基于磁性液体的颗粒碰撞被动阻尼器

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、颗粒碰撞阻尼器是一种在外部振动激励下，依靠颗粒之间的碰撞消耗振动能量的被动阻尼器，应用振动频率高，具有结构简单和寿命长等优点。然而现有的颗粒碰撞阻尼器由于固体颗粒之间的摩擦力大，无法解决中低频振动问题。对1000hz以下振动的抑振效果不好，而对100hz以下甚至频率更低的振动，现有颗粒碰撞阻尼基本无效。而且，目前的颗粒阻尼器依靠重力使颗粒堆积在壳体中产生摩擦，一旦在失重环境下，颗粒将处于自由飘逸状态，无法再产生有效碰撞，产生失效问题。

2、为了提高颗粒间的碰撞几率和颗粒碰撞阻尼器的减振效率，通常采用在容器内注入适量粘性液体或者将多个颗粒碰撞阻尼器组合使用的办法，如文献1(公开号cn106930425 b申请的专利)将颗粒设计为由弹簧连接的嵌套式球结构，并利用粘性液体增大颗粒间的碰撞几率，但是需要合理调节嵌套式球内部空气和颗粒物的比例以保证嵌套式球的悬浮，增大了颗粒阻尼器的加工难度，并且弹簧的使用会限制阻尼器的使用寿命。此外，这种设计导致整个嵌套式球的等效密度和粘性液体的密度相同，无法在嵌套式球和粘性液体间产生有效的相对运动。最后，这种设计受重力的影响较大。在太空中，由于无重力的约束，整个嵌套式球和内部颗粒都处于自由飘逸的状态，无法在振动环境下发生有效的相互碰撞。而在地面环境时，重力使嵌套式球内部的颗粒完全堆积在一起，振动能量只有克服颗粒之间的固体摩擦力才能使其产生运动，因此对低中频振动抑振效果不佳。而如文献2(公开号cn 114962514 b申请的专利)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。该发明可以解决传统磁性液体阻尼器无法应用于100hz以上的振动环境。但是，该阻尼器中仅有一个球体，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。此外，该阻尼器中球体仅受磁性液体悬浮力的约束，悬浮高度固定，不具有根据振动情况进行调节的可能。

3、因此急需对颗粒碰撞阻尼的结构进行重新设计和改进，使其不仅能够应用在高频振动场合，在低中频振动场合也有非常好的效果，且在失重环境下不失效。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是，现有颗粒碰撞阻尼器由于固体颗粒之间的摩擦力大，对1000hz以下振动的效果不佳，更无法应用于100hz以内的中低频振动。而且在失重环境下，颗粒将处于自由飘逸状态，无法再产生有效碰撞，面临失效。特提供基于磁性液体的颗粒碰撞被动阻尼器，通过将一个大的球形永磁体和多个小的非磁性球体放在一个装满磁性液体的非磁性容器中，形成颗粒碰撞阻尼。利用永磁体在磁性液体中的自悬浮原理，将球形永磁体悬浮于非磁性壳体中，同时利用磁性液体的悬浮力，将非磁性球体排挤在壳体内腔壁面。当外界振动频率较低时，处于悬浮状态的球形永磁体，对惯性力非常敏感，作为惯性质量与壳体之间产生相对运动，通过液体粘滞阻尼消耗振动能量。当外界振动频率较高时，非磁性的小球体开始在磁性液体内运动并发生碰撞，从而产生液体粘滞阻尼和颗粒碰撞阻尼，消耗振动能量。因此，该阻尼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。此外，球体受到磁性液体的悬浮力作用，即使在失重环境下，仍然不会出现自由漂浮状态，从而造成失效问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、该阻尼器包括：球体、磁性液体、球形永磁体、壳体和弹性橡胶壳。

4、将球形永磁体装入弹性橡胶壳中，形成球形磁场源。将所述球体和球形磁场源均装入壳体中，形成颗粒碰撞阻尼，并在壳体中充入磁性液体。

5、球形永磁体的体积大于整个壳体内腔体积的50％，防止球形永磁体的尺寸过小，形成的磁性液体悬浮力无法驱动球体的运动和碰撞。弹性橡胶壳的内径和球形永磁体的外径相同，弹性橡胶壳的厚度为0.5～10mm，用于保护球形永磁体，防止球形永磁体在碰撞过程中碎裂。弹性橡胶壳与球形永磁体之间固定连接，可采用胶粘的方式。

6、所述球体采用非导磁性金属，等效密度要大于磁性液体的密度。若球体是实心时，其金属密度要大于磁性液体的密度；若球体是空心时，球体的等效密度要大于磁性液体的密度。球体的数量要大于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。但最小的直径必须大于1mm，且最大的半径不能超过球形永磁体半径的1/4。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，造成球形永磁体在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％～40％。磁性液体在壳体中必须充满，不允许有空腔的存在。若球形永磁体的体积占壳体内腔体积的50％，球体的填充率为40％时，则磁性液体的体积为壳体内腔体积的10％。

7、所述的壳体为非导磁性金属，内腔为一球形。为了便于安装可以采用分瓣式或者在壳体一侧加装端盖。壳体必须进行完整密封，防止磁性液体流出壳体外。

8、本发明和已有技术相比所具有的有益效果：(1)利用永磁体在磁性液体中的自悬浮效应，使得球形永磁体悬浮于磁性液体中，使球形永磁体对惯性力非常敏感，能够应用于频率在100hz以内，甚至是10hz以内的振动；(2)球体由非导磁性金属构成，形成颗粒碰撞阻尼，可以应用于频率为几百甚至上千赫兹的振动；(3)球体在球形永磁体形成的外磁场作用下，受到磁性液体磁悬浮力的作用，不会因为失重环境发生飘逸；(4)通过将球形永磁体和非导磁性球体共同装入充满磁性液体的壳体中，使其既具有磁性液体阻尼器的低频抑振特性，又兼具颗粒碰撞阻尼的高频抑振特性，扩宽了应用频带。

技术特征：

1.基于磁性液体的颗粒碰撞被动阻尼器，其特征在于：该阻尼器包括：球体(1)、磁性液体(2)、球形永磁体(3)、壳体(4)、弹性橡胶壳(5)；

2.根据权利要求1所述的基于磁性液体的颗粒碰撞被动阻尼器，其特征在于：所述球形永磁体(3)的体积大于整个壳体(4)内腔体积的50％；弹性橡胶壳(5)的内径和球形永磁体(3)的外径相同，弹性橡胶壳(5)的厚度为0.5～10mm。

3.根据权利要求1所述的基于磁性液体的颗粒碰撞被动阻尼器，其特征在于：所述球体(1)采用非导磁性金属，密度大于磁性液体(2)的密度；球体(1)的数量大于1，直径大于1mm，且最大的半径不能超过球形永磁体(3)半径的1/4。

4.根据权利要求1所述的基于磁性液体的颗粒碰撞被动阻尼器，其特征在于：所述的壳体(4)为非导磁性金属，内腔为一球形。

技术总结
基于磁性液体的颗粒碰撞被动阻尼器，属于振动控制领域。成功解决了现有颗粒碰撞阻尼器无法应用于中低频振动和失重环境的问题。该阻尼器包括球体(1)、磁性液体(2)、球形永磁体(3)、壳体(4)、弹性橡胶壳(5)，当外界振动时，球体(1)和由球形永磁体(3)及弹性橡胶壳(5)构成的球形磁场源在壳体(4)内运动并碰撞，产生流体粘性阻尼和碰撞阻尼从而吸收能量，达到减振目的，该阻尼器不仅适合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