磁流变弹性体移频式吸振器及控制方法

摘要

一种磁流变弹性体移频式吸振器及其控制方法，吸振器包括执行部件、控制部件和传感器，其特征在于：它的执行部件是由导磁件、线圈、磁流变弹性体和吸振质量块、基座构成；所说的导磁件由内套筒和外套筒构成，或者由U形铁芯和衔铁构成，或者由上板、下板和柱状铁芯构成，在内外套筒之间、U形铁芯和衔铁之间或上下板之间充填着磁流变弹性体，通过调节线圈上所对应的电压、从而调节磁流变弹性体的刚度和弹性使之振动频率发生变化，直至吸振器执行部件的振动频率与减振对象的振动频率相同。本发明吸振效果好，消耗能量少，减振频率带宽大，质量和体积较小，结构简单，控制方法容易，可以根据不同频段的减振要求组合使用多个吸振器。

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及一种应用于机械和电器设备上的减振装置及控制方法。

(二)背景技术：

在以往的机械和电器设备中，由于缺少有效的吸振系统，致使机械和电器设备过早损坏或造成对环境的噪声污染。

现有的振动控制方法可分为主动控制、被动控制、半主动控制。被动控制完全没有调节能力，有其局限性，只适合窄带振动控制。主动控制优于被动控制，可以进行主动调节，适合宽带振动控制。但主动控制属于力控制，需要直接提供控制力的能源，造价较高，技术较复杂。半主动控制属于参数控制，不需要提供控制力的能源，它是依赖于结构的振动反应或动荷载的信息实时改变结构的参数来减小结构的反应。传统的吸振器是振动被动控制的一种主要执行件，具有质量轻、结构简单、安装方便以及抑制单频振动和噪声效果显著等特点。但是传统被动式吸振器存在很多缺点，如控制频带很窄且不可调，所以只能对一个固定的激振频率的稳态振动进行减振，当激振频率稍微偏离一点，减振效果就会急剧劣化，甚至会变得更差。而增加带宽将使其变得粗笨等。

申请号96107066.8的发明专利中提到的吸振装置就是采用被动吸振器原理设计的，由于减振带宽较窄，只有采用增加阻尼或减振器重物质量以及采用多个减振重物的方式来解决，但增加阻尼会降低减振效果，增加减振重物的质量和数目会使减振器粗笨，此外这种方法对减振带宽的增加非常有限，一般仅有几个赫兹。此外申请号02131043.2的发明专利中提到了一种主动式磁流变液阻尼式吸振器及安装方法，能够使用直线电动机、金属弹簧和磁流变液阻尼器来主动改变系统控制力和阻尼等参数来达到“最佳调谐”目的，但是这种控制方法复杂，因为需要推动直线电动机，会消耗较多能量，并且根据吸振器原理，改变这些参数对吸振器的特性影响并不显著。

(三)发明内容：

本发明的目的在于设计一种磁流变弹性体移频式吸振器及控制方法，它能根据减振对象的主振动频率，按照设定的控制方法，通过改变磁流变弹性体的刚度和阻尼等特性，自动调节吸振器自身的固有频率，在较宽的频率范围内始终达到最佳的吸振效果。

本发明的技术方案：一种磁流变弹性体移频式吸振器，包括执行部件、控制部件和传感器，其特征在于它的执行部件是由导磁件、线圈、磁流变弹性体和吸振质量块、基座构成；所说的导磁件由内套筒和外套筒构成，套筒内部有空腔、一侧壁有开口，其纵截面为C形，侧壁的C形开口处用环形隔磁环封闭，空腔内安置线圈；内套筒和外套筒同轴相套，外套筒的C形开口位于内侧壁，内套筒的C形开口位于外侧壁，在内、外套筒之间充填着磁流变弹性体，内套筒上固定着吸振质量块，外套筒上设置基座；线圈的接头与控制部件的输出端相接。

上面所说的内外套筒、线圈和磁流变弹性体可以是直筒状，也可以是锥筒状。

上述的磁流变弹性体移频式吸振器的替代结构一，其特征在于它的执行部件是由导磁件、线圈、磁流变弹性体、吸振质量块和基座构成，其中导磁件是由U形铁芯和衔铁构成，U形铁芯底部绕有线圈，衔铁和U形铁芯之间充填着磁流变弹性体，衔铁上固定着吸振质量块，U形铁芯上设置基座；线圈的接头与控制部件的输出端相接。

上述的磁流变弹性体移频式吸振器的替代结构二，其特征在于它的执行部件是由导磁件、线圈、磁流变弹性体和吸振质量块、基座构成，所说的导磁件是由上板、下板和柱状铁芯构成，柱状铁芯外绕有线圈，固定在上板和下板之间，上板和下板之间充填着磁流变弹性体，上板和下板的一端固定在基座上、另一端悬空，构成悬臂梁，梁的悬空端部固定吸振质量块；线圈的接头与控制部件的输出端相接。

本发明的控制方法：其特征在于：利用传感器分别测得减振对象和吸振器执行部件上的振动信号，两者进行比较，如果振动频率不同，则调整线圈上的电压、从而调整吸振器执行部件的刚度使之振动频率发生变化，直至吸振器执行部件的振动频率与减振对象的振动频率相同。

或者，首先测量得到吸振器执行部件的固有频率与其线圈输入电压之间的对应关系，然后利用传感器测得减振对象上的振动信号，根据对应关系得到与减振对象上的振动频率相同时吸振器执行部件线圈应有的电压，再与当时吸振器线圈实有的电压进行比较，如果不同，则调整线圈上的电压、从而调整吸振器执行部件的刚度使之振动频率发生变化，直至吸振器执行部件的振动频率与减振对象的振动频率相同。

综上所述，本发明使用智能材料磁流变弹性体作为吸振器的弹性元件和阻尼元件，并采用移频的控制方法，形成半主动控制式的吸振器，通过调节线圈上的控制电压，就可调节磁流变弹性体刚度和弹性，从而在不改变结构和尺寸的情况下调节吸振器的固有频率，控制的最终目标是使吸振器固有频率和减振对象的吸振频率相同。如果减振对象包含多个需要控制的基本振动频率，可以采用多个吸振器的组合，分别控制每一个频率的振动。和传统的吸振器相比，具有以下显著优点：

1.吸振效果好，在减振对象的振动频率基本稳定的情况下，可以有效控制低频和高频的各种频率的振动；

2.消耗能量少，只要提供改变吸振器固有频率的基本电压，不需要提供能量来抵消振动能量；

3.减振频率带宽大，通过调节吸振器固有频率，可以在较宽范围内跟踪减振对象的振动频率，始终达到最佳的减振效果；

4.由于频率可调，使用较小的吸振质量也能达到需要的减振带宽，所以质量和体积较小；

5.结构简单，控制方法容易，因此系统可靠性高；

6.容易实现模块化，易于根据不同频段的减振要求组合使用多个吸振器。

(四)附图说明

附图1为剪切型磁流变弹性体移频式吸振器的执行部件结构示意图。

附图2为图1的纵剖面图。

附图3为剪切挤压复合型磁流变弹性体移频式吸振器的执行部件结构示意图的纵剖面图。

附图4为拉压型磁流变弹性体移频式吸振器的执行部件结构示意图。

附图5为扭弯复合型磁流变弹性体移频式吸振器的执行部件结构示意图。

附图6为本发明的原理示意图。

附图7为频率比较控制方法的流程框图。

附图8为电压比较控制方法的流程框图。

其中：1.吸振质量块；2.U形铁芯，3.内套筒，4.外套筒；5.线圈，；6隔磁环；7柱状铁芯，8.磁流变弹性体；9.衔铁；10上板；11.下板；12.基座；13.吸振器执行部件；14减振对象；15传感器，16.电荷放大器；17.控制器；18.功率放大器；

m₁、k₁、c₁是减振对象的等效质量、等效刚度和等效阻尼；m₁上作用有激振力P₁sinωt，x₁代表其位移；m₂、k₂、c₂是吸振器的等效吸振质量、等效刚度和等效阻尼，后两者代表了磁流变弹性体的特性，x₂代表吸振质量块的位移。

(五)具体实施方式：

实施例一：如图1、图2所示的剪切型磁流变弹性体移频式吸振器，是由内套筒3和外套筒4、线圈5、隔磁环6、磁流变弹性体8和吸振质量块1、基座12构成，套筒和基座用电工纯铁制成，隔磁环用黄铜制成，吸振质量块也用黄铜制成。外套筒4为圆筒状，其半边的截面形状为C形，C形开口朝内，即套筒内部有空腔、内侧壁有开口，空腔内正好安置线圈5，内侧壁的C形开口处用环形隔磁环6封闭，内套筒3为柱状或圆筒状(即其轴心处可以有纵向通孔或没有纵向通孔)，其半边的截面形状也为C形，C形开口朝外，即套筒内部亦有空腔、外侧壁有开口，空腔内正好安置线圈5，外侧壁的C形开口处用环形隔磁环6封闭，隔磁环的目的在于限制磁力线的流向，使其绝大部分只能从磁流变弹性体中穿过，内、外套筒同轴嵌套在一起，在内外套筒之间充填着磁流变弹性体8，使磁流变弹性体也形成筒状，内套筒3上用螺纹固定着吸振质量块1，整个吸振器执行部件用螺钉通过外套筒底部设置的基座上的螺孔固定到减振对象。线圈的接头与控制部件的输出端相接。

这里所说的内外套筒、线圈和磁流变弹性体可以是上述直筒状(其工作在剪切状态，可以消除与减振对象振动方向一致的直线振动)，也可以是锥筒状(如图3所示)，即圆筒的母线和轴线有夹角，构成剪切挤压复合型的吸振器。这样不仅对与减振对象振动平行的方向上有减振作用，同时对与减振对象振动垂直的方向上也有一定的减振效果。

上述结构的设计原则为：按照减振对象的减振频率范围的需要，使吸振器执行部件在无磁场下的固有频率比需要减振的频率低约20～50％。设f为吸振器执行部件在无磁场下的固有频率， $>>f>=>1>2>\pi >>>>>k>m>\; >,>$>其中k为磁流变弹性体无磁场下的刚度，m为吸振质量块的质量。如果磁流变弹性体的圆筒高度为h，厚度为t，周长为L，弹性体剪切模量为G，则k≈GLh/t，吸振质量块的质量m一般选择为减振对象质量的5％～40％，按照上面所说的公式改变磁流变弹性体圆筒的尺寸就可以调节吸振器执行部件在无磁场下的固有频率，使吸振器执行部件13在无磁场下的固有频率比需要减振的频率低约20％～50％。

吸振器工作过程为：如图6～8所示，减振对象14和吸振器执行部件13上分别粘接上传感器15，传感器的输出信号通过电荷放大器16送入控制器17，通过FFT分析得到减振对象的振动频谱特性和吸振器执行部件的振动频谱特性。两者进行比较，如果吸振器执行部件13的主振动频率低于减振对象14的振动频率，控制器17给出“+”信号，控制功率放大器18增加输出电压，控制部件的输出端(在此实施例中即为功率放大器的输出端)和吸振器执行部件中的线圈5(内外套筒中的线圈5中的电流方向均相同)的输入端相连，增加的电压增强了吸振器执行部件13的内部磁场，使磁流变弹性体8的刚度增加，提高了吸振器执行部件13的固有频率，一直到和减振对象14的振动频率相同。反之控制器17给出“-”信号，降低线圈5的电压，降低吸振器执行部件13的固有频率直到和减振对象14的振动频率相同。

或者通过事先测量得到吸振器执行部件13的固有频率和其线圈输入电压之间的对应关系(即建立不同固有频率所对应的电压的数据库)，减振时只要测出减振对象的主振动频率(而无需再测吸振器执行部件13的固有频率)，通过数据库找到其对应的电压，给出该适合的电压使吸振器执行部件13的固有频率和减振对象的主振动频率相同。

控制的目标是使吸振器执行部件13和减振对象14的振动频率相同，达到最佳的吸振的目的。如果减振对象14包含多个需要控制的基本振动频率，可以采用多个吸振器并联工作的方式，使每一个需要控制的振动频率都可以由一个吸振器来控制，从而达到在很宽频带内完全控制振动的目的。

上述的磁流变弹性体，是一种新型智能材料，一般是由微米尺寸的可在磁场下磁化的软铁磁性的固体颗粒嵌入弹性体(高分子聚合物如橡胶等)并固化后得到，其在磁场作用下具有许多独特的性能，如材料的刚度(包括剪切模量和杨氏模量)和阻尼可由磁场控制。由于其颗粒被固定在基体中，不存在颗粒沉降问题，因而与普通磁流变液相比，磁流变弹性体不但具有可控性、可逆性、响应迅速等高技术特征，还具有稳定性好、结构设计简单、制备成本低等独特的优点。磁流变弹性体可以由美国的Lord公司购得。

实施例二：如图4所示的拉压型磁流变弹性体移频式吸振器，由U形铁芯2、磁流变弹性体8、衔铁9、吸振质量块1、基座12和线圈5构成，其中U形铁芯2和衔铁9为工业纯铁制成，U形铁芯底部绕有线圈5，上部横放衔铁9，衔铁为条状。衔铁9和U形铁芯2之间固接着片状磁流变弹性体8，衔铁9上用螺纹固定着吸振质量块1，整个吸振器执行部件13可以用螺钉通过柱状铁芯下方所设置的基座12上的螺孔固定到减振对象上去，其它控制方式同实施例一。其工作在拉压状态，可以消除与减振对象振动方向一致的直线振动。

实施例三：如图5所示的扭弯复合型磁流变弹性体移频式吸振器，由上板10、下板11、线圈5、柱状铁芯7、磁流变弹性体8、基座12和吸振质量块1构成，上板10、下板11和柱状铁芯7为工业纯铁制成，基座12用铝制成，柱状铁芯7外绕线圈5，柱状铁芯7上下用螺纹固定在上板10和下板11的一端或中间任意部位，两块板之间的其余部位再固接着块状的磁流变弹性体8，上板10、下板11、磁流变弹性体8形成一个夹心饼干式的夹层梁整体并将其一端焊接固定在基座上，构成悬臂梁，悬臂梁的另一端部固定吸振质量块1，吸振器主要工作在弯曲或扭转的模态下，整个吸振器执行部件13可以用螺钉通过基座上的螺孔固定到减振对象上去，其它控制方式同实施例一。其工作在扭转或弯曲状态，可以消除减振对象的扭转或弯曲振动。