一種剛度阻尼及慣性力可控的隔振系統及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機械力的控制及其控制方法領域，尤其是應用動力吸振的力控制設備 領域。本發明涉及一種隔振系統及其控制方法，尤其涉及一種剛度阻尼及慣性力可控的隔 振系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 機械設備在工作過程中會不可避免的產生振動，機器高速運作的振動問題是一個 比較突出且難以解決的問題，對于結構復雜的設備而言，僅依靠優化設計是不能解決振動 問題的，因此，隔振裝置是一個不可缺少的機械設備，隔振裝置可用于諸多領域，例如被用 于車輛、建筑物、橋梁等領域的隔振。基于傳統隔振理論的隔振裝置不能解決隔振效果的優 異性與設備工作空間、動載荷之間的矛盾，隔振效果不理想，阻礙了隔振技術研究的進展， 而依據機電相似理論，將機械系統之中的力流與電學系統中的電流、機械系統中的速度與 電學系統中的電壓分別對應起來;彈簧兩端點的力相位滯后于兩端點的速度相位，阻尼設 備兩端點的力相位與兩端點的速度相位始終相同，力控制設備兩端點的力相位超前于兩端 點的速度相位。據此，在現有彈簧阻尼二元件結構的基礎上增加了慣性設備，即可實現既能 夠緩沖并衰減高頻振動與沖擊，也能夠緩沖并衰減低頻振動與沖擊的動力吸振式隔振結 構。
[0003] 空氣彈簧是一種在柔性密閉容器中加入壓縮空氣、利用空氣的體積壓力進行工作 的非線性彈性元件，并且兼有隔振、緩沖及作動等多種功能，空氣彈簧主要由橡膠氣囊，上 蓋板和下蓋板組成，上下蓋板與橡膠氣囊之間保持氣密，可以實現彈簧剛度的主動改變，其 減振性能相比于傳統彈性元件具有極大的優越性。
[0004] 磁流變阻尼器利用電磁效應，以來自監測設備運動傳感器的輸入信息為基礎，對 路況和駕駛環境做出實時響應。磁流變液體(MR液體)是一種磁性軟粒懸浮液，當液體被注 入阻尼器活塞內的電磁線圈后，線圈的磁場將改變其流變特性(或產生流體阻力），從而在 沒有機電控制閥、且機械裝置簡單的情形下，產生反應迅速、可控性強的阻尼力。磁流變阻 尼器有著阻尼力可調倍數高、易于實現計算機變阻尼實時控制、結構緊湊以及外部輸入能 量小等特點，日益受到工程界的高度重視。
[0005] 目前的隔振設備控制方法大多僅涉及多種參數中的一個變量，這限制了隔振設備 發揮其最大的減振效果，設備無法在任一瞬時均為參數最佳匹配狀態，特別是設備在振動 輸入頻率是變化的情況之下，減振效果將更加的不理想。而現實生活之中，大多數的振動都 是非單一頻率的振動，往往涉及多種頻率的復雜振動。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是為了解決現有技術中的不足，提出了一種剛度阻尼及慣性力都可 控的隔振裝置及其控制方法，實現了剛度、阻尼以及慣性力的主動可控，可以極大的優化現 有隔振設備的性能。
[0007] 本發明是通過如下技術方案實現的：
[0008] -種剛度阻尼及慣性力可控的隔振系統，包括隔振裝置與控制模塊；
[0009] 所述隔振裝置中，包括空氣彈簧、慣性力發生器、磁流變式阻尼器;所述慣性力發 生器置于空氣彈簧中；
[0010] 所述空氣彈簧與磁流變式阻尼器并聯;所述空氣彈簧一端與振動機械設備相連 接，空氣彈簧另一端與固定物相連接;所述磁流變式阻尼器一端與振動機械設備相連接，磁 流變式阻尼器另一端與固定物相連接；
[0011] 所述空氣彈簧包括空氣彈簧本體與空氣彈簧底座;所述空氣彈簧底座置于空氣彈 簧本體下端中心且空氣彈簧本體與空氣彈簧底座為可拆卸密封連接；
[0012] 所述慣性力發生器包括慣性力發生器缸筒與質量式齒條活塞桿;所述慣性力發生 器缸筒具有彈性;所述慣性力發生器缸筒置于空氣彈簧本體內部，且沿空氣彈簧本體軸線 左右對稱;慣性力發生器缸筒底部固定于空氣彈簧底座上；質量式齒條活塞桿軸向一端置 于慣性力發生器缸筒內部;質量式齒條活塞桿軸向另一端置于空氣彈簧底座內并與對稱固 定在空氣彈簧底座豎直圓柱面上的電機/發電機輸出軸上齒輪相嚙合；
[0013] 所述控制模塊中，包括信息采集模塊、計算機模塊及隔振設備控制模塊;所述信息 采集模塊包括各類傳感器;所述采集模塊輸出端與AD轉換相連接;AD轉換與計算機模塊輸 入相連接;計算機模塊輸出與隔振設備控制模塊相連接；
[0014] 所述信息采集模塊用于收集將傳感器采集到的數據信號;并將采集到的數據信號 經AD轉換傳輸給計算機模塊；
[0015] 所述計算機模塊將經AD轉換后的信息采集模塊采集到的數據進行分析處理，從而 輸出控制指令給隔振設備控制模塊；
[0016] 所述隔振設備控制模塊將接收到的控制指令用于控制空氣彈簧、慣性力發生器與 磁流變式阻尼器的參數，從而實現對隔振設備工作參數的實時控制。
[0017] 進一步的，所述慣性力發生器缸筒材質為橡膠。
[0018] 進一步的，所述信息采集模塊為路況探測模塊、計算機模塊為電子控制單元 (ECU)、隔振設備控制模塊為懸架控制模塊；
[0019] 所述路況探測模塊包括車速傳感器、加速度傳感器、方向盤轉角傳感器;懸架控制 模塊包括彈簧調節器、阻尼力調節器和慣性力調節器；
[0020] 所述路況探測模塊將車速傳感器、加速度傳感器、方向盤轉角傳感器檢測到車輛 行駛信息的信號經AD轉換傳輸給電子控制單元(ECU)，電子控制單元(ECU)發出控制指令， 從而控制空氣彈簧、慣性力發生器與磁流變式阻尼器的工作，然后空氣彈簧、慣性力發生器 與磁流變式阻尼器的工作狀況反饋給電子控制單元(ECU)，從而實現對工況的控制。
[0021] -種剛度阻尼及慣性力可控的隔振系統的控制方法，包括如下步驟：
[0022] 步驟1)信號采集模塊對力學信號、位移、速度、加速度等信號參數進行采集記錄， 并經AD轉換器轉換為數字信號輸入到計算機模塊；
[0023] 步驟2)計算機模塊對所采集的數據進行一系列處理之后，根據用戶的隔振需求給 出最佳的控制策略；
[0024] 步驟3)若對于隔振要求很高，則計算機模塊通過計算給出最佳參數后發送至隔振 設備控制模塊，實現實時調節空氣彈簧、慣性力發生器、磁流變式阻尼器的參數，使其一直 保持在最佳的隔振狀態，此時信號采集模塊繼續工作，將采取控制策略后的隔振表現效果 反饋至計算機模塊，計算機模塊根據反饋情況對控制策略進行修正，使得系統能夠穩定、精 確;若用戶對于設備隔振要求不高，計算機模塊將會將隔振裝置調節至能量回收狀態，隔振 裝置將振動所產生的能量轉化為電能存儲于超級電容中，當需要使用超級電容中的能量 時，可通過可控硅調節電路通斷將超級電容中的能量用于給各類傳感器和電氣設備供電。
[0025] 磁流變阻尼器為一內部充有磁流變液體(MR液體)的液壓阻尼器，阻尼器內設有電 學線圈，當線圈內的電流增大，阻尼器內磁場就會增強，，磁流變液的粘性變大，磁流變液流 過節流孔的阻力隨之增大，使得阻尼器輸出的阻尼力增大，反之，電流減小，阻尼力也減小。 因此通過對輸入電流的調節，即可控制阻尼器阻尼力的大小。
[0026] 信號采集模塊主要包含各類傳感器，采集振動源的特性，并且將數據傳輸到計算 機中，計算機對數據進行處理，進而發送指令到隔振設備控制模塊，調節隔振設備各參數， 使其達到最佳的隔振效果。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明的隔振裝置示意圖；
[0028]圖2為本發明彈性力及慣性力發生器的工程示意圖；
[0029] 圖3為本發明電機/發電機作動以及能量回收控制電路；
[0030] 圖4為本發明的控制系統原理圖；
[0031 ]圖5為本發明應用于車輛懸架領域的控制系統框圖；
[0032] 附圖標記如下：
[0033] 1-空氣彈簧;2-慣性力發生器;3-磁流變式阻尼器;4-振動機械設備;5-固定物;6、 空氣彈簧本體;7-慣性力發生器缸筒;8-質量式齒條活塞桿;9-電機/發電機；10-空氣彈簧 底座;11-信號采集模塊;12-計算機模塊;13-隔振設備控制模塊。
[0034] 有益效果：
[0035] 1.本發明所述空氣彈簧提供可控彈性力，所述慣性力發生器提供可控慣性力，所 述磁流變阻尼器提供可控阻尼力，本發明實現實時調整三個隔振參數，使振動的負面效果 降到最低，機械設備能夠保持在最佳狀態運行，顯著提高振動設備的精度以及使用壽命。
[0036] 2.實現了剛度、阻尼以及慣性力的主動可控，可以極大的優化現有隔振設備的性 能。
[0037] 3.基于該裝置的控制方法，通過信號采集和計算機模塊處理從而實現對機械設備 隔振的實時監控，從而發出