一种具有负刚度特性的磁流变隔振器

本技术涉及实现高铁和火车上的横向振动控制，具体涉及一种具有负刚度特性的磁流变隔振器。

背景技术：

1、随着列车运行速度的不断提高，对列车高速行驶的稳定性与安全性也提出了更高的要求。列车在高速行驶或者提速过程中，列车横向振动会急剧发散，从而导致列车失稳，严重影响列车运行的安全性。而解决这一问题，最根本的办法是在高铁提速的同时开发行之有效的新型横向振动控制方法，从而同时保证高铁的运输效率和高速稳定性。然而随着高铁技术进一步发展以及运行速度的进一步提升，现有的被动式转向架悬挂越发不能满足要求。当前，主动控制和半主动控制是优于被动控制并可用于提高高铁转向架减振性能的两种典型方法。主动控制在减振方面有较好的效果，但控制复杂并存在稳定性差、功耗大、成本高等缺点，这些缺点大大限制了主动控制的广泛使用。半主动控制由于性能好、功耗小、硬件成本低、减振效果优于被动控制等优点，近年来受到了广泛的关注。然而，与主动控制相比，半主动控制的减振效果还有很大的局限性。

2、经研究发现，主动减振系统在减振过程中其力-位移关系曲线表现出明显的负刚度特性。为了进一步提高半主动高铁转向架的减振性能，本实用新型将负刚度特性引入到磁流变隔振器中，以期提高半主动高铁转向架的减振性能到主动减振水平。负刚度特性的引入能够节省主动控制所需的能量，降低系统成本，此外，本实用新型在达到主动控制减振效果的同时还能保证半主动系统的稳定性强、成本低、功耗小、可靠性高的优点。

技术实现思路

1、本实用新型解决的技术问题是通过公开一种具有负刚度特性的磁流变隔振器，解决以下技术问题：其一，负刚度特性的引入能够产生一个在全频范围内有效的“负刚度力”，此“负刚度力”能够克服传统半主动减振系统只在共振频率附近具有明显减振效果的局限性；其二，本实用新型能够达到主动控制的减振效果，规避主动控制系统缺点的同时保留了半主动系统稳定性强、成本低、功耗小、可靠性高的优点。

2、为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术解决方案为：

3、一种具有负刚度特性的磁流变隔振器，包括上底板、外套筒、上底板磁铁固定件、条形磁铁、圆柱中心轴、磁流变弹性体、铁片、圆形磁铁、直线滑轨、l型角码支架、下底板、磁铁支架、电磁线圈，其特征在于：所述磁流变弹性体、铁片、圆形磁铁和圆柱中心轴共同组成了所述磁流变隔振器的中心轴部分，所述电磁线圈位于所述中心轴部分的外围，为所述磁流变弹性体提供电磁场，磁流变隔振器以所述中心轴部分、上底板、外套筒和下底板为介质，使电磁线圈产生的磁场形成回路，所述直线滑轨用于使上下底板只能横向运动，所述条形磁铁用于提供所述磁流变隔振器的负刚度特性。

4、进一步的，两个所述圆柱中心轴分别与上下底板连接固定，该两个圆柱中心轴之间设有多层磁流变弹性体结构，此多层磁流变弹性体结构是由10层磁流变弹性体、10个铁片和2个圆形磁铁夹层而成，此多层结构不仅能够扩大单层磁流变弹性体(mre)的横向形变能力而且能够提高其纵向支撑能力。

5、进一步的，圆形磁铁能够为磁流变弹性体提供永磁场，使得所组成的多层磁流变弹性体结构拥有较大的初试刚度，从而提高其初试纵向支撑能力。

6、进一步的，作用于多层磁流变弹性体结构的磁场强度为圆形磁铁产生的永磁场强度和电磁线圈产生的电磁场强度的叠加，电磁线圈产生的电磁场的强度和方向可通过改变电流的大小和方向进行控制，当电磁线圈产生的电磁场与圆形磁铁产生的永磁场方向相同时，此时的电流定义为正向电流，电流越大，作用于多层磁流变弹性体结构的总磁场强度越大，所述磁流变隔振器的刚度越大；反之，当电磁线圈产生的电磁场与圆形磁铁产生的永磁场方向相反时此时的电流定义为反向电流，增大电流，作用于多层磁流变弹性体结构的总磁场强度将减小，所述磁流变隔振器的刚度变小。由此，便可实现所述磁流变隔振器的刚度可控。进一步的，所述磁流变隔振器的负刚度特性由12个条形磁铁实现。由于磁流变隔振器应用的环境场合不同，所述磁流变隔振器的条形磁铁的数量也可以根据不同的需求或者设计要求进行调整，但要保证条形磁铁上下左右安装的数量对称。

7、进一步的，所述直线滑轨的导轨通过l型角码支架与外套筒相连，而直线滑轨的滑块与上底板相连，从而使得上下底板只能产生横向的相对位移。

8、进一步的，所述条形磁铁分为左右两组，每组6块磁铁，借助上底板磁铁固定件和磁铁支架分别安装于与所述磁流变隔振器上下底板横向运动方向平行的对称两侧，即条形磁铁安装在磁流变隔振器横向运动方向的两侧，12块条形磁铁又按上下平均分为上下两部分，其中上部分6块磁铁，下部分6块磁铁，上部分磁铁通过上底板磁铁固定件与上底板相连接固定，下部分磁铁通过磁铁支架固定在外套筒上，上下两部分条形磁铁之间保留一定的间隙，磁极方向与磁流变隔振器上下底板相对运动方向平行，且上下两部分条形磁铁的磁极方向相同。磁流变隔振器处于中间平衡位置时，上部分条形磁铁的磁极面与下部分条形磁铁的磁极面在同一平面上。

9、进一步的，器件产生与位移方向相反的力表现正刚度特性，器件产生与位移方向相同的力表现负刚度特性。上下两部分条形磁铁的磁极方向相同。且磁流变隔振器处于中间平衡位置时，上部分条形磁铁的磁极面与下部分条形磁铁的磁极面在同一平面上，如果磁流变隔振器产生向左的横向运动，此时左右两组磁铁由于磁极方向相同，将产生向左相互排斥的力，如果磁流变隔振器产生向右的横向运动，此时左右两组磁铁将产生向右相互排斥的力，进而表现出负刚度的特性。

10、根据上述技术方案，本实用新型的动态工作过程如下：磁流变隔振器的下底板与产生振动信号的零部件相连接固定，上底板与需要隔振的零部件相连接固定，当有横向振动激励信号传递给磁流变隔振器下底板时，使得磁流变隔振器上下底板产生横向位移，此时，磁流变弹性体由于正刚度特性产生与横向位移方向相反的力，提供负刚度特性的条形磁铁产生与横向位移方向相同的力，磁流变隔振器对外表现的力为磁流变弹性体和提供负刚度特性条形磁铁的合力，但由于通过改变电磁线圈的电流使得磁流变弹性体刚度可控，从而上下底板当产生横向位移时磁流变弹性体表现出的力可控，即可以通过控制电磁线圈的电流使得磁流变隔振器的力实时可控，从而达到隔振的效果。

11、本实用新型的有益效果是：

12、(1)本实用新型是基于磁流变半主动技术，稳定性强，可靠性高，结构简单，维护成本低，而且能够提供可控阻尼力而并不需要大能耗和昂贵的硬件设施，大大降低了开发成本。

13、(2)负刚度组件和半主动减振系统的结合实现了“负刚度力”和可控阻尼力的协同作用。“负刚度力”的作用相当于主动控制系统中的主动作动力，在全频范围内有效的，结合可控阻尼器力，本实用新型的减振性能便可以大大提高。此外，负刚度组件是由永磁铁组成，不消耗任何能量，环保经济。

14、(3)通过控制通入电磁线圈的电流，本实用新型可以实现实时刚度可控，此特性有助于提高所述隔振器的减振性能。

15、(4)本实用新型的减振效果能够达到主动控制水平，克服了传统半主动减振系统只在共振频率附近具有明显减振效果的局限性，突破了传统半主动减振系统的技术瓶颈。同时，避免了主动控制系统耗能大、成本高、结构复杂的缺点。

16、(5)圆形磁铁能够在不消耗任何能量的前提下给磁流变弹性体提供初始磁场，这使得本实用新型具有故障安全特性，即使在隔振器断电时仍能保证列车的稳定，提高了列车的安全性。