RU2106551C1

RU2106551C1 - Magnetorheological vibration damper

Info

Publication number: RU2106551C1
Application number: RU94018114A
Authority: RU
Inventors: Ю.Б. Кудряков; Н.И. Крылов; М.Н. Шурыгин; Ю.Я. Щелыкалов
Original assignee: Ивановский государственный энергетический университет
Priority date: 1994-05-17
Filing date: 1994-05-17
Publication date: 1998-03-10

Abstract

FIELD: dampening vibrations in various devices and instruments. SUBSTANCE: magnetotheological vibration damper includes housing filled with damping medium where electromagnetic system and movable mass are arranged. Movable mass is secured on flexible coupling. Used as damping medium is magnetorheological suspension which makes it possible to regulate frequency characteristics of the damper proper changing the voltage at coils of electromagnetic system. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к средствам гашения вибраций различных технических объектов. The invention relates to damping vibrations of various technical objects.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к предложенному изобретению является виброгаситель, содержащий заполненный демпфирующей жидкостью корпус, размещенную в нем подвижную массу и упругий элемент, связывающий подвижную массу с корпусом [1]. The closest in technical essence and the achieved results to the proposed invention is a vibration damper containing a housing filled with a damping fluid, a movable mass placed therein and an elastic element connecting the movable mass with the housing [1].

Недостаток виброгасителя заключается в низкой эффективности виброгашения в широком частотном диапазоне вследствие возможности его предварительной настройки лишь на одну рабочую частоту, поэтому виброгашение в области других частот, особенно при случайных возмущениях, не обеспечивается, так как невозможна его поднастройка. The disadvantage of the vibration damper is the low efficiency of vibration damping in a wide frequency range due to the possibility of its preliminary tuning to only one operating frequency, therefore, vibration damping in the region of other frequencies, especially with random disturbances, is not provided, since its adjustment is impossible.

Изобретение направлено на повышение эффективности виброгашения за счет расширения диапазона рабочих частот виброгашения. The invention is aimed at increasing the efficiency of vibration damping by expanding the range of operating frequencies of vibration damping.

Это достигается тем, что в предлагаемом магнитореологическом виброгасителе (МРВГ) используются катушки управления, расположенные на корпусе, который одновременно является магнитопроводом и магнитореологической суспензией (МРС), которая помещается в зазоре между подвижной массой МРВГ и катушками управления. Подача сигнала управления приводит к возникновению магнитного поля вокруг магнитопровода, что вызывает изменение вязкожесткостных свойств МРС. В магнитном поле частицы МРС образуют вдоль силовых магнитных линий прочные цепи и МРС как бы "затвердевает". Степень "затвердевания" МРС зависит от величины сигнала, подаваемого на катушки управления, что позволяет значительно расширить диапазон рабочих частот виброгасителя. При колебаниях подвижной массы МРВГ, выполненной из магнитомягкого материала, магнитный поток катушек управления, взаимодействуя с подвижной массой, изменяет диссипативно-жесткостные свойства МРС, что и приводит к изменению частотных характеристик самого МРВГ. Для предотвращения ударов и залипания подвижная масса МРВГ покрыта слоем резины. This is achieved by the fact that the proposed magnetorheological vibration damper (MRVG) uses control coils located on the housing, which is also a magnetic circuit and magnetorheological suspension (MRS), which is placed in the gap between the moving mass of the MRVG and the control coils. The supply of the control signal leads to the appearance of a magnetic field around the magnetic circuit, which causes a change in the visco-stiffness properties of the MRS. In a magnetic field, MPC particles form strong chains along magnetic lines of force and the MPC “solidifies” as it were. The degree of "solidification" of the MPC depends on the magnitude of the signal supplied to the control coils, which can significantly expand the range of operating frequencies of the vibration damper. When the movable mass of the MRVG is made of soft magnetic material, the magnetic flux of the control coils, interacting with the moving mass, changes the dissipative-stiff properties of the MRS, which leads to a change in the frequency characteristics of the MRVG itself. To prevent shock and sticking, the movable mass of the MRVG is covered with a layer of rubber.

На фиг. 1 представлен разрез вдоль продольной оси МРВГ; на фиг. 2 - принцип работы катушек управления. In FIG. 1 shows a section along the longitudinal axis of the MRVG; in FIG. 2 - the principle of operation of the control coils.

На фиг. 1 и 2 обозначено; 1 - корпус из магнитомягкого материала, являющийся одновременно магнитопроводом; 2 - катушки управления; 3 - магнитореологическая суспензия (МРС); 4 - подвижная масса; 5 - пружина; 6 - покрытие из резины; 7 - полюсные наконечники. In FIG. 1 and 2 are indicated; 1 - casing of soft magnetic material, which is simultaneously a magnetic circuit; 2 - control coils; 3 - magnetorheological suspension (MPC); 4 - moving mass; 5 - spring; 6 - rubber coating; 7 - pole tips.

МРВГ состоит из герметичного корпуса 1, в котором на пружине 5 подвешена кольцеобразная подвижная масса 4 из магнитомягкого материала, покрытая тонким слоем резины 6. Сверху и снизу от подвижной массы размещены катушки управления 2 с полюсными наконечниками 7. MRVG consists of a sealed housing 1, in which an annular movable mass 4 of magnetically soft material coated with a thin layer of rubber 6 is suspended on a spring 5. Control coils 2 with pole tips 7 are located above and below the movable mass.

Катушки управления размещены в полюсных наконечниках 7, такое размещение позволяет сформировать магнитный поток Ф (фиг. 2) таким образом, что в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками 7 и подвижной массой 4 магнитная индукция имеет достаточно высокое значение, порядка 0,5 Тл, где и концентрируется МРС. Наконечники выполнены из магнитомягкого материала (например, Армко-железо), так как при высоких частотах работы виброгасителя порядка 30-2000 Гц недопустимо остаточное намагничивание полюсных наконечников. Корпус 1 виброгасителя также выполнен из магнитного материала с целью шунтирования потоков рассеивания и защиты виброгасителя от внешних магнитных потоков. The control coils are placed in the pole pieces 7, this arrangement allows you to form a magnetic flux Φ (Fig. 2) so that in the annular gap between the pole pieces 7 and the moving mass 4, the magnetic induction has a fairly high value, of the order of 0.5 T, where and concentrated by MPC. The tips are made of soft magnetic material (for example, Armco-iron), since at high frequencies of vibration damping of the order of 30-2000 Hz, residual magnetization of the pole tips is unacceptable. The case 1 of the vibration damper is also made of magnetic material with the aim of shunting the dispersion flows and protect the vibration damper from external magnetic fluxes.

Для осуществления управления частотными характеристиками МРВГ применяется МРС из карбонильного железа с размерами частиц от 10 до 100 мкм. При колебаниях подвижной массы МРВГ в области резонансных частот зазор между подвижной массой 4 и корпусом каждой из катушек управления может быть равен толщине резинового покрытия. При этом магнитная индукция в зазоре будет максимальной, что приведет к возрастанию МРС до максимального значения при одновременном изменении ее диссипативно-жесткостных характеристик. Это, в свою очередь, вызовет изменение частотных характеристик МВРГ. To control the frequency characteristics of the MRHG, MRS made of carbonyl iron with particle sizes from 10 to 100 microns is used. With fluctuations in the movable mass of the RTGs in the region of resonant frequencies, the gap between the movable mass 4 and the housing of each of the control coils may be equal to the thickness of the rubber coating. In this case, the magnetic induction in the gap will be maximum, which will lead to an increase in the MRS to a maximum value while changing its dissipative-stiffness characteristics. This, in turn, will cause a change in the frequency characteristics of the IWRM.

Пояснение основных свойств МРВГ лучше всего провести на математической модели МРС, где четко показывается, какие характеристики МРС оказывают влияние на диссипативно-жесткостные свойства МРВГ. В виду того, что свойства МРС, используемой в качестве рабочей жидкости МРВГ, являются физически нелинейными, поэтому существует множество математических моделей МРС, отражающих ту или иную характеристику. Перечислим основные математические модели: модель Шведова-Бингама, модель Кроули-Китца, модель Кессона, обобщенная модель Шульмана, модель Кутателадзе-Хабаспашевой. Применение той или иной реологической модели для отражения свойств МРС заключается в замене истинной реологической зависимости

,
где
τ - напряжение сдвига, МПа;
γ - скорость течения МРС,
некоторым управлением, которое достаточно точно представляет кривую течения МРС в выбранном диапазоне скоростей течения.An explanation of the main properties of MRVH is best done on a mathematical model of MRS, which clearly shows which characteristics of MRS affect the dissipative-stiff properties of MRSH. In view of the fact that the properties of MPC used as the working fluid of the SECM are physically nonlinear, therefore, there are many mathematical models of the MPC reflecting one or another characteristic. We list the main mathematical models: the Shvedov-Bingham model, the Crowley-Kitz model, the Caisson model, the generalized Shulman model, the Kutateladze-Khabaspasheva model. The use of a particular rheological model to reflect the properties of MRS is to replace the true rheological dependence

,
Where
τ is the shear stress, MPa;
γ is the flow rate of MRS,
some control, which quite accurately represents the flow curve of the MRS in the selected range of flow rates.

МРС с точки зрения колебательного процесса, характеризующего ее диссипативно-жесткостные свойства, обладает как вязким, так и гистерезисным трением, поэтому реологическая модель течения МРС с точки зрения колебательного процесса должна интерпретироваться как зависимость силы сопротивления от скорости движения виброизолируемого объекта. MRS from the point of view of the oscillatory process characterizing its dissipative-stiffness properties has both viscous and hysteretic friction, therefore, the rheological model of the MRS flow from the point of view of the oscillatory process should be interpreted as the dependence of the resistance force on the speed of the vibroisolated object.

,
где
P_см - сила сопротивления, обусловленная диссипативными свойствами МРС;

- скорость движения виброизолируемого объекта, м/с.

,
Where
P _cm is the resistance force due to the dissipative properties of MRS;

- the speed of the vibroisolated object, m / s.

Перемещение МРВГ при виброзащите объекта происходят при относительном движении виброизолируемого объекта от основания. Переносчиком колебательного движения является МРС, поэтому динамические свойства МРС и определяют динамику поведения МРВГ. The movement of the MRVG during vibration protection of the object occurs with the relative movement of the vibration-insulated object from the base. The carrier of the oscillatory motion is MRS, therefore, the dynamic properties of MRS determine the dynamics of the behavior of the MRVG.

Управление движения МРВГ записывается следующим образом:

где
m - масса виброизолируемого объекта, кг;
c - жесткость виброизолируемого объекта, H/M;
P(t) сила возмущения, H.The motion control of the MRVG is recorded as follows:

Where
m is the mass of the vibration insulated object, kg;
c is the stiffness of the vibration insulated object, H / M;
P (t) perturbation force, H.

При движении подвижной массы в канале корпуса МРС в своем движении ограничена внутренним R₁ и внешним R₂ радиусами. Запишем коэффициент потерь, характеризующий вязкие свойства МРС

где
R_1,2 - внутренний и внешний радиусы канала движения МРС, м;
m - масса виброизолируемого объекта, кг;
ρ - плотность МРС, кг/с;
λ - длина волны при работе на некоторой фиксированной частоте, м;

- частота внешнего возмущения, c^-1.When moving rolling mass in the channel of the housing MPC in its movement is limited by internal R ₁ and external R ₂ radii. We write the loss coefficient characterizing the viscous properties of MPC

Where
R _1,2 - internal and external radii of the movement channel MPC, m;
m is the mass of the vibration insulated object, kg;
ρ is the density of MPC, kg / s;
λ is the wavelength when operating at some fixed frequency, m;

is the frequency of the external disturbance, c ^-1 .

Для каждой частоты коэффициент потерь имеет свое значение. Так, как этот коэффициент пропорционален частоте

, то вязкое демпфирование МРС более эффективно на высоких частотах, чем на низких.For each frequency, the loss factor has its own meaning. Since this coefficient is proportional to the frequency

, then viscous damping of MPC is more effective at high frequencies than at low ones.

В гистерезисном демпфировании МРС можно выделить линейную составляющую (эллиптический гистерезис) и нелинейную (неэллиптический гистерезис). В случае эллиптического гистерезиса зависимость между напряжением и деформацией представляется в виде

где
α,β - эмпирические коэффициенты;
σ - нормальное напряжение МРС, МПа;
E - модуль упругости МРС, МПа;
ε - относительная деформация МРС.In the hysteretic damping of MRS, one can distinguish a linear component (elliptical hysteresis) and nonlinear (non-elliptic hysteresis). In the case of elliptical hysteresis, the relationship between stress and strain is represented as

Where
α, β are empirical coefficients;
σ is the normal stress of MPC, MPa;
E is the elastic modulus of MPC, MPa;
ε is the relative deformation of the MRS.

Решением уравнения (5) являются следующая зависимость:
σ = (E₁+jE₂)ε, (6)
где
j - мнимая единица,
а также

Соотношения (6)-(8) отражают ту особенность МРС, что в случае нелинейного гистерезиса зависимость между напряжением и деформацией имеет характер комплексный. В случае неэллиптического гистерезиса зависимость модуля упругости от частоты представляется более сложной зависимостью

где
a, b, c, d - коэффициенты, определяемые из полиномиальных зависимостей

Таким образом, виброизолированный объект с использованием МРВГ данного типа на базе МРС представляет собой сложную физически нелинейную систему. Однако управляемые диссипативно-жесткостные свойства гасителя позволяют осуществлять эффективное виброгашение в широком диапазоне рабочих частот.The solution of equation (5) is the following dependence:
σ = (E ₁ + jE ₂ ) ε, (6)
Where
j is the imaginary unit
and

Relations (6) - (8) reflect the peculiarity of MRS that in the case of nonlinear hysteresis, the relationship between stress and strain is complex. In the case of non-elliptic hysteresis, the dependence of the elastic modulus on frequency seems to be a more complex dependence

Where
a, b, c, d - coefficients determined from polynomial dependencies

Thus, a vibration-insulated object using this type of RTG based on MRS is a complex physically non-linear system. However, the controlled dissipative-stiffness properties of the absorber allow efficient vibration damping in a wide range of operating frequencies.

Claims

1. Magnetorheological vibration damper comprising a housing, a damping medium, a moving mass and an electromagnetic system placed in the housing, characterized in that the moving mass is mounted relative to the pole tips of the magnetic circuit of the electromagnetic system with axial clearances filled with a damping medium.

2. The vibration damper according to claim 1, characterized in that a magnetorheological suspension is used as a damping medium.

3. The vibration damper according to claim 1, characterized in that the moving mass and the pole pieces are made of soft magnetic material.