝杠滑块；18-弹簧导杆；19-固定板；20-滑珠；21-滑套；22-刚度弹簧；23-基座；23-1-竖直导杆；24-铰链结构；24-1-铰链块；24-2-铰链轴；24-3-铰链座；25-第一加速度传感器；26-第二加速度传感器；27-电荷放大器；28-控制系统；29-可控电源。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-5所示，一种易控的半主动式非线性双作用吸振器，包括变质量模块、变刚度模块、用于固定在需要减振的系统上的基座23和信号采集和控制模块，所述变质量模块包括储液桶1、可变质量桶6、排液桶10，所述吸振器还包括：用于承载所述储液桶1的支架12，所述支架12固定在所述基座23上；其中，所述变刚度模块包括：用于承载所述可变质量桶6的刚度架14，所述刚度架14包括位于其底部的弧形轨道；能够在所述刚度架14底部弧形轨道滑动的滑套21和弹簧导杆18，所述弹簧导杆18能够穿过所述滑套21；所述刚度架14和所述排液桶10安装在所述基座23上；用于限位所述弹簧导杆18上端的丝杠滑块17，所述丝杠滑块17安装在丝杠16上，所述丝杠16由步进电机15驱动；用于固定所述步进电机15的固定板19，所述固定板19与竖直导杆23-1连接，所述竖直导杆23-1固定在所述基座23上；用于连接所述弹簧导杆18下端的铰链结构24，所述铰链结构24固定在所述基座23上；所述滑套21下端与刚度弹簧22一端连接，所述刚度弹簧22的另一端与所述铰链结构24相连接，所述弹簧导杆18能够穿过所述刚度弹簧22内部。

所述刚度架14的底部弧形轨道设有滑道14-1，所述滑道14-1宽度大于所述弹簧导杆18的直径，用于约束所述弹簧导杆18的运动方向。

所述滑道14-1内装有滑珠20，所述弹簧导杆18能够穿过所述滑珠20的通孔，用于减小所述弹簧导杆18转动时与所述刚度架14产生的摩擦。

所述可变质量桶6桶口安装有悬臂5，所述悬臂5外端固定在所述变质量桶6桶口，内端向所述变质量桶6桶内延伸，所述可变质量桶6桶内设置有维稳板13，所述维稳板13与维稳弹簧4的一端连接，维稳弹簧4另一端与所述悬臂5内端相连接，通过维稳弹簧4的弹性力保持维稳板13的稳定。

所述维稳板13为圆锥形，内部为中空结构，使储液桶1流出的液体能够顺利流入可变质量桶6内成为可变质量桶6的质量，保持可变质量桶6底部与维稳板之间容纳的液体液面稳定。

所述可变质量桶6底部设有圆柱状凸起6-1，所述圆柱状凸起6-1尺寸与所述竖直导杆23-1尺寸相适配，防止振幅过大时所述竖直导杆23-1与所述可变质量桶6产生撞击。

所述可变质量桶6侧面底部连接有第一连通管7，所述排液桶10位于所述第一连通管7出口下方，所述排液桶10侧面顶部连接有第二连通管11，方便接收所述可变质量桶6流出的液体并及时排出所述排液桶10多余的液体。

所述铰链结构24包括铰链块24-1、铰链轴24-2以及铰链座24-3，铰链结构24用于方便刚度弹簧22的安装，以便于刚度弹簧22的压缩、拉伸和绕铰链结构24转动。

所述信号采集和控制模块包括第一电磁阀2、第一流量传感器3、第二电磁阀8、第二流量传感器9、第一加速度传感器25、第二加速度传感器26、电荷放大器27、控制系统28和可控电源29，所述电荷放大器27的输入端与所述第一加速度传感器25和所述第二加速度传感器26的输出端连接，所述控制系统28的输入端与所述电荷放大器27、所述第一流量传感器3、所述第二流量传感器9和所述可控电源29的输入端连接，所述控制系统28的输出端与所述第一电磁阀2和所述第二电磁阀8连接，所述可控电源29输出端与所述步进电机15连接，所述信号采集和控制模块用于检测需要减振的系统的信号，经控制系统28分析，并发出相应的控制信号。

所述第一加速度传感器25固定在所述刚度架14顶部，用于检测吸振器的振动频率信号。

所述第二加速度传感器26固定在所述基座23上，用于检测需要减振系统的振动频率信号。

所述储液桶1下方设有所述第一电磁阀2和所述第一流量传感器3，方便控制和检测储液桶1内液体的流出和流出量。

所述可变质量桶6侧面底部连接有第一连通管7，所述第一连通管7出口端连接所述第二电磁阀8和所述第二流量传感器9，方便控制和检测可变质量桶6内液体的流出和流出量。

本发明的使用过程如下：

将吸振器的基座23与需要减振的系统连接，此时可变质量桶6和排液桶10内无液体，储液桶1内装有液体，调整刚度弹簧22至竖直方向，向控制系统28输入刚度架14的质量、可变质量桶6的初始质量和刚度弹簧22处于竖直方向时的刚度，控制系统28计算得到吸振器初始固有频率，该初始化过程只需执行一次，后续不再执行；当振动能量传递至该吸振器时，通过第一加速度传感器25和第二加速度传感器26采集外界激励频率信号，将采集到的信号经电荷放大器27传输给控制系统28，控制系统28计算出外界激励的频率同时对比吸振器初始固有频率和外界激励频率，从而发出控制信号，当需要增加可变质量桶6的质量时，控制系统28会打开第一电磁阀2，关闭第二电磁阀8，使液体从储液桶1流出，经表面为圆锥状的维稳板13表面流入可变质量桶6，从而增加可变质量桶6的质量，维稳板13内部为空心结构能够浮在可变质量桶6内的液面上，维稳板6上升的过程中维稳弹簧4压缩，不断增强的维稳弹簧4弹簧力作用在维稳板6上可保持可变质量桶6内的液面稳定；当需要减少可变质量桶6的质量时，控制系统28会关闭第一电磁阀2，打开第二电磁阀8，将可变质量桶6内的液体通过第一连通管7排出到排液桶10里，此时维稳弹簧4压缩程度降低继续保持液面在振动过程中的平稳，排液桶10的液面达到一定高度时，液体可通过第二连通管11流出吸振器；控制系统28还能控制可控电源29对步进电机15供电进行正反转，步进电机15驱动丝杠16，丝杠16驱动丝杠滑块17，丝杠滑块17驱动弹簧导杆18的转动，弹簧导杆18驱动滑套21、刚度弹簧22和铰链结构24一同转动，实现刚度的连续非线性变化，当步进电机15不工作时，丝杠滑块17能维持弹簧导杆18角度不改变，通过改变可变质量桶6内液体的流入或流出以及刚度弹簧22与竖直导杆23-1的角度，从而改变吸振器的刚度和质量，其中质量的变化可根据第一流量传感器25和第二流量传感器26传回控制系统28实时得知，而刚度的变化可以通过步进电机15运动时间计算，经过上述对吸振器的刚度的非线性调节和质量的线性调节，从而能够快速改变吸振器的固有频率，达到减振的目的，当外界激振频率稳定后，刚度弹簧22能够被丝杠滑块17维持在当前位置，故吸振器只需要为信号处理和控制模块提供少许电能，当外界激励频率再发生变化时，通过信号采集与控制模块重复上述改变吸振器质量和刚度的过程便可实现新一轮的减振控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种易控的半主动式非线性双作用吸振器，包括变质量模块、变刚度模块、用于固定在需要减振的系统上的基座（23）和信号采集和控制模块，所述变质量模块包括储液桶（1）、可变质量桶（6）、排液桶（10），其特征在于，还包括：

用于承载所述储液桶（1）的支架（12），所述支架（12）固定在所述基座（23）上；

其中，所述变刚度模块包括：

用于承载所述可变质量桶（6）的刚度架（14），所述刚度架（14）包括位于其底部的弧形轨道；

能够在所述刚度架（14）底部弧形轨道滑动的滑套（21）和弹簧导杆（18），所述弹簧导杆（18）能够穿过所述滑套（21）；

所述刚度架（14）和所述排液桶（10）安装在所述基座（23）上；

用于限位所述弹簧导杆（18）上端的丝杠滑块（17），所述丝杠滑块（17）安装在丝杠（16）上，所述丝杠（16）由步进电机（15）驱动；

用于固定所述步进电机（15）的固定板（19），所述固定板（19）与竖直导杆（23-1）连接，所述竖直导杆（23-1）固定在所述基座（23）上；

用于连接所述弹簧导杆（18）下端的铰链结构（24），所述铰链结构（24）固定在所述基座（23）上；

所述滑套（21）下端与刚度弹簧（22）一端连接，所述刚度弹簧（22）的另一端与所述铰链结构（24）相连接，所述弹簧导杆（18）能够穿过所述刚度弹簧（22）内部；

所述可变质量桶（6）桶口安装有悬臂（5），所述悬臂（5）外端固定在所述可变质量桶（6）桶口，内端向所述可变质量桶（6）桶内延伸，维稳弹簧（4）的一端连接所述悬臂（5）内端，所述维稳弹簧（4）另一端连接位于所述可变质量桶内的维稳板（13）；所述维稳板（13）与所述可变质量桶（6）底部之间的空间用于容纳液体；所述维稳板（13）为圆锥形，内部为中空结构；

所述可变质量桶（6）底部设有圆柱状凸起（6-1），所述圆柱状凸起（6-1）尺寸与所述竖直导杆（23-1）尺寸相适配；所述可变质量桶（6）侧面底部连接有第一连通管（7），所述排液桶（10）位于所述第一连通管（7）出口下方，所述排液桶（10）侧面顶部连接有第二连通管（11）。

2.根据权利要求1所述的一种易控的半主动式非线性双作用吸振器，其特征在于，所述刚度架（14）的底部弧形轨道设有滑道（14-1），所述滑道（14-1）宽度大于所述弹簧导杆（18）的直径。

3.根据权利要求2所述的一种易控的半主动式非线性双作用吸振器，其特征在于，所述滑道（14-1）内装有滑珠（20），所述弹簧导杆（18）能够穿过所述滑珠（20）的通孔。

4.根据权利要求1所述的一种易控的半主动式非线性双作用吸振器，其特征在于，所述铰链结构（24）包括铰链块（24-1）、铰链轴（24-2）以及铰链座（24-3）。

5.根据权利要求1所述的一种易控的半主动式非线性双作用吸振器，其特征在于，信号采集和控制模块包括第一电磁阀（2）、第一流量传感器（3）、第二电磁阀（8）、第二流量传感器（9）、第一加速度传感器（25）、第二加速度传感器（26）、电荷放大器（27）、控制系统（28）和可控电源（29），所述电荷放大器（27）的输入端与所述第一加速度传感器（25）和所述第二加速度传感器（26）的输出端连接，所述控制系统（28）的输入端与所述电荷放大器（27）、所述第一流量传感器（3）、所述第二流量传感器（9）和所述可控电源（29）的输入端连接，所述控制系统（28）的输出端与所述第一电磁阀（2）和所述第二电磁阀（8）连接，所述可控电源（29）输出端与所述步进电机（15）连接。

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