基于自适应电磁阻尼的弹簧隔振装置及隔振方法

技术领域

本发明属于环境振动及噪声控制领域，具体涉及一种基于自适应电磁 阻尼的弹簧隔振装置及隔振方法。

背景技术

振动及其引起的二次结构噪声对周围环境的影响，主要是通过振动传 递来完成的。隔离振动的传递或增加振动的传递损失可以有效地控制振动 及其产生的二次结构噪声影响。目前，在设备和轨道交通等振动控制工程 中，应用最广泛的振动控制措施即在振动设备下安装隔振器，合理设计的 隔振器隔振效果可达85％～90％以上。

影响隔振器隔振性能的主要指标包括频率比和阻尼比。根据振动力传 递率与频率比、阻尼比的关系图(图1)可知，当频率比大于时，力传 递率小于1，系统起隔振作用，且频率比比值越大，隔振效果越佳。由此， 要提高系统的隔振效果，关键在于提高频率比，即要求系统有尽可能低的 固有频率。同时，阻尼比对隔振效果也会产生很大影响，在隔振区(激振 频率与系统固有频率之比大于区)隔振效果与阻尼比成反比，这就要 求在隔振区选择小阻尼的隔振器。然而，实际隔振技术中必须考虑机器设 备、车辆等在起动或止动过程中激振力从无到有、从有到无的变化过程， 激励频率变化会越过共振频率，如果阻尼过小，越过共振频率时，传递给 基础的力(力传递率)显著增大，可导致与基础相连的建筑(含桥梁)产 生严重的二次结构噪声污染，同时由于越过共振频率时隔振对象的振动速 度和振幅过大，可能导致设备和基础受损甚至机车脱轨等严重后果。因此， 一个理想的隔振系统，应在较宽的激振频率(含隔振区和非隔振区)上均 能有效控制力传递率，同时有效控制隔振对象的振幅，对此技术上可通过 降低隔振系统固有频率(提高频率比)和为隔振系统提供自适应阻尼实现。

在隔振设计中，当采用弹簧隔振器不能满足阻尼要求而采用橡胶隔振 器又不能满足低固有频率要求时，一般会采用弹簧与橡胶组合隔振器。专 利CN102207164A提出了一种电磁阻尼减振器，有激振力时，先通过橡胶 减振筒和弹簧产生弹性力缓解外界激励力，继而随着永磁铁间的相对运动 使感应线圈产生感生磁场，该感生磁场总是阻碍磁通密度的变化，从而减 缓永磁铁间的相对运动，起到减振作用。然而，该减振器存在以下缺点： (1)该感应线圈产生的感应电流大小有限，即其所能提供的电磁阻尼力 有限；(2)该减振器设计通过橡胶减振筒、永磁铁以及感应电流产生的磁 场增加系统的阻尼，但阻尼力不随外界激振频率的变化而变化，牺牲了系 统在稳定工作状态(激振频率与系统固有频率之比大于)下的隔振效 率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于自适应电磁阻尼的弹簧隔振装置及隔 振方法，该隔振装置既具有较低的固有频率，又能实现阻尼自适应调整。 根据被隔振对象的振动参数信号，当激振频率小于装置固有频率的倍 且振动位移超过一定数值时，装置内线圈通电，通过控制线圈内电流的大 小和方向，使线圈在径向磁场中始终受到一个与振动速度方向相反的电磁 阻尼力，且该电磁阻尼力大小不超过外界激振力大小，大大降低隔振装置 在固有频率附近的力传递率；当激振频率大于装置固有频率的倍时， 装置内线圈断电，外加阻尼力消失，使装置具有较高的隔振效率。这种基 于自适应电磁阻尼的弹簧隔振装置在对隔振效率要求较高，同时对隔振对 象振幅要求严格的振动(特别是低频振动)控制领域可发挥重要作用。

本发明具体的技术方案如下：

一种基于自适应电磁阻尼的弹簧隔振装置，包括：径向磁场产生单元， 弹簧隔振单元，电磁阻尼产生单元，控制单元以及抗磁外壳。

所述径向磁场产生单元包括：两个圆柱形空心永磁铁。所述两个圆柱 形空心永磁铁的充磁方式均为辐射充磁，内侧为S极，外侧为N极，同轴放 置，下端面与底座固定连接，上端面与负载平台保持一定空隙。在两圆柱 形空心永磁铁间形成水平向外的径向磁场(也可通过改变充磁方向形成水 平向内的径向磁场)。

所述弹簧隔振单元包括：负载平台、螺旋弹簧和底座。所述螺旋弹簧 具有较低的固有频率，并置于两圆柱形空心永磁铁产生的径向磁场中，上 端面与负载平台固定连接，下端面与底座固定连接，这与传统弹簧隔振器 类似。

所述电磁阻尼产生单元包括：线圈、直流电源、可变电阻和电流流向 转换器。所述线圈呈与螺旋弹簧类似的旋绕状，沿着螺旋弹簧的旋绕方向 固定在弹簧上，即处于两圆柱形空心永磁铁产生的径向磁场中，线圈与螺 旋弹簧间绝缘。所述直流电源用于为线圈供电。所述可变电阻、电流流向 转换器均受控制单元控制，所述可变电阻用于调整线圈中电流的大小，所 述电流流向转换器用于控制线圈的通电与否以及改变线圈中的电流方向。 图4给出了一种所述电流流向转换器的原理示意图，其主要由4个三极管通 过“H桥”式电路连接而成。当4个三极管均处于截止状态时，线圈中没有 电流通过；当三极管Q1、三极管Q4导通而三极管Q2、三极管Q3截止时， 电流从左至右流过线圈；当三极管Q2、三极管Q3导通而三极管Q1、三极 管Q4截止时，电流从右至左流过线圈。因而，通过控制4个三极管的导通 方式即可控制线圈中的电流流向。

所述控制单元包括：位移传感器和微处理器。所述微处理器又包括运 算器和控制器。所述位移传感器设置在负载平台下端面。所述微处理器与 位移传感器、电流流向转换器、可变电阻等部件连接，通过接收、分析位 移传感器感测到的被隔振对象振动参数信号控制电流流向转换器和可变 电阻。

所述抗磁外壳包括：两端开口的金属抗磁套筒。所述金属抗磁套筒下 端固定在底座上，上端与负载平台保持一定空隙。

上述弹簧隔振装置的工作原理如下：

微处理器接收负载平台下端面上位移传感器感测到的外部激振力信 号，并由运算器分析得到被隔振对象的振动参数信号，包括位移、速度、 频率等。当激振频率小于装置固有频率的倍且振动位移超过一定数值 时，控制器控制电流流向转换器中对角线上一对三极管导通使线圈通电。 同时，根据判断安培力方向的左手定则，控制器通过控制电流流向转换器 中的三极管导通方式(Q1、Q4导通，Q2、Q3截止；Q2、Q3导通，Q1、 Q4截止)以及可变电阻的电阻值大小控制线圈中的电流方向和大小，使线 圈在径向磁场中始终受到一个与振动速度方向相反的电磁阻尼力，且该电 磁阻尼力大小不超过外界激振力大小，即当外界激振力较小时，控制器控 制可变电阻的电阻值增大以减小线圈中通过的电流大小，从而减小电磁阻 尼力。当激振频率大于装置固有频率的倍时，控制器控制电流流向转 换器中所有三极管截止使线圈断电，电磁阻尼力消失。

本发明实施后的有益效果是，通过给弹簧隔振器提供自适应电磁阻尼 力，在保持弹簧隔振器较低固有频率情况下，使隔振器满足不同工况下(不 同激振频率)的隔振要求。当被隔振对象在起动或止动过程中激励频率变 化越过共振频率时，增加隔振器阻尼以减小弹簧隔振器的振动传递率，同 时有效减小被隔振对象的振幅；当被隔振对象稳定工作时，减小隔振器阻 尼以提高隔振装置的隔振效率。同时，可通过增加线圈的匝数、采用超导 材料提高线圈中电流的大小等方式获得一个较大的电磁阻尼力，以满足不 同场合的减振要求，特别是需要较大阻尼力的振动控制场合。

附图说明

图1为隔振系统典型的振动力传递率与频率比、阻尼比关系图；

图2为一种基于自适应电磁阻尼的弹簧隔振装置的剖面示意图；

图3为一种基于自适应电磁阻尼的弹簧隔振装置的俯视图(不包括控 制器、电流流向转换器、可变电阻、直流电源等部件)；

图4为电流流向转换器的原理示意图。

图中：1、金属抗磁套筒；2、外圆柱形空心永磁铁；3、负载平台；4、 内圆柱形空心永磁铁；5、螺旋弹簧；6、线圈；7、位移传感器；8、微处 理器(包括8.1、运算器；8.2、控制器)；9、电流流向转换器；10、可变 电阻；11、直流电源；12、底座；Q1、Q2、Q3、Q4为4个三极管。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图2和图3所示，依据本发明的技术方案实施的一种基于自适应电 磁阻尼的弹簧隔振装置包括：金属抗磁套筒1、外圆柱形空心永磁铁2、 负载平台3、内圆柱形空心永磁铁4、螺旋弹簧5、线圈6、位移传感器7、 微处理器8、电流流向转换器9、可变电阻10、直流电源11、底座12等 部件。其中，金属抗磁套筒1两端开口，下端固定在底座12上，上端与 负载平台3保持一定空隙，用于防止内、外圆柱形空心永磁铁4、2磁性 对外界的影响。内、外圆柱形空心永磁铁4、2用于产生径向磁场，两者 同轴放置，下端面与底座12固定连接，上端面与负载平台3保持一定空 隙，并且都经过辐射充磁，内侧为S极，外侧为N极，从而在两圆柱形空 心永磁铁2、4间形成水平向外的径向磁场。螺旋弹簧5置于两圆柱形空 心永磁铁2、4产生的径向磁场中，上端面与负载平台3固定连接，下端 面与底座12固定连接，线圈6呈与螺旋弹簧5类似的旋绕状，沿着螺旋 弹簧5的旋绕方向固定在螺旋弹簧5上，并与螺旋弹簧5间保持绝缘。位 移传感器7固定在负载平台3下端面上，用于感测外部激振力信号，并将 信号传给微处理器8，由运算器8.1分析得到被隔振对象的振动参数信号， 包括位移、速度、频率等参数，然后由控制器8.2根据被隔振对象振动参 数信号控制电流流向转换器9和可变电阻10。

本发明的具体工作过程为：当有外部激振力作用时，微处理器8接收 负载平台3下端面上位移传感器7感测到的外部激振力信号，并由运算器 8.1分析得到被隔振对象的振动参数信号，包括位移、速度、频率等参数。 当激振频率小于装置固有频率的倍且振动位移超过一定数值时，控制 器8.2控制电流流向转换器9中对角线上一对三极管导通使线圈通电。同 时，根据判断安培力方向的左手定则，控制器8.2通过控制电流流向转换 器9中的三极管导通方式(Q₁、Q₄导通，Q₂、Q₃截止；Q₂、Q₃导通，Q₁、 Q₄截止)以及可变电阻10的电阻值大小控制线圈6中的电流方向和大小， 使线圈6在径向磁场中始终受到一个与振动速度方向相反的电磁阻尼力， 且该电磁阻尼力大小不超过外界激振力大小，即当外界激振力较小时，控 制器8.2控制可变电阻10的电阻值增大以减小线圈6中通过的电流大小， 从而减小电磁阻尼力。当激振频率大于装置固有频率的倍时，控制器 8.2控制电流流向转换器9中所有三极管截止使线圈6断电，电磁阻尼力 消失。由此，本发明实现了弹簧隔振装置电磁阻尼大小的自适应调整，总 的来说，当激振频率小于装置固有频率的倍时，隔振器通过外加电磁 阻尼以减小振动传递率；当激振频率大于装置固有频率的倍时，隔振 器外加电磁阻尼消失以提高隔振器的隔振效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本 发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。