阅读说明：本技术 一种磁性导轨吸振器及其减振方法 (Magnetic guide rail vibration absorber and vibration reduction method thereof ) 是由 陈悦 李敬豪 庞靖 袁昊 邢海波 阮圣奇 吴仲 肖宇煊 陈开峰 邵飞 朱涛 宋 于 2020-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁性导轨吸振器及其减振方法,吸振器包括支架和两个相互垂直且固定连接的磁性导轨,所述支架底部固定在电机上,支架上端与两个磁性导轨的连接节点固定连接,支撑所述磁性导轨,每个磁性导轨的端部均滑动连接一个质量块,每个所述质量块与两个磁性导轨的连接节点之间均连接有一个弹簧,弹簧缠绕在磁性导轨上,质量块为以磁性导轨为中心轴缠绕的线圈,线圈的两端通过导线连接一个电阻R；本发明的优点在于：将振动产生的能量在电阻R中消耗,从而降低电机的振动能量,实现较好的减振效果。(The invention discloses a magnetic guide rail vibration absorber and a vibration damping method thereof, wherein the vibration absorber comprises a bracket and two magnetic guide rails which are vertical to each other and are fixedly connected, the bottom of the bracket is fixed on a motor, the upper end of the bracket is fixedly connected with a connecting node of the two magnetic guide rails to support the magnetic guide rails, the end part of each magnetic guide rail is slidably connected with a mass block, a spring is connected between each mass block and the connecting node of the two magnetic guide rails, the spring is wound on the magnetic guide rails, the mass block is a coil wound by taking the magnetic guide rails as a central shaft, and the two ends of the coil are connected with a resistor R through leads; the invention has the advantages that: the energy generated by vibration is consumed in the resistor R, so that the vibration energy of the motor is reduced, and a good vibration reduction effect is realized.)

一种磁性导轨吸振器及其减振方法

技术领域

本发明涉及立式旋转设备的降振技术领域，更具体涉及一种磁性导轨吸振器及其减振方法。

背景技术

目前在工业生产过程中，出于节能考虑，经常对一些大型电机进行变频改造，对于立式电机来说，其水平方向支撑刚度较弱；轴系较长，临界转速一般低于其工频运行转速。这就造成了在立式电机变频改造后，设备运行转速经常落在了其临界转速区间，造成电机上部振动超标。

目前常用的处理临界振动的方法有两种：一种是通过动平衡方式降低轴系不平衡量，减小轴系不平衡激振力，来减小临界转速下的不平衡振动响应，这种方法在一定程度上可以降低临界转速的振动幅值，但其要求平衡精度非常高才能控制临界转速下轴系振动幅值达到合格范围；第二种方法是通过加强电机上部的固定支撑强度，来抑制临界转速下的振动响应，现场一般采用顶丝硬支撑的方式。但这种方式不好控制各点的支撑强度达到一致，在控制不好的情况下容易造成轴系中心线不一致，不仅不能达到减振效果，反而加剧振动。同时，振动过大时，刚性支撑还可能会造成设备的损坏。

中国专利公开号CN203670596U，公开了一种简支梁式频率可调的动力吸振器，包括基座、步进电机、滑块、传动丝杠、金属梁，基座上开有燕尾槽，滑块的下端部为燕尾形结构，滑块的上端部为带有孔的支撑臂，滑块的中部为带有螺纹的通孔，所述的滑块有两个，两个滑块的下端部安装在燕尾槽里，金属梁中部带有集中质量块，金属梁的两端分别穿过两个滑块上端部支撑臂的孔，传动丝杠外壁上对称设置反向螺纹，传动丝杠穿过两个滑块中部的通孔并与两个通孔的螺纹相配合，传动丝杠的第一端连接步进电机。与悬臂式吸振器相比，减少了向外延伸空间的需求。但是该专利吸振器本身结构复杂，器件繁多，易导致吸振器成为新的振源，减振效果不好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术立式旋转设备的吸振器减振效果不好的问题。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种磁性导轨吸振器，包括支架和两个相互垂直且固定连接的磁性导轨，所述支架底部固定在电机上，支架上端与两个磁性导轨的连接节点固定连接，支撑所述磁性导轨，每个导轨的端部均滑动连接一个质量块，每个所述质量块与两个磁性导轨的连接节点之间均连接有一个弹簧，质量块为以磁性导轨为中心轴缠绕的线圈，线圈的两端通过导线连接一个电阻R。

本发明在吸振器的作用下，由线圈组成的质量块在磁性导轨上同步进行简谐振动，根据电磁感应原理，线圈切割磁感线产生感应电动势，线圈串联电阻R，将质量块从电机上吸收振动能量转化为电阻R的发热量，将振动产生的能量在电阻R中消耗，从而降低电机的振动能量，实现较好的减振效果。

进一步地，所述弹簧为弹簧阻尼器。

进一步地，所述支架包括四个等长度支撑腿，每个支撑腿的一端均固定在电机上，每个支撑腿的另一端连接在一起并与两个磁性导轨的连接节点固定连接，四个支撑腿的一端围成矩形。

进一步地，所述电机为立式旋转设备的电机。

本发明还提供一种磁性导轨吸振器的减振方法，所述方法包括：

步骤一：获取在电机的激振力作用下两自由度双阻尼振动系统的振动方程；

步骤二：获取稳定状态下受迫振动的复数方程并求解该复数方程，根据该复数方程的解获取质量块作用于电机上表面的力；

步骤三：选取吸振器的参数，使得振动有所吸收；

步骤四：调整放大因子使电机在激振力作用下的位移在全频带上最小即单自由度振动系统在稳定状态下振动的复数解最小，获取最优的吸振器的阻尼比以及最优的吸振器的固有频率。

进一步地，所述步骤一包括：

利用公式获取在电机的激振力作用下两自由度双阻尼振动系统的振动方程；其中，M表示电机的质量，m表示质量块的质量，K表示电机的弹性系数，k表示质量块的弹性系数，C₁表示电机的阻尼系数，C₂表示质量块的阻尼系数，x₁表示电机的位移，x₂表示质量块的位移，P(t)表示激振力。

进一步地，所述步骤二包括：

若电机的激振力为简谐力，对两自由度双阻尼振动系统的振动方程作变换，获取稳定状态下受迫振动的复数方程为

其中，ω表示激振频率，i表示复数虚部单位，X₁表示电机的位移的复变量，X₂表示质量块的位移的复变量，P表示激振力的复变量，

求解复数方程得

通过公式

获取质量块作用于电机上表面的力，其中，F₁表示质量块作用于电机上表面的力。

进一步地，所述步骤三包括：

通过公式X₁₀＝P/(K-Mω²+iωC₁)获取单自由度振动系统在稳定状态下振动的复数解；

通过公式F₁₀＝(K+iωC₁)P/(K-Mω²+iωC₁)获取电机本身的作用力，其中，F₁₀表示电机本身的作用力；

通过公式获取吸振性能与激振力频率之间的关系式，其中，

ξ表示吸振系数，E₁表示质量块作用于电机以后的振动能量，E₁₀表示电机本身的振动能量，V₁表示质量块作用于电机以后振动速度的复变量，V₁₀表示电机本身振动速度的复变量；

利用电机本身振动速度的复变量的最强频率通过公式

选取吸振器的参数使得ξ>0，其中，ω_r为电机本身振动速度的复变量的最强频率。

进一步地，所述步骤四包括：

令其中，β表示放大因子且

其中，ω_n表示电机的固有频率，μ表示质量块质量与电机质量之比，ω₀表示吸振器的固有频率，ζ₁表示电机的阻尼比且

ζ₂表示吸振器的阻尼比且

调整放大因子使电机在激振力作用下的位移在全频带上最小即单自由度振动系统在稳定状态下振动的复数解最小。

更进一步地，所述调整放大因子的过程为：

步骤401：在电机的固有频率的邻域内取一频段γ_a≤ω₁≤γ_b，其中，γ_a＝0.7ω_n，γ_b＝1.3ω_n；

步骤402：将吸振器的固有频率的初始值以及吸振器的阻尼比的初始值代入放大因子的计算公式计算频段内放大因子的值；

步骤403：更新吸振器的固有频率以及吸振器的阻尼比，将更新后的吸振器的固有频率作为吸振器的固有频率的初始值，更新后的吸振器的阻尼比作为吸振器的阻尼比的初始值，返回执行步骤402，直至求得放大因子的极小值，将此时的吸振器的阻尼比作为最优的吸振器的阻尼比，此时的吸振器的固有频率作为最优的吸振器的固有频率。

本发明的优点在于：

(1)本发明在吸振器的作用下，由线圈组成的质量块在磁性导轨上同步进行简谐振动，根据电磁感应原理，线圈切割磁感线产生感应电动势，线圈串联电阻R，将质量块从电机上吸收振动能量转化为电阻R的发热量，将振动产生的能量在电阻R中消耗，从而降低电机的振动能量，实现较好的减振效果。

(2)本发明选取吸振器的参数，使得振动有所吸收，调整放大因子使电机在激振力作用下的位移在全频带上最小，获取最优的吸振器的阻尼比以及最优的吸振器的固有频率，对减振效果进行分析计算，使得减振效果最优。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种磁性导轨吸振器的主视图；

图2为本发明实施例所提供的一种磁性导轨吸振器的俯视图；

图3为本发明实施例所提供的一种磁性导轨吸振器中质量块内线圈与电阻R的连接示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种磁性导轨吸振器中单自由度单阻尼振动系统的物理模型；

图5为本发明实施例所提供的一种磁性导轨吸振器中两自由度双阻尼振动系统的物理模型；

图6为本发明实施例所提供的一种磁性导轨吸振器的减振方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，一种磁性导轨吸振器，包括支架4和两个相互垂直且固定连接的磁性导轨2。

所述支架4包括四个等长度支撑腿，每个支撑腿的一端均固定在电机5上，所述电机5为立式旋转设备的电机5。每个支撑腿的另一端连接在一起并与两个磁性导轨2的连接节点固定连接，四个支撑腿的一端围成矩形。

支架4上端与两个磁性导轨2的连接节点固定连接，支撑所述磁性导轨2，两个磁性导轨2相互垂直，分别对应立式电机5工质流动方向和垂直工质流动方向，两组翅形吸振器可单独调整频率参数，分别对应两个方向不同的振动频率，提高减振效果。

每个磁性导轨2的端部均滑动连接一个质量块1，质量块1的重量可以通过更换调整，提高阻尼的频率宽度。

每个所述质量块1与两个磁性导轨2的连接节点之间均连接有一个弹簧3，所述弹簧3为弹簧阻尼器。弹簧3缠绕在磁性导轨2上，质量块1为以磁性导轨为中心轴缠绕的线圈，线圈的两端通过导线连接一个电阻R(图未示)。

继续参阅图1至图3，吸振器按照电机5工质流动方向(X向)和垂直工质流动方向(Y向)布置，当电机5出现较大的振动时，X方向振动引起质量块C和质量块D及弹簧阻尼器组成的吸振器组振动，根据电机5为主体的主系统的相关参数，设计合适的质量块C、D和弹簧阻尼器的弹性系数，可以使得附属的吸振器系统吸收部分主系统X方向振动能量，达到降低X方向振动幅值的效果。

同理，质量块A、B和弹簧阻尼器组成的吸振器组可以吸收Y方向振动能量，降低Y方向振动幅值效果。

以相互垂直的X、Y方向组成的平面内，各个方向的振动均可分解为X、Y两个方向振动的合成，因此在X、Y方向两组吸振器作用下，可以达到降低水平面各方向振动幅值的目的。

在吸振器的作用下，吸振器的作用下，由线圈组成的质量块1在磁性导轨2上同步进行简谐振动，根据电磁感应原理，线圈切割磁感线产生感应电动势，线圈串联电阻R，将质量块1从电机5上吸收振动能量转化为电阻R的发热量，将振动产生的能量在电阻R中消耗，从而降低电机的振动能量，实现较好的减振效果。

忽略一些次要因素的影响，可将电机5简化为图4所示的包含有的单自由度单阻尼振动系统的物理模型，若附加上k～m～C2组成的吸振器，则成为图5所示的两自由度双阻尼振动系统，如图6所示，本发明还提供一种磁性导轨吸振器的减振方法，所述方法包括：

步骤S1：获取在电机5的激振力作用下两自由度双阻尼振动系统的振动方程；具体过程为：

利用公式

获取在电机5的激振力作用下两自由度双阻尼振动系统的振动方程(不计重力及产生的初位移)；其中，M表示电机5的质量，m表示质量块1的质量，K表示电机5的弹性系数，k表示质量块1的弹性系数，C₁表示电机5的阻尼系数，C₂表示质量块1的阻尼系数，x₁表示电机5的位移，x₂表示质量块1的位移，P(t)表示激振力。

步骤S2：获取稳定状态下受迫振动的复数方程并求解该复数方程，根据该复数方程的解获取质量块1作用于电机5上表面的力；具体过程为：

机械振动的激振力P(t)通常为周期性外力。若电机5的激振力为简谐力，对两自由度双阻尼振动系统的振动方程作变换，获取稳定状态下受迫振动的复数方程为

其中，ω表示激振频率，i表示复数虚部单位，X₁表示电机5的位移的复变量，X₂表示质量块1的位移的复变量，P表示激振力的复变量，求解复数方程得

通过公式获取质量块1作用于电机5上表面的力，其中，F₁表示质量块1作用于电机5上表面的力。

步骤S3：选取吸振器的参数，使得振动有所吸收；具体过程为：

通过公式X₁₀＝P/(K-Mω²+iωC₁)获取单自由度振动系统在稳定状态下振动的复数解；

通过公式F₁₀＝(K+iωC₁)P/(K-Mω²+iωC₁)获取电机5本身的作用力，其中，F₁₀表示电机5本身的作用力；相当于图5系统中m＝0，C2＝0的情形。

在同样的激振力作用下，是否附加k～m～C2组成的吸振器，电机5的振动能量E1及质量块1作用于电机5上表面的力F1通常是不同的，变化的情况与激振力的频率有直接的关系。下面就吸振器吸振性能与激振力频率之间的关系(即吸振的频率特性)作详细分析。

通过公式获取吸振性能与激振力频率之间的关系式，其中，ξ表示吸振系数，E₁表示质量块1作用于电机5以后的振动能量，E₁₀表示电机5本身的振动能量，V₁表示质量块1作用于电机5以后振动速度的复变量，V₁₀表示电机5本身振动速度的复变量；

显然ξ>-1，当ξ>0时，F₁₀/F₁(或E₁₀/E₁)>1，表明附加上吸振器后，K～M～C1阻尼振动系统的振动有所“吸收”；当-1<ξ<0时，F₁₀/F₁(或E₁₀/E₁)<1，表时附加上阻尼吸振器后，K～M～C1阻尼振动系统的振动有所加强；当ξ＝0时，F₁₀/F₁(或E₁₀/E₁)＝1，表明阻尼吸振器对K～M～C1振动系统没有影响。

因此设计吸振器的原则就是选择合适的k、m、C2参数，使得ξ>0。

机械系统运行时，可测出其振动(如振动速度V₁₀)的频谱，则可在机械上附加吸振器k～m～C2振动系统，并适当选择参数k、m、C2的大小，使区间(ω_min，ω_max)尽可能多地包含V₁₀中振较强的频率，从而使机械阻尼振动系统K～M～C1的一部分振动能量被吸振器所吸收，并消耗在阻尼C2中，机械的振动得以减弱。

在V₁₀中选出振动较强的分量，设其频率为ω_r，选择吸振器的参数k、m、C2，使ω_r位于其阻尼固有频率和固有频率之间，即：

则：

这时机械系统在频率ω_r上的振动分量得到相当程度的减弱，而在ω_r两侧相当大的频域内振动能得到不同程度的衰减，从而总振动得到削弱。

选择吸振器参数时，k、m、C2数值越大，其吸振的频率范围(ω_min，ω_max)越大，吸振效果越好。但当k、m、C2过大时，吸振器在机械系统上布置可能会碰到困难，而且吸振器本身也成为新的振源。因此，通常应使m≤M，k≤K,并适当调节k、m、C2的大小，使之处于最佳吸振状态。

步骤S4：调整放大因子使电机5在激振力作用下的位移在全频带上最小即单自由度振动系统在稳定状态下振动的复数解最小，获取最优的吸振器的阻尼比以及最优的吸振器的固有频率。具体过程为：

令

其中，β表示放大因子且

其中，ω_n表示电机5的固有频率，μ表示质量块1质量与电机5质量之比，ω₀表示吸振器的固有频率，ζ₁表示电机5的阻尼比且

ζ₂表示吸振器的阻尼比且

调整放大因子使电机5在激振力作用下的位移在全频带上最小即单自由度振动系统在稳定状态下振动的复数解最小。

其中，所述调整放大因子的过程为：

步骤401：在电机5的固有频率的邻域内取一频段γ_a≤ω₁≤γ_b，其中，γ_a＝0.7ω_n，γ_b＝1.3ω_n；

步骤402：将吸振器的固有频率的初始值以及吸振器的阻尼比的初始值代入放大因子的计算公式计算频段内放大因子的值；

步骤403：更新吸振器的固有频率以及吸振器的阻尼比，将更新后的吸振器的固有频率作为吸振器的固有频率的初始值，更新后的吸振器的阻尼比作为吸振器的阻尼比的初始值，返回执行步骤402，直至求得放大因子的极小值，将此时的吸振器的阻尼比作为最优的吸振器的阻尼比，此时的吸振器的固有频率作为最优的吸振器的固有频率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。