CN117028479A - 一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置及隔振方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置及隔振方法，包括隔振器本体、长方体铁芯、四块第一永磁体、一对第二永磁体和一对电磁铁，隔振器本体通过空气压缩机调节内部气压，长方体铁芯固定在隔振器本体内部，四块第一永磁体分别设在长方体铁芯四个外侧面上，一对第二永磁体分别设在两个相对的第一永磁体的外侧且均通过调节器调节相对于长方体铁芯的距离粗调磁斥力，一对电磁铁分别设在另外两个相对的第一永磁体的外侧且均通过调节线圈电流的大小细调磁斥力，一对第二永磁体和一对电磁铁相对于长方体铁芯呈十字形排布。本发明能够对负刚度粗细调节，调节精度高、构型好、集成度高、紧凑性好、隔振性能优。
Description
技术领域
本发明属于准零刚度隔振器技术领域，具体涉及一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置及隔振方法。
背景技术
低频线谱是潜艇声隐身性能和技术性能的主要危害，降低线谱强度、隐匿线谱特征是潜艇实现安静化，最大限度保证其生命力和攻击性的首要环节和技术保证。高静低动刚度隔振器是一种组合式的强非线性隔振器，不仅能有效解决低固有频率和小静变形难以兼得的矛盾，而且可以满足用来削弱线谱特征的线谱混沌化技术工程化应用对隔振器的需求。然而由于潜艇特殊的工作环境对超低频、紧凑型、可调式、微隔振、大承载的隔振需求和现有高静低动刚度隔振器只针对固定承载设计、不能依据载荷变化自适应调节系统特征参数而始终保持近零刚度特性。目前该类隔振器在潜艇减振降噪领域鲜有报道。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置及隔振方法，采用第一永磁体和第二永磁体粗调、第一永磁体和电磁铁细调的磁负刚度机构并联集成到气囊正刚度机构内部的隔振器，调节精度高。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置，包括：
隔振器本体，通过空气压缩机调节内部气压；
长方体铁芯，固定在所述隔振器本体内部；
四块第一永磁体，分别设在所述长方体铁芯四个外侧面上；
一对第二永磁体，分别设在所述两个相对的第一永磁体的外侧，且均通过调节器调节相对于长方体铁芯的距离以粗调相对于第一永磁体的磁斥力；
一对电磁铁，分别设在另外所述两个相对的第一永磁体的外侧，且均通过调节线圈电流的大小以细调相对于第一永磁体的磁斥力；
其中，一对所述第二永磁体和一对电磁铁相对于所述长方体铁芯呈十字形排布。
进一步地，所述隔振器本体包括气囊、设在气囊顶部的上盖板和设在气囊底部的下盖板，所述长方体铁芯通过装夹爪固定在上盖板底部。
进一步地，所述长方体铁芯设在所述气囊中部且底部悬空设置，所述长方体铁芯与所述下盖板有一定距离。
进一步地，一对所述第二永磁体、一对所述电磁铁均与所述上盖板有一定的距离。
进一步地，所述调节器包括调节电机和双向丝杠，所述调节电机固定在所述隔振器本体内部，所述双向丝杠与所述调节电机的输出轴固定，所述双向丝杠的两个螺纹部上分别螺纹套设有滑块，每一所述滑块上设有一个所述第二永磁体。
进一步地，所述长方体铁芯截面为正方形，所述第二永磁体为长方体结构。
进一步地，所述调节器包括调节电机、齿轮和齿条，所述齿轮设在长方体铁芯下方，所述调节电机带动所述齿轮转动，每一所述第二永磁体上固定有一个滑块，所述滑块上设置与所述齿轮啮合的齿条。
一种刚度粗细可调的磁气式隔振方法，应用于任一项所述的刚度粗细可调的磁气式隔振装置，包括以下步骤：
采集隔振器本体的位移信号，若位移大于隔振器本体的额度工作高度则对隔振器本体进行排气，调节隔振器本体高度下移到原静衡位置为止；若小于隔振器本体的额度工作高度则对隔振器本体进行充气，调节隔振器本体高度上升到原静衡位置为止，若等于则不进行调节；
当对隔振器本体进行排气时，通过调节器同时调节一对第二永磁体远离长方体铁芯且减小一对电磁铁线圈电流的大小；
当对隔振器本体进行充气时，通过调节器同时调节一对第二永磁体靠近长方体铁芯且增大一对电磁铁线圈电流的大小。
进一步地，通过PID控制器控制调节器调节每一第二永磁体与相对的第一永磁体之间的磁隙。
进一步地，在隔振器本体内部设置气压传感器，将变化的压力值输入至负刚度控制器，根据实现近零刚度的压力和电流需满足的条件，判断正负刚度是否匹配；若不匹配，通过PID控制器驱动调节电机调节第一永磁体和第二永磁体之间的磁隙，直至达到目标磁隙调节的精度范围，如果没有达到精度范围，则通过反馈系统继续调节直至达到精度范围，如果达到精度范围，则结束驱动调节电机调节磁隙并启动电磁负刚度系统的调节，通过PID控制器向功率放大器输出相应的PWM波，功率放大器输出电磁负刚度所需的目标电流，使调控后的负刚度与变化的气囊正刚度相匹配，产生适用于当前载荷的气囊正刚度和磁负刚度，从而在变载荷条件下始终保持系统近零刚度下的低频隔振性能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明围绕潜艇减振降噪技术对减振、承载、减重等多功能一体化的需求出发，首次提出一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置及隔振方法，采用第一永磁体和第二永磁体粗调、第一永磁体和电磁铁细调的磁负刚度机构并联集成到气囊正刚度机构内部的隔振器，此新型隔振器构型好、集成度高、紧凑性好、隔振性能优，易适用于潜艇狭小空间、复杂环境时变系统的全频段、超低频隔振和线谱控制。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的刚度粗细可调的磁气式隔振装置的整体结构示意图。
图2为本发明提供的刚度粗细可调的磁气式隔振装置一个角度的内部结构示意图。
图3为本发明提供的刚度粗细可调的磁气式隔振装置另一个角度的内部结构示意图。
图4为本发明提供的刚度粗细可调的磁气式隔振方法的流程图。
其中：1、隔振器本体；11、气囊；12、上盖板；13、下盖板；14、装夹爪；2、长方体铁芯；3、第一永磁体；4、第二永磁体；5、电磁铁；6、调节器；61、双向丝杠；62、滑块；63、齿轮；64、齿条。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明提供一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置，如图1-图3所示，包括隔振器本体1、长方体铁芯2、四块第一永磁体3、一对第二永磁体4和一对电磁铁5。
隔振器本体1通过空气压缩机调节内部气压；
长方体铁芯2固定在隔振器本体1内部；
四块第一永磁体3分别设在长方体铁芯2四个外侧面上；
一对第二永磁体4分别设在两个相对的第一永磁体3的外侧，且均通过调节器6调节相对于长方体铁芯2的距离以粗调相对于第一永磁体3的磁斥力；
一对电磁铁5分别设在另外两个相对的第一永磁体3的外侧，且均通过调节线圈电流的大小以细调相对于第一永磁体3的磁斥力；
其中，一对第二永磁体4和一对电磁铁5相对于长方体铁芯2呈十字形排布。
本发明围绕潜艇减振降噪技术对减振、承载、减重等多功能一体化的需求出发，首次提出一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置，采用第一永磁体3和第二永磁体4粗调、第一永磁体3和电磁铁5细调的磁负刚度机构并联集成到气囊11正刚度机构内部的隔振器，此新型隔振器构型好、集成度高、紧凑性好、隔振性能优，易适用于潜艇狭小空间、复杂环境时变系统的全频段、超低频隔振和线谱控制。
传统的准零刚度隔振器仅适用于恒定负载的问题。在实际工程中，由于承载质量难免受到加工精度和维修等因素造成实际载荷质量与设计值不匹配，导致静平衡的工作高度发生变化，此时系统未在理想静平衡工作高度，系统的动态响应发生漂移导致隔振性能降低，甚至恶化隔振性能。本发明针对现有技术的不足，提供了一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置，能够进行正负刚度粗细可调的隔振器和载荷自适应。
当载荷质量发生变化时，此时工作高度会向上或者向下移动。首先气囊会充放气，即正刚度发生变化，而与原始设计匹配的负刚度未变化。为使得工作高度保持恒定，通过调节永磁-永磁之间的磁隙粗调磁负刚度，然后调节电磁铁的电流精细调节磁负刚度。调节过程采用反馈控制模式，直至达到新的正负刚度完美匹配并保持工作高度不变。
且本发明一对第二永磁体4和一对电磁铁5相对于长方体铁芯2呈十字形排布采用十字排列，两个非线性特征是分散状态，未叠加耦合，能够实现调节精度。
本发明在使用过程中：
当隔振装置处于正常工作状态时，正负刚度正好抵消，所承载的设备能平衡在工作位置。
当设备质量增加时，隔振器本体1内部气体处于初始压力状态，因此设备的工作位置会向下移动。为保证设备的工作位置依然处于初始平衡位置，只有增加气体的压力，所以控制器控制电磁阀将空气压缩机中的气体打入隔振器本体1中，因此设备的工作位置会向上移动至初始平衡位置。此时因隔振器本体1内部的气压增加，对应的正刚度也增加，为保证正负刚度的平衡，需要将磁负刚度也增加。增加磁负刚度首先通过调节器6调节第二永磁体4向中间的铁芯缓慢靠近，这样磁斥力将变大。当达到大致正负刚度平衡的位置时停止运动，此时通过精密电源缓慢增加电磁铁5的线圈电流进行精确的调节。增加线圈电流意味着电磁铁5的磁斥力也将变大，直到正负刚度完全平衡的时候停止增加电流。此时完成全部的调节任务，整个系统达到新的平衡。
当设备质量减小时，隔振器本体1内部气体处于初始压力状态，因此设备的工作位置会向上移动。为保证设备的工作位置依然处于初始平衡位置，只有减小气体的压力，所以控制器控制电磁阀将空气从隔振器本体1中排出，因此设备的工作位置会向下移动至初始平衡位置。此时因隔振器本体1内部的气压减小，对应的正刚度也减小，为保证正负刚度的平衡，需要将磁负刚度也减小。减小磁负刚度首先通过调节器6调节第二永磁体4向中间的铁芯缓慢远离，这样磁斥力将变小。当达到大致正负刚度平衡的位置时停止运动，此时通过精密电源缓慢减小电磁铁5的线圈电流进行精确的调节。减小线圈电流意味着电磁铁5的磁斥力也将变小，直到正负刚度完全平衡的时候停止减小电流。此时完成全部的调节任务，整个系统达到新的平衡。
本发明中，隔振器本体1包括气囊11、设在气囊11顶部的上盖板12和设在气囊11底部的下盖板13，构成空气弹簧，具体地，上盖板12和下盖板13均水平且正对布置，气囊11的上端和下端分别与上盖板12和下盖板13相连，三者围合形成封闭的空气弹簧，长方体铁芯2通过装夹爪14竖直固定在上盖板12底部。空气压缩机通过气管与气囊11连通。具体地，长方体铁芯2设在气囊11中部且底部悬空设置，使得气囊11有一定的压缩空间，长方体铁芯2与下盖板13有一定距离，四块第一永磁体3、一对第二永磁体4、一对电磁铁5均设在空心弹簧内部，一对第二永磁体4、一对电磁铁5均架设在下盖板13顶部，且一对第二永磁体4、一对电磁铁5均与上盖板12有一定的距离，使得气囊11有一定的压缩空间。
本发明的一个具体实施中，为了调节调节器6包括调节电机和双向丝杠61，调节电机固定在隔振器本体1内部，双向丝杠61与调节电机的输出轴固定，双向丝杠61的两个螺纹部均螺纹套设有滑块62，两个滑块62分别设在两个相对的第一永磁体3的外侧，每一滑块62上设有一个第二永磁体4。在使用过程中，调节电机带动双向丝杠61旋转，进而带动两个滑块62靠近或远离，从而带动两个第二永磁体4靠近或远离，当两个第二永磁体4靠近时，磁斥力将变大，当两个第二永磁体4远离时，磁斥力将变小。
在本发明另一个具体实施中，调节器包括调节电机、齿轮63和齿条64，齿轮63设在长方体铁芯2下方，调节电机带动齿轮63转动，每一第二永磁体4上固定有一个滑块62，滑块62上设置与齿轮63啮合的齿条64。在使用过程中，调节电机带动齿轮63旋转，进而带动两个滑块62靠近或远离，从而带动两个第二永磁体4靠近或远离，当两个第二永磁体4靠近时，磁斥力将变大，当两个第二永磁体4远离时，磁斥力将变小。
具体地，调节电机通过电机支架固定在下盖板13顶部，双向丝杠61两端均通过轴承座安装在上盖板12上。
下盖板13上设有第一支架和第二支架，第一支架和第二支架分别设在另外两个相对的第一永磁体3的外侧，第一支架和第二支架上均设有电磁铁5。
为了保证粗调效果，长方体铁芯2截面为正方形，第二永磁体4为长方体结构。
本发明中，第一永磁体3和第二永磁体4均为钕铁硼永磁体。四块第一永磁体3、一对第二永磁体4均竖直布置，相邻的第一永磁体3和第二永磁体4的同极相对布置。相邻的通电后的电磁铁5和第二永磁体4的同极相对布置。
本发明还提供一种刚度粗细可调的磁气式隔振方法，应用于刚度粗细可调的磁气式隔振装置，包括以下步骤：
采集隔振器本体1的位移信号，若位移大于额度工作高度则对隔振器本体1进行排气，调节隔振器本体1高度下移到原静衡位置为止；若小于额度工作高度则对隔振器本体1进行充气，调节隔振器本体1高度上升到原静衡位置为止，若等于则不进行调节；
当对隔振器本体1进行排气时，通过调节器6同时调节一对第二永磁体4远离长方体铁芯2且减小一对电磁铁5线圈电流的大小；
当对隔振器本体1进行充气时，通过调节器6同时调节一对第二永磁体4靠近长方体铁芯2且增大一对电磁铁5线圈电流的大小。
其中，位移信号通过位移传感器获取，位移传感器设在上盖板12上。
具体地，在调节负刚度的过程中，通过PID控制器控制调节器6调节每一第二永磁体4与相对的第一永磁体3之间的磁隙，直至达到目标磁隙调节的精度范围。
在隔振器本体1内部设置气压传感器，将变化的压力值输入至负刚度控制器，根据实现近零刚度的压力和电流需满足的条件，判断正负刚度是否匹配；若不匹配，通过PID控制器驱动调节电机调节第一永磁体3和第二永磁体4之间的磁隙，直至达到目标磁隙调节的精度范围。如果没有达到精度范围，则通过反馈系统继续调节直至达到精度范围。如果达到精度范围，则结束驱动调节电机调节磁隙并启动电磁负刚度系统的调节。通过PID控制器向功率放大器输出相应的PWM波，功率放大器输出电磁负刚度所需的目标电流，使调控后的负刚度与变化的气囊11正刚度相匹配，产生适用于当前载荷的气囊11正刚度和磁负刚度，从而在变载荷条件下始终保持系统近零刚度下的低频隔振性能。
综上所述，本发明针对现有高静低动刚度隔振技术存在承载质量变化时，隔振装置在工作点处的综合刚度将偏离设计的匹配状态，有可能导致系统振动放大甚至弹性元件失稳损坏的瓶颈问题。本发明设计一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置及隔振方法，旨在实现潜艇时变质量隔振系统，如在更换设备或者为设备增加其他附件时，以及潜艇运行状态发生变化后，气囊11的工作高度在较高精度范围内依然可以保持工作位置不变。而由于内部压力发生变化导致气囊11的正刚度改变后，优先通过调节第一永磁体3和第二永磁体4之间的磁隙来改变形成磁斥力，然后再调节通过电磁铁5线圈的电流来改变电磁铁5和第一永磁体3之间的磁斥力。这样就能在较高精度范围内实现与气囊11正刚度相匹配，在一定载荷范围内实现可始终实现近零刚度和低频隔振，为降低潜艇水下辐射噪声线谱、隐匿线谱所携带的声纹信息提供技术支撑。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置，其特征在于，包括：
隔振器本体，通过空气压缩机调节内部气压；
长方体铁芯，固定在所述隔振器本体内部；
四块第一永磁体，分别设在所述长方体铁芯四个外侧面上；
一对第二永磁体，分别设在所述两个相对的第一永磁体的外侧，且均通过调节器调节相对于长方体铁芯的距离以粗调相对于第一永磁体的磁斥力；
一对电磁铁，分别设在另外所述两个相对的第一永磁体的外侧，且均通过调节线圈电流的大小以细调相对于第一永磁体的磁斥力；
其中，一对所述第二永磁体和一对电磁铁相对于所述长方体铁芯呈十字形排布。
2.根据权利要求1所述的刚度粗细可调的磁气式隔振装置，其特征在于：
所述隔振器本体包括气囊、设在气囊顶部的上盖板和设在气囊底部的下盖板，所述长方体铁芯通过装夹爪固定在上盖板底部。
3.根据权利要求2所述的刚度粗细可调的磁气式隔振装置，其特征在于：
所述长方体铁芯设在所述气囊中部且底部悬空设置，所述长方体铁芯与所述下盖板有一定距离。
4.根据权利要求2所述的刚度粗细可调的磁气式隔振装置，其特征在于：
一对所述第二永磁体、一对所述电磁铁均与所述上盖板有一定的距离。
5.根据权利要求1所述的刚度粗细可调的磁气式隔振装置，其特征在于：
所述调节器包括调节电机和双向丝杠，所述调节电机固定在所述隔振器本体内部，所述双向丝杠与所述调节电机的输出轴固定，所述双向丝杠的两个螺纹部上分别螺纹套设有滑块，每一所述滑块上设有一个所述第二永磁体。
6.根据权利要求1所述的刚度粗细可调的磁气式隔振装置，其特征在于：
所述调节器包括调节电机、齿轮和齿条，所述齿轮设在长方体铁芯下方，所述调节电机带动所述齿轮转动，每一所述第二永磁体上固定有一个滑块，所述滑块上设置与所述齿轮啮合的齿条。
7.根据权利要求1所述的刚度粗细可调的磁气式隔振装置，其特征在于：
所述长方体铁芯截面为正方形，所述第二永磁体为长方体结构。
8.一种刚度粗细可调的磁气式隔振方法，应用于权利要求1-5任一项所述的刚度粗细可调的磁气式隔振装置，其特征在于，包括以下步骤：
采集隔振器本体的位移信号，若位移大于隔振器本体的额度工作高度则对隔振器本体进行排气，调节隔振器本体高度下移到原静衡位置为止；若小于隔振器本体的额度工作高度则对隔振器本体进行充气，调节隔振器本体高度上升到原静衡位置为止，若等于则不进行调节；
当对隔振器本体进行排气时，通过调节器同时调节一对第二永磁体远离长方体铁芯且减小一对电磁铁线圈电流的大小；
当对隔振器本体进行充气时，通过调节器同时调节一对第二永磁体靠近长方体铁芯且增大一对电磁铁线圈电流的大小。
9.根据权利要求8所述的刚度粗细可调的磁气式隔振方法，其特征在于：
通过PID控制器控制调节器调节每一第二永磁体与相对的第一永磁体之间的磁隙。
10.根据权利要求9所述的刚度粗细可调的磁气式隔振方法，其特征在于：
在隔振器本体内部设置气压传感器，将变化的压力值输入至负刚度控制器，根据实现近零刚度的压力和电流需满足的条件，判断正负刚度是否匹配；若不匹配，通过PID控制器驱动调节电机调节第一永磁体和第二永磁体之间的磁隙，直至达到目标磁隙调节的精度范围，如果没有达到精度范围，则通过反馈系统继续调节直至达到精度范围，如果达到精度范围，则结束驱动调节电机调节磁隙并启动电磁负刚度系统的调节，通过PID控制器向功率放大器输出相应的PWM波，功率放大器输出电磁负刚度所需的目标电流，使调控后的负刚度与变化的气囊正刚度相匹配，产生适用于当前载荷的气囊正刚度和磁负刚度，从而在变载荷条件下始终保持系统近零刚度下的低频隔振性能。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311009285.0A CN117028479A (zh) | 2023-08-10 | 2023-08-10 | 一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置及隔振方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311009285.0A CN117028479A (zh) | 2023-08-10 | 2023-08-10 | 一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置及隔振方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN117028479A true CN117028479A (zh) | 2023-11-10 |
Family
ID=88633098
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311009285.0A Pending CN117028479A (zh) | 2023-08-10 | 2023-08-10 | 一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置及隔振方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117028479A (zh) |
-
2023
- 2023-08-10 CN CN202311009285.0A patent/CN117028479A/zh active Pending
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