本發(fā)明涉及振動抑制裝置領(lǐng)域，具體涉及一種自適應(yīng)吸振器，用于抑制各種機械設(shè)備結(jié)構(gòu)件振動。
背景技術(shù)：
振動是各種機械設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中不可避免地產(chǎn)生的一種運動形式。振動的危害有很多，輕則造成設(shè)備噪聲過大、定位不準(zhǔn)確、工作性能下降等問題，重則使設(shè)備運動失常，過早產(chǎn)生疲勞破壞，危害人身和財產(chǎn)安全。因此，對于設(shè)備結(jié)構(gòu)件的振動抑制一直是工程技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。
目前，對于設(shè)備振動的抑制通常是采用兩種方式，即主動式和被動式。其中，主動式振動抑制是采用傳感器實時監(jiān)測設(shè)備的振動狀態(tài)，通過一定的算法預(yù)先估計出設(shè)備的運動狀態(tài)，進而通過執(zhí)行機構(gòu)采取一定的措施，使設(shè)備的振動量級大為降低。主動式振動抑制具有效果好、精度高等優(yōu)點，但由于需要通過執(zhí)行器直接對設(shè)備進行驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高，且需要提供大量能源，因而使其應(yīng)用范圍受到一定的限制。被動式振動抑制則通過改善設(shè)備結(jié)構(gòu)件的剛度和阻尼等動力學(xué)特征，使設(shè)備在同等擾動激勵下的振動幅度更小，被動方式結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低、無需供能，應(yīng)用范圍十分廣泛，但由于被動振動抑制方式結(jié)構(gòu)參數(shù)固定、適應(yīng)性差，當(dāng)工況發(fā)生變化時，振動抑制效果大為降低。
在對振動抑制效果有較高要求，且能源供應(yīng)不便利的情況下，主動振動抑制和被動振動抑制方法均存在局限性，尤其是野外作業(yè)設(shè)備的振動抑制。主動振動抑制雖然效果好、在不同的工況下性能不會下降，但其成本和功耗是制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸。被動振動抑制雖然可靠性高、無需供能，但其振動抑制能力隨著使用工況不同而發(fā)生顯著變化，難以滿足復(fù)雜工況下的使用要求。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有設(shè)備振動抑制技術(shù)存在的上述不足，提供一種自適應(yīng)吸振器，該吸振器結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、使用方便、成本低，能夠根據(jù)環(huán)境工況的不同自動調(diào)整自身參數(shù)，而無需人為干預(yù)，使其始終具有較好的振動抑制能力，且功耗相比于主動振動抑制方法大為降低；減振效率高，能自適應(yīng)各種工況，應(yīng)用范圍廣。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
一種自適應(yīng)吸振器，包括吸振系統(tǒng)和主控系統(tǒng)兩大部分，吸振系統(tǒng)和主控系統(tǒng)集成在一個殼體中，殼體自上而下包括上殼體、中殼體、下殼體，中殼體上端通過蓋板與上殼體固定連接，中殼體下端與下殼體固定連接；
所述吸振系統(tǒng)至少包括設(shè)置在上殼體與蓋板之間的質(zhì)量塊、螺旋彈簧，以及設(shè)置在蓋板與中殼體之間的空氣彈簧、分隔活塞、螺桿、下伺服電機、選擇齒輪、主齒輪、上伺服電機；所述質(zhì)量塊的下端設(shè)置在蓋板上、上端與螺旋彈簧的下端固定連接，螺旋彈簧的上端與安裝在上殼體頂部的彈簧座固定連接；
所述空氣彈簧和螺旋彈簧共同支撐質(zhì)量塊，空氣彈簧的氣室由中殼體、蓋板以及蓋板與質(zhì)量塊之間的密封膜上壓板、密封膜、密封膜下壓板圍成的密閉空間組成，空氣彈簧的氣室內(nèi)部設(shè)置一個可上下移動的分隔活塞，分隔活塞將空氣彈簧的氣室分隔為上氣室、下氣室，上氣室由蓋板、密封膜上壓板、密封膜、密封膜下壓板、分隔活塞以及中殼體的上部組成，下氣室由分隔活塞和中殼體下部組成，上氣室、下氣室的容積比通過分隔活塞上、下運動改變；所述分隔活塞上設(shè)置一個螺紋孔，螺桿穿過分隔活塞上的螺紋孔，且螺桿的下部與下伺服電機的輸出軸固定連接、上部與蓋板上的沉孔配合連接；選擇齒輪可轉(zhuǎn)動地安裝在分隔活塞上，上氣室、下氣室通過分隔活塞上的節(jié)流孔及選擇齒輪上的通氣孔連通，主齒輪與選擇齒輪嚙合且主齒輪與上伺服電機的輸出軸固定連接；
所述主控系統(tǒng)包括穿墻插座、電源、主控板卡和傳感器，所述傳感器用于監(jiān)測下殼體的振動信號，并將振動信號傳遞給主控板卡；所述主控板卡用于讀取下伺服電機、上伺服電機上編碼器的讀數(shù)，并驅(qū)動下伺服電機、上伺服電機運動，調(diào)整空氣彈簧的剛度和阻尼特性。
按上述方案，所述吸振系統(tǒng)還包括導(dǎo)向軸，質(zhì)量塊的兩端對稱設(shè)置有通孔，導(dǎo)向軸設(shè)置兩組，兩組導(dǎo)向軸分別穿設(shè)在質(zhì)量塊兩端的通孔內(nèi)，且導(dǎo)向軸的上下兩端分別與上殼體的頂部和蓋板固定連接(質(zhì)量塊受導(dǎo)向軸限制只能沿著導(dǎo)向軸的軸線方向運動)。
按上述方案，所述彈簧座通過螺紋配合與上殼體連接，通過旋轉(zhuǎn)彈簧座使彈簧座沿著上殼體的回轉(zhuǎn)軸線運動，通過調(diào)整彈簧座的位置，進而調(diào)整螺旋彈簧的壓縮量。
按上述方案，所述密封膜設(shè)置于蓋板與密封膜上壓板中間，以及質(zhì)量塊與密封膜下壓板中間，蓋板與密封膜上壓板固定連接從而壓緊密封膜，質(zhì)量塊與密封膜下壓板固定連接從而壓緊密封膜。
按上述方案，所述分隔活塞上開有一系列不同面積大小不同的節(jié)流孔，氣體流進節(jié)流孔時產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)(不同的節(jié)流孔節(jié)流效果不同)，選擇齒輪上設(shè)有一個通氣孔(通氣孔的開口面積較大，不具有節(jié)流效應(yīng))，通過旋轉(zhuǎn)選擇齒輪到不同位置，使通氣孔與某一節(jié)流孔重合，上氣室、下氣室通過該節(jié)流孔及通氣孔連通。
按上述方案，所述分隔活塞中心設(shè)有一凸起的連接軸，選擇齒輪通過壓圈與該連接軸配合連接(選擇齒輪與分隔活塞同軸設(shè)置)，壓圈與連接軸固定連接。
按上述方案，所述分隔活塞位于中殼體的內(nèi)部，分隔活塞的外圍固定設(shè)置密封圈，密封圈與中殼體密封接觸(分隔活塞與中殼體之間通過密封圈密封)。
按上述方案，所述上伺服電機固定在上電機支架上，上電機支架與分隔活塞固定連接。
按上述方案，所述下伺服電機固定在下電機支架上，下電機支架與中殼體固定連接。
按上述方案，所述穿墻插座與中殼體固定連接，電源、主控板卡和傳感器與下殼體固定連接。
本發(fā)明的工作原理：由于質(zhì)量塊自身重量的原因，吸振器在垂直方向和水平方向的位置是不一樣的，因此需要通過彈簧座改變螺旋彈簧的初始位置，旋轉(zhuǎn)彈簧座使彈簧座沿著上殼體的回轉(zhuǎn)軸線運動，通過調(diào)整彈簧座的位置，進而調(diào)整螺旋彈簧的壓縮量，使質(zhì)量塊在不同工況下的初始位置一樣。通過下伺服電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)帶動螺桿旋轉(zhuǎn)，當(dāng)下伺服電機驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)時，由于螺桿與分隔活塞上的螺紋配合，分隔活塞沿著螺桿軸線上下移動，通過分隔活塞的移動改變上、下兩個氣室的容積，調(diào)整空氣彈簧的剛度和阻尼特性，使吸振器達到最佳的減振效果；通過上伺服電機旋轉(zhuǎn)帶動主齒輪旋轉(zhuǎn)，主齒輪旋轉(zhuǎn)帶動選擇齒輪旋轉(zhuǎn)，使選擇齒輪轉(zhuǎn)動到不同的位置，實現(xiàn)上氣室、下氣室的氣體流通，改變空氣彈簧的上、下兩個氣室中的氣體交換的速度，即改變空氣彈簧的阻尼效果。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：
1、本發(fā)明可根據(jù)實際工況自適應(yīng)調(diào)節(jié)吸振器的動力學(xué)參數(shù)，使吸振器的振動抑制能力始終達到最優(yōu)；相比于主動振動抑制方式，本發(fā)明避免采用高成本高功耗的直接驅(qū)動方式，而是僅對吸振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)做調(diào)整，具有成本低、可靠性高、體積小等優(yōu)勢；相比于被動振動抑制方式，本發(fā)明能夠根據(jù)實際工況下振動頻率的不同，自適應(yīng)調(diào)整吸振器的剛度和阻尼系數(shù)，而無需人為干預(yù)，使吸振器的最佳減振頻率始終與實際振動頻率相同，克服了被動振動抑制方式中減振帶寬窄的問題；
2、雙氣室空氣彈簧采用內(nèi)部分隔活塞的設(shè)計，通過移動分隔活塞的位置，改變兩個氣室的體積，達到最佳的體積比，該結(jié)構(gòu)并不需要額外附加一個氣室，且巧妙的將調(diào)整機構(gòu)設(shè)計在氣室內(nèi)部，節(jié)省了空間，有利于裝置的小型化；
3、改變傳統(tǒng)采用伺服閥控制節(jié)流孔大小的方式，本發(fā)明中，在分隔活塞上設(shè)置一系列不同孔徑的節(jié)流孔，同時采用具有一個通氣孔的選擇齒輪作為調(diào)整機構(gòu)，通過轉(zhuǎn)動選擇齒輪，使分隔活塞上需要選擇的節(jié)流孔與選擇齒輪上通氣孔對應(yīng)，兩氣室連通；由于通氣孔面積設(shè)置較大，對旋轉(zhuǎn)角度精確度要求不高，相比于位置控制精確的伺服閥，使制造成本大幅降低，且結(jié)構(gòu)簡單可靠、使用壽命長；
4、采用封閉式空氣彈簧的設(shè)計，無需外部提供氣源，大幅降低成本，并擴大吸振器的應(yīng)用范圍；同時，采用螺旋彈簧和空氣彈簧并聯(lián)的方式，使螺旋彈簧的位置可調(diào)，從而保證在不同方向下使用時，質(zhì)量塊均處在相同的初始位置，使吸振器具有多方向使用能力；
5、采用周期調(diào)整的工作模式，每隔一段時間對設(shè)備的振動情況進行一次判別，并根據(jù)最優(yōu)參數(shù)對吸振器分隔活塞和選擇齒輪進行調(diào)整，即滿足實際工程使用需要，又能夠?qū)⑽衿鞯墓慕档阶畹?，延長使用時間，擴大吸振器的應(yīng)用范圍，可廣泛應(yīng)用于工程設(shè)備的減振，尤其是野外作業(yè)并對振動條件要求較高的設(shè)備減振。
附圖說明
圖1為本發(fā)明自適應(yīng)吸振器的總體結(jié)構(gòu)剖面圖；
圖2為本發(fā)明分隔活塞的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明選擇齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明的局部結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明自適應(yīng)吸振器的工作流程圖；
圖中，1-上殼體；11-蓋板；12質(zhì)量塊；13-導(dǎo)向軸；14螺旋彈簧；15-彈簧座；16-密封膜上壓板；17-密封膜；18密封膜下壓板；2中殼體；20-分隔活塞；201-節(jié)流孔；202-螺紋孔；21-密封圈；22-選擇齒輪；221-通氣孔；23-壓圈；24-主齒輪；25-上電機支架；26-上伺服電機；27-螺桿；28-下伺服電機；29-下電機支架；3-下殼體；30-穿墻插座；31-電源；32-主控板卡；33-傳感器。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。
如圖1所示，本發(fā)明實施例所述的自適應(yīng)吸振器，包括吸振系統(tǒng)和主控系統(tǒng)兩大部分，吸振系統(tǒng)和主控系統(tǒng)集成在一個殼體中，殼體自上而下包括上殼體1、中殼體2、下殼體3，中殼體2上端通過蓋板11與上殼體1固定連接，中殼體2下端與下殼體3固定連接；
吸振系統(tǒng)包括設(shè)置在上殼體1與蓋板11之間的質(zhì)量塊12、導(dǎo)向軸13、螺旋彈簧14，以及設(shè)置在蓋板11與中殼體2之間的空氣彈簧、分隔活塞20、螺桿27、下伺服電機28、選擇齒輪22、主齒輪24、上伺服電機26；質(zhì)量塊12的下端設(shè)置在蓋板11上、上端與螺旋彈簧14的下端固定連接，螺旋彈簧14的上端與安裝在上殼體1頂部的彈簧座15固定連接；質(zhì)量塊12的兩端對稱設(shè)置有通孔，導(dǎo)向軸13設(shè)置兩組，兩組導(dǎo)向軸13分別穿設(shè)在質(zhì)量塊12兩端的通孔內(nèi)，且導(dǎo)向軸13的上下兩端分別與上殼體1的頂部和蓋板11固定連接(質(zhì)量塊12受導(dǎo)向軸13限制只能沿著導(dǎo)向軸13的軸線方向運動)；彈簧座15通過螺紋配合與上殼體1連接，通過旋轉(zhuǎn)彈簧座15使彈簧座15沿著上殼體1的回轉(zhuǎn)軸線運動，通過調(diào)整彈簧座15的位置，進而調(diào)整螺旋彈簧14的壓縮量。
空氣彈簧和螺旋彈簧并聯(lián)設(shè)置、共同支撐質(zhì)量塊12，空氣彈簧的氣室由中殼體2、蓋板11以及蓋板11與質(zhì)量塊12之間的密封膜上壓板16、密封膜17、密封膜下壓板18圍成的密閉空間組成(密閉空間內(nèi)充以壓縮空氣，氣室與外界無氣體交換，外部無需提供氣源)，空氣彈簧的氣室內(nèi)部設(shè)置一個可上下移動的分隔活塞20，分隔活塞20將空氣彈簧的氣室分隔為上氣室、下氣室，上氣室由蓋板11、密封膜上壓板16、密封膜17、密封膜下壓板18、分隔活塞20以及中殼體2的上部組成，下氣室由分隔活塞20和中殼體2下部組成，上氣室、下氣室的容積比通過分隔活塞20上、下運動改變；密封膜17設(shè)置于蓋板11與密封膜上壓板16中間，以及質(zhì)量塊12與密封膜下壓板18中間，蓋板11與密封膜上壓板16固定連接從而壓緊密封膜17，質(zhì)量塊12與密封膜下壓板18固定連接從而壓緊密封膜17。
分隔活塞20上設(shè)置一個螺紋孔202，螺桿27穿過分隔活塞20上的螺紋孔202，且螺桿27的下部與下伺服電機28的輸出軸固定連接、上部與蓋板11上的沉孔配合連接，下伺服電機28固定在下電機支架29上，下電機支架29與中殼體2固定連接；通過下伺服電機28輸出軸的旋轉(zhuǎn)帶動螺桿27旋轉(zhuǎn)，當(dāng)下伺服電機28驅(qū)動螺桿27旋轉(zhuǎn)時，由于螺桿27與分隔活塞20上的螺紋配合，分隔活塞20沿著螺桿27軸線上下移動，通過分隔活塞20的移動改變上、下兩個氣室的容積，調(diào)整空氣彈簧的剛度和阻尼特性，使吸振器達到最佳的減振效果；選擇齒輪22可轉(zhuǎn)動地安裝在分隔活塞20上，上氣室、下氣室通過分隔活塞20上的節(jié)流孔201及選擇齒輪22上的通氣孔221連通，主齒輪24與選擇齒輪22嚙合且主齒輪24與上伺服電機26的輸出軸固定連接，上伺服電機26固定在上電機支架25上，上電機支架25與分隔活塞20固定連接；通過上伺服電機26旋轉(zhuǎn)帶動主齒輪24旋轉(zhuǎn)，主齒輪24旋轉(zhuǎn)帶動選擇齒輪22旋轉(zhuǎn)，使選擇齒輪22轉(zhuǎn)動到不同的位置。
主控系統(tǒng)包括設(shè)置在中殼體2與下殼體3之間的穿墻插座30、電源31、主控板卡32和傳感器33，穿墻插座30與中殼體2固定連接，連接面上涂抹密封膠保證氣密性，用于主控板卡32和下伺服電機28、上伺服電機26間的電氣連接；電源31、主控板卡32和傳感器33與下殼體3固定連接，傳感器33用于監(jiān)測下殼體3的振動信號，并將振動信號傳遞給主控板卡32，主控板卡32用于讀取下伺服電機28、上伺服電機26上編碼器的讀數(shù)，并根據(jù)下殼體3的振動信號計算出下殼體2同時也是被減振設(shè)備的振動頻率(被測減振設(shè)備與中殼體2固定連接，中殼體2與下殼體3固接)，根據(jù)振動頻率得出合適的剛度和阻尼系數(shù)，進而驅(qū)動下伺服電機28、上伺服電機26運動，調(diào)整空氣彈簧的剛度和阻尼特性，使吸振器達到最佳的減振效果。
如圖2所示，分隔活塞20上開有一系列不同面積大小不同的節(jié)流孔201，氣體流進節(jié)流孔201時產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)(不同的節(jié)流孔201節(jié)流效果不同)，如圖3所示，選擇齒輪22上設(shè)有一個通氣孔221(通氣孔221的開口面積較大，不具有節(jié)流效應(yīng))，通過旋轉(zhuǎn)選擇齒輪22到不同位置，使通氣孔221與某一節(jié)流孔201重合，上氣室、下氣室通過該節(jié)流孔201及通氣孔221連通。
分隔活塞20中心設(shè)有一凸起的連接軸，選擇齒輪22通過壓圈23與該連接軸配合連接(選擇齒輪22與分隔活塞20同軸設(shè)置)，壓圈23與連接軸固定連接。
分隔活塞20位于中殼體2的內(nèi)部，分隔活塞20的外圍固定設(shè)置密封圈21，密封圈21與中殼體2密封接觸(分隔活塞20與中殼體2之間通過密封圈21密封)。
如圖4所示，下伺服電機28根據(jù)主控板卡32的驅(qū)動指令旋轉(zhuǎn)，帶動螺桿27轉(zhuǎn)動，螺桿27與分隔活塞20上的螺紋孔202配合，因此會使分隔活塞20沿著自身的軸線上、下運動。上伺服電機26根據(jù)主控板卡32的驅(qū)動指令旋轉(zhuǎn)，帶動主齒輪24轉(zhuǎn)動，主齒輪24和選擇齒輪22嚙合，由此帶動選擇齒輪22轉(zhuǎn)動。當(dāng)選擇齒輪22旋轉(zhuǎn)到通氣孔221與某一節(jié)流孔201重合，上氣室、下氣室通過該節(jié)流孔201及通氣孔221連通，實現(xiàn)上氣室、下氣室的氣體流通，改變空氣彈簧的上、下兩個氣室中的氣體交換的速度，即改變空氣彈簧的阻尼效果。
本發(fā)明工作流程如圖5所示，將被測減振設(shè)備與中殼體2固定連接，首先利用傳感器33來監(jiān)測被減振設(shè)備的振動信號，并將該振動信號傳遞給主控板卡32；主控板卡32根據(jù)該振動信號計算被減振設(shè)備當(dāng)前振動頻率fc，隨后判斷當(dāng)前振動頻率fc較上一周期頻率fb的變化是否超過閾值，即是否滿足|fc-fb|＞δf(δf是用戶設(shè)置的閾值，可設(shè)置為1hz)。若當(dāng)前振動頻率fc較上一周期頻率fb的變化超過閾值，則根據(jù)當(dāng)前振動頻率fc查找最優(yōu)參數(shù)，即上伺服電機26、下伺服電機28所需的旋轉(zhuǎn)角度，進而主控板卡32根據(jù)該最優(yōu)參數(shù)驅(qū)動上伺服電機26、下伺服電機28旋轉(zhuǎn)到指定位置，然后等待間隔時間t，再進入下一個循環(huán)監(jiān)測及控制；若當(dāng)前振動頻率fc較上一周期頻率fb的變化不超過閾值，則不調(diào)整，等待間隔時間t后進入下一個循環(huán)監(jiān)測及控制。
間隔時間t根據(jù)實際工況來設(shè)置，若實際工況變化較快則應(yīng)設(shè)置較短的間隔時間t，若實際工況變化較慢則設(shè)置較長的間隔時間t。通過設(shè)置間隔時間t，可以避免上伺服電機26、下伺服電機28頻繁的動作，一方面節(jié)省能源使吸振器的續(xù)航能力提高，另一方面可以延長吸振器的使用壽命。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之類，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。