隔振装置和隔振方法
阅读说明：本技术 隔振装置和隔振方法 (Vibration isolation device and vibration isolation method ) 是由 黄维 支李峰 张欢 李朋波 谷晓梅 童宗鹏 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本申请实施例公开了一种隔振装置和隔振方法,包括隔振主体、电磁装置以及导体；所述隔振主体上设置有加速度传感器；所述电磁装置包括平行设置的第一磁体和第二磁体,所述第一磁体和所述第二磁体分别位于所述隔振主体的两侧,并相对设置,以产生匀强磁场；以及导体固定连接至所述隔振主体；所述导体位于所述匀强磁场中,且通电后的所述导体能够产生与激励力方向相反的电磁力,所述激励力为所述隔振主体作用在所述导体上的力；通过调整导体内的电压,可以调整电磁力的大小,以改变隔振装置的性能参数；因而在频率或频段变化的设备环境中,可以根据需要适应性地调整隔振装置,以保证隔振效果。(The embodiment of the application discloses a vibration isolation device and a vibration isolation method, wherein the vibration isolation device comprises a vibration isolation main body, an electromagnetic device and a conductor; an acceleration sensor is arranged on the vibration isolation main body; the electromagnetic device comprises a first magnet and a second magnet which are arranged in parallel, wherein the first magnet and the second magnet are respectively positioned on two sides of the vibration isolation main body and are oppositely arranged so as to generate a uniform magnetic field; and a conductor fixedly connected to the vibration isolation body; the conductor is positioned in the uniform magnetic field, and the electrified conductor can generate electromagnetic force in the direction opposite to that of excitation force, wherein the excitation force is the force of the vibration isolation body acting on the conductor; the electromagnetic force can be adjusted by adjusting the voltage in the conductor so as to change the performance parameters of the vibration isolation device; therefore, in the equipment environment with variable frequency or frequency band, the vibration isolation device can be adaptively adjusted according to the requirement to ensure the vibration isolation effect.)
技术领域
本申请涉及隔振器设备领域，具体涉及一种隔振装置和隔振方法。
背景技术
由于橡胶减振器优异的隔振效果及较强的环境适应能力，其广泛运用于汽车、船舶、航空航天等领域。普通的橡胶隔振器一旦设计定型，其相关性能参数便很难改变；当安装在需要减振的设备上后，其减振效果也随之确定。目前研究发现，传统的橡胶隔振器在全频段均具有一定的隔振效果，但是在固定的设备环境下，当频率或者频段改变时，无法保证橡胶隔振器的隔振效果始终满足减振要求。
在对现有技术的研究和实践过程中，本申请的发明人发现，性能参数固定的隔振器在频率或频段变化的设备环境中，无法保证隔振效果始终满足要求。
发明内容
本申请实施例提供一种隔振装置和隔振方法，可以调整隔振装置的性能参数，提升其在复杂设备环境中的隔振效果。
本申请实施例提供一种隔振装置，包括隔振主体、电磁装置和导体，所述隔振主体上设置有加速度传感器；所述电磁装置包括平行设置的第一磁体和第二磁体，所述第一磁体和所述第二磁体分别位于所述隔振主体的两侧，并相对设置，以产生匀强磁场；以及所述导体固定连接至所述隔振主体；所述导体位于所述匀强磁场中，且通电后的所述导体能够产生与激励力方向相反的电磁力，所述激励力为所述隔振主体作用在所述导体上的力。
可选的，所述第一磁体为永磁体或电磁体，所述第二磁体为永磁体或电磁体；其中，所述第一磁体的磁极和所述第二磁体的磁极相反。
可选的，所述第一磁体和所述第二磁体均为线圈；其中，通电后的所述第一磁体的磁极与通电后的所述第二磁体的磁极相反。
可选的，所述导体上设置有位移传感器。
可选的，所述隔振主体包括第一主体、上连接件以及下连接件，所述导体固定至所述第一主体；所述上连接件的其中一端面固定至所述第一主体的上表面，所述上连接件的另一端面可拆卸式连接至激励源或中间筏体；以及所述下连接件的其中一端面固定至所述第一主体的下表面，所述下连接件的另一端面可拆卸式连接至安装基座；所述下连接件上设置有所述加速度传感器。
可选的，所述第一磁体和所述第二磁体均固定至所述激励源或所述中间筏体；或者所述第一磁体和所述第二磁体均固定至所述安装基座。
可选的，所述隔振主体包括第一隔振主体和第二隔振主体，所述第一隔振主体和所述第二隔振主体分别固定连接至所述导体的两相对表面。
可选的，所述第一隔振主体和所述第二隔振主体的材料均为橡胶，且分别硫化固定至所述导体的两相对表面。
可选的，所述第一磁体和所述隔振主体之间留有间隙，所述第二磁体和所述隔振主体之间留有间隙。
相应的，本申请实施例还提供一种隔振方法，包括以下步骤：
S100、预设目标减振效果δ；
采集隔振主体的激励信号；
对所述激励信号进行傅立叶变换获取关心频率；
获取导体的初始位移X0和所述隔振主体的初始加速度a0；
根据所述隔振主体的固有刚度和所述关心频率的乘积获取所述导体产生的电磁力的初始值；
S200、根据以下的安培力方程获取输入所述导体的电压；
其中，U为输入所述导体的电压，F(t)为电磁力，RO为定值电阻，ρ为所述导体的电阻率，L为所述导体的电流方向长度，h为所述导体的厚度，a为所述导体的宽度，B为匀强磁场的磁感应强度，t为时刻；
S300、向所述导体内输入计算所得的所述电压，并获取所述隔振主体的加速度at；
S400、当所述加速度at小于所述初始加速度a0和所述目标减振效果δ的差值时，输出对应的所述电压U(t)；
当所述加速度at大于或等于所述初始加速度a0和所述目标减振效果δ的差值时，循环步骤S200-S400；
S500、根据输出的所述电压U(t)控制输入所述导体的电压，以使所述导体产生与激励力方向相反的所述电磁力。
可选的，步骤S200中，根据以下的安培力方程获取输入所述导体的电压；
其中，U为输入所述导体的电压，C为经济系数，F(t)为电磁力，RO为定值电阻，ρ为所述导体的电阻率，L为所述导体的电流方向长度，h为所述导体的厚度，a为所述导体的宽度，B为匀强磁场的磁感应强度，t为时刻。
可选的，在步骤S200中，在N个有限次内选取所述经济系数C；
步骤S400中还包括以下步骤：
S410、获取满足所述加速度at小于所述初始加速度a0和所述目标减振效果δ的差值的首个所述加速度at；
S420、获取首个所述加速度at对应的所述经济系数Ct，并标记为初始经济系数Cm；
S430、获取满足所述加速度at小于所述初始加速度a0和所述目标减振效果δ的差值的所述加速度at；
S440、获取所述加速度at对应的所述经济系数Ct，并标记为当前经济系数Cn；
S450、当所述当前经济系数Cn小于所述初始经济系数Cm时，所述当前经济系数Cn转变为所述初始经济系数Cm；
否则，保持所述初始经济系数Cm；
在N个有限次内循环步骤S410-S450，并输出所述初始经济系数Cm；
S460、获取所述初始经济系数Cm对应的所述电压U(t)。
可选的，根据等差数列选取所述经济系数C。
可选的，在步骤S100中，所述对所述激励信号进行傅立叶变换获取关心频率包括：
所述导体的位移信号由傅立叶变换展开如下：
其中，An为第n次谐波分量的振幅，为第n次谐波分量的相位，AO为初始振幅，n为自然数，ω1为角频率；
对于所述关心频率的表达式为：
其中，x1，x2，…，xk为谐波分量的和，为第k次谐波分量的振幅，为第k次谐波分量的相位，AO为初始振幅，k为自然数，ω1为角频率。
本实施例中的隔振装置利用第一磁体和第二磁体产生匀强磁场，固定在隔振主体上的导体位于第一磁体和第二磁体之间，使得导体位于匀强磁场中，因而通电后的导体能够产生电磁力；由于电磁力的方向与激励力的方向相反，从而提升隔振性能。
同时，通过调整导体内的电压，可以调整电磁力的大小，以改变隔振装置的性能参数；因而在频率或频段变化的设备环境中，可以根据激励力适应性地调整输入导体内的电压，以保证隔振效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是隔振装置的结构示意图；
图2是隔振方法的流程图。
附图标记说明：
100、第一主体；110、第一隔振主体；120、第二隔振主体；200、上连接件；210、中间筏体；300、下连接件；310、安装基座；320、加速度传感器；410、第一磁体；420、第二磁体；500、导体；510、位移传感器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。此外，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”通常是指装置实际使用或工作状态下的上和下，具体为附图中的图面方向；而“内”和“外”则是针对装置的轮廓而言的。
本申请实施例提供一种隔振装置和隔振方法。以下分别进行详细说明。需说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优选顺序的限定。
实施例一
本申请的第一实施例提供了一种隔振装置，是连接设备和基座的弹性元件，用以减少和消除由设备传递到基座的振动力和由基座传递到设备的振动。如图1所示，隔振装置包括隔振主体、电磁装置和导体500，导体500固定连接至隔振主体上。电磁装置用于产生匀强磁场，同时隔振主体和设置在其上的导体500均位于上述匀强磁场中，当向导体500输入电压时，导体500能够产生电磁力。隔振装置在工作的过程中，外界将振动力施加在隔振装置上，隔振装置会向导体500传递部分振动力，从而形成激励力。位于匀强磁场中的导体500产生的电磁力和上述激励力的方向相反，因而可以利用电磁力完全或部分抵消激励力，以提升隔振装置的隔振效果。
电磁装置包括第一磁体410和第二磁体420，第一磁体410和第二磁体420分别位于隔振主体的两侧，并且相对设置；同时第一磁体410和第二磁体420相互平行，以利用第一磁体410和第二磁体420产生匀强磁场。
本申请中隔振主体位于第一磁体410和第二磁体420之间，以保证导体500处于匀强磁场中。通过调整导体500上的电压，改变导体500产生的电磁力的大小。当隔振装置处于频率或频段发生变化的工作环境中，隔振主体施加在导体500上的激励力会发生变化；通过调整导体500输入的电压适应性地改变电磁力的大小，使得电磁力的大小能够和激励力的大小更加接近。由于电磁力的方向和激励力的方向相反，因而通过调整导体500的电压可以全部或大部分地抵消隔振装置的振动。再加之第一隔振主体110自身具有一定的减振效果，从而保证隔振装置在复杂环境中也能够具有较好的隔振效果。
本申请中，第一磁体410和第二磁体420设置在隔振主体的侧边，因而第一磁体410和第二磁体420会产生垂直于隔振主体轴向的匀强磁场；当向导体500内输入电压时，导体500会产生沿其轴向的电磁力。通过隔振主体施加在导体500上的激励力的大小和方向，对应调整输入电压的大小和方向。
在进一步优选的方向中，第一磁体410可以选用永磁体或电磁体，第二磁体420也可以选用永磁体或电磁体，并且第一磁体410的磁极和第二磁体420的磁极相反。
当第一磁体410和第二磁体420均选用永磁体时，由于第一磁体410和第二磁体420已经固定装配，因而匀强磁场的磁感应强度是恒定的。导体500产生的电磁力可以根据以下公式计算：
其中，F为导体500产生的电磁力，B为电磁装置的磁感应强度，L为导体500沿电流方向的长度，U为导体500内通入的电压，R0为电阻器的电阻值，ρ为材料的电阻率，h为导体500的厚度，a为导体500的宽度。同时，本实施例中，由于第一磁体410和第二磁体420均为永磁体，因而B、h、a、ρ、L为定值，则电磁力F电磁力与电压U成正比，因此可通过控制输入导体500内的电压来控制电磁力的大小。
当第一磁体410和第二磁体420均为电磁体，或者第一磁体410或第二磁体420其中之一为电磁体时，可以通过同步地调整第一磁体410和第二磁体420，使得匀强磁场的磁感应强度改变，也能够调整导体500产生的电磁力，因而增加了改变电磁力的控制因素。
在另一优选的方案中，导体500上设置有位移传感器510。在初始状态时，利用上述位移传感器510可以确定导体500的位移，从而利用傅里叶变换得到所需的频率或频段的频谱，然后根据所需频谱计算出电磁力，继而推算出输入导体500内的电压。利用设置在导体500上的位移传感器510，可以增加隔振装置的应用场景，使得其在某些特定频率或频段下也能够保持较好的隔振效果，进一步提升了隔振装置的性能。
在另一优选的方案中，第一磁体410和第二磁体420关于隔振主体对称设置。当第一磁体410和第二磁体420平行且相对设置时，第一磁场和第二磁场错位的部分不会形成匀强磁场，只有第一磁体410和第二磁体420相互对应的部分才能形成匀强磁场。因而利用磁极相反的第一磁体410和第二磁体420对称设置，可以使得匀强磁场的形成面积最大，以保证导体500始终位于匀强磁场中。同时对称设置的第一磁体410和第二磁体420，便于确定安装位置，以保证装配精度。
此外，第一磁体410和隔振主体之间留有一定的间隙，同时第二磁体420和隔振主体之间也留有一定的间隙，本实施例中上述两间隙大致相等。第一磁体410和第二磁体420均与隔振主体之间预留间隙，因而当隔振主体在激励力和电磁力的作用下振动时，第一磁体410和第二磁体420能够避免振动，以保证第一磁体410和第二磁体420产生的匀强磁场的稳定性。本实施例中上述间隙较小，使得第一磁体410和第二磁体420能够尽可能地靠近隔振主体。
在另一优选的方案中，上述隔振主体包括第一主体100、上连接件200以及下连接件300，上连接件200和下连接件300分别固定在第一主体100的上表面和下表面。导体500固定在第一主体100上，因而能够产生电磁力施加在第一主体100上。上连接件200的下端面和第一主体100的上表面固定连接，其上端面可拆卸连接至激励源或中间筏体210，本实施例中上连接件200通过螺栓连接至激励源的机脚或中间筏体210。下连接件300的上端面和第一主体100的下表面固定连接，其下端面可拆卸连接至安装基座310，本实施例中下连接件300通过紧固螺栓与安装基座310连接。利用上连接件200与激励源/中间筏体210可拆卸连接，以及下连接件300和安装基座310可拆卸连接，便于隔振装置的安装和拆除。
此外，本实施例中隔振装置可以为橡胶隔振器或金属橡胶隔振器，因而第一主体100的材料可以是橡胶或者金属橡胶。当第一主体100的材料为橡胶时，第一主体100可以通过硫化固定连接至上连接件200和下连接件300上；当第一主体100的材料为金属橡胶时，第一主体100可以通过焊接固定在上连接件200和下连接件300上。
在进一步改进的方案中，下连接件300上设置有加速度传感器320。因为下连接件300用于连接第一主体100和安装基座310，安装基座310和第一主体100之间存在作用力。利用设置在下连接件300上的加速度传感器320，能够获取下连接件300的加速度，以便于确定减振效果。
在进一步改进的方案中，第一磁体410和第二磁体420均固定至激励源或中间筏体210；或者第一磁体410和第二磁体420均固定至安装基座310。利用激励源的机脚、中间筏体210或者安装基座310固定第一磁体410和第二磁体420，能够减小第一磁体410和第二磁体420的振动，以保证匀强磁场的稳定性。同时第一磁体410和第二磁体420的安装位置一致，比如，若第一磁体410安装在中间筏体210上，则第二磁体420也安装在中间筏体210上，以使得第一磁体410和第二磁体420的对应部分最大，保证匀强磁场能够始终完全覆盖导体500。
在另一优选的方案中，隔振主体包括第一隔振主体110和第二隔振主体120，并且第一隔振主体110和第二隔振主体120分别位于导体500的两相对侧，本申请中第一隔振主体110固定连接至导体500的上表面，第二隔振主体120固定连接至导体500的下表面。本申请中将导体500固定在第一隔振主体110和第二隔振主体120之间，使得导体500完全位于匀强磁场中，可以避免第一隔振主体110和第二隔振主体120对导体500的干涉和影响。
此外，第一隔振主体110和第二隔振主体120关于导体500对称设置，使得第一隔振主体110施加在导体500上的激励力的中轴线，与第二隔振主体120施加在导体500上的激励力的中轴线共线设置，从而能够避免导体500产生扭矩，以保证隔振装置的减振效果。同时，限制第一隔振主体110和第二隔振主体120对称固定，也便于确定第一隔振主体110和第二隔振主体120的安装位置。本申请中，第一隔振主体110的中轴线、导体500的中轴线以及第二隔振主体120的中轴线均共线设置，使得激励力和电磁力共线。
本实施例中第一隔振主体110和第二隔振主体120均为橡胶，因而可以通过硫化工艺将第一隔振主体110和第二隔振主体120均固定在导体500上。
此外，在另一实施例中，若导体500嵌设在隔振主体的内部产生电磁力时，需保证隔振主体具有导磁性能，以减小或避免隔振主体对导体500的影响。
实施例二
本实施例包含实施例一的大部分技术特征，其相对于实施例一的不同之处在于，第一磁体410和第二磁体420均为线圈，且通电后第一磁体410的磁极与第二磁体420的磁极相反。同时，本申请中的第一磁体410通入的电流与第二磁体420通入的电流相等，以保证第一磁体410和第二磁体420产生匀强磁场。
第一磁体410和第二磁体420设置在隔振主体的侧边，因而第一磁体410和第二磁体420会产生垂直于隔振主体轴向的匀强磁场；当向导体500内输入电压时，导体500会产生与激励力反向的电磁力。根据隔振主体施加在导体500上的激励力的大小和方向，对应调整输入电压的大小和方向。使得电磁力的大小能够和激励力的大小更加接近，由于电磁力的方向和激励力的方向相反，从而保证隔振装置在复杂环境中也能够具有较好的隔振效果。
实施例三
本实施例根据实施例一或者实施例二的隔振装置的隔振方法，其具体包括以下步骤：
S100、预设目标减振效果δ；本实施例中预设目标减振效果δ可以根据隔振装置的具体应用场景决定；
采集隔振主体的激励信号；本申请中对于稳定的系统其激励信号为周期信号；
对所述激励信号进行傅立叶变换获取关心频率；
获取导体500的初始位移X0和所述隔振主体的初始加速度a0；
根据所述隔振主体的固有刚度和所述关心频率的乘积获取所述导体500产生的电磁力的初始值；
S200、根据以下的安培力方程获取输入所述导体500的电压；
其中，U为输入所述导体的电压，F(t)为电磁力，RO为定值电阻，ρ为所述导体的电阻率，L为所述导体的电流方向长度，h为所述导体的厚度，a为所述导体的宽度，B为匀强磁场的磁感应强度，t为时刻；
S300、向所述导体500内输入计算所得的所述电压，并获取所述隔振主体的加速度at；
S400、当所述加速度at小于所述初始加速度a0和所述目标减振效果δ的差值时，输出对应的所述电压U(t)；
当所述加速度at大于或等于所述初始加速度a0和所述目标减振效果δ的差值时，循环步骤S200-S400；
S500、根据输出的所述电压U(t)控制输入所述导体500的电压，以使所述导体500产生与激励力方向相反的所述电磁力。
根据安培力方程获取输入导体500内部的电压值，然后依据加速度at小于初始加速度a0和目标减振效果δ的差值进行判断，上述判断条件成立时，输出对应的电压。然后将该电压输入导体500内，处于匀强磁场中的导体500产生的电磁力能够完全或大部分抵消激励信号作用下产生的激励力，从而保证隔振装置在复杂环境中也能够具有较好的隔振效果。
在进一步优选的方案中，步骤S200中，根据以下的安培力方程获取输入所述导体500的电压；
其中，U为输入所述导体的电压，C为经济系数，F(t)为电磁力，RO为定值电阻，ρ为所述导体的电阻率，L为所述导体的电流方向长度，h为所述导体的厚度，a为所述导体的宽度，B为匀强磁场的磁感应强度，t为时刻。
在利用电磁力抵消激励力的过程中，若导体500产生的电磁力完全或绝大部分地将激励力抵消，可能会消耗过多的资源。因此在控制策略中需实现在达到目标效果的情况下，通过设置经济系数C，使用尽可能少的资源，保证隔振装置使用时具有经济性。
在进一步优选的方案中，在步骤S200中，在N个有限次内选取所述经济系数C；
步骤S400中还包括以下步骤：
S410、获取满足所述加速度at小于所述初始加速度a0和所述目标减振效果δ的差值的首个所述加速度at；
S420、获取首个所述加速度at对应的所述经济系数Ct，并标记为初始经济系数Cm；
S430、获取满足所述加速度at小于所述初始加速度a0和所述目标减振效果δ的差值的所述加速度at；
S440、获取所述加速度at对应的所述经济系数Ct，并标记为当前经济系数Cn；
S450、当所述当前经济系数Cn小于所述初始经济系数Cm时，所述当前经济系数Cn转变为所述初始经济系数Cm；
否则，保持所述初始经济系数Cm；
在N个有限次内循环步骤S410-S450，并输出所述初始经济系数Cm；
S460、获取所述初始经济系数Cm对应的所述电压U(t)。
本实施例中通过对N个循环内，满足加速度at小于初始加速度a0和目标减振效果δ的差值的加速度at以及上述加速度对应的电压进行筛选。在满足电磁力能够实现在达到目标效果的情况下，筛选出最小的经济系数，提高隔振装置的经济性。
在进一步改进的方案中，根据等差数列选取所述经济系数C，既便于选取经济系数C，也可以提高选取时的均匀性。
在进一步改进的方案中，在步骤S100中，所述对所述激励信号进行傅立叶变换获取关心频率包括：
所述导体的位移信号由傅立叶变换展开如下：
其中，An为第n次谐波分量的振幅，为第n次谐波分量的相位，AO为初始振幅，n为自然数，ω1为角频率；
对于所述关心频率的表达式为：
其中，x1，x2，…，xk为谐波分量的和，为第k次谐波分量的振幅，为第k次谐波分量的相位，AO为初始振幅，k为自然数，ω1为角频率。
由于激励信号为周期信号，利用傅里叶变换对上述周期信号展开能够获得关心频率，然后通过利用隔振主体的固有刚度和前述关心频率的乘积可以获得电磁力的初始值，也能够初步判断出电磁力的数量级，以便于后续的进一步运算。
此外，利用傅里叶变换对激励信号进行分析可以根据不同的环境实现某些特定频率或者频段下的隔振效果，实现更加精准的隔振效果，从而提高隔振装置在复杂环境中的隔振效果。
以上对本申请实施例所提供的一种隔振装置和隔振方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
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