一种自适应远程主动减振系统的制作方法

本发明属于超精密减振技术领域，更具体地，涉及一种自适应远程主动减振系统。

背景技术：

振动普遍存在于人类生产生活几乎所有领域的设施/设备中，如车辆、舰船、航空器、航天器、制造装备、测量仪器、各种工程作业装备，以及建筑、桥梁等结构设施。在大多数情况下，振动的存在会显著增大结构的动态应力和变形，并伴随一定的噪声，导致装备或设备的服役精度等性能劣化，或使环境恶化，严重时甚至会引起结构破坏，后果不堪设想。因而机械振动的消除对机械设备的性能有重要影响，需要采取各种方法隔离振动的传递或消除振动。随着各种制造装备和测量仪器的运行环境、服役性能向极端方向发展，移动装备的功耗、尺寸空间、运行环境等方面都受到了极大的限制，相应的对减振系统的尺寸、重量、环境适应性等也提出了严格的要求。

复杂扰动下移动装备的振动抑制问题存在一对主要矛盾，即同时具有强隔振能力和大承载能力。空气弹簧通过空气压缩实现隔振功能，同时具有低刚度和大负载能力。囊式空气弹簧在汽车领域应用已久，而精密制造领域则多采用膜式空气弹簧。空气弹簧按气腔的数目可分为单腔室和双腔室两种。这里仅讨论结构较为简单的单腔室空气弹簧。如图1所示，单腔室空气弹簧由金属壳体、活塞机构和密封膜组成，活塞通过密封膜与壳体密封连接，主要提供垂向刚度。垂向刚度k与空气弹簧承受的负载大小f、空气弹簧活塞横截面积a以及腔室初始体积v0有关，其中κ＝1.4为绝热指数，具体表达式为：

空气弹簧的刚度受结构关键特征尺寸影响较大，在狭小空间内限制了关键特征尺寸的变化，难以根据需求调整弹性元件的隔振特性和承载能力。且对于常规的减振系统而言，减振刚度一般为定值，减振系统的固有频率不随振幅的变化而变化，一旦外界激振频率与减振系统的固有频率接近或一致时，极易引起共振。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自适应远程主动减振系统，其针对不便于安装大型减振系统的狭小空间，通过将填充有粘性液体的联通单元的作用机理与施加反作用力的远程减振单元及相应的控制单元紧密的结合，并对整个减振系统的多个关键组件的具体结构、布局及控制驱动方式等多个方面进行改进，相应的能够根据被隔振对象的振动情况进而通过对作为远程减振的联通单元施加反作用力和限流，且通过调整空气弹簧内部气体的体积改变减振系统的刚度和阻尼，能避开外界激振频率从而避免共振现象，以此通过二次减振的方式来实时、精确有效的减小甚至消除被隔振对象的振动，与现有设备相比具有可灵活安装、可拆卸、承载能力强、可变阻尼和刚度的自适应远程主动减振的特点。

为了实现上述目的，本发明提供一种自适应远程主动减振系统，其特征在于，包括主支撑装置、液体传输管道、控制器和远程减振装置，其中液体传输管道和控制器的两端分别与所述主支撑装置和远程减振装置连接，以形成闭合回路结构；其中，

所述主支撑装置为液压缸结构，包括活塞和缸筒，该活塞一端与被隔振对象连接，另一端在被隔振对象的作用下可沿所述缸筒运动，所述缸筒的底部设有与所述液体传输管道相连通的第一开孔；

所述远程减振装置为密封容器，该密封容器的中部设有水平可活动的挡板，且该挡板将所述密封容器分为上下两个密封的部分；并且，

该密封容器的下部分设有所述液压传输管道相连通的第二开孔，以及所述缸筒、液压传输管道和该密封容器的下部分内充填有粘性液体，且该粘性液体可通过第一开孔和第二开孔在缸筒、液压传输管道以及该密封容器的下部分内流动；该密封容器的上部分设有空气弹簧，所述空气弹簧的控制端与所述控制器连接，用于控制器根据所述被隔振对象的振动特性向空气弹簧发出工作指令，进而空气弹簧根据指令来改变自身的压强，进而对粘性液体施加与被隔振对象产生的等效但方向相反的压强，以此来限制粘性液体的流动进而实现对被隔振对象的实时有效的远程隔振。

进一步地，所述空气弹簧包括金属壳体，所述金属壳体密封以形成气腔，所述气腔底部设置空气弹簧活塞，所述空气弹簧活塞与气腔之间设有膜体，通过所述膜体结构实现所述空气弹簧活塞与金属壳体之间的严格密封。

进一步地，所述空气弹簧一侧设有进气阀和驱动器，所述控制器通过导线一端与所述主支撑装置实现通信连接，另一端与所述驱动器实现通信连接，所述驱动器用于接收所述控制器的指令并驱动所述进气阀动作，实现气体充填。

进一步地，所述液体传输管道上设有限流装置，所述限流装置的控制端与所述控制器连接，且所述控制器用于根据所述被隔振对象的振动特性控制该限流装置的开度从而限制所述粘性液体的流量，进而实现对被隔振对象的实时有效的二次远程隔振。

进一步地，所述限流装置为节流阀或阻尼器。

进一步地，所述第一开孔和第二开孔的中心位置高度至少低于所述粘性液体的液面高度5mm。

进一步地，所述液体传输管道外侧沿周向设有一圈圆形开口簧片，所述开口簧片用于通过螺栓调节改变所述液体传输管道的直径，以改变其阻尼。

进一步地，所述被隔振对象上设有传感器，所述传感器与所述控制器连接。

进一步地，所述传感器为加速度传感器或力传感器，用于实时测量所述被隔振对象的振动特性，并将所述振动特性的信号传输给所述控制器。

进一步地，所述控制器采用lms振动测试系统对所述信号进行处理获得所述被隔振对象的振动传递函数及加速度阻抗za或导纳ha曲线，从而得到减振所需的刚度k和阻尼c；

其中，ω表示频率，m表示质量，j表示复数项。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明针对不便于安装大型减振系统的狭小空间，通过将填充有粘性液体的联通单元的作用机理与施加反作用力的远程减振单元及相应的控制单元紧密的结合，并对整个减振系统的多个关键组件的具体结构、布局及控制驱动方式等多个方面进行改进，相应的能够根据被隔振对象的振动情况进而通过对作为远程减振的联通单元施加反作用力和限流，且通过调整空气弹簧内部气体的体积改变减振系统的刚度和阻尼，能避开外界激振频率从而避免共振现象，以此通过二次减振的方式来实时、精确有效的减小甚至消除被隔振对象的振动，与现有设备相比具有可灵活安装、可拆卸、承载能力强、可变阻尼和刚度的自适应远程主动减振的特点。

2.本发明通过设置的压力传感器实时监测被隔振对象对液体的压力，并将压力信号传输给控制器进而控制空气弹簧的进气量，实现对被隔振对象的一次隔振，同时通过调节和控制限流装置开口的大小直接限制流体通过的流量，起到调节阻尼的作用，可根据需求实现对被隔振对象的二次精确隔振，提供较高的隔振性能。

附图说明

图1为本发明实施例的一种自适应远程主动减振系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种阻尼装置的结构简化示意图；

图3是现有技术中单腔室空气弹簧示意图。

所有附图中，同一个附图标记表示相同的结构元件，其中：1-被隔振对象、2-活塞、3-缸筒、4-液体传输通道、5-限流装置、6-粘性液体、7-空气弹簧、701-金属壳体、702-空气弹簧活塞、703-膜体、704-气腔、705-进气阀、706-驱动器、8-传感器、9-控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种自适应远程主动减振系统，包括主支撑装置、液体传输管道、控制器和远程减振装置，其中液体传输管道和控制器的两端分别与所述主支撑装置和远程减振装置连接，以形成闭合回路结构；其中，所述主支撑装置为液压缸结构，包括活塞和缸筒，该活塞一端与被隔振对象连接，另一端在被隔振对象的作用下可沿所述缸筒运动，所述缸筒的底部设有与所述液体传输管道相连通的第一开孔；所述远程减振装置为密封容器，该密封容器的中部设有水平可活动的挡板，且该挡板将所述密封容器分为上下两个密封的部分，其中，该密封容器的下部分设有所述液压传输管道相连通的第二开孔，以及所述缸筒、液压传输管道和该密封容器的下部分内充填有粘性液体，且该粘性液体可通过第一开孔和第二开孔在缸筒、液压传输管道以及该密封容器的下部分内流动；该密封容器的上部分设有空气弹簧，所述空气弹簧的控制端与所述控制器连接，用于控制器根据所述被隔振对象的振动特性向空气弹簧发出工作指令，进而空气弹簧根据指令来改变自身的压强，进而对粘性液体施加与被隔振对象产生的等效但方向相反的压强，以此来限制粘性液体的流动进而实现对被隔振对象的实时有效的远程隔振。

所述液体传输管道上设有限流装置，所述限流装置的控制端与所述控制器连接，且所述控制器用于根据所述被隔振对象的振动特性控制该限流装置的开度从而限制所述粘性液体的流量，进而实现对被隔振对象的实时有效的二次远程隔振。具体而言：

图1为本发明实施例的一种自适应远程主动减振系统的结构示意图，如图所示，本发明的自适应远程主动减振系统包括主支撑装置、液体传输管道和远程减振装置三个部分。其中，主支撑装置包括活塞2、缸筒3和第一开孔，远程减振装置为密闭容器，下半部分充满粘性液体6且设有第二开孔，上半部分安装空气弹簧7充满气体。被隔振对象1与主支撑装置中的活塞2固连在一起，缸筒3、液体传输管道4和密闭容器下半部分充满粘性液体6。当被隔振对象1与基础产生相对振动距离变小时，活塞2与缸筒3产生相对位移，进而压缩粘性液体，粘性液体内压强增大，使粘性液体流出主支撑装置，通过液体传输管道4流入远程减振装置。同时，第一开孔和第二开孔的中心位置高度至少低于所述粘性液体的液面高度5mm。粘性液体6压强大于空气弹簧内气体压强，挤压挡板，压差产生的等效刚度和阻尼抑制粘性液体体积的变化。基于液体不可压缩的特性将液体挤压到主支撑装置内，抑制活塞的向下运动，进而抑制被隔振对象的向下运动。同样的，被隔振对象与基础产生相对振动距离变大时基于同样的原理抑制其振动。

液体传输管道4上布置有限流装置5，简化的阻尼装置结构示意图如图2所示，所述限流装置为节流阀或阻尼器。在液体传输管道4外部包围一圈圆形开口簧片，通过拧紧螺栓改变液体传输管道的直径，产生阻尼孔，进而改变装置的阻尼。也可以使用节流阀，通过调节和控制阀内开口的大小限制粘性液体通过的流量，进而抑制主支撑装置中的活塞2的上下振动，起到调节阻尼的作用。被隔振对象1上还布置有传感器8，被隔振对象振动时测量其振动特性，将测量信号传递至空气弹簧，动态的调整空气弹簧的进气量，进而改变空气弹簧的刚度和阻尼。在振幅较小的常规情况下，空气弹簧刚度低，隔振效果好。一旦外界激振频率与常规小幅振动状态下的减振系统固有频率接近，振动幅度增大时，通过调整空气弹簧内部气体的体积改变减振系统的刚度和阻尼，避开外界激振频率，避免共振现象，使特定频段内的减振效果达到最好。

图3所示为本发明实施例中空气弹簧结构示意图，其包括金属壳体701、空气弹簧活塞702、膜体703、气腔704、进气阀705以及驱动器706。其中，金属壳体701密封以形成气腔704，气腔704底部设置空气弹簧活塞702，空气弹簧活塞702与气腔704之间设有膜体703，通过该膜体703结构，实现空气弹簧活塞702与金属壳体701之间的严格密封。根据主支撑装置安装的位置不同，本发明可实现不同方向振动抑制。通过调节空气弹簧活塞702横截面积以及气室的初始体积，可以改变减振系统的隔振性能，根据装置的动力学模型，可优化装置参数，实现最优的远程减振特性。空气弹簧也可替换为其他弹簧、阻尼减振元件。

此外，为了根据被隔振对象的压力自适应调节空气弹簧的进气量，如图1和图3所示，在空气弹簧一侧设有进气阀705和驱动器706，在传感器8与驱动器706之间设有控制器9，控制器9通过导线一端与传感器8实现通信链接，另一端分别与驱动器706和限流装置5实现通信连接。传感器8实时监测被隔振对象1的振动特性，并将该振动特性信号传输给控制器9，控制器9处理后分别输出控制信号给驱动器706和限流装置5，通过驱动器706驱动进气阀705动作，实现对空气弹簧7进行充气，实现对被隔振对象1的一次隔振。此外，控制器9控制限流装置5动作，从而精确控制粘性液体6的流量，实现对被隔振对象1的二次精确隔振，通过两次隔振，大大提高了隔振性能。

其中传感器8可为加速度传感器或力传感器，测量得到被隔振对象1的振动特性，将加速度信号或力信号传输给控制器9。在控制器9内部使用lms振动测试系统对信号进行处理得到被隔振对象1的振动传递函数及加速度阻抗za或导纳ha曲线，从而得到减振所需的刚度k和阻尼c。

其中，w表示频率，m表示质量，j表示复数项，c表示阻尼，k表示刚度。

本远程减振系统中空气弹簧7主要提供减振所需的刚度，限流装置5主要提供减振所需的阻尼。在已知减振所需刚度的情况下由公式(1)可得空气弹簧实时最佳气腔横截面积或体积大小，通过驱动器706驱动进气阀705实时调整气腔701的横截面积或体积。在已知减振所需阻尼的情况下，根据节流孔长度和横截面积之比，选择合适的阻尼计算公式，限流装置5的横截面积或节流孔长度。本远程减振系统不断根据传感器实时采集到的信号进行刚度和阻尼的自适应变化，实现闭环控制，很大程度上提高实时减振性能。本发明通过调节空气弹簧活塞横截面积以及气室的初始体积，可以改变减振系统的隔振性能，根据装置的动力学模型，可优化装置参数，实现最优的远程减振特性。同时，本发明通过活塞和缸筒构成的主支撑装置，活塞与缸筒产生相对位移进而压缩粘性液体，粘性液体内压强增大，使粘性液体流出主支撑装置，可提供较好的承载能力。更进一步的，本远程减振系统不断根据传感器实时采集到的信号进行刚度和阻尼的自适应变化，实现闭环控制，很大程度上提高实时减振性能。更进一步的，本发明通过粘性液体传递振动特性，一定程度上也可以带走热量，提高散热效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。