閥控恆磁磁流變阻尼器的製作方法

2023-06-17 15:26:46 2

專利名稱：閥控恆磁磁流變阻尼器的製作方法
技術領域：
本發明屬於磁流變阻尼器技術領域，特別涉及一種閥控恆磁磁流變阻尼器。
背景技術：
振動是一種常見的物理現象，隨著科技的不斷進步，在建築結構、交通、機械等領域出現的振動問題引起人們的日益關注。為了有效克服和避免各種不利的振動，國內外學者先後提出了被動式、主動式和半主動式等振動控制系統。半主動控制是目前結構振動控制領域性價比最高、最具應用前景的控制技術，它將主動控制的思想和被動控制策略完美結合，在實施控制的同時節約了控制能源，並同時達到接近主動控制的效果，而且控制過程穩定可靠。近年來以磁流變液為代表的新型智能材料的應用為半主動控制技術的發展注入了新的活力。磁流變液主要是由非導磁性液體和均勻分散於其中的高磁導率、低磁滯性的 微小磁性顆粒組成，為了保證其懸浮穩定性，通常還包括適量的外加劑。在磁場作用下，磁流變液可在瞬間內(10毫秒左右)由流動性能良好的牛頓粘滯流體變為半固體，且這種變化連續、可控、可逆。1948年,美國工程師Rabinow首先發現了這種磁流變效應,並據此設計了磁流變離合器。磁流變阻尼器具備出力大，響應迅速，阻尼力連續可調，結構形式簡單，適應範圍廣泛等諸多優勢，研製至今，被公認為是最具發展前景的半主動控制裝置之一。現有基於磁流變阻尼器的半主動控制需要通過傳感器採集加速度、速度及位移信號，將這些信號整形、濾波後傳輸至計算機，計算機是整個控制系統的核心部分，根據採集到的響應信息按照一定的控制算法計算確定最優控制力，根據磁流變阻尼器的結構參數，反算電流並由控制電源施加，使得阻尼器的出力儘可能接近主動最優控制力。現有基於磁流變阻尼器的土木工程結構減振控制存在以下問題(1)在工作周期內，由電源提供磁場，地震作用下一旦電源損壞，阻尼器將變成僅具有很小出力能力的被動控制裝置工作，基於磁流變阻尼器的智能半主動控制將無法實現。且電源需不定期檢查更換，增加了不必要的人力和物力消耗，裝置的整體壽命也因此縮短；(2)在控制中，需要根據傳感器採集加速度、速度、位移的大小和方向，由計算機運算控制算法判定最優控制力進而得到控制電流的大小，最終由控制電源輸出控制，因其結構複雜而增加了裝置的不可靠性。

發明內容
鑑於現有技術中存在的問題，本發明的目的在於為了解決現有的基於控制電源和計算機控制算法的磁流變阻尼器，因其結構複雜而增加的不可靠性的問題，提供一種閥控恆磁磁流變阻尼器，其特徵在於，閥控恆磁磁流變阻尼器由缸體1，活塞2、活塞杆7、旁通管10和電液比例伺服閥11構成，所述缸體I的腔體為圓柱形，左右兩端分別由缸體左端面板和缸體右端面板密封，圓柱形的活塞2和活塞杆7同軸，活塞2固接在活塞杆7的中部，活塞2和活塞杆7與缸體I的腔體同軸，活塞2在缸體I的腔體內，活塞杆7的左右兩端分別從缸體左端面板和缸體右端面板的中心圓孔伸出，在缸體左端面板和缸體右端面板的中心圓孔中，用密封環12將活塞杆7與缸體I密封，活塞杆7通過置於缸體左端面板和缸體右端面板的中心圓孔中的軸承13與缸體I構成軸向滑動連接，活塞2的圓柱面與缸體I的腔體壁的圓柱面之間有磁流變液流動間隙9，活塞2將缸體I的腔體分為左腔和右腔，旁通管10的左端與缸體I的左腔連通，旁通管10的右端與缸體I的右腔連通，電液比例伺服閥11串接在旁通管10中，磁流變液8充滿缸體I的左腔和右腔以及磁流變液流動間隙9和旁通管10 ；所述活塞2由環形永磁鐵3、2個導磁環4、環形隔磁體5和2個隔磁環6組成，環形永磁鐵3的內徑、導磁環4的內徑和隔磁環6的內徑都與活塞杆7的外徑相等，導磁環4的一端為平面，另一端有一個圓形凹面，所述導磁環4另一端的圓形凹面的直徑和環形永磁鐵3的外徑相等，環形隔磁體5的內徑與環形永磁鐵3外徑相等，導磁環4的外徑、隔磁環6的外徑和環形隔磁體5的外徑相等，環形永磁鐵3同軸固接在活塞杆7上，環形隔磁體5同軸固接在環形永磁鐵3的中部，2個導磁環4凹面相對在環形永磁鐵3左右兩側與活塞杆7同軸固接,一個隔磁環6在左邊的導磁環4的左側與活塞杆7同軸固接,另一個隔磁 環6在右邊的導磁環4的右側與活塞杆7同軸固接，環形永磁鐵3與兩側的導磁環4之間無間隙，環形永磁鐵3與環形隔磁體5之間無間隙，環形隔磁體5與兩側的導磁環4之間無間隙，隔磁環6與導磁環4之間無間隙，環形永磁鐵3在磁流變液流動間隙9中產生恆定磁場；所述電液比例伺服閥11的控制信號輸入端與控制器14的控制信號輸出端連接；所述缸體I和導磁環4的材料為高導磁材料電工純鐵DT4或45號碳素鋼；所述環形隔磁體5、隔磁環6和活塞杆7的材料為極低導磁材料304系列不鏽鋼；所述磁流變液流動間隙9大小為I 2mm ;所述環形永磁鐵3在磁流變液流動間隙9中產生恆定磁場的磁場強度不低於O. 5T。本發明的閥控恆磁磁流變阻尼器不需要控制電源和計算機複雜的控制算法等即可工作，結構相對簡單，具有更高的可靠性，閥控恆磁磁流變阻尼器的實現過程如下應用時，分別將阻尼器的活塞杆7和缸體I連接在受控結構的兩個不同構件上，在地震或風等外界荷載作用下結構產生振動，阻尼器中的活塞杆7和缸體I就會在結構的帶動下產生相對運動。在阻尼器中由環形永磁鐵3提供給磁流變液8恆定磁場，磁流變液8中的磁性顆粒在恆定磁場作用下沿磁場方向呈鏈狀或鏈束狀排列，在磁流變液流動間隙9中形成粒子鏈，阻礙磁流變液8的正常流動，使磁流變液流動間隙9中流體成為一種具有一定剪切屈服強度的黏塑性體。控制器14根據採集到的受控結構在外荷載作用下的響應信息，依據事先設計好的控制律進行運算，輸出控制指令給電液比例伺服閥11，控制電液比例伺服閥11的閥門開啟或關閉，進而控制阻尼器的出力大小。當控制器14輸出指令控制電液比例伺服閥11開啟閥門時，阻尼器處於OFF狀態，磁流變液8在活塞的作用下，由缸體I的左腔(或右腔)通過旁通管10和電液比例伺服閥11流入缸體I的右腔(或左腔)，此時阻尼器的工作模式為剪切模式，阻尼器出力較小，為小出力狀態；當控制器14輸出指令控制電液比例伺服閥11關閉閥門時，阻尼器處於ON狀態，磁流變液8在活塞的作用下，由缸體I的左腔(或右腔)通過磁流變液流動間隙流入缸體I的右腔(或左腔)，此時阻尼器的工作模式為剪切閥式組合模式，阻尼器出力較大，為大出力狀態。即該阻尼器中磁流變液流動間隙9中磁流變液8受到的由環形永磁鐵3提供的磁場強度一定，因此磁流變液8的剪切屈服強度也一定，控制器14接收採集到的受控結構在外荷載作用下的響應信息，根據一定的控制律進行計算，輸出指令給電液比例伺服閥11，電液比例伺服閥11進而開啟或關閉，相應阻尼器處於OFF或ON狀態，阻尼器的工作模式為剪切模式或剪切閥式組合模式，輸出阻尼力為小阻尼力或大阻尼力。本發明的有益效果為，閥控恆磁磁流變阻尼器與基於計算機及控制電源的磁流變阻尼器相比，有以下優點I.本發明利用永磁體提供恆定磁場，不需要額外配置控制電源，結構簡單，避免了供電線圈產熱的問題；且避免了地震作用下由於供電電源損壞而導致磁流變阻尼器無法正常工作的情況，提高了設備的安全性；2.本發明利用電液比例伺服閥改變磁流變液的流動方向，進而改變阻尼器出力大小，與傳統的由供電線圈控制磁場大小的做法相比，阻尼器性能穩定，構造簡單；
3.本發明由控制器根據採集到的受控結構在外荷載作用下的響應信息，根據一定的控制律控制電液比例伺服閥的開啟和關閉，省去了控制系統中計算機及複雜的控制算法，降低半主動控制系統在設備及安裝與維護方面的成本造價，基於本發明阻尼器的半主動控制系統在實際應用中更易於實施。


圖I為閥控恆磁磁流變阻尼器實施例結構示意圖；圖2為閥控恆磁磁流變阻尼器的閉合工作磁迴路示意圖。圖中，I--缸體,2 —活塞，3 —環形永磁鐵，4 —導磁環，5 —環形隔磁體，6 —隔磁環，7-活塞杆，8—磁流變液，9-磁流變液流動間隙，10-旁通管，11-電液比例伺服閥，12 —密封環，13 —軸承，14 —控制器。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明。圖I為閥控恆磁磁流變阻尼器實施例結構示意圖，閥控恆磁磁流變阻尼器由缸體1，活塞2、活塞杆7、旁通管10和電液比例伺服閥11構成。缸體I的腔體為圓柱形，左右兩端分別由缸體左端面板和缸體右端面板密封。圓柱形的活塞2和活塞杆7同軸，活塞2固接在活塞杆7的中部，活塞2和活塞杆7與缸體I的腔體同軸，活塞2在缸體I的腔體內。活塞杆7的左右兩端分別從缸體左端面板和缸體右端面板的中心圓孔伸出，在缸體左端面板和缸體右端面板的中心圓孔中，用密封環12將活塞杆7與缸體I密封，活塞杆7通過置於缸體左端面板和缸體右端面板的中心圓孔中的軸承13與缸體I構成軸向滑動連接。活塞2的圓柱面與缸體I的腔體壁的圓柱面之間有磁流變液流動間隙9，磁流變液流動間隙9大小為2mm。活塞2將缸體I的腔體分為左腔和右腔，旁通管10的左端與缸體I的左腔連通，旁通管10的右端與缸體I的右腔連通，電液比例伺服閥11串接在旁通管10中。磁流變液8充滿缸體I的左腔和右腔以及磁流變液流動間隙9和旁通管10 ；活塞2由環形永磁鐵3、2個導磁環4、環形隔磁體5和2個隔磁環6組成。環形永磁鐵3的內徑、導磁環4的內徑和隔磁環6的內徑都與活塞杆7的外徑相等。導磁環4的一端為平面，另一端有一個圓形凹面，所述導磁環4另一端的圓形凹面的直徑和環形永磁鐵3的外徑相等。環形隔磁體5的內徑與環形永磁鐵3外徑相等，導磁環4的外徑、隔磁環6的外徑和環形隔磁體5的外徑相等。環形永磁鐵3同軸固接在活塞杆7上，環形隔磁體5同軸固接在環形永磁鐵3的中部，2個導磁環4凹面相對在環形永磁鐵3左右兩側與活塞杆7同軸固接,一個隔磁環6在左邊的導磁環4的左側與活塞杆7同軸固接,另一個隔磁環6在右邊的導磁環4的右側與活塞杆7同軸固接。環形永磁鐵3與兩側的導磁環4之間無間隙，環形永磁鐵3與環形隔磁體5之間無間隙，環形隔磁體5與兩側的導磁環4之間無間隙，隔磁環6與導磁環4之間無間隙。所述電液比例伺服閥11的控制信號輸入端與控制器14的控制信號輸出端連接。本實施例中，缸體I和導磁環4的材料為高導磁材料45號碳素鋼，環形隔磁體5、隔磁環6和活塞杆7的材料為極低導磁材料304系列不鏽鋼。圖2為閥控恆磁磁流變阻尼器的閉合工作磁迴路示意圖，環形永磁鐵3產生的磁場在活塞2兩端的隔磁環6和中間的環形隔磁體5作用下，閉合工作磁迴路在缸體I的腔
體中限制在磁流變液流動間隙9內，在磁流變液流動間隙9內形成恆定磁場。本實施例中，磁流變液流動間隙9內恆定磁場的磁場強度為O. 8T。在磁流變液流動間隙9中的磁流變液8中的磁性顆粒在恆定磁場作用下沿磁場方向呈鏈狀或鏈束狀排列，在磁流變液流動間隙9中形成粒子鏈，使磁流變液流動間隙9中磁流變液8流體成為一種具有一定剪切屈服強度的黏塑性體，阻礙磁流變液8的正常流動。本發明應用時，分別將阻尼器的活塞杆7和缸體I連接在受控結構的兩個不同構件上，在地震或風等外界荷載作用下結構產生振動，阻尼器中的活塞杆7和缸體I就會在結構的帶動下產生相對運動。控制器14根據採集到的受控結構在外荷載作用下的響應信息，依據事先設計好的控制律進行運算，輸出控制指令給電液比例伺服閥11，電液比例伺服閥11的閥門開啟或關閉，進而控制阻尼器的出力大小。當控制器14輸出指令控制電液比例伺服閥11開啟閥門時，阻尼器處於OFF狀態，磁流變液8在活塞的作用下，由缸體I的左腔(或右腔)通過旁通管10和電液比例伺服閥11流入主缸的右腔(或左腔)，此時阻尼器的工作模式為剪切模式，阻尼器出力較小，為小出力狀態；當控制器14輸出指令控制電液比例伺服閥11關閉閥門時，阻尼器處於ON狀態，磁流變液8在活塞2的作用下，由缸體I的左腔(或右腔)通過磁流變液流動間隙9流入缸體I的右腔(或左腔)，由於磁流變液流動間隙9中磁流變液8流體在恆定磁場的作用下，成為一種具有一定剪切屈服強度的黏塑性體，對左腔和右腔中的磁流變液8流體的流動形成阻力，此時阻尼器的工作模式為剪切閥式組合模式，阻尼器出力較大，為大出力狀態。即該阻尼器中磁流變液流動間隙9中磁流變液8受到的由環形永磁鐵3提供的磁場強度一定，因此磁流變液8的剪切屈服強度也一定，控制器14接收採集到的受控結構在外荷載作用下的響應信息，根據一定的控制律進行計算，輸出指令給電液比例伺服閥11，電液比例伺服閥11進而開啟或關閉，相應阻尼器處於OFF或ON狀態，阻尼器的工作模式為剪切模式或剪切閥式組合模式，輸出阻尼力為小阻尼力或大阻尼力。本發明適用於土木工程結構風振和地震反應控制中應用。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種閥控恆磁磁流變阻尼器，其特徵在於，閥控恆磁磁流變阻尼器由缸體(1)，活塞(2)、活塞杆(7)、旁通管(10)和電液比例伺服閥(11)構成，所述缸體(I)的腔體為圓柱形，左右兩端分別由缸體左端面板和缸體右端面板密封，圓柱形的活塞(2)和活塞杆(7)同軸，活塞(2)固接在活塞杆(7)的中部，活塞(2)和活塞杆(7)與缸體(I)的腔體同軸，活塞(2 )在缸體(I)的腔體內，活塞杆(7 )的左右兩端分別從缸體左端面板和缸體右端面板的中心圓孔伸出，在缸體左端面板和缸體右端面板的中心圓孔中，用密封環(12)將活塞杆(7)與缸體(I)密封，活塞杆(7)通過置於缸體左端面板和缸體右端面板的中心圓孔中的軸承(13)與缸體(I)構成軸向滑動連接，活塞(2)的圓柱面與缸體(I)的腔體壁的圓柱面之間有磁流變液流動間隙(9)，活塞(2)將缸體(I)的腔體分為左腔和右腔，旁通管(10)的左端與缸體(I)的左腔連通，旁通管(10)的右端與缸體(I)的右腔連通，電液比例伺服閥(11)串接在旁通管(10 )中，磁流變液(8 )充滿缸體(I)的左腔和右腔以及磁流變液流動間隙(9 )和旁通管(10)； 所述活塞(2 )由環形永磁鐵(3 )、2個導磁環(4 )、環形隔磁體(5 )和2個隔磁環(6 )組成，環形永磁鐵(3)的內徑、導磁環(4)的內徑和隔磁環(6)的內徑都與活塞杆(7)的外徑相等，導磁環(4)的一端為平面，另一端有一個圓形凹面，所述導磁環(4)另一端的圓形凹面的直徑和環形永磁鐵(3)的外徑相等，環形隔磁體(5)的內徑與環形永磁鐵(3)外徑相等，導磁環(4)的外徑、隔磁環(6)的外徑和環形隔磁體(5)的外徑相等，環形永磁鐵(3)同軸固接在活塞杆(7)上，環形隔磁體(5)同軸固接在環形永磁鐵(3)的中部，2個導磁環(4)凹面相對在環形永磁鐵(3)左右兩側與活塞杆(7)同軸固接,一個隔磁環(6)在左邊的導磁環(4)的左側與活塞杆(7)同軸固接，另一個隔磁環(6)在右邊的導磁環(4)的右側與活塞杆(7)同軸固接，環形永磁鐵(3)與兩側的導磁環(4)之間無間隙，環形永磁鐵(3)與環形隔磁體(5)之間無間隙，環形隔磁體(5)與兩側的導磁環(4)之間無間隙，隔磁環(6)與導磁環(4)之間無間隙，環形永磁鐵(3)在磁流變液流動間隙(9)中產生恆定磁場；所述電液比例伺服閥(11)的控制信號輸入端與控制器(14)的控制信號輸出端連接。
2.根據權利要求I所述的閥控恆磁磁流變阻尼器，其特徵在於，所述缸體(I)和導磁環(4)的材料為高導磁材料電工純鐵DT4或45號碳素鋼。
3.根據權利要求I所述的閥控恆磁磁流變阻尼器，其特徵在於，所述環形隔磁體(5)、隔磁環(6)和活塞杆(7)的材料為極低導磁材料304系列不鏽鋼。
4.根據權利要求I所述的閥控恆磁磁流變阻尼器，其特徵在於，所述磁流變液流動間隙(9)大小為I 2mm。
5.根據權利要求I所述的閥控恆磁磁流變阻尼器，其特徵在於，所述環形永磁鐵(3)在磁流變液流動間隙(9)中形成的磁場強度不低於O. 5T。
全文摘要
本發明涉及一種閥控恆磁磁流變阻尼器，屬於磁流變阻尼器技術領域。閥控恆磁磁流變阻尼器由缸體，活塞、活塞杆、旁通管和電液比例伺服閥構成，活塞由環形永磁鐵、2個導磁環、環形隔磁體和2個隔磁環組成，活塞在缸體的腔體內，活塞杆兩端分別從缸體兩端面板中心圓孔伸出，活塞與缸體的腔體壁之間有磁流變液流動間隙，串接了電液比例伺服閥的旁通管兩端分別與左腔和右腔連通，磁流變液充滿缸體的腔體、磁流變液流動間隙和旁通管；磁流變液流動間隙中的磁流變液在恆定磁場作用下成為一種具有一定剪切屈服強度的黏塑性體，阻礙磁流變液正常流動。本發明不需要控制電源和計算機複雜的控制算法等即可工作，結構簡單，具有更高的可靠性。
文檔編號F16F9/53GK102889331SQ201210401039
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者徐龍河, 戚豔紅, 李忠獻 申請人:北京交通大學