[發(fā)明專利]一種機(jī)械調(diào)節(jié)與電磁控制相結(jié)合的半主動式吸振器

在審

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• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107299954A
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邊宇樞;張戈;高志慧
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: F16F9/53
• 分類號: F16F9/53;F16F9/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半主動式吸振器，具體涉及一種機(jī)械調(diào)節(jié)與電磁控制相結(jié)合的半主動式吸振器。屬于機(jī)械振動領(lǐng)域。具體可應(yīng)用于發(fā)動機(jī)吸振與柔性機(jī)械臂吸振等多種場合。

背景技術(shù)

機(jī)器在運(yùn)行過程中經(jīng)常會產(chǎn)生有害振動。這種有害振動可能會干擾精密機(jī)械的運(yùn)行、引起操作人員的不適，甚至造成機(jī)構(gòu)的損傷。

例如，車輛發(fā)動機(jī)在工作過程中會因?yàn)樽陨磉\(yùn)作與路面顛簸而產(chǎn)生振動。這種振動通過車體結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)至駕駛艙，使駕駛艙內(nèi)產(chǎn)生噪聲與抖動。若駕駛員長時間處于這種噪聲與抖動之中，就極易產(chǎn)生視覺疲勞、精神不集中以及肢體麻木等不良反應(yīng)。這很容易導(dǎo)致交通安全事故。

再例如，柔性機(jī)械臂在運(yùn)行過程中會因?yàn)樨?fù)載與驅(qū)動力的變化導(dǎo)致柔性臂發(fā)生反復(fù)形變，從而產(chǎn)生振動。這種振動會會影響機(jī)械臂末端的定位精度，振動幅度過大時，甚至可能導(dǎo)致機(jī)械臂的控制系統(tǒng)失穩(wěn)。

為減少有害振動對于機(jī)器與人員的影響，主要有兩種方法被應(yīng)用于振動控制，即隔振與吸振。

例如，目前，大部分車輛采用隔振的方法來消減發(fā)動機(jī)振動對于駕駛艙的影響，具體做法是在發(fā)動機(jī)與車架間添加懸置，從而減少發(fā)動機(jī)傳導(dǎo)至駕駛艙的振動。但是這種方式十分被動，在面對不同的發(fā)動機(jī)工況與不同的路況時，減振效果差異很大，因此減振效果一般。而在柔性機(jī)械臂的場合，振動源自于系統(tǒng)整體，無法選出一部分作為振源進(jìn)行隔離，所以無法應(yīng)用隔振法。

吸振是進(jìn)行振動控制的另一項(xiàng)重要技術(shù)。這種方法通過在被控對象的特定部位附加一個具有質(zhì)量和剛度的子系統(tǒng)，即動力吸振器，來改變被控對象的振動狀態(tài)，將被控對象上的振動能量轉(zhuǎn)移到子系統(tǒng)上，再通過子系統(tǒng)的阻尼將振動能量耗散掉，從而達(dá)到減振的目的。改變該子系統(tǒng)的動力參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式及與被控對象的耦合關(guān)系，就可以有效吸收各種工況下的振動。動力吸振器主要可以劃分為三種類型：被動式吸振器、半主動式吸振器和主動式吸振器。其中半主動吸振器具有吸振頻帶寬、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，已成為吸振技術(shù)的重要發(fā)展方向。

通常情況下，線性振動理論被用于吸振器的數(shù)學(xué)建模與控制。但實(shí)際工程中，很多振動不能單純地視為線性振動。

例如，某些特種發(fā)動機(jī)的振動形式復(fù)雜，振動頻帶寬。這種振動不能簡單地視為線性振動的疊加，必須考慮振動中的非線性項(xiàng)；柔性機(jī)械臂是一個剛?cè)狁詈系膹?fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)，而柔性臂作為其重要組成部分具有很強(qiáng)的非線性，因此柔性機(jī)械臂的振動也具有很強(qiáng)的非線性。

因此，使用非線性振動理論來進(jìn)行吸振器的建模與控制是值得研究的。

內(nèi)共振為非線性振動系統(tǒng)特有的現(xiàn)象。對于振動系統(tǒng)中的兩個固有頻率，在滿足內(nèi)共振條件時，兩個振動模態(tài)強(qiáng)烈地耦合，發(fā)生一種振動激發(fā)另一種振動的現(xiàn)象，稱為非線性系統(tǒng)振動的內(nèi)共振現(xiàn)象。通過內(nèi)共振可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)不同模態(tài)之間的能量傳遞。如果某一階內(nèi)共振模態(tài)存在著一定的阻尼，那么該模態(tài)就會利用內(nèi)共振所建立的能量交換機(jī)制不斷從其它內(nèi)共振模態(tài)那里獲取能量并且通過阻尼耗散其振動能量。因此可以通過內(nèi)共振來實(shí)現(xiàn)被控對象的吸振。

磁流變彈性體是一種高分子化合物與磁性顆粒混合組成的復(fù)合材料。將微米級別的磁性顆粒投入到高分子化合物中，攪拌均勻，放置在強(qiáng)磁場下進(jìn)行固化后可制成磁流變彈性體。改變通過磁流變彈性體的磁場的強(qiáng)度，就可以改變磁流變彈性體的剛度。利用這一特性，可以使用磁流變彈性體制作剛度可控，即固有頻率可控的吸振器。

磁流變彈性體兼有彈性體和磁流變材料的特點(diǎn)，具有可逆性、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好并且其模量變化對于磁場變化的響應(yīng)十分迅速。但是磁流變彈性體的磁致模量變化范圍只有2MPa左右，單純地改變磁流變彈性體的剛度并不足以使吸振器適應(yīng)各種被控對象。

為解決以上問題，本發(fā)明提出一種“機(jī)械調(diào)節(jié)與電磁控制相結(jié)合的半主動式吸振器”，調(diào)節(jié)吸振器的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以使其適應(yīng)不同的被控對象。吸振器工作時，通過控制磁流變彈性體的剛度來控制自身的固有頻率，與被控對象構(gòu)成內(nèi)共振系統(tǒng)，吸收被控對象振動的能量并由阻尼耗散掉，達(dá)到減小被控對象振動的目的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨減小機(jī)器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的有害振動對于機(jī)器與人員的不良影響，提出了一種機(jī)械調(diào)節(jié)與電磁控制相結(jié)合的半主動式吸振器。這種吸振器通過控制磁流變彈性體的剛度來控制自身的固有頻率，與被控對象構(gòu)成內(nèi)共振系統(tǒng)，吸收被控對象振動的能量并由阻尼耗散掉，達(dá)到減小被控對象振動的目的。并且，針對磁流變彈性體的磁致模量變化范圍不大的缺陷，本發(fā)明在吸振器結(jié)構(gòu)中加入了機(jī)械調(diào)節(jié)裝置，使得吸振器可以適應(yīng)多種類型的被控對象。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：