利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体自适应动力吸振器

技术领域

本发明属于机械工程(包括重力和失重环境下的机器、机构和各类零件等)振动控制领域。

背景技术

磁性液体动力吸振器是一种被动减振器，由惯性质量、阻尼单元和弹性单元三个元素构成。通常由磁性液体的悬浮力提供弹性力，由磁性液体流体粘性摩擦提供阻尼力，对惯性力的敏感度非常高。但由于磁性液体提供的阻尼力和弹性力非常有限，导致磁性液体动力吸振器的工作频带非常狭窄，通常仅在10Hz以内有好的效果。

为了克服该问题，一些文献采用了增加表面粗糙度和多孔介质的方法提高阻尼力，如：文献1(公开号CN 112727972 B申请的专利)通过将磁性液体接触面进行织构化以增大摩擦阻尼，但是该方法的阻尼并不能根据振动频率自动调节，磁性液体粘性摩擦所能提供的阻尼力仍然十分有限，并不能满足高频振动需求。文献2(公开号CN 112392888 B申请的专利)通过在永磁体表面增设多孔介质以提高摩擦阻尼并保护永磁体，但弹簧所提供的弹性力是一个线性力，刚度并不随振动频率发生变化。而且当振动的频率较大时，弹簧容易失效，进而缩短该动力吸振器的使用寿命。文献3(公开号CN 112392887 B申请的专利)同样在永磁体表面增加了多孔介质，利用在端盖一侧加工的凸起结构以挤压磁性液体，通过磁性液体悬浮力的变化实现永磁体的复位。但磁性液体的悬浮力非常有限，对高频无效，且当外界振动频率较大时，永磁体易与端盖上的凸起结构发生碰撞，甚至造成永磁体的碎裂。文献4(公开号CN 112392885 B申请的专利)、文献5(公开号CN 112392886 B申请的专利)和文献6(公开号CN112392890B申请的专利)均利用惯性质量块两端的凸出部分挤压管道内的磁性液体通过多孔介质实现耗能。但这种阻尼力仍然属于液体粘滞阻尼，阻尼力有限，在高频振动场合效果不好。此外，文献6利用压缩空气的形式提高恢复力并不可靠。文献7(公开号CN 114962514 B申请的专利)采用碰撞阻尼，将球体在外磁场的作用下悬浮于一个充满磁性液体且带有弹性软垫的腔体内，通过碰撞阻尼来提高应用频带，但发明中仅有一个球体，碰撞阻尼仅发生在铜球与腔体内侧的软垫之间，阻尼力非常有限。随着振动频率比较大时，该阻尼器的阻尼力将无法满足要求。因此，目前尚缺乏一种阻尼和刚度具有非线性，且能够根据振动频率自适应调节的磁性液体动力吸振器。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，现有磁性液体动力吸振器由于阻尼力和弹性力非常有限，导致工作频带非常狭窄，对大于10Hz的振动抑制效果不佳，对100Hz、甚至1000Hz以上的振动完全无效。特提供利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体自适应动力吸振器，通过利用永磁体之间的排斥力作为弹性元件提供系统需要的非线性刚度，利用磁性液体的粘性阻尼力来解决低频振动问题；而通过在一个被磁性液体悬浮的壳体内装入非导磁性球体，形成具有强非线性特性的颗粒碰撞阻尼，从而解决了高频振动下阻尼力不足的问题。因此，该动力吸振器无论是对只有几赫兹的低频振动，还是对上千赫兹的高频振动，均具有出色的减振性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该动力吸振器包括：壳体、左回复永磁体、左支撑磁性液体、左支撑永磁体、内腔磁性液体、右支撑磁性液体、右支撑永磁体、右回复永磁体、球体、支撑壳体和通气道。

将内腔磁性液体和球体装入支撑壳体中，进行密封，形成颗粒碰撞阻尼组件。所述球体采用非导磁性金属材料，密度大于内腔磁性液体的密度。若球体是实心时，其金属密度要大于内腔磁性液体的密度；若球体是空心时，球体的等效密度要大于内腔磁性液体的密度。球体的数量大于1，即至少是2颗，确保在出现振动后，球体之间会发生相互碰撞，产生颗粒碰撞阻尼。所有球体的尺寸可以全部相同，也可以采用大、小搭配的形式。球体直径大于1mm，且最大的直径不能超过支撑壳体长度尺寸和端面尺寸的1/2。防止球体尺寸过小，堆积过于密集，又可以防止球体尺寸过大，造成球体在支撑壳体内的运动空间过于受限，影响球体之间的颗粒碰撞阻尼力。球体在壳体中的填充率为10％～90％。内腔磁性液体在支撑壳体中必须充满，不允许有空腔的存在。若球体的体积占支撑壳体内腔体积的10％，则内腔磁性液体的填充率必须为90％时。

将左支撑永磁体固定安装在支撑壳体的左端面，将右支撑永磁体固定安装在支撑壳体的右端面，形成惯性质量。分别在左支撑永磁体的外圈注入左支撑磁性液体，在右支撑永磁体的外圈注入右支撑磁性液体。

所述的支撑壳体采用非导磁性金属材料，其端面形状与左支撑永磁体和右支撑永磁体的形状相同，尺寸小于左支撑永磁体和右支撑永磁体。这样可以使左支撑永磁体和右支撑永磁体处磁场梯度最大，左支撑磁性液体和右支撑磁性液体的浮力达到最大，在支撑壳体中可以装入的球体数量也就越多。

将左回复永磁体安装在壳体的左端面，将右回复永磁体安装在壳体的右端面。将所述颗粒碰撞阻尼组件装入壳体的内腔中，并在壳体的内腔壁面加工通气道。壳体必须进行良好的密封，防止左支撑磁性液体和右支撑磁性液体挥发失效。所述左回复永磁体、左支撑永磁体、右支撑永磁体和右回复永磁体两两相邻，之间均采用同极排斥的磁极模式。同极排斥产生的磁排斥力具有非常强的非线性特性，随着两块永磁体之间距离的减小，排斥力的量级呈指数性增加，能够提供该动力吸振器非常大的刚度，极其有利于动力吸振器应用频带的提升。

所述的壳体为非导磁性材料，内壁的长度方向加工有通气道，通气道的数量为1～12。左支撑磁性液体和右支撑磁性液体的注入量不能封堵住所有的通气道，防止随着惯性质量的运动，被左支撑磁性液体和右支撑磁性液体分隔的各腔室之间气体压强发生变化，从而形成一个不稳定的气体弹性力。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：(1)利用永磁体之间排斥力的非线性特性，获得了大的刚度跨度，拓宽了应用频带；(2)在支撑壳体内装入非导磁性球体和内腔磁性液体，形成颗粒碰撞阻尼组件；同时，利用磁性液体的悬浮力，将由左支撑永磁体、右支撑永磁体和颗粒碰撞阻尼组件构成的惯性质量悬浮在壳体中，充分利用了左支撑磁性液体和右支撑磁性液体的粘性阻尼力；通过这种设计将磁性液体粘性阻尼和颗粒碰撞阻尼结合，即能在低频振动环境下采用磁性液体粘性阻尼，又能在高频振动环境下采用颗粒碰撞阻尼，从而在阻尼力上拓宽了应用频带。

附图说明

图1利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体自适应动力吸振器；

图中：壳体1、左回复永磁体2、左支撑磁性液体3、左支撑永磁体4、内腔磁性液体5、右支撑磁性液体6、右支撑永磁体7、右回复永磁体8、球体9、支撑壳体10和通气道11。

具体实施方式

以附图为具体实施方式对本发明作进一步说明：

利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体自适应动力吸振器，如图1，该动力吸振器包括：壳体1、左回复永磁体2、左支撑磁性液体3、左支撑永磁体4、内腔磁性液体5、右支撑磁性液体6、右支撑永磁体7、右回复永磁体8、球体9、支撑壳体10和通气道11。

将内腔磁性液体5和球体9装入支撑壳体10中，进行密封，形成颗粒碰撞阻尼组件。所述球体9采用非导磁性金属材料，密度大于内腔磁性液体5的密度。若球体9是实心时，其金属密度要大于内腔磁性液体5的密度；若球体9是空心时，球体9的等效密度要大于内腔磁性液体5的密度。球体的数量大于1，，即至少是2颗，确保在出现振动后，球体9之间会发生相互碰撞，产生颗粒碰撞阻尼。所有球体9的尺寸可以全部相同，也可以采用大、小搭配的形式。球体9的直径大于1mm，且最大的直径不能超过支撑壳体10长度尺寸和端面尺寸的1/2。防止球体9尺寸过小，堆积过于密集，又可以防止球体9尺寸过大，造成球体9在支撑壳体10内的运动空间过于受限，影响球体9之间的颗粒碰撞阻尼力。球体9在支撑壳体中的填充率为10％～90％。大尺寸的球体9对低频振动更加敏感，而小尺寸的球体9对高频振动具有更大的阻尼力，根据具体振动情况进行选取。若振动频率比较单一，当被减振对象的振动频率只有几十赫兹时，应当减小球体9的数量，最好控制在10颗以内，同时增大球体9的尺寸；若振动频率比较单一且频率大于100Hz时，应当随着振动频率的增加来增大球体9的数量，同时减小球体9的尺寸；若被减振对象的振动频率范围大，可以采用大尺寸的球体9和小尺寸的球体9按体积分数以一定的比例进行混合。内腔磁性液体5在支撑壳体10中必须充满，不允许有空腔的存在。若球体9的体积占支撑壳体10内腔体积的10％，则内腔磁性液体5的填充率必须为90％时。

将左支撑永磁体4固定安装在支撑壳体10的左端面，将右支撑永磁体7固定安装在支撑壳体10的右端面，形成惯性质量。分别在左支撑永磁体4的外圈注入左支撑磁性液体3，在右支撑永磁体7的外圈注入右支撑磁性液体6。

所述的支撑壳体10采用非导磁性金属材料，其端面形状与左支撑永磁体4和右支撑永磁体7的形状相同，尺寸小于左支撑永磁体4和右支撑永磁体7。这样可以使左支撑永磁体4和右支撑永磁体7处的磁场梯度最大，左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6的浮力达到最大，在支撑壳体10中可以装入的球体9的数量也就越多。

将左回复永磁体2安装在壳体1的左端面，将右回复永磁体8安装在壳体1的右端面。将所述颗粒碰撞阻尼组件装入壳体1的内腔中，并在壳体1的内腔壁面加工通气道11。壳体1必须进行良好的密封，防止左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6挥发失效。所述左回复永磁体2、左支撑永磁体4、右支撑永磁体7和右回复永磁体8两两相邻，之间均采用同极排斥的磁极模式。同极排斥产生的磁排斥力具有非常强的非线性特性，随着两块永磁体之间距离的减小，排斥力的量级呈指数性增加，能够提供该动力吸振器非常大的刚度，极其有利于动力吸振器应用频带的提升。

所述的壳体1为非导磁性材料，内壁的长度方向加工有通气道，通气道11的数量为1～12。左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6的注入量不能封堵住所有的通气道11，防止随着惯性质量的运动，被左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6分隔的各腔室之间气体压强发生变化，从而形成一个不稳定的气体弹性力。壳体1必须进行完整密封，防止左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6挥发。壳体1的外壳形状可以是圆柱，也可以是长方体或正方体。

在振动产生后，若振动频率低于10Hz时，在左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6的粘性阻尼力影响下，由颗粒碰撞阻尼组件、左支撑永磁体4和右支撑永磁体7构成的惯性质量将与壳体1之间发生相对运动，消耗系统的振动能量。在此过程中，由于惯性力小，使得球体9在支撑壳体10内基本不发生运动，无颗粒碰撞阻尼出现，系统的阻尼力基本都来自于左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6的粘性阻尼力。此外，此时在左回复永磁体2和左支撑永磁体4，右支撑永磁体7和右回复永磁体8之间的磁排斥力也非常小，力与位移关系接近线性。随着振动频率的增加，左回复永磁体2和左支撑永磁体4，右支撑永磁体7和右回复永磁体8之间的磁排斥力开始增大，力与位移关系非线性增强。颗粒碰撞阻尼组件受到的惯性力也开始增加，球体9在支撑壳体10内开始发生有限的碰撞运动，产生一定的颗粒碰撞阻尼。此时，系统的振动能量将由左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6的粘性阻尼力以及颗粒碰撞阻尼力共同消耗。若振动频率进一步升高，甚至达到上千赫兹时，左回复永磁体2和左支撑永磁体4，右支撑永磁体7和右回复永磁体8之间的磁排斥力达到最大，力与位移关系具有极强的非线性。而在阻尼方面，球体9在支撑壳体10的碰撞非常显著，颗粒碰撞阻尼将占据绝对的主导作用，左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6的粘性阻尼力对振动能量的损耗微乎其微。

左支撑磁性液体3、内腔磁性液体5和右支撑磁性液体6选用煤油基、机油基和酯基等磁性液体，粘度不应高于500mPa.s，也不能用相似性磁性流体替代，如磁流变液。左支撑磁性液体3和右支撑磁性液体6需选用同一种磁性液体，内腔磁性液体5可以选用不同种类的磁性液体。

左回复永磁体2、左支撑永磁体4、右支撑永磁体7、右回复永磁体8可以根据温度环境选用钕铁硼或者钐钴永磁材料。

上述仅为本发明实施的一个实例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，可以依据工程情况对该基于磁性液体悬浮特性的颗粒碰撞阻尼器包括但不限于阻尼器的尺寸、球体各部分的体积比例、壳体形状、材料选用、安装位置等进行修改以适应于相应的工程中。