CN117515094A - 磁流变多向宽频吸振器 - Google Patents

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CN117515094A CN202311509326.2A CN202311509326A CN117515094A CN 117515094 A CN117515094 A CN 117515094A CN 202311509326 A CN202311509326 A CN 202311509326A CN 117515094 A CN117515094 A CN 117515094A
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董小闵
吴昊
王振洋
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Abstract

本发明提供一种磁流变多向宽频吸振器，包括相对设置的上平台和下平台、设置在上平台与下平台之间的磁流变阻尼器以及设置在下平台底部的颗粒阻尼器；所述上平台用于与减振对象连接固定，所述下平台与颗粒阻尼器连接后形成调谐质量体，六个所述磁流变阻尼器按照Stewart平台方式布置在上平台和下平台之间并用于在多个方向上提供刚度与阻尼；本发明的磁流变多向宽频吸振器能实现多个方向上的振动控制，弥补了传统调谐质量阻尼器只适用于单一方向减振的缺陷，并且本发明还通过结合磁流变阻尼器、调谐质量阻尼器与颗粒阻尼器，拓宽了传统调谐质量阻尼器的减振频段，有效解决了传统颗粒阻尼器起振条件难的问题。

Description

磁流变多向宽频吸振器
技术领域
本发明涉及磁流变减振领域，特别涉及一种磁流变多向宽频吸振器。
背景技术
磁流变阻尼器是一种以磁流变材料作为工作介质，通过磁流变效应产生阻尼力的半主动智能阻尼器。其工作原理是通过改变阻尼器内励磁线圈的电流来改变磁场强度，磁场强度的变化改变了磁流变液的剪切应力，从而具有阻尼可变的特性。
而调谐质量阻尼器(也称为动力吸振器)是广泛应用于建筑结构的减振装置，主要由弹簧、阻尼器和质量块组成。其工作原理是将结构的振动能量传递到调谐质量块上，并通过阻尼材料将振动的机械能转化为热能耗散掉。传统的调谐质量阻尼器属于被动减振器件，只能通过更换阻尼零件才能改变其阻尼，且其固有频率与结构的振动频率接近时才能达到良好的减振效果。而实际振动工况复杂多变，当振动频率偏离设计频率时，调谐质量阻尼器有可能不仅起不到减振效果，反而还会加大结构的振动。此外，一般的调谐质量阻尼器只能抑制桥梁、建筑结构在某一方向的振动，而地震时的建筑运动是复杂的多维运动，不仅有平动分量，也有转动分量，因此单向减振不能满足实际工程的需要。
颗粒阻尼器能够弥补调谐质量阻尼器减振频带窄的不足。其需要在振动系统中提供有限封闭空间并在其中填充颗粒，减振基本原理为利用颗粒与颗粒间以及颗粒与腔体内壁之间的摩擦和碰撞，将机械能转化为热能进行耗散，以达到较好的隔振效果。颗粒阻尼器具有减振频段宽、耐久性好、成本低和易于维护的优点。
Stewart机构是一种六自由度并联机构，主要用于在航天器内使用设备的隔振。Stewart机构是具有精度高，承载力强，便于解耦特点的并联机构，可以实行多自由度振动控制。
因此，为改进现有被动调谐质量阻尼器只适用于单一方向、减振频段窄的问题，可以将Stewart平台结构的调谐质量阻尼器与磁流变阻尼器、颗粒阻尼器相结合，设计一种磁流变多向宽频吸振器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有调谐质量阻尼器只适用于单一方向与减振频段窄的不足，提供一种磁流变多向宽频吸振器，其具有全向减振、能耗低和阻尼可连续实时调节等优点，可以满足多自由度的宽频减振需求。
本发明针对上诉问题可通过以下技术方案来实现：
一种磁流变多向宽频吸振器，包括相对设置的上平台和下平台、设置在上平台与下平台之间的磁流变阻尼器以及设置在下平台底部的颗粒阻尼器；
所述上平台用于与减振对象连接固定，所述下平台与颗粒阻尼器连接后形成调谐质量体，六个所述磁流变阻尼器按照Stewart平台方式布置在上平台和下平台之间并用于在多个方向上提供刚度与阻尼。
进一步，所述磁流变阻尼器包括：
缸筒和端盖，用于形成封闭腔体；
活塞，以可被驱动的方式设置于缸筒内且与缸筒内壁滑动配合；
以及设置在缸筒内的刚度阻尼系统，所述刚度阻尼系统包括磁流变阻尼调节组件和弹性组件，所述磁流变阻尼调节组件用于为活塞提供可调阻尼力，所述弹性组件用于为活塞提供可调刚度。
进一步，所述磁流变阻尼调节组件包括绕设于所述活塞上的励磁线圈和设置于所述活塞圆周表面的磁流变复合材料，所述励磁线圈用于在活塞表面形成励磁磁场，所述磁流变复合材料在励磁磁场作用下可改变活塞与缸筒内壁之间的阻尼力大小，进而为磁流变多向宽频吸振器提供可调阻尼力。
进一步，所述弹性组件包括设置于活塞轴向两侧的第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧与第二弹簧配合为活塞提供预紧力和回弹力并为磁流变多向宽频吸振器提供可调刚度。
进一步，所述活塞周向方向上开设有用于安装励磁线圈的环形安装槽，所述励磁线圈位于所述磁流变复合材料内侧。
进一步，还包括用于驱动活塞滑动的活塞杆，所述活塞杆与缸筒同轴设置，所述活塞杆的固定端与活塞固定连接，所述活塞杆的自由端轴向贯穿所述端盖并延伸至缸筒外。
进一步，所述活塞杆上开设有通气孔，所述通气孔用于排气或励磁线圈的导线安装。
进一步，所述磁流变阻尼器通过球铰链分别与上平台和下平台铰接；通过改变六个所述磁流变阻尼器在上下平台间的安装角度以及所述弹性组件的刚度以改变磁流变多向宽频吸振器不同方向上的目标减振频率。
进一步，所述球铰链包括安装在上平台底面的上部球铰接和安装在下平台顶面的下部球铰链，所述上部球铰接与所述活塞杆的自由端连接固定，所述下部球铰链与所述缸筒底部连接固定。
进一步，所述颗粒阻尼器包括箱体和用于密封箱体的颗粒阻尼器端盖，所述箱体的顶部设置有法兰部并通过法兰部与下平台固定连接，所述箱体内还设置有颗粒群。
本发明的有益效果是：
1)本发明中的磁流变多向宽频吸振器，通过在上下平台间将六个磁流变阻尼器以Stewart平台方式进行布置，为各个方向提供了刚度与阻尼，能够实现各个方向(六自由度)的振动控制，弥补了传统调谐质量阻尼器只适用于单一方向减振的缺陷；
2)本发明中的磁流变多向宽频吸振器，根据实际减振需求，通过改变六个所述磁流变阻尼器在上下平台间的安装角度以及弹簧的刚度，能实现在不同方向上有不同的目标减振频率，同时通过改变调谐质量体(下平台与颗粒阻尼器)的质量可以改变磁流变多向宽频吸振器的减振效果；
3)本发明通过调节磁流变阻尼器中活塞上励磁线圈的电流来改变磁场强度，再利用磁流变复合材料在磁场中的剪切应力变化的特性实现变阻尼，且阻尼可以实时、无级、可逆调节，以在复杂工况下通过改变阻尼来拓宽磁流变多向宽频吸振器的减振频带，并提升振动控制效果；
4)本发明通过将磁流变调谐质量阻尼器与颗粒阻尼器相结合，进一步拓宽了传统调谐质量阻尼器的减振频段；先将上平台与振动对象固定连接，然后通过六个磁流变阻尼器将振动传递到下平台和颗粒阻尼器，根据调谐质量阻尼器的工作原理，传递到颗粒阻尼器的振动将明显高于振动对象，这有效解决了传统颗粒阻尼器起振条件难的问题，进而实现颗粒与颗粒之间、颗粒与箱体壁面的碰撞、摩擦，最终达到耗能的目的。
附图说明
下面结合附图和实施方案对本发明作进一步描述。
图1为本发明中磁流变多向宽频吸振器的整体结构示意图；
图2为本发明中磁流变阻尼器结构示意图；
图3为本发明中颗粒阻尼器结构示意图；
图4为本发明中最优设计条件下振动物体和调谐质量阻尼器的频率响应曲线；
其中附图标记为：1-上平台；2-磁流变阻尼器；3-下平台；4-颗粒阻尼器；5-球铰链；6-大内六角螺栓；7-螺母；201-球铰链连接件；202-活塞杆；203-端盖；204-小内六角螺栓；205-缸筒；206-第一弹簧；207-通气孔；208-励磁线圈；209-磁流变复合材料；210-活塞；211-第二弹簧；401-箱体；402-颗粒群；403-中内六角螺栓；404-颗粒阻尼器端盖。
具体实施方式
如图所示，本发明提供的一种磁流变多向宽频吸振器，包括相对设置的上平台1和下平台3、设置在上平台与下平台之间的磁流变阻尼器2以及设置在下平台底部的颗粒阻尼器4；
所述上平台1用于与减振对象连接固定，所述下平台3与颗粒阻尼器4连接后形成调谐质量体，六个所述磁流变阻尼器2按照Stewart平台方式布置在上平台1和下平台3之间并用于在多个方向上提供刚度与阻尼力。
本技术方案提供的磁流变多向宽频吸振器，通过在上下平台间将六个磁流变调谐质量阻尼器以Stewart平台方式进行布置，为各个方向提供了刚度与阻尼，能够实现各个方向(六自由度)的振动控制，弥补了传统调谐质量阻尼器只适用于单一方向减振的缺陷，通过改变调谐质量体(下平台3与颗粒阻尼器4)的质量可以改变磁流变多向宽频吸振器的减振效果，同时该吸振器通过将颗粒阻尼器4设置在下平台3底部，结合了磁流变阻尼器2与颗粒阻尼器4的优点，拓宽了传统调谐质量阻尼器的减振频段，并有效解决了传统颗粒阻尼器起振条件难的问题。
本实施例中，所述磁流变阻尼器2包括：
缸筒205和端盖203，用于形成封闭腔体；
活塞210，以可被驱动的方式设置于缸筒205内且与缸筒205内壁滑动配合；
以及设置在缸筒205内的阻尼刚度系统，所述阻尼刚度系统包括磁流变阻尼调节组件和弹性组件，所述磁流变阻尼调节组件用于为活塞210提供可调阻尼力，也为磁流变多向宽频吸振器提供不同方向的可调阻尼，所述弹性组件用于为活塞210提供可调刚度。
磁流变阻尼器2通过在缸筒205和设置在缸筒7开口侧的端盖203连接固定后形成了封闭缸体，在封闭缸体内设置有与缸筒205滑动配合的活塞210，其中活塞210直接受外部驱动端的驱动力驱动，使其沿缸筒内壁进行直线位移；缸筒205内还设置有用于为活塞210提供可调阻尼力的磁流变阻尼组件和用于为活塞210提供预紧力和回弹力的弹性组件，其中磁流变阻尼组件是指利用磁流变介质在励磁磁场作用产生阻尼的阻尼器，可根据励磁磁场的磁场强度进行阻尼的调节，而弹性组件是指设置在活塞210轴向两侧的弹性元件，例如螺旋弹簧、氮气弹簧等具有一定刚度的弹性元件；通过磁流变阻尼组件调节活塞210与缸筒7之间的阻尼力大小，实现了该阻尼器的实现变阻尼，且阻尼可以实时、无级、可逆调节，以此在复杂工况下通过改变阻尼来拓宽减振频段，并提升磁流变阻尼器2的振动控制效果；由此可知，通过在上下平台之间按照Stewart平台方式布置在上平台1和下平台3之间，以为磁流变多向宽频吸振器提供不同方向的刚度。
本实施例中，所述磁流变阻尼调节组件包括绕设于所述活塞上的励磁线圈208和设置于所述活塞圆周表面的磁流变复合材料209，所述励磁线圈208用于在活塞表面形成励磁磁场，所述磁流变复合材料209在励磁磁场作用下可改变活塞210与缸筒205内壁之间的阻尼力大小；通过增加活塞210上励磁线圈208的电流，所形成的磁场强度也有所增大，从而导致磁场里的磁流变复合材料209的剪切应力逐渐增加，活塞210在缸筒205上的滑动阻尼力也相应增加，从而实现变阻尼；而磁流变复合材料209是指保留有磁流变液的复合材料，磁流变液通过浸透保留在复合材料中，例如磁流变无纺布、磁流变泡沫等，磁流变液在受到励磁线圈208产生的磁场作用下液体粘性发生改变进而改变活塞210与缸筒205内壁之间的剪切屈服应力导致活塞210运动时所受阻力发生改变，同时磁流变复合材料具有较好的抗沉降性和耐久性，减少磁流变材料的使用量，降低了成本。
本实施例中，所述弹性组件包括设置于活塞轴向两侧的第一弹簧206和第二弹簧211，所述第一弹簧206与第二弹簧211配合为活塞205提供预紧力和回弹力，；其中磁流变阻尼器2内的第一弹簧206和第二弹簧211一般采用相同的结构参数，因此刚度相同；但也可以根据安装方式的不同选择不同的刚度，具体地，上平板1安装在墙顶面时，此时右弹簧211受力较大，可以采用直径较大的弹簧，因此右弹簧211的刚度大于左弹簧206；上平板1安装在地面时，此时左弹簧206受力较大，采用直径较大的弹簧，因此左弹簧206的刚度大于右弹簧211。
本实施例中，所述活塞205周向方向上开设有用于安装励磁线圈的环形安装槽，所述励磁线圈208位于所述磁流变复合材料209内侧；结合图2所示，活塞210在圆周方向上均设置有用于安装线圈的环形安装槽，而励磁线圈208设置在磁流变复合材料209内侧能够使励磁磁场充分影响磁流变复合材料209的磁流变液，以可控调节活塞210与缸筒205内壁之间的剪切屈服应力；同时为了实现阻尼的不一致，每支磁流变调谐质量阻尼器2的活塞210可以采用不同尺寸和数量的环形安装槽，也可以通过改变活塞210的直径从而改变磁流变复合材料209的厚度。
本实施例中，还包括用于驱动活塞滑动的活塞杆202，所述活塞杆202与缸筒205同轴设置，所述活塞杆202的固定端与活塞205固定连接，所述活塞杆202的自由端轴向贯穿所述端盖203并延伸至缸筒外；活塞杆202主要用于驱动活塞210进行运动，活塞杆202固定端和自由端均设置有与螺纹孔配合的螺纹；活塞210在轴线方向上设置有螺纹通孔，因此活塞杆203与活塞210通过螺纹连接；而活塞杆202的自由端伸出贯穿端盖203并延伸至缸筒外后直接与球铰链5螺纹连接固定。
本实施例中，所述活塞杆202上开设有通气孔207，所述通气孔207用于排气或励磁线圈208的导线安装；通过在活塞杆202上开设有通气孔207，可利于磁流变调谐质量阻尼器2缸筒内的排气以及励磁线圈208的导线安装，保证磁流变调谐质量阻尼器2的正常工作。
本实施例中，所述球铰链5包括安装在上平台1底面的上部球铰接和安装在下平台2顶面的下部球铰链，所述上部球铰接与所述活塞杆207的自由端连接固定，所述下部球铰链与所述缸筒205底部连接固定；结合图1和图2所示，球铰链5通过小内六角螺栓204和螺母7分别固定在上平台1与下平台3，同时上部球铰接的球铰接连接件201与活塞杆的自由端螺纹连接，而下部球铰接直接与缸筒底部进行连接固定，最终实现磁流变阻尼器2在上平台1和下平台3之间的连接固定；结合上述弹性组件可知，通过改变六个所述磁流变阻尼器2在上下平台间的安装角度以及弹簧的刚度，能实现在不同方向上有不同的目标减振频率。
本实施例中，上平台1和下平台3之间通过6支磁流变阻尼器2连接，每支磁流变阻尼器2与上平台1和下平台3均通过球铰链5固定，而颗粒阻尼器4与下平台3通过大内六角螺栓6和螺母7固定连接设置，其中球铰接5为常规技术中的连接件，在本技术方案中使用主要是用于便于调节磁流变调谐质量阻尼器2的安装角度，在此不在赘述；在本技术方案中，每支磁流变阻尼器2的刚度和阻尼参数可以不一致，以满足不同应用场景的设计需求，根据球铰链5在上平板1和下平板3的安装位置，每支磁流变阻尼器2可以提供不同方向的刚度与阻尼；具体地，以任意一个上平板1的球铰链5作为空间直角坐标系O-xyz的原点，与球铰链5固定的磁流变阻尼器2与xz、yz、xy平面的夹角分别为α、β、γ，且满足sin2α+sin2β+sin2γ＝1；假定该磁流变阻尼器2的刚度和可变阻尼分别是K和C，可以为磁流变调谐质量阻尼器2提供沿xyz轴三个方向的刚度和阻尼，分别为(sinα*K,sinβ*K,sinγ*K)和(sinα*C,sinβ*C,sinγ*C)；因此，只要在设计时改变球铰链5在上平板1和下平板3的安装位置(即改变α、β、γ)，就能为磁流变调谐质量阻尼器2各个方向提供不同的刚度与阻尼，实现在不同方向上有不同的目标减振频率。
本实施例中，所述颗粒阻尼器4包括箱体401和用于密封箱体的颗粒阻尼器端盖404，所述箱体401的顶部设置有法兰部并通过法兰部与下平台固定连接，所述箱体401内还设置有颗粒群402；结合图3所示，箱体401与颗粒阻尼器端盖404通过中内六角螺栓403固定连接设置，而颗粒群402填充于颗粒阻尼器箱体401的空腔内，其中颗粒群402的填充率在70％～90％之间，颗粒群402中的颗粒为金属或非金属材料的球体，尺寸大小均匀一致。
在本技术方案中，当上平台1与振动对象(如建筑墙面，桥梁等)固定在一起后，通过6支磁流变阻尼器2将振动传递至下平板3和颗粒阻尼器4，而振动使得颗粒402与颗粒402之间以及颗粒402与颗粒阻尼器箱体401之间相互碰撞、摩擦，消耗自身能量，最终将振动物体传递的能量消耗；而根据颗粒阻尼器4的耗能机理，其适用于全向减振且减振频段宽；在调谐质量阻尼器的最优设计条件下，振动物体的能量传递到调谐质量阻尼器上并被耗散，如图4所示，振动物体的振动显著小于调谐质量阻尼器，作为磁流变多向宽频吸振器一部分的颗粒阻尼器4也处在剧烈振动中，这有效解决了传统颗粒阻尼器起振条件难的问题。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种磁流变多向宽频吸振器，其特征在于：包括相对设置的上平台和下平台、设置在上平台与下平台之间的磁流变阻尼器以及设置在下平台底部的颗粒阻尼器；
所述上平台用于与减振对象连接固定，所述下平台与颗粒阻尼器连接后形成调谐质量体，六个所述磁流变阻尼器按照Stewart平台方式布置在上平台和下平台之间并用于在多个方向上提供刚度与阻尼。
2.根据权利要求1所述的磁流变多向宽频吸振器，其特征在于：所述磁流变阻尼器包括：
缸筒和端盖，用于形成封闭腔体；
活塞，以可被驱动的方式设置于缸筒内且与缸筒内壁滑动配合；
以及设置在缸筒内的刚度阻尼系统，所述刚度阻尼系统包括磁流变阻尼调节组件和弹性组件，所述磁流变阻尼调节组件用于为活塞提供可调阻尼力，所述弹性组件用于为活塞提供可调刚度。
3.根据权利要求2所述的磁流变多向宽频吸振器，其特征在于：所述磁流变阻尼调节组件包括绕设于所述活塞上的励磁线圈和设置于所述活塞圆周表面的磁流变复合材料，所述励磁线圈用于在活塞表面形成励磁磁场，所述磁流变复合材料在励磁磁场作用下可改变活塞与缸筒内壁之间的阻尼力大小，进而为磁流变多向宽频吸振器提供可调阻尼力。
4.根据权利要求2所述的磁流变多向宽频吸振器，其特征在于：所述弹性组件包括设置于活塞轴向两侧的第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧与第二弹簧配合为活塞提供预紧力和回弹力并为磁流变多向宽频吸振器提供可调刚度。
5.根据权利要求3所述的磁流变多向宽频吸振器，其特征在于：所述活塞周向方向上开设有用于安装励磁线圈的环形安装槽，所述励磁线圈位于所述磁流变复合材料内侧。
6.根据权利要求3所述的磁流变多向宽频吸振器，其特征在于：还包括用于驱动活塞滑动的活塞杆，所述活塞杆与缸筒同轴设置，所述活塞杆的固定端与活塞固定连接，所述活塞杆的自由端轴向贯穿所述端盖并延伸至缸筒外。
7.根据权利要求6所述的磁流变多向宽频吸振器，其特征在于：所述活塞杆上开设有通气孔，所述通气孔用于排气或励磁线圈的导线安装。
8.根据权利要求6所述的磁流变多向宽频吸振器，其特征在于：所述磁流变阻尼器通过球铰链分别与上平台和下平台铰接；通过改变六个所述磁流变阻尼器在上下平台间的安装角度以及所述弹性组件的刚度以改变磁流变多向宽频吸振器不同方向上的目标减振频率。
9.根据权利要求8所述的磁流变多向宽频吸振器，其特征在于：所述球铰链包括安装在上平台底面的上部球铰接和安装在下平台顶面的下部球铰链，所述上部球铰接与所述活塞杆的自由端连接固定，所述下部球铰链与所述缸筒底部连接固定。
10.根据权利要求1所述的磁流变多向宽频吸振器，其特征在于：所述颗粒阻尼器包括箱体和用于密封箱体的颗粒阻尼器端盖，所述箱体的顶部设置有法兰部并通过法兰部与下平台固定连接，所述箱体内还设置有颗粒群。
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