專利名稱：磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及應用于機械設備上的減振裝置，特別涉及主動式吸振器。
背景技術：
吸振系統(tǒng)對各類機械設備、電器設備有十分的重要性。根據不同的動力來源，吸振系統(tǒng)可分為被動式和主動式兩種。傳統(tǒng)的吸振器通常是被動式，它不需要消耗外在能量，結構簡單，能對固定的激振頻率振動起到很好的減振效果，因而被廣泛應用在許多由于機械的旋轉部分質量偏心引起的強迫振動的減振方面。但這種被動吸振器存在兩大缺陷，第一，不適用于頻率變化較大的場合；第二，調諧速度慢，相位不能準確匹配，使得減振效果不理想。
近年來，隨著人們對車、船舶、飛機等交通工具的安全性和舒適性的要求的不斷提高，出現了多種主動減振裝置和控制方法。國防工業(yè)出版社1997年出版的顧仲權等編著的《振動主動控制》書中介紹了多種現有的主動式吸振器，包括頻率可調式和非頻率可調式吸振器。頻率可調式又分為慣性可調式和剛度可調式，能夠適用于頻率變化的場合，但它屬于調節(jié)吸振器的參數來達到跟蹤頻率，實際上是半主動控制，減振效果與被動式的大致相同，調諧速度慢，相位不能準確匹配，減振效果不理想。非頻率可調式是在被動式吸振器的基礎上添加作動器，主要是利用作動器的控制力作用于受控對象，達到控制受控對象的目的。其優(yōu)點是直接產生與振源相反的作用力作用于減振對象，能快速準確地調諧，減振效果好。但由于其頻率不可調，在吸振器固有頻率附近，能實現利用較少的能量達到與被動式吸振器相比較好的減振效果，但是當振動頻率稍微偏離吸振器固有頻率時，獲得同樣的減振效果需要的能量急劇增加，因此能實際應用的頻段仍然僅在吸振器的固有頻率附近，所以減振頻帶較窄。
CN01272733.4專利中公開了一種屬于非頻率可調式的主動吸振器，它采用彈簧振子進行儲能，其能耗低，減振效果明顯，但由于其減振頻率仍然不可調，與前面提到的非頻率可調式吸振器一樣，減振頻帶仍然較窄。

發(fā)明內容
本實用新型的目的在于提供一種頻率可調式的磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)及控制方法，從而能在較寬的頻率范圍內和較大的頻率變化速率下實現低能耗的減振。
本實用新型的目的通過以下方式實現。
本實用新型所述的磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)，包括吸振器和控制器，其中控制器包括加速度傳感器、電荷放大器、功率放大器和控制主機；所述吸振器包括有主動力元件和吸振塊，其特征在于，所述吸振器還包括有變剛度元件、隔磁塊以及用于支承的“U”形支架；所述主動力元件由柱狀的永久磁鐵和一繞有線圈的柱狀鐵芯(即柱狀電磁鐵)構成，該柱狀鐵芯固連在支架的內底面上，永久磁鐵通過隔磁塊與吸振塊固連，永久磁鐵的下端面與柱狀鐵芯的上端面平行，兩者之間的距離大于被減振對象的上下振幅；所述變剛度元件由“U”形電磁鐵及磁流變彈性體構成，“U”形鐵芯開口向下，線圈繞于其頂部，“U”形鐵芯的兩個內側面上分別固連有一片狀的磁流變彈性體，吸振塊置于兩片中間，并固連成整體，“U”形鐵芯下端與“U”形支架上端面固連，構成容納主動力元件、吸振塊及磁流變彈性體、隔磁塊的內空間。
在上述吸振系統(tǒng)中，所述吸振塊的質量、磁流變彈性體的尺寸根據下式確定f=12πKm,]]>k＝GA/t其中f為吸振器無磁場下的固有頻率，m為吸振塊的質量，k為磁流變彈性體無磁場下的等效剛度，A，t，G分別為磁流變彈性體的截面積、厚度、剪切模量。
在上述吸振系統(tǒng)中，所述永久磁鐵也能夠由另一柱狀電磁鐵代替。所述“U”形支架和隔磁塊由非導磁材料構成。所述鐵芯和吸振塊均采用軟鐵磁性材料。
實際使用中，一般選擇吸振塊的質量為被減振對象質量的5％～40％。按照以上公式，改變磁流變彈性體的尺寸就可以調節(jié)吸振器在無磁場下的固有頻率，使吸振器在無磁場下的固有頻率比需要被減振對象的振動頻率低約20％～50％。
本實用新型使用智能材料磁流變彈性體作為動力吸振器的變剛度彈性元件，并采用電磁鐵提供主動力，根據被減振對象的主振動頻率和振動狀態(tài)，按照設定的控制方法，改變磁流變彈性體的剛度，同時調節(jié)控制力的幅值和相位，快速準確地進行相位匹配，從而能在較寬的頻率范圍內和較大的頻率變化速率下實現最佳吸振的低能耗的減振目的。
本實用新型所述的磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)，屬于半主動和主動式聯合控制，與現有的各類吸振系統(tǒng)相比，具有以下顯著優(yōu)點
1.與頻率調諧式吸振器相比，具有響應快，減振效果好的優(yōu)點。因為本實用新型能根據被減振對象的振動狀態(tài)，直接產生主動力作用于被減振對象，大大降低吸振塊的運動阻尼，能快速準確的實現相位匹配，適用于頻率變化較快的場合；2.與已有的主動力吸振器相比，具有低能耗、減振頻帶寬的優(yōu)點。本實用新型通過調節(jié)變剛度元件的剛度能在較寬的頻帶內實現頻率調諧，因而吸振器在較寬的頻帶內均能實現很好的儲能效果，主動力元件在較寬的頻帶內耗能少，另外彈性力、阻尼力和主動力同時作用于被減振對象，主動力提供的能量利用率高；3.由于彈性力、阻尼力和主動力同時作用于被減振對象而且頻率可調，使用較小的吸振質量和較小的振幅也能達到需要的減振帶寬，所以吸振器的質量和體積較小；4.結構簡單，而且在使用過程中即使主動力元件發(fā)生故障，吸振器仍然相當于頻率調諧式半主動吸振器，因此系統(tǒng)可靠性高。
下面通過實施例及其附圖做進一步描述。


附圖1為本實用新型的磁流變彈性體主動吸振器的結構示意圖。
附圖2為本實用新型的控制原理示意圖。
圖2中m0、K0、C0是被減振對象的質量、剛度和阻尼；m0上受激振力Psin ωt作用，ω為激振力的頻率，也即被減振對象的振動頻率，x0是被減振對象的位移；m、k、c是吸振器的吸振質量、等效剛度和阻尼，后兩者代表了磁流變彈性體的特性；F是主動力元件提供的主動力。
具體實施方式
參見圖1，1為吸振塊，片狀的磁流變彈性體2分設在吸振塊的左右兩側面，并粘接成一體，“U”形電磁鐵3開口向下，與外部電源接通的線圈4A繞在其頂部，片狀的磁流變彈性體2的另一表面分別粘接在“U”形鐵芯的內側面上。在吸振塊的下端面以螺釘連接方式固連有黃銅材料的隔磁塊5，永久磁鐵6固定連接在隔磁塊5的下端面上。7是四方體的電磁鐵，它固定在“U”形支架8的內底面上，其線圈4B與外部電源接通。
“U”形鐵芯的兩個側壁的下端通過磁流變彈性體2、吸振塊1，構成閉合的磁回路，當改變該回路中勵磁電流的大小，可調節(jié)變剛度元件的剛度，從而改變吸振器的固有頻率。吸振塊通過隔磁塊與永久磁鐵相連組成吸振器的動質量即吸振質量，設置隔磁塊的目的是避免永久磁鐵影響通過磁流變彈性體的磁路。柱狀電磁鐵和永久磁鐵構成吸振器的主動力元件。實際使用中也可以使用由另一副柱狀鐵芯及線圈代替永久磁鐵，即由兩副柱狀鐵芯及線圈構成吸振器的主動力元件。
在上述吸振系統(tǒng)中，所述吸振質量、磁流變彈性體的尺寸根據下式確定f=12πkm,]]>k＝GA/t其中f為吸振器無磁場下的固有頻率，m為吸振質量，k為磁流變彈性體無磁場下的等效剛度，A，t，G分別為磁流變彈性體的截面積、厚度、剪切模量。選擇的吸振質量一般為被減振對象質量的5％～40％。按照上面的公式，改變磁流變彈性體的尺寸就可以調節(jié)吸振器在無磁場下的固有頻率，使吸振器在無磁場下的固有頻率比需要減振的頻率低約20％～50％。例如，被減振對象質量m0＝25Kg，被減振對象的振動頻率為60Hz，根據前面所述規(guī)則可選擇吸振塊的質量m＝2.5Kg，選擇吸振器無磁場下的固有頻率f＝40Hz，已知磁流變彈性體的剪切模量G＝4×105Pa，選取磁流變彈性體厚度t＝5mm，則根據上式計算得出磁流變彈性體的面積A＝0.002m2。
本實用新型的控制方法，在吸振器安裝前測出吸振器固有頻率與勵磁電流間的關系曲線以及選擇合適的控制律，這兩項操作均為現有技術。此后的具體控制過程分為對變剛度元件和主動力元件的控制兩部分。參見圖2，虛線框9內為整個吸振器，它由螺釘通過支架底部的螺孔固定到被減振對象10上，11為設置在被減振對象上的加速度傳感器，用以測量被減振對象10的振動信號；該信號經過電荷放大器12放大后送入控制主機13，采用快速傅立葉變換FFT算法對輸入振動信號進行計算分析，從而獲得被減振對象振動的頻率、幅值和相位信息。控制主機13比較被減振對象10的振動頻率和吸振器9的固有頻率是否相同，如果兩者相同則保持現狀不變，如果兩者不同，控制主機13將根據預存在控制主機中的吸振器9固有頻率與勵磁電流間的關系，計算得到變主動元件的控制信號，該信號經過功率放大器14放大后，輸出到“U”電磁鐵的線圈4A電流的控制中，來調節(jié)變剛度元件中線圈4A的勵磁電流，使吸振器9的固有頻率和被減振對象的振動頻率相同。
另一方面，控制主機13還將根據被減振對象10的頻率、幅值和相位信息，結合預先設定的主動力控制律，采用自尋優(yōu)算法計算出控制律中的控制參數，使得在這樣的控制參數下被減振對象的振動幅值最小，然后將控制參數代入控制律給出主動力的控制信號，通過功率放大器14調節(jié)主動力元件柱狀電磁鐵7中線圈4B的勵磁電流，使柱狀電磁鐵7與永久磁鐵6間產生的主動力作用于被減振對象10，使用加速度傳感器11測量被減振對象10的振動信號，信號經過電荷放大器12放大后送入控制主機13，構成閉環(huán)控制，使主動力的頻率、幅值和相位實現快速準確的相位匹配，達到最佳的動力吸振的目的。
下面給出主動力控制信號的具體計算過程采用加速度反饋控制律F=-Kgx··0,]]>其中F主動力元件提供的主動力，x0是被減振對象的位移， 是x0對時間的二階導數，Kg是控制參數。被減振對象的位移x0的幅值為Ax0，在上述控制律下Ax0是控制參數Kg的函數，則Ax0=Ax0(Kg).]]>被減振對象的位移x0及其幅值通過對測量被減振對象10的振動信號進行計算分析得出，如前所述。選取被減振對象的振動幅值最小化為控制目標，即MinKg(Ax0(Kg)),]]>采用自尋優(yōu)算法計算出控制律中的控制參數Kg，代入控制律即可給出主動力F的控制信號。
權利要求1.磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)，包括吸振器和控制器，其中控制器包括加速度傳感器、電荷放大器、功率放大器和控制主機；所述吸振器包括有主動力元件和吸振塊，其特征在于，所述吸振器還包括有變剛度元件、隔磁塊以及用于支承的“U”形支架；所述主動力元件由柱狀的永久磁鐵和一繞有線圈的柱狀鐵芯構成，該柱狀鐵芯固連在支架的內底面上，永久磁鐵通過隔磁塊與吸振塊固連，永久磁鐵的下端面與柱狀鐵芯的上端面平行，兩者之間的距離大于被減振對象的上下振幅；所述變剛度元件由“U”形電磁鐵及磁流變彈性體構成，“U”形鐵芯開口向下，線圈繞于其頂部，“U”形鐵芯的兩個內側面上分別固連有一片狀的磁流變彈性體，吸振塊置于兩片中間，并固連成整體，“U”形鐵芯下端與“U”形支架上端面固連，構成容納主動力元件、吸振塊及磁流變彈性體、隔磁塊的內空間。
2.如權利要求1所述的磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)，其特征在于，所述吸振塊的質量、磁流變彈性體的尺寸根據下式確定f=12πkm,k=GA/t,]]>其中m為吸振塊的質量，f為吸振器無磁場下的固有頻率，k為磁流變彈性體無磁場下的等效剛度，A，t，G分別為磁流變彈性體的截面積、厚度、剪切模量。
3.如權利要求1所述的磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)，其特征在于，所述永久磁鐵由另一柱狀電磁鐵代替。
專利摘要本實用新型涉及減振裝置，特別涉及主動式吸振器。所述吸振系統(tǒng)中的吸振器由主動力元件、吸振塊、變剛度元件、隔磁塊以及“U”形支架構成；其主動力元件由永久磁鐵和柱狀電磁鐵構成，該柱狀鐵芯固連在支架的內底面上，永久磁鐵通過隔磁塊與吸振塊固連；其變剛度元件由“U”形電磁鐵及磁流變彈性體構成，“U”形鐵芯開口向下，它的兩個內側面上分別固連有磁流變彈性體，吸振塊置于兩片中間，“U”形鐵芯下端與“U”形支架上端面固連，構成容納主動力元件、吸振塊及磁流變彈性體、隔磁塊的內空間。其控制方法為根據被減振對象振動的頻率、幅值和相位信息分別對變剛度元件和主動力元件進行控制。本實用新型屬于半主動和主動式聯合控制，具有低能耗、減振頻帶寬等優(yōu)點。
文檔編號F16F9/53GK2886208SQ200520076658
公開日2007年4月4日 申請日期2005年10月20日 優(yōu)先權日2005年10月20日
發(fā)明者孫紅靈, 龔興龍, 張鯤, 張培強, 張先舟 申請人:中國科學技術大學