[发明专利]一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器

说明书

技术领域

本发明属于半主动式吸振器，具体涉及一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器。属于机械振动领域。具体可应用于发动机吸振与柔性机械臂吸振等多种场合。

背景技术

机器在运行过程中经常会产生有害振动。这种有害振动可能会干扰精密机械的运行、引起操作人员的不适，甚至造成机构的损伤。

例如，车辆发动机在工作过程中会因为自身运作与路面颠簸而产生振动。这种振动通过车体结构传导至驾驶舱，使驾驶舱内产生噪声与抖动。若驾驶员长时间处于这种噪声与抖动之中，就极易产生视觉疲劳、精神不集中以及肢体麻木等不良反应。这很容易导致交通安全事故。

再例如，柔性机械臂在运行过程中会因为负载与驱动力的变化导致柔性臂发生反复形变，从而产生振动。这种振动会会影响机械臂末端的定位精度，振动幅度过大时，甚至可能导致机械臂的控制系统失稳。

为减少有害振动对于机器与人员的影响，主要有两种方法被应用于振动控制，即隔振与吸振。

例如，目前，大部分车辆采用隔振的方法来消减发动机振动对于驾驶舱的影响，具体做法是在发动机与车架间添加悬置，从而减少发动机传导至驾驶舱的振动。但是这种方式十分被动，在面对不同的发动机工况与不同的路况时，减振效果差异很大，因此减振效果一般。而在柔性机械臂的场合，振动源自于系统整体，无法选出一部分作为振源进行隔离，所以无法应用隔振法。

吸振是进行振动控制的另一项重要技术。这种方法通过在被控对象的特定部位附加一个具有质量和刚度的子系统，即动力吸振器，来改变被控对象的振动状态，将被控对象上的振动能量转移到子系统上，再通过子系统的阻尼将振动能量耗散掉，从而达到减振的目的。改变该子系统的动力参数、结构形式及与被控对象的耦合关系，就可以有效吸收各种工况下的振动。动力吸振器主要可以划分为三种类型：被动式吸振器、半主动式吸振器和主动式吸振器。其中半主动吸振器具有吸振频带宽、能耗低的优点，已成为吸振技术的重要发展方向。

通常情况下，线性振动理论被用于吸振器的数学建模与控制。但实际工程中，很多振动不能单纯地视为线性振动。

例如，某些特种发动机的振动形式复杂，振动频带宽。这种振动不能简单地视为线性振动的叠加，必须考虑振动中的非线性项；柔性机械臂是一个刚柔耦合的复杂动力学系统，而柔性臂作为其重要组成部分具有很强的非线性，因此柔性机械臂的振动也具有很强的非线性。

因此，使用非线性振动理论来进行吸振器的建模与控制是值得研究的。

内共振为非线性振动系统特有的现象。对于振动系统中的两个固有频率，在满足内共振条件时，两个振动模态强烈地耦合，发生一种振动激发另一种振动的现象，称为非线性系统振动的内共振现象。通过内共振可以实现系统内不同模态之间的能量传递。如果某一阶内共振模态存在着一定的阻尼，那么该模态就会利用内共振所建立的能量交换机制不断从其它内共振模态那里获取能量并且通过阻尼耗散其振动能量。因此可以通过内共振来实现被控对象的吸振。

磁流变弹性体是一种高分子化合物与磁性颗粒混合组成的复合材料。将微米级别的磁性颗粒投入到高分子化合物中，搅拌均匀，放置在强磁场下进行固化后可制成磁流变弹性体。改变通过磁流变弹性体的磁场的强度，就可以改变磁流变弹性体的刚度。利用这一特性，可以使用磁流变弹性体制作刚度可控，即固有频率可控的吸振器。

磁流变弹性体兼有弹性体和磁流变材料的特点，具有可逆性、结构简单、稳定性好并且其模量变化对于磁场变化的响应十分迅速。但是磁流变弹性体的磁致模量变化范围只有2MPa左右，单纯地改变磁流变弹性体的刚度并不足以使吸振器适应各种被控对象。

为解决以上问题，本发明提出一种“机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器”，调节吸振器的机械结构可以使其适应不同的被控对象。吸振器工作时，通过控制磁流变弹性体的刚度来控制自身的固有频率，与被控对象构成内共振系统，吸收被控对象振动的能量并由阻尼耗散掉，达到减小被控对象振动的目的。

发明内容

本发明旨减小机器在运行过程中产生的有害振动对于机器与人员的不良影响，提出了一种机械调节与电磁控制相结合的半主动式吸振器。这种吸振器通过控制磁流变弹性体的刚度来控制自身的固有频率，与被控对象构成内共振系统，吸收被控对象振动的能量并由阻尼耗散掉，达到减小被控对象振动的目的。并且，针对磁流变弹性体的磁致模量变化范围不大的缺陷，本发明在吸振器结构中加入了机械调节装置，使得吸振器可以适应多种类型的被控对象。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：