CN117167427A - 利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体调谐质量阻尼器，属于振动控制领域。成功解决了现有磁性液体调谐质量阻尼器无法应用于中高频振动的问题。该调谐质量阻尼器包括壳体(1)、左回复永磁体(2)、左支撑磁性液体(3)、左支撑永磁体(4)、内腔磁性液体(5)、右支撑磁性液体(6)、右支撑永磁体(7)、右回复永磁体(8)、右激励线圈(9)、球体(10)、霍尔元件(11)、支撑壳体(12)、通气道(13)和左激励线圈(14)。该调谐质量阻尼器结合了磁性液体阻尼和颗粒碰撞阻尼，同时引入了主动控制，不仅适合10Hz以内的低频振动，对100Hz以上的高频振动也具有效果。

Description

利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体调谐质量阻尼器

技术领域

本发明属于机械工程(包括重力和失重环境下的机器、机构和各类零件等)振动控制领域。

背景技术

磁性液体调谐质量阻尼器是一种主动减振器，由调谐质量、阻尼单元、弹性单元和控制单元四个元素构成。常见的磁性液体调谐质量阻尼器以磁性液体作为调谐质量，利用线圈产生变化的磁场，驱动磁性液体在容器内振荡，产生液体粘性阻尼，达到消减振动的目的。但磁性液体即作为调谐质量，又作为弹性元件，密度和磁化强度都很小，产生的惯性力也就非常小。此外，磁性液体的粘性阻尼力极其有限，导致现有磁性液体调谐质量阻尼器的体积比较大，响应速度缓慢，工作频带也非常狭窄，减振效果不佳，仅在10Hz以内有一定的效果。

在提高阻尼力方面，一些文献采用了增加表面粗糙度和多孔介质的方法，如：文献1(公开号CN 112727972 B申请的专利)通过将磁性液体接触面进行织构化以增大摩擦阻尼，但是该方法的阻尼并不能根据振动频率自动调节，磁性液体粘性摩擦所能提供的阻尼力仍然十分有限，并不能满足高频振动需求。文献2(公开号CN 112392887 B申请的专利)在永磁体表面增加了多孔介质，利用在端盖一侧加工的凸起结构以挤压磁性液体，通过磁性液体悬浮力的变化实现永磁体的复位。但磁性液体的悬浮力非常有限，对高频无效，且当外界振动频率较大时，永磁体易与端盖上的凸起结构发生碰撞，甚至造成永磁体的碎裂。文献3(公开号CN 112392885 B申请的专利)、文献4(公开号CN 112392886B申请的专利)和文献5(公开号CN 112392890 B申请的专利)均利用惯性质量块两端的凸出部分挤压管道内的磁性液体通过多孔介质实现耗能。但这种阻尼力仍然属于液体粘滞阻尼，阻尼力有限，在高频振动场合效果不好。此外，文献5利用压缩空气的形式提高恢复力并不可靠。文献6(公开号CN 114962514B申请的专利)采用碰撞阻尼，将球体在外磁场的作用下悬浮于一个充满磁性液体且带有弹性软垫的腔体内，通过碰撞阻尼来提高应用频带，但发明中仅有一个球体，碰撞阻尼仅发生在铜球与腔体内侧的软垫之间，阻尼力非常有限。随着振动频率比较大时，该阻尼器的阻尼力将无法满足要求。因此，目前尚缺乏一种阻尼和刚度能够具有非线性，且能够根据振动频率调节的磁性液体调谐质量阻尼器。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，现有磁性液体调谐质量阻尼器由于磁性液体作为调谐质量密度太小，体积太大，响应速度慢，阻尼力和弹性力有限，导致工作频带非常狭窄，对大于10Hz的振动抑制效果不佳，对100Hz、甚至1000Hz以上的振动完全无效。特提供利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体调谐质量阻尼器，通过利用永磁体之间的排斥力作为弹性元件提供系统需要的非线性刚度，利用磁性液体的粘性阻尼力来解决低频振动问题；而通过在一个被磁性液体悬浮的壳体内装入非导磁性球体，形成调谐质量，比磁性液体作为调谐质量，极大地缩小了体积，并形成具有强非线性特性的颗粒碰撞阻尼，从而缩小了体积和解决了高频振动下阻尼力不足的问题；通过激励线圈与永磁体之间的磁吸力和排斥力，加强调谐质量的响应速度。因此，该调谐质量阻尼器无论是对只有几赫兹的低频振动，还是对上千赫兹的高频振动，均具有出色的减振性能，较小的体积，快速的响应。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该调谐质量阻尼器包括：壳体、左回复永磁体、左支撑磁性液体、左支撑永磁体、内腔磁性液体、右支撑磁性液体、右支撑永磁体、右回复永磁体、右激励线圈、球体、霍尔元件、支撑壳体、通气道和左激励线圈。

将内腔磁性液体和球体装入支撑壳体中，进行密封，形成颗粒碰撞阻尼组件。所述球体采用非导磁性金属材料，密度大于内腔磁性液体的密度。若球体是实心时，其金属密度要大于内腔磁性液体的密度；若球体是空心时，球体的等效密度要大于内腔磁性液体的密度。球体的数量大于1，即至少是2颗，确保在出现振动后，球体之间会发生相互碰撞，产生颗粒碰撞阻尼。所有球体的尺寸可以全部相同，也可以采用大、小搭配的形式。球体直径大于1mm，且最大的直径不能超过支撑壳体长度尺寸和端面尺寸的1/2。防止球体尺寸过小，堆积过于密集，又可以防止球体尺寸过大，造成球体在支撑壳体内的运动空间过于受限，影响球体之间的颗粒碰撞阻尼力。球体在壳体中的填充率为10％～90％。内腔磁性液体在支撑壳体中必须充满，不允许有空腔的存在。若球体的体积占支撑壳体内腔体积的10％，则内腔磁性液体的填充率必须为90％时。

将左支撑永磁体固定安装在支撑壳体的左端面，将右支撑永磁体固定安装在支撑壳体的右端面，形成惯性质量。分别在左支撑永磁体的外圈注入左支撑磁性液体，在右支撑永磁体的外圈注入右支撑磁性液体。

所述的支撑壳体采用非导磁性金属材料，其端面形状与左支撑永磁体和右支撑永磁体的形状相同，尺寸小于左支撑永磁体和右支撑永磁体。这样可以使左支撑永磁体和右支撑永磁体处磁场梯度最大，左支撑磁性液体和右支撑磁性液体的浮力达到最大，在支撑壳体中可以装入的球体数量也就越多。

将左回复永磁体安装在壳体的左端面，将右回复永磁体安装在壳体的右端面。将所述颗粒碰撞阻尼组件装入壳体的内腔中，并在壳体的内腔壁面加工通气槽。壳体必须进行良好的密封，防止左支撑磁性液体和右支撑磁性液体挥发失效。所述左回复永磁体、左支撑永磁体、右支撑永磁体和右回复永磁体两两相邻，之间均采用同极排斥的磁极模式。同极排斥产生的磁排斥力具有非常强的非线性特性，随着两块永磁体之间距离的减小，排斥力的量级呈指数性增加，能够提供该调谐质量阻尼器非常大的刚度，极其有利于调谐质量阻尼器应用频带的提升。

所述的壳体为非导磁性材料，内壁的长度方向加工有通气道，通气道的数量为1～12。左支撑磁性液体和右支撑磁性液体的注入量不能封堵住所有的通气道，防止随着惯性质量的运动，被左支撑磁性液体和右支撑磁性液体分隔的各腔室之间气体压强发生变化，从而形成一个不稳定的气体弹性力。

将霍尔元件安装在壳体外壁上，用于检测磁场的变化来判断惯性质量在壳体内的位移。霍尔元件可以只采用1个，将其安装在壳体长度的中点位置处，并将其正、反面分别面向朝向左支撑永磁体和右支撑永磁体。当外界振动驱使惯性质量相对壳体向左侧移动时，霍尔元件显示数值相对初始位置值增大；当外界振动驱使惯性质量相对壳体向右侧移动时，霍尔元件显示数值相对初始位置值降低。也可以采用2个霍尔元件，将其分别放置在左回复永磁体和左支撑永磁体之间以及右支撑永磁体和右回复永磁体之间，并将两个霍尔元件的正面贴放在壳体壁面上。当外界振动驱使惯性质量相对壳体向左侧移动时，左侧的霍尔元件显数值将增大，右侧霍尔元件数值将减小；当外界振动驱使惯性质量相对壳体向右侧移动时，左侧的霍尔元件显数值将减小，右侧霍尔元件数值将增大，通过差分电路即可获得惯性质量的位移情况。

将右激励线圈套入壳体的右端，将左激励线圈套入壳体的左端，让右激励线圈和左激励线圈以壳体外壁面的长度中点位置左、右对称。所述的右激励线圈和左激励线圈的大小形状完全相同，匝数也相同，并且内孔形状和尺寸都与壳体的外形和尺寸相同。左支撑永磁体与左激励线圈之间的距离，以及右支撑永磁体与右激励线圈之间的距离，都要大于惯性质量在壳体内的最大位移。防止右激励线圈和左激励线圈在进行激励驱动时，右支撑永磁体或左支撑永磁体脱出线圈范围，出现左激励线圈与左支撑永磁体、右激励线圈和右支撑永磁体出现磁力变向问题。右激励线圈和左激励线圈的通入电流强度在0～10A变化。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：(1)利用永磁体之间排斥力的非线性特性，获得了大的刚度跨度，拓宽了应用频带；(2)在支撑壳体内装入非导磁性球体和内腔磁性液体，形成颗粒碰撞阻尼组件；同时，利用磁性液体的悬浮力，将由左支撑永磁体、右支撑永磁体和颗粒碰撞阻尼组件构成的惯性质量悬浮在壳体中，充分利用了左支撑磁性液体和右支撑磁性液体的粘性阻尼力；通过这种设计将磁性液体粘性阻尼和颗粒碰撞阻尼结合，即能在低频振动环境下采用磁性液体粘性阻尼，又能在高频振动环境下采用颗粒碰撞阻尼，从而在阻尼力上拓宽了应用频带；(3)通过霍尔元件对磁场变化进行监测，获得惯性质量的位移情况，同时将数据反馈后，驱动右激励线圈和左激励线圈对惯性质量的运动进行激励，可以获得良好的主动控制效果；(4)惯性质量由两块永磁体、支撑壳体、非导磁性金属球体和内腔磁性液体构成，等效密度远大于传统磁性液体调谐质量阻尼器中磁性液体的自身密度，更加有利于质量调谐；(5)右激励线圈和左激励线圈通电后与左支撑永磁体和右支撑永磁体之间形成电磁力驱动，更加可控且控制力更大。

附图说明

图1利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体调谐质量阻尼器示意图；

图中：壳体1、左回复永磁体2、左支撑磁性液体3、左支撑永磁体4、内腔磁性液体5、右支撑磁性液体6、右支撑永磁体7、右回复永磁体8、右激励线圈9、球体10、霍尔元件11、支撑壳体12、通气道13和左激励线圈14。

具体实施方式

以附图为具体实施方式对本发明作进一步说明：

利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体调谐质量阻尼器，如图1，该调谐质量阻尼器包括：壳体1、左回复永磁体2、左支撑磁性液体3、左支撑永磁体4、内腔磁性液体5、右支撑磁性液体6、右支撑永磁体7、右回复永磁体8、右激励线圈9、球体10、霍尔元件11、支撑壳体12、通气道13和左激励线圈14。

将内腔磁性液体5和球体10装入支撑壳体12中，进行密封，形成颗粒碰撞阻尼组件。所述球体10采用非导磁性金属材料，密度大于内腔磁性液体5的密度。若球体10是实心时，其金属密度要大于内腔磁性液体5的密度；若球体10是空心时，球体10的等效密度要大于内腔磁性液体5的密度。球体10的数量大于1，，即至少是2颗，确保在出现振动后，球体10之间会发生相互碰撞，产生颗粒碰撞阻尼。所有球体10的尺寸可以全部相同，也可以采用大、小搭配的形式。球体10的直径大于1mm，且最大的直径不能超过支撑壳体12长度尺寸和端面尺寸的1/2。防止球体10尺寸过小，堆积过于密集，又可以防止球体10尺寸过大，造成球体10在支撑壳体12内的运动空间过于受限，影响球体10之间的颗粒碰撞阻尼力。球体10在支撑壳体12中的填充率为10％～90％。大尺寸的球体10对低频振动更加敏感，而小尺寸的球体10对高频振动具有更大的阻尼力，根据具体振动情况进行选取。若振动频率比较单一，当被减振对象的振动频率只有几十赫兹时，应当减小球体10的数量，最好控制在10颗以内，同时增大球体10的尺寸；若振动频率比较单一且频率大于100Hz时，应当随着振动频率的增加来增大球体10的数量，同时减小球体10的尺寸；若被减振对象的振动频率范围大，可以采用大尺寸的球体10和小尺寸的球体10按体积分数以一定的比例进行混合。内腔磁性液体5在支撑壳体12中必须充满，不允许有空腔的存在。若球体10的体积占支撑壳体12内腔体积的10％，则内腔磁性液体5的填充率必须为90％时。

将左支撑永磁体4固定安装在支撑壳体12的左端面，将右支撑永磁体7固定安装在支撑壳体12的右端面，形成惯性质量。分别在左支撑永磁体4的外圈注入左支撑磁性液体3，在右支撑永磁体7的外圈注入右支撑磁性液体6。

所述的支撑壳体12采用非导磁性金属材料，其端面形状与左支撑永磁体4和右支撑永磁体7的形状相同，尺寸小于左支撑永磁体4和右支撑永磁体7。这样可以使左支撑永磁体4和右支撑永磁体7处的磁场梯度最大，左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6的浮力达到最大，在支撑壳体12中可以装入的球体10的数量也就越多。

将左回复永磁体2安装在壳体1的左端面，将右回复永磁体8安装在壳体1的右端面。将所述颗粒碰撞阻尼组件装入壳体1的内腔中，并在壳体1的内腔壁面加工通气道13。壳体1必须进行良好的密封，防止左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6挥发失效。所述左回复永磁体2、左支撑永磁体4、右支撑永磁体7和右回复永磁体8两两相邻，之间均采用同极排斥的磁极模式。同极排斥产生的磁排斥力具有非常强的非线性特性，随着两块永磁体之间距离的减小，排斥力的量级呈指数性增加，能够提供该调谐质量阻尼器非常大的刚度，极其有利于调谐质量阻尼器应用频带的提升。

所述的壳体1为非导磁性材料，内壁的长度方向加工有通气道，通气道13的数量为1～12。左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6的注入量不能封堵住所有的通气道13，防止随着惯性质量的运动，被左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6分隔的各腔室之间气体压强发生变化，从而形成一个不稳定的气体弹性力。壳体1必须进行完整密封，防止左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6挥发。壳体1的外壳形状可以是圆柱，也可以是长方体或正方体。

将霍尔元件11安装在壳体1外壁上，用于检测磁场的变化来判断惯性质量在壳体1内的位移。霍尔元件11可以只采用1个，将其安装在壳体1长度的中点位置处，并将其正、反面分别面向朝向左支撑永磁体4和右支撑永磁体7。当外界振动驱使惯性质量相对壳体1向左侧移动时，霍尔元件11显示数值相对初始位置值增大；当外界振动驱使惯性质量相对壳体1向右侧移动时，霍尔元件显示数值相对初始位置值降低。也可以采用2个霍尔元件11，将其分别放置在左回复永磁体2和左支撑永磁体4之间以及右支撑永磁体7和右回复永磁体8之间，并将两个霍尔元件11的正面贴放在壳体1壁面上。当外界振动驱使惯性质量相对壳体1向左侧移动时，左侧的霍尔元件显数值将增大，右侧霍尔元件数值将减小；当外界振动驱使惯性质量相对壳体1向右侧移动时，左侧的霍尔元件显数值将减小，右侧霍尔元件数值将增大，通过差分电路即可获得惯性质量的位移情况。

将右激励线圈9套入壳体1的右端，将左激励线圈14套入壳体1的左端，让右激励线圈9和左激励线圈14以壳体1外壁面的长度中点位置左、右对称。所述的右激励线圈9和左激励线圈14的大小形状完全相同，匝数也相同，并且内孔形状和尺寸都与壳体1的外形和尺寸相同。左支撑永磁体4与左激励线圈14之间的距离，以及右支撑永磁体7与右激励线圈9之间的距离，都要大于惯性质量在壳体1内的最大位移。防止右激励线圈9和左激励线圈14在进行激励驱动时，右支撑永磁体7或左支撑永磁体4脱出线圈范围，出现左激励线圈14与左支撑永磁体4、右激励线圈9和右支撑永磁体7出现磁力变向问题。右激励线圈9和左激励线圈14的通入电流强度在0～10A变化。

在振动产生后，若振动频率低于10Hz时，在左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6的粘性阻尼力影响下，由颗粒碰撞阻尼组件、左支撑永磁体4和右支撑永磁体7构成的惯性质量将与壳体1之间发生相对运动，消耗系统的振动能量。在此过程中，由于惯性力小，使得球体10在支撑壳体12内基本不发生运动，无颗粒碰撞阻尼出现，系统的阻尼力基本都来自于左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6的粘性阻尼力。此外，此时在左回复永磁体2和左支撑永磁体4，右支撑永磁体7和右回复永磁体8之间的磁排斥力也非常小，力与位移关系接近线性。随着振动频率的增加，左回复永磁体2和左支撑永磁体4，右支撑永磁体7和右回复永磁体8之间的磁排斥力开始增大，力与位移关系非线性增强。颗粒碰撞阻尼组件受到的惯性力也开始增加，球体10在支撑壳体12内开始发生有限的碰撞运动，产生一定的颗粒碰撞阻尼。此时，系统的振动能量将由左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6的粘性阻尼力以及颗粒碰撞阻尼力共同消耗。若振动频率进一步升高，甚至达到上千赫兹时，左回复永磁体2和左支撑永磁体4，右支撑永磁体7和右回复永磁体8之间的磁排斥力达到最大，力与位移关系具有极强的非线性。而在阻尼方面，球体10在支撑壳体12的碰撞非常显著，颗粒碰撞阻尼将占据绝对的主导作用，左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6的粘性阻尼力对振动能量的损耗微乎其微。

若外部控制系统通过霍尔元件11监测到振动抑制效果不好，启动主动控制，对左激励线圈14和右激励线圈9进行通电。当惯性质量向壳体1的左端运动时，需要让左激励线圈14与左支撑永磁体4之间产生吸力，而让右激励线圈9和右支撑永磁体7之间产生斥力。因此通入的电流应当使左激励线圈14与左支撑永磁体4的磁极相反，而使右激励线圈9与左支撑永磁体8的磁极相同。反之，当惯性质量向壳体1的右端运动时，电流方向发生换向。

左支撑磁性液体3、内腔磁性液体5和右支撑磁性液体6选用煤油基、机油基和酯基等磁性液体，粘度不应高于500mPa.s，也不能用相似性磁性流体替代，如磁流变液。左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6需选用同一种磁性液体，内腔磁性液体5可以选用不同种类的磁性液体。

左回复永磁体2、左支撑永磁体4、右支撑永磁体7、右回复永磁体8可以根据温度环境选用钕铁硼或者钐钴永磁材料。

上述仅为本发明实施的一个实例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，可以依据工程情况对该基于磁性液体悬浮特性的颗粒碰撞阻尼器包括但不限于阻尼器的尺寸、球体各部分的体积比例、壳体形状、材料选用、安装位置等进行修改以适应于相应的工程中。

Claims (6)

1.利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体调谐质量阻尼器，其特征在于：该调谐质量阻尼器包括：壳体(1)、左回复永磁体(2)、左支撑磁性液体(3)、左支撑永磁体(4)、内腔磁性液体(5)、右支撑磁性液体(6)、右支撑永磁体(7)、右回复永磁体(8)、右激励线圈(9)、球体(10)、霍尔元件(11)、支撑壳体(12)、通气道(13)和左激励线圈(14)；

将内腔磁性液体(5)和球体(10)装入支撑壳体(12)中，进行密封，形成颗粒碰撞阻尼组件；

将左支撑永磁体(4)固定安装在支撑壳体(12)的左端面，将右支撑永磁体(7)固定安装在支撑壳体(12)的右端面，形成惯性质量；

分别在左支撑永磁体(4)的外圈注入左支撑磁性液体(3)，在右支撑永磁体(7)的外圈注入右支撑磁性液体(6)；

将左回复永磁体(2)安装在壳体(1)的左端面，将右回复永磁体(8)安装在壳体(1)的右端面；

将霍尔元件(11)安装在壳体(1)外壁上；

将右激励线圈(9)套入壳体(1)的右端，将左激励线圈(14)套入壳体(1)的左端，让右激励线圈(9)和左激励线圈(14)以壳体(1)外壁面的长度中点位置左、右对称；

将所述颗粒碰撞阻尼组件装入壳体(1)的内腔中，并在壳体(1)的内腔壁面加工通气槽(13)。

2.根据权利要求1所述的利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体调谐质量阻尼器，其特征在于：所述的支撑壳体(12)采用非导磁性金属材料，其端面形状与左支撑永磁体(4)和右支撑永磁体(7)的形状相同，尺寸小于左支撑永磁体(4)和右支撑永磁体(7)。

3.根据权利要求1所述的利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体调谐质量阻尼器，其特征在于：所述球体(10)采用非导磁性金属材料，密度大于内腔磁性液体(5)的密度；球体(10)的数量大于1，直径大于1mm，且最大的直径不能超过支撑壳体(12)长度尺寸和端面尺寸的1/2。

4.根据权利要求1所述的利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体调谐质量阻尼器，其特征在于：所述左回复永磁体(2)、左支撑永磁体(4)、右支撑永磁体(7)和右回复永磁体(8)两两相邻，之间均采用同极排斥的磁极模式。

5.根据权利要求1所述的利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体调谐质量阻尼器，其特征在于：所述的壳体(1)为非导磁性材料，内壁的长度方向加工有通气道(13)，通气道(13)的数量为1～12；左支撑磁性液体(3)和右支撑磁性液体(6)的注入量不能封堵住所有的通气道(13)。

6.根据权利要求1所述的利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体调谐质量阻尼器，其特征在于：所述的右激励线圈(9)和左激励线圈(14)的大小形状完全相同，匝数也相同，并且内孔形状和尺寸都与壳体(1)的外形和尺寸相同；左支撑永磁体(4)与左激励线圈(14)之间的距离，以及右支撑永磁体(7)与右激励线圈(9)之间的距离，都要大于惯性质量在壳体(1)内的最大位移。