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一種雙錐角的一階浮力原理磁性液體減振器.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510213539.X

申請日:

2015.04.30

公開號:

CN104895983A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F16F 6/00申請日:20150430|||公開
IPC分類號: F16F6/00 主分類號: F16F6/00
申請人: 北京交通大學
發明人: 李德才; 姚杰; 姜華偉; 黃串
地址: 100044北京市海淀區西直門外上園村3號
優先權:
專利代理機構: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙)11392 代理人: 董琪
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510213539.X

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.01.25|||2015.10.07|||2015.09.09

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種雙錐角的一階浮力原理磁性液體減振器,屬于機械工程振動領域。成功解決了現有磁性液體阻尼減振器由于多種結構問題無法在工程實際中得到應用的問題。該裝置包括殼體(1)、第一永磁體(2)、上端蓋(3)、磁性液體(4)、質量塊(5)、第二永磁體(6)、下端蓋(7),當外界振動時,質量塊(5)在腔體內移動,磁性液體(4)在殼體(1)內孔壁與質量塊(5)的間隙內流動,從而吸收能量達到減振目的,第一永磁體(2)和第二永磁體(6)在磁性液體內部形成的一階浮力使得質量塊(5)與殼體(1)之間形成頻率差,使減振效率達到最大。

權利要求書

權利要求書
1.  一種雙錐角的一階浮力原理磁性液體減振器,其特征在于:該裝置包括殼體(1)、第一永磁體(2)、上端蓋(3)、磁性液體(4)、質量塊(5)、第二永磁體(6)、下端蓋(7);
所述殼體(1)設有通孔,通孔兩端分別加工有沉孔,沉孔直徑大于通孔直徑,殼體(1)上、下端面分別與上端蓋(3)和下端蓋(7)固定連接形成減振器腔室;所述減振器腔室內部放入質量塊(5)并充滿磁性液體(4);所述上端蓋(3)上端面加工有沉孔,下端面加工有凸臺,凸臺端面設有錐角;所述下端蓋(7)與上端蓋(3)結構和尺寸相同;所述第一永磁體(2)裝入上端蓋(3)的沉孔中,與上端蓋(3)固定連接,所述第二永磁體(6)裝入下端蓋(7)的沉孔中,與下端蓋(7)固定連接。

2.  根據權利要求1所述一種雙錐角的一階浮力原理磁性液體減振器,其特征在于:
所述殼體(1)為非導磁材料,兩端的沉孔內徑與上端蓋(3)和下端蓋(7)的凸臺外徑相同;。

3.  根據權利要求1或2所述一種雙錐角的一階浮力原理磁性液體減振器,其特征在于:
所述上端蓋(3)為導磁性能極好的材料,其凸臺端面所設錐角最大直徑與殼體(1)的內孔直徑相同,比凸臺直徑小2~6mm,錐角角度θ2為140~170°,錐角頂點到第一永磁體(2)的厚度為1~3mm,上、下端蓋的沉孔內徑與第一、第二永磁體直徑相同,為過渡配合。

4.  根據權利要求1所述一種雙錐角的一階浮力原理磁性液體減振器,其特征在于:
所述第一永磁體(2)為圓柱體且直徑與上端蓋(3)的沉孔內徑相同,在 中心處加工有螺紋孔,所述第二永磁體(6)與第一永磁體(2)結構和尺寸相同,第一永磁體(2)與第二永磁體(6)為同極相對,即,第一永磁體(2)與上端蓋(3)的接觸面為N(S)極,第二永磁體(6)與下端面(7)的接觸面也為N(S)極。

5.  根據權利要求1或3所述一種雙錐角的一階浮力原理磁性液體減振器,其特征在于:
所述質量塊(5)為圓柱形非導磁材料,上、下端面均加工成圓錐狀,質量塊兩端錐角角度小于上、下端蓋的錐角角度,即,θ1<θ2,且θ2-θ1<20°,質量塊(5)直徑與高度的比值,即,l/h=2~4。

說明書

說明書一種雙錐角的一階浮力原理磁性液體減振器
技術領域
本發明屬于機械工程振動領域。
背景技術
磁性液體阻尼減振器是一種被動減振器,對慣性力的敏感度較高,具有結構簡單、體積小、耗能大和壽命長等優點。由于空間飛行器特殊的運行環境,其自身體積、重量和所攜帶的能源受到一定的限制,因此磁性液體阻尼減振器非常適合于大型航天器長直物體的低頻率、小振幅的減振,如空間站的太陽能帆板、天線等,同時,其在地面上也具有廣闊的應用前景,如長達百米的大功率天線的減振,精密天平的減振等等。然而現有磁性液體阻尼減振器由于多種結構問題無法在工程實際中得到應用,具體問題如下:
現在最為常見的磁性液體阻尼減振器主要采用磁性液體的二階浮力原理,如對比文獻1(公開號CN102032304A的申請專利)所述、對比文獻2(公開號CN104074903A的申請專利)所述、對比文獻3(公開號CN102042359A的申請專利)所述、對比文獻4(公開號CN102494070A)所述、對比文獻5(公開號JP11-230255A)所述和對比文獻6(公開號CN103122965A)所述,少數采用了磁性液體的一階浮力原理,如對比文獻7(公開號JP11-223247A的申請專利)所述。
對比文獻1(公開號為CN102032304A的申請專利)所述的減振器裝置,該減振器包括非導磁外殼、磁性液體、永磁鐵、螺母、端蓋、螺栓、螺釘、密封墊和O型密封圈。該申請專利通過將圓柱形的永磁鐵作為質量塊,在非導磁外殼內注滿磁性液體,從而利用磁性液體的二階浮力原理使得質量塊懸浮在殼體中。當外界振動時,質量塊和殼體之間的相對運動造成磁性液體在質量塊與殼 體之間的間隙中流動,從而產生粘性損耗。然而,該專利所述的減振器由于利用了磁性液體的二階浮力原理,質量塊必須是永磁鐵,因此在實際應用中存在以下不足:第一、永磁鐵兩端的磁場非常強,而磁性液體在磁場的作用下粘度會急劇增大,因此在永磁鐵與殼體之間的磁性液體的流動將非常困難,從而對慣性力不敏感,減振效果差;第二、永磁鐵的材料通常比較脆,當航天器發射升空時,加速度極大,很容易造成永磁鐵與殼體之間的碰撞,最終導致永磁鐵碎裂,從而造成減振器失效,因此不具有實用性。
對比文獻2(公開號為CN104074903A的申請專利)所述的減振器裝置,該減振器包括非導磁殼體、螺栓、螺母、永磁鐵、磁性液體、非磁性外殼、O型圈、氣孔、環形間隙等。該申請專利也是將永磁鐵作為質量塊,在永磁鐵兩端吸附少量磁性液體,利用磁性液體的二階浮力原理使得永磁鐵懸浮,通過將殼體內壁加工成圓弧狀使得磁性液體產生彈性力,從而使得永磁鐵始終處于殼體的正中,但當永磁體沿圓弧狀曲面運動時,由于永磁體的底面為平面,易于外殼弧形內壁發生擦碰,且在加速度極大時,易出現永磁鐵與殼體之間碰撞所導致的永磁鐵碎裂問題,因此不具有實用性。
對比文獻3(公開號為CN102042359A的申請專利)所述的減振器裝置,該減振器與對比文獻1所述的裝置結構類似,但對比文獻3在永磁鐵上加工有4~8個通孔,該通孔可以使得磁性液體流動更加順暢,且增大摩擦面積。然而,由于永磁鐵兩端磁場非常強,無論是通孔內的磁性液體還是永磁鐵與殼體之間的磁性液體都會因為粘度過大而無法正常流動,因此在永磁鐵上加工通孔所產生的效果并不明顯;其次,由于在永磁鐵上加工通孔,增加了永磁鐵的易碎性,在加速度極大時,永磁鐵與殼體之間碰撞所導致的永磁鐵碎裂問題將更加突出,同時,圓柱形永磁體在側面產生的磁場較弱,因此所提供的定心力不足,因此 不具有實用性。
對比文獻4(公開號CN102494070A的申請專利)所述的減振器裝置,該減振器原理與對比文獻1所述裝置原理類似,但該專利所述裝置將殼體加工成空心球狀,永磁鐵加工成實心球狀。然而,單純的形狀改變并不能解決永磁鐵碎裂和磁性液體在永磁鐵與殼體之間流動困難的問題,因此不具有實用性。
對比文獻5(公開號JP11-230255A的申請專利)所述的減振器,該減振器是一種用于轉軸振動的減振器,其利用磁性液體的二階浮力原理,將永磁鐵作為一個旋轉質量塊。雖然該專利在殼體壁面安裝了一個陶瓷環5來避免永磁鐵與殼體的直接碰撞,但由于陶瓷的脆性遠大于永磁鐵,當發生相撞時,陶瓷環5極易碎裂從而污染減振器內部腔室使得減振效果下降。同時,該專利也無法解決磁性液體在永磁鐵與殼體之間流動困難的問題,因此不具有實用性。
對比文獻6(公開號CN103122965A的申請專利)所述的減振器裝置,該減振器是一種用于消減太陽能帆板振動的減振器,其利用了磁性液體的二階浮力原理,質量塊為環形永磁體。該專利通過用帶錐角的墊片來保持永磁體的居中位置,通過在殼體內壁粘接沿徑向充磁的第一環形永磁體來防止作為質量塊的第二環形永磁體的撞壁,第一環形永磁體與第二環形永磁體同極相對。當在航天器發射過程中,加速度極大,有時會超過10個重力加速度時,第一環形永磁體和第二環形永磁體間距越小斥力越大,可以有效防止第二環形永磁體沿徑向的撞壁行為。然而由于永磁體之間的斥力為不平衡力,因此第二環形永磁體在受到沿徑向的斥力的同時,還會受到一個沿軸向的力矩,因此在航天器發射過程中,該力矩很容易導致第二環形永磁體與殼體端蓋或底面相撞,最終導致第二環形永磁體碎裂,不具有實用性。
對比文獻7(公開號JP11-223247A的申請專利)所述的減振器裝置,該減 振器是一種用于消減轉軸振動的減振器,其利用了磁性液體的一階浮力原理,質量塊為環形非導磁物質,在轉軸上安裝一圈永磁鐵使得質量塊在周向不發生偏移。然而,通過磁性液體的一階浮力原理可知,單獨一組永磁鐵對非導磁性的物質懸浮是不穩定的,很容易導致質量塊在沿轉軸軸向方向產生偏移和擾動,因此該專利不具有實用價值。
因此急需對磁性液體阻尼減振器的結構進行重新設計和改進,使其能夠在實際工程中得到應用。
發明內容
本發明需要解決的技術問題是,現有磁性液體阻尼減振器由于多種結構缺陷造成磁性液體流動困難、永磁體易碎裂、定心效果不好和粘性耗能效率不高等問題,使其無法在工程實際中得到應用。特提供一種雙錐角的一階浮力原理磁性液體減振器。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
該裝置包括殼體、第一永磁體、上端蓋、磁性液體、質量塊、第二永磁體、下端蓋。
所述殼體設有通孔,通孔兩端分別加工有沉孔,殼體上、下端面分別與上端蓋和下端蓋固定連接形成減振器腔室;所述減振器腔室內部放入質量塊并充滿磁性液體;所述上端蓋上端面加工有沉孔,下端面加工有凸臺,凸臺端面設有錐角;所述下端蓋與上端蓋結構和尺寸相同;所述第一永磁體裝入上端蓋的沉孔中,與上端蓋固定連接,所述第二永磁體裝入下端蓋的沉孔中,與下端蓋固定連接。
所述殼體為非導磁材料,其兩端的沉孔內徑與上端蓋和下端蓋的凸臺外徑相同,從而使得在安裝下端蓋后,可以在注入磁性液體時,使得磁性液體高度 略微高于殼體上端的沉孔高度,當裝入上端蓋后,磁性液體將被擠壓出一部分,從而確保磁性液體可以完全注滿殼體;
所述上端蓋和下端蓋均為導磁性能極好的材料,其凸臺端面所設錐角直徑與殼體的內孔直徑相同,比凸臺直徑小2~6mm,該尺寸既可以避免殼體內壁過厚,重力太大,又可以確保磁性液體能夠注滿殼體。錐角角度θ2為140~170°,錐角頂點到第一永磁體的厚度為1~3mm,可以保證第一、第二永磁體的磁場衰減不至于過大,造成回復力過小。上、下端蓋的沉孔內徑與第一、第二永磁體直徑相同,為過渡配合,上、下端蓋的沉孔結構可以更加有效的防止第一、第二永磁體受到外界撞擊,也可以防止其在劇烈振動下松動掉落,還可以縮小第一、第二永磁體與質量塊之間的距離,從而使作用在質量塊上的磁場達到最大值。
所述第一永磁體為圓柱體且直徑與上端蓋的沉孔內徑相同,在中心處加工有螺紋孔,所述第二永磁體與第一永磁體結構和尺寸相同,第一永磁體與第二永磁體為同極相對,即,第一永磁體與上端蓋的接觸面為N(S)極,第二永磁體與下端面的接觸面為N(S)極。在第一、第二永磁體中心的螺紋孔便于將第一、第二永磁體進行安裝與拆卸,同時,第一永磁體與第二永磁體在殼體中會產生一個以殼體中心為原點的軸對稱不均勻磁場,在該磁場的作用下,殼體內部的磁性液體會產生一個指向原點的體積力,因此可以保證質量塊懸浮于殼體正中。該發明不同于現有技術(對比文獻6所述裝置)中為防止第二環形永磁體撞壁所采用的第一環形永磁體和第二環形永磁體同極相對的目的,也避免了現有技術(對比文獻7所述裝置)通過在轉軸上安裝永磁體對質量塊產生的不穩定定心所增加的擾動問題。同時,將第一永磁體和第二永磁體安裝在殼體和端蓋外側,徹底解決了現有技術(對比文獻1、2、3、4、5和6所述裝置)中 永磁體撞擊造成的碎裂問題和由于磁粘效應引起的磁性液體流動困難問題,也徹底解決了現有技術(對比文獻1、3、4和5所述裝置)中永磁體安放在殼體內部所導致的磁性液體注入困難甚至無法注滿的問題。
所述質量塊為圓柱形非導磁性物質,上、下端面均加工成圓錐狀,質量塊兩端的錐角角度小于上、下端蓋的錐角角度,即,θ1<θ2,且θ2-θ1<20°。質量塊直徑與高度的比值,即,l/h=2~4。質量塊兩端的錐角與上、下端蓋的錐角會形成流體動壓效果,增大粘性耗能。質量塊的錐角結構在液體中運動的阻力要小于現有技術(文獻1、2、3、5、6和7所述裝置)中的圓柱形和圓環形材料,在外界振動時,質量塊與殼體之間的相對速度更大,減振效率也將更高。同時,錐角結構更有利于質量塊懸浮在第一永磁體與第二永磁體產生的軸對稱非均勻磁場中,所受到的磁性液體的一階懸浮力也更加穩定,改善了現有技術(文獻7所述裝置)所采用的環形非導磁性物質的不穩定懸浮問題。質量塊的材料為非導磁性物質可以徹底解決現有技術(文獻1、3、4和5所述裝置)中質量塊為永磁體時所引起的磁粘效應,從而導致的質量塊與殼體之間的磁性液體流動困難的問題。本發明中,質量塊由于是非導磁性物質,因此可以選擇硬度遠小于殼體材料的物質,如實木、鋁、鈦、金、銀和銅等,在加速度極大時,質量塊與殼體相撞,僅發生形變而不發生碎裂,仍然能夠保持較好的減振效果。在地面應用時,質量塊選用密度大于所選磁性液體密度的材料,使其能夠更好的居中,在太空應用時,對質量塊的密度沒有要求。
本發明和已有技術相比所具有的有益效果:(1)殼體與端蓋的結構使得磁性液體更容易注滿,更有效的防止永磁鐵受到撞擊碎裂或松動掉落;(2)上、下端蓋的材料為導磁性能極好的材料,與第一、第二永磁體可在殼體內部形成錐形分布的軸對稱非均勻磁場,使得質量塊的定心效果得到極大提高;(3)第 一和第二永磁體產生的軸對稱非均勻磁場作用在磁性液體上可以更加穩定的懸浮質量塊,同時第一和第二永磁體安裝在外側有效避免了永磁體碎裂、磁粘效應引起的磁性液體流動困難和磁性液體注入困難的問題,中心的螺紋孔使第一、第二永磁體更容易安裝與拆卸;(4)質量塊的錐角狀有效的增加了摩擦面積,加強了質量塊與殼體之間的頻率差,也可以使質量塊更加穩定的懸浮在殼體中;(5)質量塊選用非導磁性材料,因此可以選擇硬度較小、塑性較大的材料,從而可有效解決撞壁后質量塊碎裂問題,也避免了因磁粘效應引起的流動困難問題。
附圖說明
圖1一種雙錐角的一階浮力原理磁性液體減振器;
圖2質量塊示意圖。
圖1中:殼體1、第一永磁體2、上端蓋3、磁性液體4、質量塊5、第二永磁體6、下端蓋7。
具體實施方式
以附圖為具體實施方式對本發明作進一步說明:
一種雙錐角的一階浮力原理磁性液體減振器,如圖1,該減振裝置包括:殼體1、第一永磁體2、上端蓋3、磁性液體4、質量塊5、第二永磁體6、下端蓋7。
構成該裝置的各部分之間的連接:
先將所述的下端蓋7與殼體1固定連接,連接方式可采用焊接、粘接或螺紋連接,然后在殼體1內注入殼體1一半高度的磁性液體4。再將質量塊5放入殼體1中,待完全沉入底部后繼續注入磁性液體4,直至磁性液體注滿殼體1。將上端蓋3與殼體1固定連接,連接方式可采用焊接、粘接或螺紋連接。最后 將第一永磁體2和第二永磁體6分別裝入上、下端蓋的沉孔中并固定連接,連接方式為粘接方式。
殼體1和質量塊5均為非導磁材料,其中質量塊5材料的硬度要遠小于殼體1和上、下端蓋材料的硬度。
第一永磁體2和第二永磁體6結構參數和物料參數均相同,且均為圓柱形。
上端蓋3、下端蓋7的材料選用導磁性能極好的材料。
第一永磁體2和第二永磁體6選用銣鐵硼。

關 鍵 詞:
一種 雙錐角 一階 浮力 原理 磁性 液體 減振器
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