弹性装置、控制方法、吸振器、隔振器及振动能量采集器

1.本发明涉及振动控制技术领域，特别是船用振动控制技术领域。


背景技术：

2.机械设备在运行过程中不可避免地会产生振动。长时间、大振幅的振动会对机械设备的运行效果和寿命产生不利影响。例如，机械设备在运行过程中发出较大的噪声，机械设备运行一定时间后部件产生裂纹等。这些不利影响严重的会危及整个设备的安全甚至操作人员的生命安全。为此，需要采取措施解决机械设备的振动带来的不利影响。
3.消解机械设备的振动的不利影响的手段，主要包括吸振器、隔振器等方式。针对机械设备产生的小振幅振动通常采用线性振动理论进行分析，对应设计出的减振设备为具有线性刚度的吸振器、隔振器(也被称为线性吸振器、线性隔振器)。上述线性吸振器、线性隔振器在一定程度上能够解决大部分设备的振动问题。但线性吸振器、线性隔振器只在反谐振点附近的窄频带能够有效解决振动问题，窄带频率的特性极大限制了线性吸振器、线性隔振器在工程中的应用。对于大功率、运行工况复杂、高精度的机械设备，例如船用动力设备，线性吸振器、线性隔振器已经无法满足其减振要求。
4.随着振动理论的不断发展，非线性因素被引入传统吸振器、隔振器以提高减振性能。非线性因素存在时，相应的吸振器、隔振器被称为非线性吸振器、非线性隔振器。非线性吸振器、非线性隔振器具有更宽的工作频带，且适用于各种工况的机械设备。但非线性吸振器、非线性隔振器目前仍存在一定的问题：虽然非线性吸振器、非线性隔振器的理论比较成熟，但在实现理论机制的过程中由于诸多实际问题的存在，使得现有的非线性吸振器、非线性隔振器难以达到理论上的设计目标。例如图1所示的非线性吸振器、非线性隔振器的力学模型，经过理论分析，能够获知通过调整横向弹簧的参数来实现非线性吸振器、非线性隔振器的功能，但在调整横向弹簧的参数时，不同的横向弹簧的参数很难被调整得一致，从而使得理论上的设计目标在实际中难以达成。


技术实现要素：

5.为了解决现有非线性吸振器、非线性隔振器存在的难以实现理论设计目标的问题，本发明提供了一种弹性装置、控制方法、吸振器、隔振器及振动能量采集器。
6.本发明的技术方案如下：
7.弹性装置，包括竖向弹性单元和若干横向弹性单元，所述横向弹性单元包括横向弹簧，所述竖向弹性单元包括竖向弹簧，所述横向弹簧的轴线与所述竖向弹簧的轴线相交；所述横向弹性单元的第一端与所述竖向弹性单元连接，所述横向弹性单元以所述竖向弹性单元为中心沿横向方向呈辐射状分布设置；还包括环绕所述竖向弹性单元设置的滑块单元，以及滑块导轨单元；所述滑块单元包括滑块，所述滑块导轨单元包括滑块导轨，所述滑块导轨的轨迹包括阿基米德螺线；所述滑块设置在所述滑块导轨上；所述横向弹性单元的第二端与所述滑块单元连接；所述滑块导轨单元包括转盘，所述滑块导轨设置在所述转盘
上，所述转盘的转动中心与所述阿基米德螺线的中心点重合。
8.可选地，还包括能驱动所述转盘转动的传动机构和动力源；所述传动机构分别连接所述转盘和所述动力源。
9.可选地，所述动力源包括步进电机。
10.可选地，所述滑块导轨单元包括向心约束导轨；所述向心约束导轨包括直线形导轨，所述直线形导轨的轴线与所述竖向弹簧的轴线相交；所述滑块设置在所述向心约束导轨上。
11.可选地，所述横向弹性单元包括设置在所述横向弹簧两端的第一横向弹簧基座和第二横向弹簧基座；所述第一横向弹簧基座与所述竖向弹性单元铰接；所述第二横向弹簧基座与所述滑块单元铰接。
12.可选地，所述竖向弹性单元包括中心支架；所述竖向弹簧的一端与所述中心支架连接；所述第一横向弹簧基座与所述中心支架铰接。
13.可选地，所述弹性装置还包括滑动贯穿所述中心支架的导杆；所述导杆的轴线与所述竖向弹簧的轴线平行或重合。
14.可选地，所述横向弹簧单元以所述竖向弹簧的轴线为中心对称分布设置。
15.可选地，所述横向弹簧单元的数量包括4。
16.对前述弹性装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
17.a、获取振动源的一个测量周期t内的加速度信号、速度信号或位移信号x1(t)；
18.b、获取所述弹性装置的一个测量周期t内的加速度信号、速度信号或位移信号x2(t)；
19.c、按以下公式计算点积值：
[0020][0021]
d、当所述点积值大于零值或零值所在的阈值区间时，拉伸所述横向弹簧；当点积值小于零值或零值所在的阈值区间时，压缩所述横向弹簧。
[0022]
可选地，拉伸所述横向弹簧或压缩所述横向弹簧通过转动所述转盘实现。
[0023]
吸振器，包括如前所述弹性装置。
[0024]
隔振器，包括如前所述弹性装置。
[0025]
振动能量采集器，包括如前所述弹性装置。
[0026]
本发明的技术效果如下：
[0027]
本发明的弹性装置包括刚度可调的非线性机构，图1为该非线性机构的力学模型。假设横向弹簧101的平动刚度为kh，竖向弹簧103的平动刚度为kv；横向弹簧101的初始长度(即横向弹簧当前的长度)为lh，竖向弹簧103的初始长度(即竖向弹簧当前的长度)为lv；横向弹簧101的原始长度(即弹簧没有被压缩或拉伸时的长度)为l
h0
，竖向弹簧103的原始长度(即弹簧没有被压缩或拉伸时的长度)为l
v0
；质量块102的质量为mn，质量块102的位移为un；横向弹簧101的数量为n。则非线性机构的竖直方向的恢复力fv为：
[0028][0029]
当un≤0.2lh时，上式可以简化为：
[0030]
fv＝kv(l
v-l
v0
)+k
l
un+knu
n3
[0031]
其中，k
l
为非线性机构的等效线性刚度，kn为非线性机构的等效非线性刚度，根据力学关系推导出以下公式：
[0032][0033][0034]
由以上力学模型的分析可知，通过改变竖向弹簧103的刚度和横向弹簧101的初始长度，可以调整非线性机构的等效线性刚度。非线性机构的等效非线性刚度仅与横向弹簧101有关。通过调节横向弹簧101的结构参数和横向弹簧101的数量，可以控制非线性机构的等效非线性刚度。在实际应用中，一旦非线性机构已经附加到控制结构上，横向弹簧的刚度调整是极其困难的。此外，虽然横向弹簧的数量可以用来调整非线性机构的等效非线性刚度，但这种控制方法在工程实践中难以实现。因此通过调节横向弹簧的长度来调整非线性刚度机构的刚度是可行的。
[0035]
本发明的弹性装置的滑块单元与横向弹簧连接，并可以在滑块导轨单元滑动，从而实现了拉伸或压缩横向弹簧的功能。滑块导轨单元包括具有阿基米德螺线轨迹的滑块导轨，该滑块导轨设置在转盘上。由于阿基米德螺线是一个点匀速离开一个固定点的同时又以固定的角速度绕该固定点转动而产生的轨迹，因此，本发明的滑块导轨可以确保在转盘转动时，不同的滑块相对于转盘中心移动的距离相同，即不同滑块对应连接的横向弹簧的伸缩量是一致的。因此，本发明的弹性装置能够精确实现图1所示力学模型的理论设计，实现了本发明的目的。
[0036]
上述可选方式所具有的进一步效果，将在下文中结合具体实施方式加以说明。
附图说明
[0037]
图1为非线性机构的力学模型原理图。
[0038]
图2为本发明的实施例的结构立体图。
[0039]
图3为图2所示实施例的非线性机构部分的俯视图。
[0040]
图4为图3所示部分的立体图。
[0041]
图5为图2所示实施例的滑块导轨单元的俯视图。
[0042]
图6为图2所示实施例的滑块与滑块导轨单元的装配图。
[0043]
图7为图2所示实施例的滑块的立体图。
[0044]
图8为本发明控制方法的实施例的流程图。
[0045]
图9为图2所示实施例的第一个实验结果图。
[0046]
图10为图2所示实施例的第二个实验结果图。
[0047]
101、横向弹簧；102、质量块；103、竖向弹簧；
[0048]
201、步进电机；202、变速箱；203、非线性机构；
[0049]
301、滑块单元；302、横向弹性单元；303、竖向弹性单元；
[0050]
401、中心支架；402、第一横向弹簧基座；403、横向弹簧；404、第二横向弹簧基座；405、滑块；406、向心约束导轨；407、壳体；408、导杆；409、竖向弹簧；
[0051]
501、滑块导轨；502、转盘；
[0052]
701、滑块导轨槽；702、约束导轨槽。
具体实施方式
[0053]
以下结合附图所示的实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0054]
图2显示了本发明弹性装置的一个实施例的结构。弹性装置包括非线性机构203、变速箱202和步进电机201。其中变速箱202分别连接步进电机201和非线性机构203。步进电机201作为动力源通过作为传动机构的变速箱202驱动非线性机构203。
[0055]
图3和图4显示了图2所示实例中非线性机构203的具体结构。其中，从图3所示的俯视角度可见，非线性机构203包括滑块单元301、横向弹性单元302以及竖向弹性单元303。横向弹性单元302的一端与滑块单元301连接，横向弹性单元302的另一端与竖向弹性单元303连接。对应每个横向弹性单元302设置有一个滑块单元301。由于滑块单元301对应于横向弹性单元302设置，因此，滑块单元301也环绕竖向弹性单元303设置。
[0056]
图4进一步显示了非线性机构203的具体结构。其中竖向弹性单元303包括中心支架401、竖向弹簧409和导杆408。竖向弹簧409的一端连接在中心支架401上，中心支架401可以随着竖向弹簧409的伸缩而移动。在竖向弹簧409的中心设置有导杆408。导杆408的轴线与竖向弹簧409的轴线重合。竖向弹簧409的轴线方向即为竖向弹簧409伸缩方向。导杆408贯穿中心支架401，并与中心支架401滑动连接。当中心支架401随竖向弹簧409的伸缩而沿图4中的上下方向运动时，中心支架401能够沿导杆408滑动，使得中心支架401的运动方向不会偏离导杆408的轴线的方向。
[0057]
横向弹性单元302包括横向弹簧403。横向弹簧403的轴线与竖向弹簧409的轴线相交。横向弹簧403的轴线方向即横向弹簧403的伸缩方向。横向弹簧403的伸缩方向的一端设置有第一横向弹簧基座402，横向弹簧403的伸缩方向的另一端设置有第二横向弹簧基座404。横向弹簧403通过金属粘接剂连接于第一横向弹簧基座402和第二横向弹簧基座404。第一横向弹簧基座402与中心支架401铰接，第二横向弹簧基座404与滑块单元301铰接。横向弹性单元302的数量为4，并且以竖向弹性单元303为中心(具体的是以竖向弹簧409的轴线为中心)，沿横向方向呈辐射状分布。进一步地，横向弹性单元302以竖向弹簧409的轴线为中心对称分布设置，呈十字交叉状。需要指出的是，本发明采用的横向和竖向的措辞，并非限定两个方向呈90
°
垂直关系，也可是两个方向的夹角为非90
°
。
[0058]
图3中的滑块单元301包括滑块405。非线性机构203还包括图3中未示出的滑块导轨单元。参考图5、图6和图7可见，滑块导轨单元包括滑块导轨501和转盘502。滑块导轨501的轨迹呈阿基米德螺线形状。滑块导轨501设置在转盘502的一个盘面上；在转盘502的另一个盘面上设置有锥齿轮。滑块405与滑块导轨501接触的面上设置有滑块导轨槽701。滑块导轨槽701的形状、尺寸与相对应的滑块导轨501部分匹配，从而滑块405可以沿滑块导轨501滑动。滑块导轨501的轨迹为阿基米德螺线，该阿基米德螺线的中心与转盘502的转动中心重合。阿基米德螺线的中心是指该阿基米德螺线表达式所在坐标系的原点。
[0059]
从图4中可见，遮盖转盘502的壳体上设置有向心约束导轨406，滑块405设置在向
心约束导轨406上。具体的，滑块405上的约束导轨槽702与向心约束导轨406匹配，滑块405以约束导轨槽702与向心约束导轨406接触并滑动。从图4中可见，向心约束导轨406为直线形导轨，向心约束导轨406的轴线与竖向弹簧409的轴线相交。4条向心约束导轨406以竖向弹簧409的轴线为中心呈辐射状分布。
[0060]
以下结合图2、图4和图6，对本发明的弹性装置的工作过程进行说明，以进一步阐明本发明的技术方案。
[0061]
在步进电机201的驱动下，变速箱202转动转轴，该转轴端部的锥齿轮(图中未示出)与转盘502下方的锥齿轮啮合，进而驱动转盘502转动。步进电机201可以按控制指令精确转动相应的角度，因此，转盘502也能以相应精确的角度转动，提高了非线性机构203的精确度。变速箱202具有锁定功能，在输出转动力后即可锁定其转轴，从而固定了转盘502，提高了非线性机构203的稳定性。转盘502的顺时针或逆时针的转动，使得滑块405沿滑块导轨501滑动。由于阿基米德螺线是一个点匀速离开一个固定点的同时又以固定的角速度绕该固定点转动而产生的轨迹，因此，随着转盘502的转动，4个滑块405沿滑块导轨501的滑动的同时，以同样的速度和距离接近或远离转盘502的转动中心。另外，由于滑块405同时设置在向心约束导轨406上，因此，随着转盘502的转动，滑块405最终的运行轨迹为沿直线(向心约束导轨406的轴线)方向接近或远离竖向弹簧409。滑块单元301与竖向弹性单元303分别与横向弹性单元302铰接，因此，4个滑块405沿向心约束导轨406的同步滑动使得4个横向弹簧403发生等量的压缩或拉伸。由对图1所示的力学模型的分析可知，只有横向弹簧的伸缩量一致时，非线性机构的竖直方向的恢复力才能得到精确的控制。
[0062]
由于滑块单元301与竖向弹性单元303分别与横向弹性单元302铰接，使得横向弹簧403在工作过程中能够始终保持压缩、拉伸的状态(即不发生扭转、弯曲等复杂变形)。横向弹簧403不发生扭转、弯曲等复杂变形是非线性机构实现非线性特性的基础。
[0063]
图8显示了本发明的弹性装置应用于吸振器时的控制方法的过程。以下对该控制方法的过程进行详细说明。
[0064]
获取振动源的振动信号
[0065]
通过设置在振动源上的加速度传感器、速度传感器或位移传感器，获取振动源的一个测量周期t内的加速度信号、速度信号或位移信号x1(t)。
[0066]
获取弹性装置的振动信号
[0067]
通过设置在弹性装置上的加速度传感器、速度传感器或位移传感器，获取弹性装置的一个测量周期t内的加速度信号、速度信号或位移信号x2(t)。加速度传感器、速度传感器或位移传感器设置位置的一个例子是竖向弹性单元303。
[0068]
计算点积值
[0069]
按以下公式计算点积值：
[0070][0071]
点积值与零的差值
[0072]
将前述获得的点积值与零值进行比较。如果点积值大于零，表明非线性机构203的等效刚度高于最优刚度，则通过向步进电机201输出方波信号控制步进电机201的转动角度、转动时间，进而通过驱动转盘502转动拉伸横向弹簧403；如果点积值小于零，表明非线
性机构203的等效刚度低于最优刚度，则通过向步进电机201输出方波信号控制步进电机201的转动角度、转动时间，进而通过驱动转盘502转动压缩横向弹簧403；如果点积值等于零，表明振动源的振动相位与非线性机构203的振动相位相差90
°
，即振动源与非线性机构203的运动正交。此时，非线性机构203的振动控制效果达到最优，此时处于理想状态，无须驱动步进电机201拉伸或压缩横向弹簧403。在其他实施例中，可以将点积值与零值附近预定的阈值区间进行比较。即如果点积值在所述阈值区间内，则无须驱动步进电机201拉伸或压缩横向弹簧403；如果点积值大于所述阈值区间的上限，则驱动步进电机201拉伸横向弹簧403；如果点积值小于所述阈值区间的下限，则驱动步进电机201压缩横向弹簧403。
[0073]
至此，完成当前周期的控制过程，进入下一个周期，重复前述控制过程。
[0074]
本发明的弹性装置可以应用于吸振器、隔振器和振动能量采集器。吸振器是指利用共振系统吸收物体的振动能量以减小振动源振动的设备。其原理是在振动源上附加质量弹簧共振系统，这种附加质量弹簧共振系统在共振时产生的反作用力降低振动源的振动水平。隔振器是连接振动源和其他部件之间的弹性元件，用以减少和消除由振动源传递到该其他部件的振动力。隔振器的工作机理是振动源的振动传递至隔振器上，隔振器具有一定弹性和阻尼，能够将一部分振动能量进行吸收和耗散。吸振器式的振动能量采集器，在弹簧质量系统中布置一些振动能量转换单元，例如电磁铁-线圈结构、压电片等即可实现能量采集。隔振器式的振动能量采集器，在隔振装置处布置一些振动能量转换单元，例如电磁铁-线圈结构、压电片等即可实现能量采集。
[0075]
当竖向弹性单元303与振动源的连接为弹性连接时，则弹性装置构成了本发明的吸振器；当竖向弹性单元303与振动源的连接为刚性连接时，则弹性装置构成了本发明的隔振器。
[0076]
图9显示了本发明的弹性装置的试验结果。其中，横坐标的“集中质量位移”即前述力学模型分析中的质量块102的位移un，纵坐标的“机构恢复力”即前述力学模型分析中的非线性机构的竖直方向的恢复力fv。图9中实线曲线代表了非线性机构恢复力的实际测试结果，虚线曲线代表了用前述力学模型分析中的公式计算的非线性机构恢复力的理论值。图9的试验结果对应的试验条件是：横向弹簧的初始长度为30.1mm，横向弹簧刚度为1228.5n/m，竖向弹簧刚度为631.7n/m。从图9中可以验证，两组曲线吻合良好，理论与试验的最大误差不超过5％，本发明的弹性装置实际运行的结果与理论值高度相符。
[0077]
图10显示了不同横向弹簧初始长度下通过试验得到的非线性机构的恢复力的结果。曲线1、2、3、4、5分别代表横向弹簧的初始长度为28.0mm,27.8mm,27.5mm,27.2mm,26.7mm时的非线性机构的恢复力。图10的试验结果对应的试验条件是：横向弹簧的初始长度为30.1mm，横向弹簧刚度为1228.5n/m，竖向弹簧刚度为631.7n/m。横向弹簧不同的初始长度可以由以下方式获得：通过控制步进电机，进而驱动转盘的转动，从而带动滑块沿向心约束导轨滑动来实现对横向弹簧的拉伸或压缩。由图10可知，当横向弹簧的初始长度由28.0mm逐渐减小至26.7mm时，非线性机构恢复力的非线性效果逐渐增强。非线性机构恢复力曲线在26.7mm时非线性机构的恢复力具有准零刚度的特性；在26.7mm～27.8mm时非线性机构的恢复力具有正立方刚度的特性；在28.0mm时非线性机构的恢复力主要体现线性特性。图10的结果表明，本发明的弹性装置可以具有较宽泛的调整范围，以满足大功率、运行工况复杂、高精度的机械设备的运行需求。
[0078]
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以采用等同技术进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均包含于本发明所涵盖的范围内。