利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体自适应动力吸振器

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

技术特征：

1.利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体自适应动力吸振器，其特征在于：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)；

2.根据权利要求1所述的利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体自适应动力吸振器，其特征在于：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)。

3.根据权利要求1所述的利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体自适应动力吸振器，其特征在于：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；球体(9)的数量大于1，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。

4.根据权利要求1所述的利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体自适应动力吸振器，其特征在于：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。

5.根据权利要求1所述的利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体自适应动力吸振器，其特征在于：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(11)，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)。

技术总结
利用颗粒碰撞阻尼的磁性液体自适应动力吸振器，属于振动控制领域。成功解决了现有磁性液体动力吸振器无法应用于中高频振动的问题。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)，当外界振动时，球体(9)在支撑壳体(10)内运动并碰撞产生颗粒碰撞阻尼，同时左支撑磁性液体(3)和右支撑磁性液体(6)产生流体粘性阻尼，该动力吸振器不仅适合10Hz以内的低频振动，对100Hz以上的高频振动也具有非常好的效果。

技术研发人员：姚杰,刘庭欣,李辉,赵心语,李德才
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16