一种新型隔振器的设计与分析_李欣一.pdf

 振动与冲击 第 39 卷第 5 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol． 39 No． 5 2020 收稿日期2018 －07 －12修改稿收到日期2018 －11 －14 第一作者 李欣一 男， 硕士生， 1994 年生 通信作者 翁雪涛 男， 副教授， 1972 年生 一种新型隔振器的设计与分析 李欣一1，翁雪涛2，柴凯2 1． 海军工程大学 动力工程学院，武汉430033; 2． 海军工程大学 舰船振动噪声重点实验室，武汉 430033 摘要针对传统被动隔振器低频振动抑制性差的缺陷， 设计了一种新型的电磁- 橡胶主被动一体化隔振器， 通过 研究输出力特性来评估其减振性能， 首先， 利用等效磁路分析法对其磁路结构进行设计仿真以及动力学分析， 并得到其电 磁力计算公式。然后， 基于 COMSOL 软件对作动器的输出力进行动态仿真分析， 并得到电流及其频率对输出力特性的影 响， 最后， 将特性实验结果与仿真结果进行对比分析。 关键词一体化隔振器;主动控制;被动隔振;磁路设计;输出力 中图分类号TB535;O322文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2020． 05． 031 Design and analysis of a new type vibration isolator LI Xinyi1，WENG Xuetao2，CHAI Kai2 1． College of Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China; 2． State Key Lab of Ship Vibration and Noise，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China AbstractAiming at defects of poor suppression of low frequency vibration for traditional passive vibration isolators，a new type electromagnetic- rubber active- passive integrated vibration isolator was designed．Its vibration reduction perance was uated through studying its output force characteristics． Firstly，the equivalent magnetic circuit analysis was used to design and simulate its magnetic circuit structure，per its dynamic analysis，and obtain its electromagnetic force calculation ula． Furthermore，based on the software COMSOL，dynamic simulation and analysis were done for the output force of the actuator to clarify effects of current and its frequency on output force characteristics． Finally，the characteristics test results were compared with simulation ones． Key wordsintegrated vibration isolator;active control;passive vibration isolation;magnetic circuit design;output force 在振动控制的研究领域中， 隔振技术一直受到广 泛的关注和应用。它是通过在振源与被控对象之间串 加一个子系统 隔振器 ， 以隔离振动的直接传递， 从而 减少被控对象对振源激励的响应 ［1- 2 ］。隔振器从最早 出现至今， 从单一的被动隔振发展为主动隔振， 主被动 复合隔振 ［3- 4 ］。传统的被动隔振是目前最为成熟、 应用 最广泛的减振技术， 其原理是在振源与减振对象之间 加入弹性元件、 阻尼元件或者惯性元件以及它们的组 合子系统， 在高频振动抑制上具有良好的效果 ［5- 6 ］。虽 然被动隔振具备结构简单， 易于实现， 不增加能耗等优 点， 但其低频减振性能较差［7- 8 ］。 主动隔振则是在被控系统中引入次级振源， 通过 一定的控制方法调整刺激振源， 使其产生的振动与振 源产生的振动响应并相互抵消， 以达到隔离振动传递 的目的 ［9- 10 ］。按照形式分类， 主动隔振可以分为完全主 动隔振和主被动复合隔振［11- 12 ］。完全主动隔振直接由 作动器实现减振， 因此往往结构复杂、 需要消耗大量的 能源， 使其应用受限 ［13- 14 ］。主被动复合隔振则是将作 动器与被动隔振装置串联或者并联， 充分发挥主被动 隔振各自的优势， 通过主动控制作动器的运动实现对 低频振动的有效抑制， 配合被动隔振器良好的高频减 振性能， 以达到宽频减振的目的［15- 16 ］。 针对舰艇上被动隔振装置对机械设备运转而产生 的低频振动控制性较差这一问题， 本文研制了一款新 型电磁- 橡胶主被动一体化隔振器， 主要包括其磁路设 计和整体结构设计， 并基于 Comsol Multiphysics 软件对 其输出力进行仿真分析， 通过比对特性实验数据和仿 真结果， 评估一体化隔振器的减振效果。 ChaoXing 1电磁- 橡胶主被动一体化隔振器设计 1． 1主被动一体化隔振器工作原理 在本文所设计的一体化隔振器中， 主动隔振部分 由电磁作动器来充当， 其原理为 利用电磁线圈作为定 子而产生电磁场， 将由永磁体制成的动子放入定子中， 动子便在交变电磁场中产生电磁力， 通过控制输入电 磁线圈的电流来控制电磁作动器的输出力， 此类电磁 作动器输出力与输入电流之间呈线性关系。 而被动隔振部分则由橡胶隔振器构成， 不但可以 用来承载减振对象的重量， 而且为作动器的轴向运动 提供一定的回复力， 还可以保证即使在作动器失效的 情况下， 一体化隔振器依然可以充当被动隔振器进行 工作。主被动一体化隔振器的优势在于 两者通过刚 性连接实现并联， 被动隔振器不仅可以保证对高频振 动良好的隔离效果， 主动隔振部分也可以很好的抑制 低频振动， 可实现更宽频率范围的减振作用。 该电磁作动器基于如下原理 在如图 1 所示的单 级刚性基础的主动隔振系统中， 隔振对象 如机械设 备 受到的激振力为 F， k 和 c 分别为被动隔振器的刚 度和阻尼， 在激振力和主动控制力 Fa的共同作用下， 隔振对象产生的位移为 X。 图 1主被动隔振系统 Fig． 1Active and passive vibration isolation system 此系统的动力学方程可表示为 mx cx kx F － Fa 1 由此可得作动器的作用力 Fe和隔振对象位移 X 之间的传递函数为 X Fe 1 ms2 Cs k 1 m s2 2ξωs ω2 2 式中 ω 为简谐激振力的频率; s x x ; ξ 表示系统的阻 尼比。所以电磁作动器的输出力 Fe和一体化隔振器 的输出力 Fa之间的传递函数为 Fe Fa － s2 s2 2ξωs ω2 3 1． 2主被动一体化隔振器的整体结构设计 电磁- 橡胶主被动一体化隔振器采用永磁体放入电 磁场的主动隔振形式， 具体结构如图 2 所示。 1． 动子; 2． 永磁铁; 3． 电磁线圈; 4． 橡胶隔振器 图 2主被动一体化隔振器 Fig． 2Active- passive integrated vibration isolator 主动隔振系统中， 除设备连接件等机械零件外， 主 要作动部分的执行机构为动子和定子， 其中动子由动 子骨架和永磁体贴片组成， 而定子部分主要由电磁线 圈构成， 通过控制电流的变化而产生变化的电磁场， 实 现可控电磁力的输出。被动隔振系统主要是橡胶隔振 器， 根据承载对象的具体质量和设计目标， 选取了 BE- 40 橡胶隔振器， 负责被动隔振的功能。主、 被动隔振装 置通过螺钉连接， 保证设备的稳定性和安全性。创新 处在于 本主被动一体化隔振器具备相对较大的电磁 力输出能力， 与传统被动隔振装置相比， 在保证高频隔 振的同时， 还能够实现主动控制， 因此有更理想的低频 隔振效果， 从而可实现宽频振动控制， 相较于完全主动 隔振， 橡胶隔振器的存在使整体的隔振可靠性及鲁棒 性更好， 除此之外， 此一体化隔振器还有相对较低的能 耗和更高的空间利用率。 2电磁作动单元的设计分析与电磁力计算 2． 1磁路结构设计与分析 电磁作动器磁路部分示意图如图 3 所示。 图 3磁路示意图 Fig． 3Schematic diagram of magnetic circuit 永磁铁的磁化方向和线圈中的电流方向按照图 3 所示， 那么根据安培定则， 定子磁轭中的磁场方向将如 图中箭头方向所示。定子此时可视为电磁铁， 且定子 骨架下端靠近动子一侧为电磁铁的 N 极， 反之， 定子骨 架上端靠近动子一侧为电磁铁的 S 极。由于作动器的 动子部分是轴对称结构， 径向电磁力的分量将彼此抵 322第 5 期李欣一等一种新型隔振器的设计与分析 ChaoXing 消， 根据磁极间的相互作用， 动子则受到一个竖直向上 的电磁力， 如果此时的电流方向与图 3 所示方向相反， 则作动器的动子所受到的电磁力方向将改为竖直 向下。 2． 2电磁作动器的电磁力计算 电磁力的大小是评估电磁作动器的重要指标， 利 用磁路分割法和等效磁路法对作动器结构进行磁路分 析与电磁力计算， 进而可以得到电磁力的计算公式。 电磁作动器的磁路可以视为串联磁路， 将整个磁路分 割为很多几何形状简单的磁体， 计算其磁路磁阻， 然后 再根据连接关系确定总磁阻。等效磁路结构如图 4 所示。 图 4等效磁路图 Fig． 4Equivalent magnetic circuit diagram 永磁体材料为钕铁硼， 磁势与磁阻可取作常数， 且 其长度为 lm、 截面积为 Sm、 材料矫顽力为 Hc、 永磁铁剩 磁为 Br， 线圈的匝数为 N、 电流为 I、 IN 即为磁路的磁 势。则有 IN Hclm， Rm Hclm BrSm 4 工作气隙磁阻为 R δ μ0S 5 式中 δ 为工作气隙; μ0为空气磁导率; S 为工作气隙截 面积。 各磁路组成部分在磁路中的等效长度为 l， S为各 磁路组成部分的等效横截面积， μ 为各磁路组成部分的 磁导率。则 R1∑R ∑ l μS 6 由欧姆定律可得气隙处磁通为  iN iNm R R1 Rm 7 电磁力为 F 2 2μ 0S B2S 2μ 0 μ 0S iN Hclm δ μ0S μS l μ0Hclm B         r 8 3基于 Comsol Multiphasics 的仿真分析 3． 1建模仿真 Comsol Multiphasics 凭借高效的计算性能和杰出的 多场直接耦合分析能力， 可实现任意多物理场的数值 仿真， 因此得到广泛的应用。其中的 AC/DC 模块可以 用于设计并仿真静态磁问题， 而且将作动器的建模转 化为二维建模问题， 从而可以在隔振器的动子轴向中 心横截面上进行分析计算。 由于要计算装有永磁体的动子所受到的电磁力， 以及要在线圈区域施加电流载荷， 故模拟仿真的公式 全都基于 Maxwell 方程组， 电场强度 D ε0εγE， 磁场强 度 B μ0μγH， 电流强度为 J， σ 是材料的电导率， 而 εr 和 μr分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。则有 Δ H J B Δ A E － jωA J σE jωD 为提高计算精度， 采用三角形单元对磁路结构进 行网格划分， 由于需要计算动子的受力， 所以此处设置 较密网格， 而其他位置相对较疏， 平行边界条件为磁路 外边框线上施加磁力线平衡约束。根据设计需求， 设 置线圈匝数为 80 匝， 导线的横截面面积为， 线圈的磁 导率为， 永磁体剩余磁通密度为 1． 4 T。通过对电流大 小和频率的范围设置， 可以得到不同电流状态下的磁 场和受力状况。仿真结果如图 5 所示。 图 5 COMSOL 仿真图 Fig． 5COMSOL simulation diagram 3． 2COMSOL 仿真结果分析 在整个仿真过程中， 理论输出力的计算公式为 ∫ Ω2πrnTdS， 电磁力是衡量主动隔振部分输出力的重 要指标， 而在仿真过程中发现电流的大小以及频率是 电磁力的决定性因素， 所以通过仿真对这两种因子进 行模拟比较。 3． 2． 1电流大小对输出力的影响 基于 COMSOL 软件得到的仿真结果如图 6 所示。 从仿真结果可以看出， 输出力与电流的大小呈正 相关， 即电流越大， 输出力也越大， 设置电流改变范围 为 －10 ～ 10 A， 当频率固定为 100 Hz 时， 电流值达到 10 A， 输出力最大可以达到 600 N。 3． 2． 2频率大小对输出力的影响 在 COMSOL 中仿真结果如图 7 所示。 422振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 图 6 100 Hz 下输出力与电流的关系 Fig． 6Relationship between output force and current at 100 Hz 图 7 5 A 时输出力和频率的关系 Fig． 75 A relationship between output force and frequency 由仿真结果可知， 输出力与频率呈反比， 即在频率 设置区间为 0 ～200 Hz 时， 随着频率的增大， 输出力逐 渐减小， 且在频率增加的同时， 输出力的减幅随之 减小。 3． 2． 3动子的磁通量密度 动子在定子产生的电磁场中运动时， 会在整个空 间的各个间隙中产生不同大小的磁通量， 由图 8 可以 看出， 在主动隔振器动定子装配体中， 磁通量密度最大 处出现在动子的永磁体和动子骨架相接处。表明在动 子的运动过程中， 该处所受到的电磁力最大。 图 8作动器的磁通量密度 Fig． 8Magnetic flux density of actuator 由以上仿真结果可知 输出力与电流大小的正相 关关系可以验证上一节的理论推导， 即此种电磁式作 动器的设计模式， 可以保证输出力为轴向力的同时， 还 实现电流大小与输出力之间的重要线性关系， 为实现 一体化隔振器与主动控制相结合打下了理论基础。 4一体化隔振器的动态特性实验 通过建模软件对电磁橡胶主被动一体化隔振器 模型的设计与 COMSOL 的仿真分析， 确定了加工方案 并制作了一体化隔振器的实物样品， 针对该样品进行 了隔振器的输出力特性实验， 如图 9 所示。 图 9主被动一体化隔振器 Fig． 9Active- passive integrated vibration isolator 其主要实验目的为 ① 通过静态实验测试该一体 化隔振器的固有频率; ② 通过动态力的测量实验测试 隔振器的输出力特性， 并验证仿真结果中输出力与电 流大小以及频率之间的关系。所以设计了输出力特性 实验的测试台架， 测试装置与测试仪器如图 10 所示。 图 10实验台架与测试仪器 Fig． 10Test stand and test instrument 输出力测试实验原理如图 11 所示。由于隔振器 上端的力信号不方便测量， 所以本测试台架采用如下 图 11动态特性实验原理图 Fig． 11Experimental schematic diagram of dynamic characteristics 522第 5 期李欣一等一种新型隔振器的设计与分析 ChaoXing 方式 螺钉固定施力上板和一体化隔振器的上端， 其下 端固定承载板以及力传感器， 四周拉力柱确保隔振器 固定在地面上， 根据牛顿第三定律， 上下端的固定可以 保证下端力传感器能更准确地采集反作用力信号。 实验方案 1在相同电流下改变电流频率， 然后再测试不 通电流大小下的一体化隔振器的输出力与频率的 关系; 2在相同的频率下， 改变电流大小， 记录不同频 率下的输出力与电流大小的关系。 在实验方案 1 中， 通过选择激励频率范围在 20 ～ 200 Hz 之间， 并以 20 Hz 为间隔进行输出力与电流大 小关系的测试， 得到不同情况下相应电流的输出力大 小情况。选取其中频率为100 Hz 的电流的实际测试结 果与仿真结果进行比较分析， 如图 12 所示。 图 12100 Hz 频率下电流与输出力的关系图 Fig． 12Relationship between current and output force at 100 Hz frequency 从图 12 中不难看出， 当电流的频率保持不变时， 一体化隔振器的输出力与电流大小呈正相关， 即输出 力随着电流的增大而增大， 测试结果与仿真结果趋势 保持一致， 也说明本此实验的仿真结果具备一定的真 实性和说服力， 也表明主动隔振的设计符合理论预期。 在实验方案 2 中， 选择电流大小变化范围在 0 ～10 A 之间， 并以1 A 为间隔进行输出力与电流频率关系的 测试， 得到不同情况下隔振器的输出力大小情况。选 取其中电流大小为 5 A 的实际测试结果与仿真结果进 行比较分析， 如图 13 所示。 图 135 A 电流下频率与输出力的关系图 Fig． 135 A relationship between frequency and output force under current 由图 13 可知， 实际测试情况和仿真结果的趋势大 致相同， 在电流的大小保持不变时， 输出力和电流频率 呈负相关， 即输出力随着频率的增加而减少， 而且其减 小速度逐渐降低， 分析可能存在的主要原因有以下两 种 第一是作动器的持续工作， 导致磁路的工作温度持 续上升， 磁路的磁阻也随之增加， 迫使电磁力出现缓慢 下降的情况。第二个原因则是随着电流频率的增加， 磁路的磁损耗也逐渐增大， 导致电磁力会缓慢下降。 在两个测试过程中， 都出现了实验最大输出力小 于仿真最大输出力的情况， 经过理论推测， 最可能的原 因有 ① 仿真分析采用的二维模型， 在仿真过程中存在 一定的漏磁; ② 随着电流频率的增大， 感抗逐渐增加， 使得电磁力变小; ③ 实际的电源输出满足不了所需 电流。 5结论 综上所述， 本文主要是围绕电磁- 橡胶主被动一体 化隔振器的理论分析， 创新优势、 结构设计、 磁路设计， 建模仿真分析与特性实验验证， 得到 1动态力特性实验结果与仿真分析结果基本吻 合， 符合设计要求目标。 2得到电流大小与频率对一体化隔振器输出力 的影响规律， 表明通过电流控制策略实现输出力主动 控制可靠有效。 3与传统的单一形式隔振器相比， 本一体化隔 振器可实现宽频隔振， 并且具有空间利用率与输出效 率高， 鲁棒性与可靠性好的特点。 下一步解决问题 1改进整体结构设计方案与磁路结构， 扩大隔 振带宽， 提升最大输出力。 2以此隔振器为基础， 搭建四通道隔振实验平 台进行主动控制实验， 比较整体的隔振效果。 参 考 文 献 ［1］ 何琳， 徐伟． 舰船隔振技术装置技术及其进展［ J］ ． 声学学 报， 2013， 38 2 129． HE Lin， XU Wei． Technology and progress of ship vibration isolation device［ J］ ． Acta Acoustics， 2013， 38 2 129． ［2］ JOHNSON F A， DALEYS．VibrationIsolation．U． S． PatentUS2008/0191118A1［ P］ ． 2008． ［3］ 朱石坚，何琳． 船舶机械振动控制［ M］ ． 北京国防工业 出版社， 2006． ［4］ 谢向荣， 朱石坚． 船舶动力机械双层混合隔振系统非线性 动力学特性研究［ J］ ． 振动与冲击， 2010， 29 3 174- 177． XIE Xiangrong， ZHU Shijian． Study on nonlinear dynamic characteristics ofdouble- wheelhybridvibrationisolation system for marine power machinery［J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2010， 29 3 174- 177． 下转第 261 页 622振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing property of embedded high- temperature co- cured composite damping structures［J］ ． Acta Materiae Compositae Sinica， 2013， 30 4 185- 191． ［ 23］ 张忠胜， 梁森． 嵌入式中温共固化复合材料阻尼结构制作 工艺及层间结合性能［J］ ． 航空学报，2012，33 5 43- 48． ZHANG Zhongsheng， LIANG Sen．Manufacturing process and inter- laminar bonding property of embedded medium- temperature co- cured composite material damping struc- ture ［ J］ ． Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2012， 33 5 43- 48． ［ 24］ LEE D M，LEE I． Vibration analysis of anisotropic plates with eccentric stiffeners［ J］ ． Computers ＆ Structures，1995， 57 1 99- 105． ［ 25］ CHEN A T，YANG T Y． Static and dynamic ulation of a symmetrically laminated beam finite element for a micro- computer［J］ ． Journal of Composite Materials，1985，19 459- 475． ［ 26］ SRINIVAS S，RAO A K． Bending，vibration and buckling of simply supported thick orthotropic rectangular plates and laminates［ J］ ． Int J Solids Struct， 1970， 6 1463- 1481． ［ 27］ DI SCIUVA M． Bending，vibration and buckling of simply supported thick multilayered orthotropic platesan uation of a new displacement model［J］ ． J Sound Vib， 1986， 105 425- 442． ［ 28］ CHAKRABARTI A，SHEIKH A H． Vibration of laminate- faced sandwich plate by a new refined element［ J］ ． J Aerosp Eng， 2004， 17 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 123- 134． 上接第 226 页 ［5］ 李玉龙， 白鸿柏． 柔性基础上金属橡胶非线性隔振系统性 能分析［ J］ ． 机械科学与技术， 2015， 43 1 42- 46． LI Yulong， BAI Hongbai． Perance analysis of metal rubber nonlinear vibration isolation system on flexible foundation［ J］ ． MechanicalScienceandTechnologyforAerospace Engineering， 2015， 43 1 42- 46． ［6］ 计方， 张华栋， 李国楠， 等． 舰船隔振器安装参数与隔振效 果相关性试验研究［J］ ． 振动与冲击， 2018， 37 19 118- 123． JI Fang， ZHANG Huadong， LI Guonan， et al． Experimental study on correlation between installation parameters and vibration isolation effect of ship isolator ［J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2018， 37 19 118- 123． ［7］ ELLIOTT S J． Signal Processing for Active Control［ M］ ． San Diego， CA Academic， 2001． ［8］ 杨铁军， 靳国永， 刘志刚等． 船舶动力装置的主动控制 ［ M］ ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学社， 2011． ［9］ 浦玉学． 自适应振动噪声主动控制若干关键问题研究 ［ D］ ． 南京 南京航空航天大学， 2015． ［ 10］ 肖斌， 高超， 张艾萍， 等． 柴油机双层隔振非线性系统主动 隔振研究［ J］ ． 振动与冲击， 2015， 34 13 133- 139． XIAO Bin， GAO Chao， ZHANG Aiping， et al． Study on active vibration isolation of two- layer vibration isolation nonlinear system of diesel engine［ J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2015， 34 13 133- 139． ［ 11］ 朱石坚， 楼京俊． 振动理论与隔振技术［M］ ． 北京 国防工 业出版社， 2006． ［ 12］ 艾歳，金良安． 舰船隔振技术现状及研究展望［ J］ ． 造船 技术， 2015 1 4- 8． AI Sui，JIN Liang’ an． Current status and research prospects of ship vibration isolation technology［ J］ ． Marine Technology， 2015 1 4- 8． ［ 13］ 孙红灵． 振动主动控制若干问题的研究［ D］ ． 安徽 中国科 学技术大学， 2007． ［ 14］ 袁万朋． 弹性基础上的主动隔振技术研究［ D］ ． 哈尔滨 哈 尔滨工程大学， 2012． ［ 15］ 马建国， 帅长庚， 李彦． 磁悬浮- 气囊主被动混合隔振器力 学特性及主动隔振实验研究［J］ ． 振动与冲击， 2018， 37 19 198- 204． MA Jianguo， SHUAI Changgeng， LI Yan． Experimental study on mechanical characteristics and active vibration isolation of magnetic suspension- balloon active- passive hybrid oscillator ［J］ ． Journal of Vibration and Shock，2018，37 19 198- 204． ［ 16］ 陈绍青． 电磁式主被动复合隔振器关键技术研究［D］ ． 安 徽 中国科学技术大学， 2013． 162第 5 期路庆贺等阻尼夹芯复合材料加筋板的振动分析与数值模拟 ChaoXing