一種固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器及其控制方法，包括信號采集單元、控制單元、執(zhí)行單元，其中執(zhí)行單元由剛度可調(diào)和質(zhì)量可調(diào)兩部分組成。剛度可調(diào)單元包括連接U形基架，U形基架上附有勵(lì)磁線圈和預(yù)緊螺栓，吸振塊處于兩磁流變彈性體中間，通過預(yù)緊螺栓預(yù)緊作用，固定在兩夾板中間。所述儲液箱、液體泵和液體下腔通過軟管連接。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，減振效果好，有效減振頻帶寬，性能穩(wěn)定，控制響應(yīng)時(shí)間短，具有很高的實(shí)用價(jià)值，本發(fā)明在現(xiàn)有自適應(yīng)式吸振器基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓寬了減振頻帶，解決了傳統(tǒng)式動力吸振器有效減振頻帶太窄的問題；克服了主動式動力吸振器過分依賴外界能量的缺陷。
【專利說明】一種固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于振動控制領(lǐng)域，具體涉及一種固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器及其控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]由于結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)性良好和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，動力吸振器在機(jī)械系統(tǒng)、工程結(jié)構(gòu)、橋梁及建筑等振動控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。動力吸振器工作原理如圖1所示，復(fù)合型動力吸振器質(zhì)量、剛度分別為Hipk1，吸振器質(zhì)量、剛度分別為m2、k2，復(fù)合型動力吸振器在簡諧激振力f Sin(Ot)作用下的位移為X1，吸振器位移為X2，由振動力學(xué)理論可知，其運(yùn)動方程如式1:1 "VVl + ^l-Vl + k2 (.V, — X2) = / sin(w/)( 1、
[0003]<I I)
I nu/x., + R1 (λ% -.Vl) 二 O
[0004]求解可得復(fù)合型動力吸振器振動幅值為:
(k，一 Ituoj1、f,Y、
[0005]X1 =-, 2-Γ(2)

+ kn —tn、co、)(? —IHn) — k’
[0006]由上式可知，k2_m2co2 = 0時(shí)，S卩》= 時(shí)，復(fù)合型動力吸振器振幅最小為零。因



V!1h
此當(dāng)吸振器固有頻率等于外界激振頻率時(shí)，吸振器可有效降低復(fù)合型動力吸振器振動。然而傳統(tǒng)動力吸振器結(jié)構(gòu)參數(shù)不可改變，固有頻率不可調(diào)節(jié)，有效減振頻帶太窄，當(dāng)外界激振頻率偏離吸振器固有頻率時(shí)，其減振性能大幅降低。主動式動力吸振器可以解決減振頻帶狹窄問題，在較寬頻帶上有效減振。但是主動式動力吸振器需要大量的外界能量，成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且調(diào)節(jié)不當(dāng)時(shí)，不僅失去減振性能，還可能加劇復(fù)合型動力吸振器振動。國內(nèi)專利號為96107066.8的發(fā)明專利即為被動式吸振器。其減振頻帶太窄，只能依靠增加阻尼或吸振器質(zhì)量以及采用多個(gè)吸振塊的方法來拓寬吸振頻帶，然而理論證明，增大阻尼會減低吸振器的減振性能，且頻帶拓寬并不明顯；增加重量使得結(jié)構(gòu)笨重，由于受到空間限制等，增加吸振塊個(gè)數(shù)并不現(xiàn)實(shí)。國內(nèi)專利號為94246820.1的實(shí)用新型專利提到了一種組合式主動控制的吸振器。原理是在被動式吸振器的基礎(chǔ)上增加了主動控制力，但吸振器固有頻率仍不可調(diào)，外界激振頻率偏離吸振器固有頻率越遠(yuǎn)，所需的主動控制力越大，故此設(shè)計(jì)嚴(yán)重依賴外界能量，實(shí)現(xiàn)成本高，實(shí)用性差。
[0007]為拓寬吸振器有效頻帶，近些年很多學(xué)者研究了可根據(jù)外界激勵(lì)頻率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而改變自身固有頻率的自適應(yīng)式動力吸振器。它不僅具有傳統(tǒng)式動力吸振器結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可在較寬頻帶上進(jìn)行有效減振，且不過分依賴外界能量，具有很高的研究和實(shí)用價(jià)值。國外學(xué)者Abu-Akeel提出了一種通過電磁力改變剛度的自適應(yīng)式吸振器。Williams和Rustighi分別利用形狀記憶合金作為彈性元件設(shè)計(jì)了剛度可調(diào)的動力吸振器，該合金在不同溫度時(shí)具有不同金相組織結(jié)構(gòu)，其楊氏模量(與剛度相關(guān))也會隨之變化，而合金溫度由通過的電流控制。國內(nèi)專利號為200510094882.3的發(fā)明專利利用磁流變彈性體設(shè)計(jì)了一種移頻式吸振器，其工作原理為磁流變彈性體在變化磁場作用下，彈性模量發(fā)生改變，以此改變磁流變彈性體的剛度，實(shí)現(xiàn)對吸振器固有頻率的調(diào)節(jié)。上述自適應(yīng)式吸振器解決了傳統(tǒng)式吸振器減振頻帶太窄的問題，且不需要大量的外界能量。然而，以上設(shè)計(jì)都是通過改變裝置的剛度來實(shí)現(xiàn)吸振器固有頻率的調(diào)節(jié)，但是受材料性能限制，其頻帶拓寬有限，如何進(jìn)一步拓寬吸振器有效減振頻帶是現(xiàn)在研究急需解決的問題；且以上設(shè)計(jì)當(dāng)控制失效時(shí)，表現(xiàn)為被動式吸振器，失去了在寬頻上減振的性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對上述缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提供一種固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器及其控制方法，能夠解決傳統(tǒng)式動力吸振器有效減振頻帶太窄的問題。
[0009]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0010]一種固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器，包括:執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號采集單元、以及控制系統(tǒng)；
[0011]執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:設(shè)置于振動物體上的剛度可調(diào)單元，剛度可調(diào)單元上設(shè)置有固定質(zhì)量單元，固定質(zhì)量單元上安裝有水箱，水箱上連接有供水裝置；其中，剛度可調(diào)單元包括設(shè)置于振動物體上的U形基架，U形基架上安裝有用于產(chǎn)生磁場的勵(lì)磁線圈，U形基架的開口處通過安裝預(yù)緊螺栓安裝有一對夾板，夾板之間通過磁流變彈性體夾持有吸振塊，組成一個(gè)閉合的導(dǎo)磁回路，固定質(zhì)量單元安裝于吸振塊上；
[0012]信號采集單元包括:安裝于固定質(zhì)量單元上用于對吸振器進(jìn)行振動信號采集的加速度傳感器、與供水裝置相連接的流量傳感器、以及電荷放大器，加速度傳感器的輸出端與電荷放大器的輸入端連接；電荷放大器和流量傳感器的輸出端與控制系統(tǒng)的輸入端相連接;
[0013]控制系統(tǒng)的輸出端與可控電源以及供水裝置相連接，可控電源的輸出端與勵(lì)磁線圈相連接。
[0014]所述供水裝置包括:液體泵、儲液箱、以及電機(jī)；液體箱通過軟管與液體泵相連，液體泵與儲液箱相連，電機(jī)的一端與液體泵相連，電機(jī)的另一端與控制系統(tǒng)的輸出端相連。
[0015]所述液體箱通過活塞分為液體下腔和空氣上腔，活塞上安裝有彈簧，彈簧的另一端與液體箱的頂部相連接。
[0016]所述U形基架、預(yù)緊螺栓、夾板以及吸振塊為高導(dǎo)磁材料。
[0017]一種固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器的控制方法，包括以下步驟:
[0018]I)、獲取復(fù)合型動力吸振器所受外界激振頻率ω ；
[0019]2)、設(shè)減振頻帶為[J ^da ，、并將減振頻帶四等分，其四等分頻帶的

Vm + Am V ηι
端點(diǎn)分別記為O1, ω2, ω3, ω4, ω5，其中:
[0020]第一頻段為:[ω” ω 2]，即[J-^，]；


Vm + Am VmH- Am
[0021]第二頻段為:[ω2,ω3],即[^min ，J ^ ]；


y m4- Δ///Χ| y /// + Δ///Χ|
[0022]第三頻段為:[ω3，ω J，即[；


Vm + Δ/Μχ2 、m + Amx2
[0023]第四頻段為:[ω4，ω5]，即[J5^，β^]-
Vm V咐
[0024]式中，kmin為復(fù)合型動力吸振器最小剛度，即未加電流時(shí)的剛度，kmax為復(fù)合型動力吸振器最大剛度，即加電流最大時(shí)的剛度，m為固定質(zhì)量單元的質(zhì)量，Am為第一頻段液體箱內(nèi)可變質(zhì)量，Amxl為第二頻段液體箱內(nèi)可變質(zhì)量，Amx2為第三頻段液體箱內(nèi)可變質(zhì)量；
[0025]并且，令:
I k— _ I Km
V m + Am Vm + Am v,
[0026]< J~~=J~^(3)
y m + /Sm ' 丨 》m + Δ"ζ
I max — I^min
y m + Amx^y V m
[0027]得
k3 xm
Am=^nax--m

k'

min
k— XmX.X
[0028]i Amxl = --m(4)

k'

mm
Ak，X m
Amr0 =----m

k
[0029]3)、令:
I~[
O1 = J-———

^ Tnmin+Am
ω2 = I kmax = I k—

Vm + Am *y m + Δ/;?ν,
[0030]U3=J k—~(5)；

y m + Am v, y !n + Δ//ζ ^，
ωΛ = I kmm =
y mAmx^ V in
=J^l
Vm
[0031]4)、確定頻帶劃分關(guān)系后，在吸振器減振頻帶內(nèi)，液體箱內(nèi)可變質(zhì)量mx的控制采用如下控制策略:
Am.......................ω, <ω< ω2
[0032]fn=< A"(6)
Amr2....................CO^ < ω < ω4
0........................(O4 < ω < (O^
[0033]5)、控制系統(tǒng)根據(jù)所獲得的復(fù)合型動力吸振器所受外界激振頻率ω，以及減振頻帶所對應(yīng)的控制策略，控制供水裝置對水箱進(jìn)行注入或輸出水量；并且，控制系統(tǒng)獲取吸振器所需剛度，根據(jù)吸振器所需剛度與電流的關(guān)系，確定所需施加的電流，同時(shí)據(jù)所需施加的電流，將控制信號傳給可控電源，可控電源接收控制信號后調(diào)節(jié)輸送給勵(lì)磁線圈的電流，對剛度進(jìn)行細(xì)調(diào)，通過剛度細(xì)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對外界頻率ω的追蹤。
[0034]所述獲取復(fù)合型動力吸振器所受外界激振頻率ω的居圖過程為:
[0035]電荷放大器接收由加速度傳感器傳來的加速度信號，將加速度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘柌魉徒o控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收電荷信號后，經(jīng)快速傅里葉變換獲得復(fù)合型動力吸振器所受外界激振頻率ω。
[0036]與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的有益效果為:
[0037]1、本發(fā)明提供了一種固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器，該裝置由于設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號采集單元以及控制系統(tǒng)組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)信號采集單元以及控制系統(tǒng)對吸振器的固有頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得吸振器的結(jié)構(gòu)簡單，控制方法容易實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)可靠性高。
[0038]2、本發(fā)明通過對吸振器剛度和質(zhì)量的兩個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)，在現(xiàn)有自適應(yīng)式吸振器的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓寬了吸振器的有效減振頻帶。
[0039]3、本發(fā)明振動控制響應(yīng)速度快，設(shè)計(jì)采用剛度、質(zhì)量同時(shí)調(diào)節(jié)，可使吸振器快速調(diào)整固有頻率，大幅降低了控制響應(yīng)時(shí)間。
[0040]4、本發(fā)明減振效果明顯，在復(fù)合型動力吸振器振動頻率基本穩(wěn)定情況下，可以有效對復(fù)合型動力吸振器減振
[0041]5、耗能少，本設(shè)計(jì)只需提供改變磁場的電流以及電動機(jī)泵液電流，大幅降低了主動控制所需的能量。
[0042]6、本發(fā)明提供了一種固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器的控制方法，通過對吸振器剛度和質(zhì)量的兩個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)，使得調(diào)節(jié)可靠性高，設(shè)計(jì)采用雙系統(tǒng)獨(dú)立控制，剛度可調(diào)單元與質(zhì)量可調(diào)單元相互獨(dú)立，當(dāng)某一單元出現(xiàn)故障時(shí)，可避免吸振器調(diào)節(jié)性能全失的缺陷，其性能更加穩(wěn)定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]圖1為傳統(tǒng)動力吸振器裝置原理圖；
[0044]圖2為本發(fā)明固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖3為本發(fā)明剛度可調(diào)單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖4為本發(fā)明剛度可調(diào)單元磁場流通示意圖；
[0047]圖5為本發(fā)明質(zhì)量可調(diào)單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖6為本發(fā)明受控系統(tǒng)時(shí)域圖；
[0049]圖7為本發(fā)明頻率拓寬效果對比圖；
[0050]圖8為剛度與電流的關(guān)系一擬合曲線圖；
[0051]圖9為不同電流下復(fù)合型動力吸振器幅頻特性曲線圖。
[0052]圖中，I為剛度可調(diào)單元，2為吸振塊，3為預(yù)緊螺栓，4為U形基架，5為勵(lì)磁線圈，6為磁流變彈性體，7為夾板，8為磁場線，9為固定質(zhì)量單元，10為液體箱，11為加速度傳感器，12為軟管，13為流量傳感器，14為可控電源，15為控制系統(tǒng)，16為電荷放大器，17為電機(jī)，18、液體泵，19為儲液箱，20為彈簧，21為液體下腔，22為活塞，23為空氣上腔。

【具體實(shí)施方式】
:
[0053]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0054]如圖2、3、4所示，本發(fā)明提供了一種固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器，包括:執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號采集單元、以及控制系統(tǒng)15 ；
[0055]執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:設(shè)置于振動物體上的剛度可調(diào)單元1，剛度可調(diào)單元I上設(shè)置有固定質(zhì)量單元9，固定質(zhì)量單元9上安裝有水箱10，水箱10上連接有供水裝置；其中，剛度可調(diào)單元I包括設(shè)置于振動物體上的U形基架4，U形基架4上安裝有用于產(chǎn)生磁場的勵(lì)磁線圈5，U形基架4的開口處通過安裝預(yù)緊螺栓3安裝有一對夾板7，夾板7之間通過磁流變彈性體6夾持有吸振塊2，組成一個(gè)閉合的導(dǎo)磁回路，固定質(zhì)量單元9安裝于吸振塊2上；所述供水裝置包括:液體泵18、儲液箱19、以及電機(jī)17 ;液體箱10通過軟管12與液體泵18相連，液體泵18與儲液箱19相連，電機(jī)17的一端與液體泵18相連，電機(jī)17的另一端與控制系統(tǒng)15的輸出端相連。
[0056]信號采集單元包括:安裝于固定質(zhì)量單元9上用于對吸振器進(jìn)行振動信號采集的加速度傳感器11、與供水裝置相連接的流量傳感器13、以及電荷放大器16，加速度傳感器11的輸出端與電荷放大器16的輸入端連接；電荷放大器16和流量傳感器13的輸出端與控制系統(tǒng)15的輸入端相連接；
[0057]控制系統(tǒng)15的輸出端與可控電源14以及供水裝置相連接，可控電源14的輸出端與勵(lì)磁線圈5相連接。
[0058]如圖5所示，所述液體箱10通過活塞22分為液體下腔21和空氣上腔23，活塞22上安裝有彈簧20，彈簧20的另一端與液體箱10的頂部相連接。
[0059]需要說明的是，本發(fā)明中U形基架4、預(yù)緊螺栓3、夾板7以及吸振塊2為高導(dǎo)磁材料，并且U形基架4、預(yù)緊螺栓3、夾板7、磁流變彈性體6、吸振塊2組成一個(gè)閉合的導(dǎo)磁回路，磁場方向垂直穿過磁流變彈性體6，磁場方向如磁場線8所示。
[0060]本發(fā)明利用磁流變彈性體6作為吸振器的彈性元件，吸振器質(zhì)量分為固定質(zhì)量單元9的質(zhì)量和可調(diào)質(zhì)量中水箱10的質(zhì)量。通過磁流變彈性體6剛度的改變和吸振器有效質(zhì)量的改變來調(diào)整吸振器的固有頻率。利用加速度傳感器11采集復(fù)合型動力吸振器振動信號，經(jīng)電荷放大器16傳送給控制系統(tǒng)15，所述控制系統(tǒng)15為計(jì)算機(jī)，控制系統(tǒng)15對信號進(jìn)行快速傅里葉變換，得出復(fù)合型動力吸振器所受外界激振頻率，依此發(fā)出控制信號，控制可控電源14電流的大小來改變磁流變彈性體6所處的磁場，同時(shí)改變供給電機(jī)17的電流來控制液體泵18泵入或泵出液體，其中且軟管12上附有液體流量傳感器13，對液體流量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。經(jīng)過上述對吸振器剛度和質(zhì)量的調(diào)節(jié)，快速改變吸振器固有頻率，以實(shí)現(xiàn)對外界激振頻率的追蹤，達(dá)到最優(yōu)減振。
[0061]本發(fā)明還提供了一種固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器的控制方法，包括以下步驟:
[0062]I)、獲取復(fù)合型動力吸振器所受外界激振頻率ω ；
[0063]2)、設(shè)減振頻帶為[J，J5:]，并將減振頻帶四等分，其四等分頻帶的

)jmmm +Am ^mnun
端點(diǎn)分別記為ω。ω2, ω3, ω4, ω5，如圖8所示,其中:
[0064]第一頻段為:[ω”ω2],L^].Vm + Am V + Δ/?7
[0065]第二頻段為:[ω2，ω J，即[J ^ ，J ^ ;


y ηι + Δ//7νΙ y m + Amxl
[0066]第三頻段為:[ω3，ω J，即[I ^ ， I ^ ；


y /77 + Am v2 y m + Am ^
[0067]第四頻段為:[ω4，ω5]，即C，
Vηι V ,η
[0068]式中，kmin為復(fù)合型動力吸振器最小剛度，即未加電流時(shí)的剛度，kmax為復(fù)合型動力吸振器最大剛度，即加電流最大時(shí)的剛度，m為固定質(zhì)量單元的質(zhì)量，Am為第一頻段液體箱內(nèi)可變質(zhì)量，Amxl為第二頻段液體箱內(nèi)可變質(zhì)量，Amx2為第三頻段液體箱內(nèi)可變質(zhì)量；
[0069]并且，為保證整個(gè)頻段連續(xù)，令:
I^max _ I ^min
Vm + Am y m + Amxi
[0070], I ^nax = I Kmn _(3)
y in + Am v I y m + Am v,
I ^max _ I^min
N m + Δ/--'， \ m
[0071]得

b3 X m
Δ///=^；---m

^min
[0072]< Amxl =倉―廣w —m(4)

^min.^max X m
Am -, --m


Jr
^Kmm
[0073]3)、公式(4)中，由Am與吸振器不變質(zhì)量m的關(guān)系可確定Am，進(jìn)而依次確定Amxl, Amx2，至此保證吸振器在整個(gè)頻帶上連續(xù)。令:
I 女-
Vmmrn+A/?
Γ? I T
④ _ I max _ I_mm
—m + Am y m + Am x,
[0074]L3==J k^-(5);

+ Am v, y m + Am Y 2
ω4= I k—
y m + Amy^ V m
,, I 灸max
^5=1 -
Vm
[0075]4)、確定頻帶劃分關(guān)系后，在吸振器減振頻帶內(nèi)，液體箱10內(nèi)可變質(zhì)量mx的控制釆用如下控制策略:
Am.......................ωχ <ω<ω2
Am.....................ω、< ω < ox
[0076]mx=\一 Y(6)
Δ//2」....................0J> < CO < (O1
λ ZJ4
0........................ω4 <ω< ω5
[0077]5)、控制系統(tǒng)15根據(jù)所獲得的復(fù)合型動力吸振器所受外界激振頻率ω，以及減振頻帶所對應(yīng)的控制策略，控制供水裝置對水箱10進(jìn)行注入或輸出水量；并且，控制系統(tǒng)15獲取吸振器所需剛度，根據(jù)吸振器所需剛度與電流的關(guān)系，確定所需施加的電流，同時(shí)據(jù)所需施加的電流，將控制信號傳給可控電源14，可控電源14接收控制信號后調(diào)節(jié)輸送給勵(lì)磁線圈5的電流，對剛度進(jìn)行細(xì)調(diào)，通過剛度細(xì)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對外界頻率ω的追蹤，達(dá)到最優(yōu)減振。圖6中受控系統(tǒng)在本設(shè)計(jì)作用下的時(shí)域圖。當(dāng)吸振器工作過程中，固有頻率不等于外界激振頻率時(shí)，通過對頻段判斷進(jìn)行質(zhì)量調(diào)節(jié)以及剛度細(xì)調(diào)后，使吸振器對外界激振頻率進(jìn)行追蹤，最終達(dá)到最優(yōu)控制。
[0078]所述步驟5)中根據(jù)吸振器所需K剛度與電流I的關(guān)系為:

[1060.1/^4538.8/' -5212.7/2 +724.2/+9085.6(0 < / < I M
[0079]K = \.,V

(12040(/ >1.5)
[0080]由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測得電流與吸振器固有頻率的關(guān)系，根據(jù)公式/ =，可推得k





2π V fn
=(2 31 f) 2m,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:(吸振器質(zhì)量m為0.4kg)
[0081]
電流 I [ο [05 [I[ΤΓδ [2
固有頻率 23.98~25.47 27.03 27?5 27.62

9085.6 10249.8 11543.8 11948.8 12053.3
[0082]圖8為電流和剛度的擬合曲線關(guān)系(適合電流為O?1.5A)，正常情況下，剛度和電流關(guān)系應(yīng)該為一滯回曲線。圖9為不同電流下復(fù)合型動力吸振器幅頻特性曲線，自左向右電流分別為0A，0.5A，1A，1.5A。
[0083]本設(shè)計(jì)相對于現(xiàn)有變剛度吸振器和變質(zhì)量吸振器進(jìn)一步拓寬了有效減振頻帶，具有重要工程應(yīng)用價(jià)值，具體頻帶拓寬效果如圖7所示，其中，(a)為質(zhì)量調(diào)節(jié)頻帶拓寬效果圖，(b)為剛度調(diào)節(jié)頻帶拓寬效果圖，(C)為剛度質(zhì)量同時(shí)調(diào)節(jié)頻帶拓寬效果圖。
[0084]本發(fā)明的基本思路是利用智能材料一磁流變彈性體作為彈性元件，通過改變材料所處磁場的不同來調(diào)節(jié)剛度；利用吸振器液體箱內(nèi)液體的多少來改變吸振器的有效質(zhì)量，最終改變吸振器的固有頻率。其工作原理簡述如下:

τ~
[0085]由前面所述，吸振器固有頻率為《 ——，其中m和k分別為吸振器的有效質(zhì)量




V"I
和剛度。設(shè)本吸振器的最小剛度，即未加電流時(shí)的剛度，為kmin，最大剛度，即在有效范圍內(nèi)所加電流最大時(shí)的剛度，為kmax ;可變質(zhì)量的最小值為mmin,最大值為mmin+Am,其中Am為可調(diào)質(zhì)量。依據(jù)上述吸振器固有頻率計(jì)算式可知，本設(shè)計(jì)的最小和最大固有頻率分別為份.=J km,\ -、?max=J^l-，故本設(shè)計(jì)的有效減振頻帶為
F?min +Δ--V mminV +V
同現(xiàn)有自適應(yīng)式吸振器相比，本發(fā)明中能夠同時(shí)調(diào)節(jié)固有頻率關(guān)系式中的分子與分母，進(jìn)一步提高了有效減振頻率的范圍。當(dāng)復(fù)合型動力吸振器所受外界激振頻率發(fā)生改變時(shí)，力口速度傳感器11將采集的信號經(jīng)電荷放大器16傳給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)15，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)15將信號經(jīng)快速傅里葉變換，求得外界激振頻率，以上述提出的質(zhì)量控制策略，結(jié)合彈性體剛度與電流的關(guān)系，確定吸振器最終的剛度和質(zhì)量，以此調(diào)節(jié)電流信號，可控電源14接收信號，及時(shí)輸出給勵(lì)磁線圈5最優(yōu)電流，對磁流變彈性體6的剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時(shí)調(diào)節(jié)輸給電機(jī)17的電流，使液體泵18泵入或泵出液體，以此調(diào)節(jié)吸振器的有效質(zhì)量。經(jīng)過以上過程調(diào)節(jié)吸振器的固有頻率，實(shí)現(xiàn)吸振器固有頻率對外界激振頻率的追蹤，達(dá)到對復(fù)合型動力吸振器的最優(yōu)減振。
【權(quán)利要求】
1.一種固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器，其特征在于，包括:執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號采集單元、以及控制系統(tǒng)(15)； 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:設(shè)置于振動物體上的剛度可調(diào)單元(I)，剛度可調(diào)單元(I)上設(shè)置有固定質(zhì)量單元(9)，固定質(zhì)量單元(9)上安裝有水箱(10)，水箱(10)上連接有供水裝置；其中，剛度可調(diào)單元(I)包括設(shè)置于振動物體上的U形基架(4)，U形基架(4)上安裝有用于產(chǎn)生磁場的勵(lì)磁線圈(5)，U形基架(4)的開口處通過安裝預(yù)緊螺栓(3)安裝有一對夾板(7)，夾板(7)之間通過磁流變彈性體(6)夾持有吸振塊(2)，組成一個(gè)閉合的導(dǎo)磁回路，固定質(zhì)量單元(9)安裝于吸振塊(2)上； 信號采集單元包括:安裝于固定質(zhì)量單元(9)上用于對吸振器進(jìn)行振動信號采集的加速度傳感器(11)、與供水裝置相連接的流量傳感器(13)、以及電荷放大器(16)，加速度傳感器(11)的輸出端與電荷放大器(16)的輸入端連接；電荷放大器(16)和流量傳感器(13)的輸出端與控制系統(tǒng)(15)的輸入端相連接； 控制系統(tǒng)(15)的輸出端與可控電源(14)以及供水裝置相連接，可控電源(14)的輸出端與勵(lì)磁線圈(5)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器，其特征在于，所述供水裝置包括:液體泵(18)、儲液箱(19)、以及電機(jī)(17);液體箱(10)通過軟管(12)與液體泵(18)相連，液體泵(18)與儲液箱(19)相連，電機(jī)(17)的一端與液體泵(18)相連，電機(jī)(17)的另一端與控制系統(tǒng)(15)的輸出端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器，其特征在于，所述液體箱(10)通過活塞(22)分為液體下腔(21)和空氣上腔(23)，活塞(22)上安裝有彈簧(20)，彈簧(20)的另一端與液體箱(10)的頂部相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器，其特征在于，所述U形基架(4)、預(yù)緊螺栓(3)、夾板(7)以及吸振塊(2)為高導(dǎo)磁材料。
5.一種基于權(quán)利要求1所述固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)、獲取復(fù)合型動力吸振器所受外界激振頻率ω； 2)、設(shè)減振頻帶為“kmmA ，并將減振頻帶四等分，其四等分頻帶的端
^mmin+Am Vminin點(diǎn)分別記為ω17 ω2, ω3, ω4, ω5，其中: 第一頻段為:[ω” ω2],即

Vm + Am V + Δ/;ζ
第二頻段為:[ω2，ω3]，即[J^^， I k- 3；

y m-\- Amxl y m + Δ/?ζνΙ 第三頻段為:[ω3，ω4]，即[J]；

y m-l.Amx2 y 第四頻段為:[ω4，ω5]，即[J5I，β^]；

Vm V fn 式中，kmin為復(fù)合型動力吸振器最小剛度，即未加電流時(shí)的剛度，kmax為復(fù)合型動力吸振器最大剛度，即加電流最大時(shí)的剛度，m為固定質(zhì)量單元的質(zhì)量，Am為第一頻段液體箱內(nèi)可變質(zhì)量，Amxl為第二頻段液體箱內(nèi)可變質(zhì)量，Amx2為第三頻段液體箱內(nèi)可變質(zhì)量； 并且，令:
I ^max _ I ^min
V ηι + Am y m-\-Amxl <i ^max I 倉—■(3) y m + AmrI m + Amv0
I ^max _ Kmn_
N m + Am γ2 V "I 得
k'1 X /// A… max… Δμ =----m
^min <Amll = k'u:'\Xm-m(4) 免L
k X ηι Am, ^-m
k.mm
3)、令:
=J kmin
VWmm +Δ? O1 = J kmsx = —_
V+ Am *y /;/ + Am vl <Oh = I = I 左—(5)；
y m + Am., y m + Δ/? ω4 = I kmm =.y /；7 + Δ/；；ρ V 咐
Vm 4)、確定頻帶劃分關(guān)系后，在吸振器減振頻帶內(nèi)，液體箱(10)內(nèi)可變質(zhì)量mx的控制采用如下控制策略:
Am.......................α\ < ω < οχ
Δ/?λ:....................α^ω<ω,Mx\?)....................ω.< ω < ωΑ
0........................ωΛ <ω< 5)、控制系統(tǒng)(15)根據(jù)所獲得的復(fù)合型動力吸振器所受外界激振頻率ω，以及減振頻帶所對應(yīng)的控制策略，控制供水裝置對水箱(10)進(jìn)行注入或輸出水量；并且，控制系統(tǒng)(15)獲取吸振器所需剛度，根據(jù)吸振器所需剛度與電流的關(guān)系，確定所需施加的電流，同時(shí)據(jù)所需施加的電流，將控制信號傳給可控電源(14)，可控電源(14)接收控制信號后調(diào)節(jié)輸送給勵(lì)磁線圈(5)的電流，對剛度進(jìn)行細(xì)調(diào)，通過剛度細(xì)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對外界頻率ω的追蹤。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固有頻率可調(diào)的復(fù)合型動力吸振器的控制方法，其特征在于，所述獲取復(fù)合型動力吸振器所受外界激振頻率ω的過程為: 電荷放大器(16)接收由加速度傳感器(11)傳來的加速度信號，將加速度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘柌魉徒o控制系統(tǒng)(15)，控制系統(tǒng)(15)接收電荷信號后，經(jīng)快速傅里葉變換獲得復(fù)合型動力吸振器所受外界激振頻率ω。
【文檔編號】F16F9/53GK104141723SQ201410299504
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】高強(qiáng), 宋偉志, 趙艷青, 張東力, 張猛, 張多 申請人:長安大學(xué)