一种自适应变刚度变阻尼隔振器

本发明涉及振动及噪声控制，具体涉及一种自适应变刚度变阻尼隔振器。

背景技术：

1、机电设备和工程技术领域大量使用主动和被动隔振技术，刚度固定的弹簧隔振器因具有固有频率低、刚度高、载荷能力强等优点在隔振系统中广泛使用。然而，弹簧隔振器低频段隔振效率明显不足，且在振源振动频率f小于等于√2倍固有频率f0时，振动传递率大于1，隔振器上方被隔振对象振幅较大，产生安全隐患和设备使用寿命下降等挑战。

2、公开号为cn104455139a的专利说明书中公开了一种基于自适应电磁阻尼的弹簧隔振装置，通过可变电阻控制线圈中通电电流的大小和方向，使通电线圈受磁场的电磁阻尼力方向始终与振动速度方向相反，以满足不同场合的隔振需求。该专利中公开的隔振系统存在以下缺陷：一是该系统的线圈与弹簧固定或缠绕在一起，导致位于永磁铁磁场中线圈匝数相对较少、导线总长度相对较短，产生的电磁力大小有限，且线圈与弹簧固定技术难度大；二是该隔振系统产生的电磁力方向始终与振源振动速度的方向相反，即只产生电磁阻尼抑制振源振动，没有引入负刚度控制策略。

3、公开号为cn113446352a的专利说明书中公开了一种隔振系统及流程，包括外壳，所述外壳的垂直中心轴上设置有推力轴，所述推力轴的下方设置有电磁装置，所述电磁装置的中心水平设置有衔铁，所述衔铁连接有支撑杆，所述支撑杆连接有托盘用以给所述托盘提供支撑力。该方案通过位于衔铁上下两侧的电磁铁对衔铁的吸力差抑制物体的竖向振动。

4、该专利中公开的隔振系统存在以下缺陷：该系统的控制策略是通过差动式电流控制器连接功率放大器用以调节线圈电流来调节电磁铁对衔铁的吸力，相当于引入电磁式阻尼，但是没有引入负刚度，即其采取单一的变阻尼策略，在该控制策略下，当f/f0≤√2时，系统阻尼越大隔振效果越佳，且振动传递率大于1；当f/f0＞√2，系统阻尼越小隔振效果越佳，且振动传递率小于1，即该系统通过单一引入电磁阻尼，只能降低f/f0≤√2时的振动传递率但传递率仍大于1，电磁阻尼对隔振效率起作用的频带较窄。本发明通过引入电磁阻尼和负刚度(其相对于隔振元件正刚度而言)，并按振源振动频率采取相应控制策略，可取得明显优于上述专利的隔振效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自适应变刚度变阻尼隔振器，采取与f/f0相关联的阻尼和刚度智能控制策略，可有效控制频带宽、动载荷范围大的振动，显著提升传统隔振系统的隔振性能，实现宽频隔振。

2、一种自适应变刚度变阻尼隔振器，包括隔振单元和电磁作动器单元；所述隔振单元包括底座、隔振元件和负载平台，所述隔振元件设置于所述底座上，用于支撑所述负载平台；

3、所述电磁作动器单元包括第一电磁铁、第二电磁铁和变刚度变阻尼控制单元；所述第二电磁体设置于所述底座上，所述第一电磁铁位于所述负载平台下方且与所述第二电磁体相对设置；

4、所述变刚度变阻尼控制单元包括振动传感器、主控制板和电流控制模块；所述振动传感器固定在所述负载平台上，所述主控制板分别与所述振动传感器及电流控制模块电连，所述主控制板通过分析所述振动传感器所感测的振动信号，获取所述负载平台的振动方向、激振力大小和频率信息，确定隔振器阻尼和刚度控制策略，所述电流控制模块根据所述控制策略调整电磁铁的通电电流大小和方向，使电磁作动器单元产生所需的阻尼力或等效负刚度，实现隔振器阻尼和刚度自适应调整。

5、作为优选，所述第一电磁铁与所述负载平台固连。

6、进一步优选，根据振源振动频率f与系统初始固有频率f0，采取以下阻尼和刚度控制策略：

7、当振源振动频率f与系统固有频率f0之比≤1时，变刚度变阻尼控制单元使电磁作动器单元产生的电磁力方向与振源振动方向相反，由此系统自适应引入所需的非线性电磁阻尼，使电磁阻尼力抵消作用在负载平台上的不平衡力；当1＜f/f0≤√2时，变刚度变阻尼控制单元使电磁作动器单元产生的电磁力方向与振源振动方向一致，由此系统自适应引入所需的非线性负刚度，此时电磁阻尼为零，但系统中存在非电磁阻尼；当f/f0＞√2时，变刚度变阻尼控制单元使电磁作动器单元产生的电磁力方向与振源振动方向一致，由此系统自适应引入所需的非线性负刚度。

8、作为优选，所述第一电磁铁与所述底座固连，所述电磁作动器单元还包括位于所述第一电磁铁和第二电磁铁之间的衔铁，所述衔铁设置于所述隔振元件顶部且与所述负载平台固连。

9、进一步优选，根据振源振动频率f与系统初始固有频率f0，采取以下阻尼和刚度控制策略：

10、当振源振动频率f与系统固有频率f0之比≤1时，变刚度变阻尼控制单元使电磁铁与衔铁磁吸力方向与振源振动方向相反，由此系统自适应引入所需的非线性电磁阻尼，使电磁阻尼力抵消作用在负载平台上的不平衡力；当1＜f/f0≤√2时，变刚度变阻尼控制单元使电磁铁与衔铁磁吸力方向与振源振动方向一致，由此系统自适应引入所需的非线性负刚度，此时电磁阻尼为零，但系统中存在非电磁阻尼；当f/f0＞√2时，变刚度变阻尼控制单元使电磁铁与衔铁磁吸力方向与振源振动方向一致，由此系统自适应引入所需的非线性负刚度。

11、作为优选，电磁铁的数量为一对或多对，其中一对或多对电磁铁用于产生电磁阻尼，另外一对或多对电磁铁产生负刚度；或是同一对电磁铁根据振源振动频率和控制策略产生所需的电磁阻尼或负刚度。

12、作为优选，所述隔振元件为钢弹簧、空气弹簧或橡胶隔振垫。

13、作为优选，所述隔振元件设置有一个或多个。

14、上述自适应变刚度变阻尼隔振器工作原理如下：

15、主控制板通过分析振动传感器所感测的振动信号，获取隔振单元中负载平台的振动方向、激振力大小和频率(f)等信息，确定隔振器阻尼和刚度控制策略，电流控制模块根据控制策略调整通电电流大小和方向，作动器产生所需的阻尼力或等效负刚度，实现隔振器阻尼和刚度自适应调整。

16、变刚度变阻尼控制单元根据振源振动频率(激励频率)f与系统初始固有频率f0，采取以下阻尼和刚度控制策略。当激励频率f与系统固有频率f0之比≤1时，系统阻尼越大、调谐比f/f0越小隔振效果越佳，变刚度变阻尼控制单元使作动器产生的电磁力方向与振源振动方向相反，由此系统自适应引入所需的非线性电磁阻尼，使电磁阻尼力尽可能抵消作用在负载平台上的不平衡力；当1＜f/f0≤√2时，系统阻尼越大、f/f0越大隔振效果越佳，变刚度变阻尼控制单元使作动器产生的电磁力方向与振源振动方向一致，由此系统自适应引入所需的非线性负刚度，从而降低系统的固有频率f0，间接增大调谐比f/f0实现宽频隔振，此时电磁阻尼为零，但系统中非电磁阻尼(如隔振单元中底座以下、负载平台以上的粘性阻尼等)尽可能大；当f/f0＞√2时，系统阻尼越小、f/f0越大隔振效果越佳，变刚度变阻尼控制单元使作动器产生的电磁力方向与振源振动方向一致，由此系统自适应引入所需的非线性负刚度，且整个系统的阻尼尽可能小。

17、本发明的有益效果：

18、(1)本发明引入可变负刚度，与弹簧正刚度耦合，可实现系统刚度可变(实现准零刚度)，从而改变系统固有频率f0，并间接调控调谐比(f/f0)，实现宽频隔振。

19、(2)本发明创新性设计自适应变刚度变阻尼隔振器，可根据调谐比和阻尼比的不同，自适应调整控制策略，极大促进机电设备和工程技术领域隔振技术的迭代升级。