CN109764076A - 一种自适应变阻尼剪切增稠液减振器 - Google Patents

Abstract

根据本发明所涉及的一种自适应变阻尼剪切增稠液减振器，包括活塞组件、缸体以及封盖组件，上内盖、下内盖、缸体以及活塞杆共同形成封闭的腔体，该腔体内盛装有剪切增稠液，活塞杆与上下内盖之间设有Y型密封圈；缸体与上下内盖之间有O型密封圈。活塞杆与被控结构连接，随着被控结构的振动，活塞杆带动活塞在缸体内运动，剪切增稠液随着加载频率和幅值的变化输出可变阻尼力，从而实现自适应阻尼减振的作用，同时，上内盖上开有溢流小孔以防止卡死现象发生。所以，本发明的自适应变阻尼剪切增稠液减振器具有无源、自适应、结构简单的优点，非常适用于机械振动控制简单化要求。

Description

一种自适应变阻尼剪切增稠液减振器

技术领域

本发明属于振动控制技术领域，具体涉及一种自适应变阻尼剪切增稠液减振器。

背景技术

振动是自然界一种普遍存在的现象，并且对于动力机械来说，大部分振动是有害的，会引起动态变形和动应力，造成结构的疲劳破坏、影响加工精度、缩短使用寿命、造成环境噪声污染等等；过大的振动会对机器的稳定运行带来不良影响，严重时可致使机器停机甚至发生破坏性事故。因此如何减小和控制振动，成为保证机器安全稳定运行的重要环节。

可变阻尼控制技术是结构振动控制的常用方法，如采用电/磁流变液制成可控动力特性的智能流体阻尼器，通过改变电/磁流变液阻尼器的控制电流，调节输出阻尼力对结构振动进行动态控制，在振动控制领域有了大量的研究和应用，并取得了良好的阻尼减振效果。但电/磁流变液由于分别采用介电微粒、铁磁性固体颗粒制成，长时间使用容易发生沉淀，抗沉降性较差，导致其流变可控性发生改变，性能不稳定；其次在应用中也存在着耗电功率大、磁路结构复杂等缺陷，会增加结构的复杂性。因此，人们期望获得一种结构更为简单、性能优良，能够利用可变阻尼控制结构振动的方法。

发明内容

本发明是为了解决目前可控阻尼减振器结构复杂、性能不稳定的缺陷和问题而进行的，目的在于提供一种自适应变阻尼剪切增稠液减振器，能够随着加载频率和幅值的变化输出可变阻尼力，达到自适应阻尼减振的效果。

本发明提供了一种自适应变阻尼剪切增稠液减振器，具有这样的特征，包括：活塞组件、缸体以及封盖组件，其中，活塞组件包括活塞杆以及活塞，活塞杆的一端位于缸体内，另一端位于缸体外，活塞套接在活塞杆上，缸体呈中空的圆筒状，用于盛装剪切增稠液，封盖组件包括上端盖、上内盖、下端盖以及下内盖，上内盖为具有中空的圆柱体，设置在缸体内部的上端，下端盖为具有中空的圆柱体，设置在缸体内部的下端，上内盖以及下内盖的外圆表面均设有第一密封槽，用于安装O型密封圈，上内盖以及下内盖的内圆表面均设有第二密封槽，用于安装Y型密封圈，上端盖设置在缸体外部的上端且盖在上内盖上，下端盖设置在缸体外部的下端且盖在下内盖上，活塞杆穿过上端盖、上内盖以及下内盖且能够带动活塞在缸体内自如运动，上内盖上设有至少一个溢流孔，下内盖上设有至少一个溢流孔。

在本发明提供的自适应变阻尼剪切增稠液减振器中，还可以具有这样的特征：其中，缸体的上端的内表面设置有凹槽，该凹槽与上内盖所具有的凸台相配合，缸体的下端的内表面设置有凹槽，该凹槽与下内盖所具有的凸台相配合，上内盖与缸体为过渡配合，下内盖与缸体为过渡配合。

在本发明提供的自适应变阻尼剪切增稠液减振器中，还可以具有这样的特征：其中，上端盖的内表面具有螺纹，缸体的上端的外表面具有和上端盖相配合的螺纹，下端盖的内表面具有螺纹，缸体的下端的外表面具有和下端盖相配合的螺纹。

在本发明提供的自适应变阻尼剪切增稠液减振器中，还可以具有这样的特征：其中，溢流孔为沉头孔，数量为1-2个。

在本发明提供的自适应变阻尼剪切增稠液减振器中，还可以具有这样的特征：其中，活塞呈中空的圆柱形，位于缸体的中间，该活塞的厚度为上内盖与下内盖之间的距离的1/7-1/5。

在本发明提供的自适应变阻尼剪切增稠液减振器中，还可以具有这样的特征：其中，缸体的内径小于等于100mm，活塞与缸体之间的间隙为1-4mm。

在本发明提供的自适应变阻尼剪切增稠液减振器中，还可以具有这样的特征：其中，活塞杆和活塞通过螺纹连接。

在本发明提供的自适应变阻尼剪切增稠液减振器中，还可以具有这样的特征：其中，剪切增稠液为由纳米二氧化硅与液态聚乙二醇配制而成的高粘度流体。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的自适应变阻尼剪切增稠液减振器，上内盖、下内盖、缸体以及活塞杆共同形成封闭的腔体，该腔体内充满剪切增稠液。因活塞杆与上内盖以及下内盖之间存在相对运动，故需设置动密封，且上内盖的两端仅有一端有液体，下内盖的两端仅有一端有液体，所以采用具有单向动密封作用的Y型密封圈；而缸体与上内盖以及下内盖之间不存在相对运动，因此设置为静密封，采用O型密封圈即可。

剪切增稠液具有在剪切速率增大时粘度和阻尼迅速增大的特性，是一种新型的率相关性场响应智能材料，不需要外界能源。在常态下，剪切增稠液十分柔软，一旦遇到高速剪切力，材料瞬间粘度改变而消化外力；外力消失后又会恢复柔软状态，因此有着极强的吸收振动冲击的能力。活塞杆的位于缸体外的一端与被控结构连接，随着被控结构的振动，活塞杆带动活塞在缸体内运动，从而活塞与剪切增稠液之间产生相对运动，剪切增稠液随着加载频率和幅值的变化输出可变阻尼力，该可变阻尼力通过活塞杆作用到被控结构上，从而实现自适应阻尼减振的作用。同时，上内盖和下内盖上开有溢流孔以防止卡死现象发生。所以，本发明的自适应变阻尼剪切增稠液减振器具有无源、自适应、结构简单的优点，非常适用于机械振动控制简单化要求。

附图说明

图1是本发明的实施例中的自适应变阻尼剪切增稠液减振器的结构示意图；

图2是图1中A部分的放大图；

图3是本发明的实施例中的上内盖的结构示意图；

图4是本发明的实施例中的上内盖的俯视结构示意图；

图5是本发明的实施例中的上端盖的结构示意图；

图6是本发明的实施例中的活塞的结构示意图；以及

图7是本发明的实施例中的缸体与活塞之间的流动速度梯度示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明自适应变阻尼剪切增稠液减振器作具体阐述。

图1是本发明的实施例中的自适应变阻尼剪切增稠液减振器的结构示意图。

图2是图1中A部分的放大图。

如图1和图2所示，自适应变阻尼剪切增稠液减振器具有活塞杆1、上端盖2、上内盖3、缸体4、活塞5、下内盖6、O型密封圈7、Y型密封圈8以及下端盖9。

活塞杆1呈圆柱状，一端位于缸体4外，另一端穿过上端盖2以及上内盖3位于腔体内。活塞杆1位于缸体4外的一端具有螺纹，用于与被控结构相连接。

活塞5呈中空的圆柱状，内壁有螺纹，与活塞杆1表面的螺纹相配合从而固定到一起，随着活塞杆1的运动在缸体4内往复运动。

初始状态时，活塞5位于上内盖3与下内盖6的中间部位。工作状态时，随着活塞杆1的运动，活塞5在上内盖3和下内盖6之间往复运动，活塞运动位移取决于被控结构的振幅的大小，最大位移量不超过活塞杆1的行程。

缸体4呈中空的圆筒状，上下两端的内圆表面均设置有凹槽41，上下两端的外圆表面均设置有螺纹。

上内盖3具有凸台31，通过与缸体4的上端的凹槽41相配合，可拆卸的固定在缸体4的内圆的上端。上内盖3与缸体4之间为过渡配合，两者之间不存在相对运动。

下内盖6具有凸台61，通过与缸体4的下端的凹槽41相配合，可拆卸的固定在缸体4的内圆的下端。下内盖6与缸体4之间为过渡配合，两者之间不存在相对运动。

凸台31与凸台61结构相同。

上内盖3、下内盖6以及活塞杆1与缸体4与形成封闭的腔体，该腔体内充满剪切增稠液。在本实施例中，剪切增稠液由纳米二氧化硅与液态聚乙二醇配制而成，属于高粘度流体，在高速冲击下变成类固体。

上端盖2呈中空的圆柱状，设置在缸体4的外圆表面的上端且盖在上内盖3上。上端盖2的内表面具有和缸体4上端的外圆表面的螺纹相配合从而实现上端盖2与缸体4的固定连接。

下端盖9呈一端封闭的中空的圆柱状，设置在缸体4的外圆表面的下端且盖在下内盖6上。下端盖9的内表面具有和缸体4上端的外圆表面的螺纹相配合从而实现上端盖2与缸体4的固定连接。

下端盖9具有至少4个安装孔91，用于将自适应变阻尼剪切增稠液减振器固定到基础上。

上内盖3与缸体4之间以及下内盖6与缸体4之间均设置有O型密封圈7，上内盖3与活塞杆1之间以及下内盖6与活塞杆1之间均设置有Y型密封圈8。

图3是本发明的实施例中的上内盖的结构示意图。

图4是本发明的实施例中的上内盖的俯视结构示意图。

如图3和图4所示，上内盖3呈圆柱状，中心开有圆形通孔32。该圆形通孔用于安装活塞杆1，直径和活塞杆1的外径相适应，活塞杆1能在圆形通孔32内自如运动。

圆形通孔32的表面设有动密封槽33，Y型密封圈8安装在动密封槽33内，实现上内盖3与活塞杆1之间的密封。

上内盖3的外圆表面开有静密封槽34，O型密封圈7安装在静密封槽34内，实现上内盖3与缸体4之间的密封。

溢流孔35为沉头通孔，沉孔位于接近上端盖2的一侧，通过孔位于接近活塞5的一端，直径为1-2mm。当上端盖2盖在上内盖3上后，上端盖2能够将沉孔的一端封住。在本实施例中，沉孔直径为4mm，沉孔深2mm，通过孔直径为1mm。

在其他实施例中，溢流孔的数量可根据需要设置，一般每个内盖上为1-2个。

剪切增稠液为高粘度液体，非工作状态时，其仅存在于活塞两侧的腔体内。当活塞5在缸体4内运动时，剪切增稠液被剪切，粘度迅速增大，当粘度增大到一定程度时，小部分剪切增稠液通过溢流孔35排出并进入上端的沉孔内存储，需要时液体又可重新流回缸体内，溢流孔可防止活塞5在工作过程中被卡死，起定压溢流和安全保护作用。

在本实施例中，下内盖6的结构与上内盖3的结构相同。

图5是本发明的实施例中的上端盖的结构示意图。

如图5所示，上端盖2的中心开有阶梯孔，该阶梯孔为通孔，包括小孔21和大孔22，小孔21与大孔22同轴心。

大孔22的内壁上开有和缸体4的外圆表面的上端相匹配的螺纹；小孔21的内壁与活塞杆1之间存在间隙，以保证活塞杆1的正常运动。

在本实施例中，下端盖9的中心也开有阶梯孔，该阶梯孔包括通轴心的小孔和大孔。

大孔为通孔，内壁上开有和缸体4的外圆表面的下端相匹配的螺纹。小孔为盲孔，形成了下端盖9一端封闭的结构，小孔的内壁与活塞杆1之间存在间隙，以保证活塞杆1的正常运动。

图6是本发明的实施例中的活塞的结构示意图。

活塞5的尺寸根据自适应变阻尼剪切增稠液减振器的整体尺寸和缸体4的尺寸设计。

如图6所示，活塞5的轴向尺寸即活塞5的厚度，设置为自适应变阻尼剪切增稠液减振器安装后缸体容腔轴向尺寸的1/7～1/5，即上内盖3与下内盖6之间的距离的1/7～1/5。这样能够保证活塞5在缸体4内运动时，在其左右两侧分别有2-3倍活塞5轴向尺寸的行程。

活塞5的径向尺寸范围，即活塞5的直径，根据缸体尺寸范围设定，设置太大时，缸体4与活塞5之间的间隙δ也过大，此时阻尼出力小，耗能减振能力不足；而设置的太小时，缸体4与活塞5之间的间隙δ过小，容易导致卡死不能运动。当缸体4内径在100mm以内时，缸体4与活塞5之间的间隙δ为1-4mm。

在本实施例中，缸体4的内径为36mm，上内盖3与下内盖6之间的距离为50mm，活塞5的轴向尺寸为10mm，活塞5的径向尺寸为32mm。

图7是本发明的实施例中的缸体与活塞之间的流动速度梯度示意图。

如图7所示，v’为缸体4与活塞5之间的相对运动速度，δ为缸体4与活塞5之间的间隙，τ为剪切应力，v’_max为流体的最大流速，v’_min为流体的最小流速，α为流动速度梯度角。

剪切增稠液的粘度与流动速度梯度(即剪切速率)有关，而流动速度梯度不仅与缸体4与活塞5之间的相对运动速度v’有关，还与缸体4与活塞5之间的间隙δ有关，其定义为相对运动速度v’对间隙求导，即故当活塞5的运动速度一定时，间隙δ减小n倍，流动速度梯度(剪切速率)即增大n倍，在剪切增稠区间范围内，自适应变阻尼剪切增稠液减振器的阻尼出力也迅速增加。

本发明的减振基本原理是：机械产品在工作中由于各种原因产生过大的振动，在振动较大处安装自适应变阻尼剪切增稠液减振器。将活塞杆与被控结构连接，下端盖固定在基础上，当被控结构产生的振动能量传递给减振器的活塞杆时，活塞杆带动活塞在缸体内来回往复运动，使剪切增稠液与活塞产生相对运动，发生摩擦，将振动能量由机械能转化为热能耗散掉。剪切增稠液由于具备剪切增稠效应和速率相关性，在一定范围内可随着振动频率和振动幅值的增大产生迅速增大的阻尼力，输出可变阻尼力，因此能够达到自适应阻尼减振的作用。另外，还可根据实际需要在缸体内放置具备不同阻尼性能的剪切增稠液阻尼材料；也可以通过设计不同直径尺寸的活塞调节环形流体间隙等措施控制剪切增稠液减振器的总体性能。

自适应变阻尼剪切增稠液减振器工作时，因为缸体内壁、上内盖、下内盖以及活塞杆之间的容腔内装有剪切增稠液，为了保证容腔的封闭和防止剪切增稠液的泄露，在活塞杆与上内盖以及下内盖之间、上内盖以及下内盖与缸体之间均需设置密封。因活塞杆与上内盖以及下内盖之间存在相对运动，故需设置动密封，且仅有一端有液体，所以采用具有单向动密封作用的Y型密封圈，并注意安装方向；而缸体与上内盖以及下内盖之间不存在相对运动，因此设置为静密封，采用O型密封圈即可。

当活塞杆跟随被控结构振动，并在充满剪切增稠液的缸体中来回往复运动时，带动活塞不断剪切高分子溶液；剪切增稠液由于承受不同的剪切频率和剪切幅度而改变粘度，从而减振器可以输出变化的阻尼力，实现自适应耗能减振的作用。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的自适应变阻尼剪切增稠液减振器，上内盖、下内盖、缸体以及活塞杆共同形成封闭的腔体，该腔体内充满剪切增稠液。因活塞杆与上内盖以及下内盖之间存在相对运动，故需设置动密封，且上内盖的两端仅有一端有液体，下内盖的两端仅有一端有液体，所以采用具有单向动密封作用的Y型密封圈；而缸体与上内盖以及下内盖之间不存在相对运动，因此设置为静密封，采用O型密封圈即可。

剪切增稠液具有在剪切速率增大时粘度和阻尼迅速增大的特性，是一种新型的率相关性场响应智能材料，不需要外界能源。在常态下，剪切增稠液十分柔软，一旦遇到高速剪切力，材料瞬间粘度改变而消化外力；外力消失后又会恢复柔软状态，因此有着极强的吸收振动冲击的能力。活塞杆的位于缸体外的一端与被控结构连接，随着被控结构的振动，活塞杆带动活塞在缸体内运动，从而活塞与剪切增稠液之间产生相对运动，剪切增稠液随着加载频率和幅值的变化输出可变阻尼力，该可变阻尼力通过活塞杆作用到被控结构上，从而实现自适应阻尼减振的作用。同时，上内盖开有数个溢流小孔以防止卡死现象发生。所以，本实施例具有无源、自适应、结构简单等优点，非常适用于机械振动控制简单化的要求。

此外，上内盖与缸体之间、下内盖与缸体之间均通过凸肩与沉孔实现定位，上内盖与缸体过渡配合，下内盖与缸体过渡配合，更有利于上下内盖与缸体之间的固定以及密封。

另外，上端盖与缸体之间、下端盖与缸体之间均通过螺纹连接实现固定，既有利于上下端盖与缸体之间的固定也便于拆卸安装。

此外，溢流孔的沉头结构能够在运动过程中盛装剪切增稠液，防止卡死现象的发生。

另外，活塞位于缸体的中间，厚度为上内盖与下内盖之间的距离的1/7-1/5，这样保证活塞在缸体内左右两侧都有2-3个活塞厚度的行程，使得活塞能够在缸体内充分运动，从而输出足够的阻尼力。

此外，缸体的内径小于等于100mm，活塞与缸体之间的间隙为1-4mm，这样既解决了活塞的径向尺寸设置太大导致阻尼出力小，耗能减振能力不足，又解决了设置太小容易导致活塞卡死不能运动。

另外，活塞杆和活塞通过螺纹连接，便于拆装，也可更换不同尺寸的活塞实现调整环形流体间隙。

此外，剪切增稠液为由纳米二氧化硅与液态聚乙二醇配制而成的高粘度流体，具有明显的剪切增稠效果。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种自适应变阻尼剪切增稠液减振器，其特征在于，包括：

活塞组件；

缸体；以及

封盖组件，

其中，所述活塞组件包括活塞杆以及活塞，

所述活塞杆的一端位于所述缸体内，另一端位于所述缸体外，

所述活塞套接在所述活塞杆上，

所述缸体呈中空的圆筒状，用于盛装剪切增稠液，

所述封盖组件包括上端盖、上内盖、下端盖以及下内盖，

所述上内盖为具有中空的圆柱体，设置在所述缸体内部的上端，

所述下端盖为具有中空的圆柱体，设置在所述缸体内部的下端，

所述上内盖以及所述下内盖的外圆表面均设有第一密封槽，用于安装O型密封圈，

所述上内盖以及所述下内盖的内圆表面均设有第二密封槽，用于安装Y型密封圈，

所述上端盖设置在所述缸体外部的上端且盖在所述上内盖上，

所述下端盖设置在所述缸体外部的下端且盖在所述下内盖上，

所述活塞杆穿过所述上端盖、所述上内盖以及所述下内盖且能够带动所述活塞在所述缸体内自如运动，

所述上内盖上设有至少一个溢流孔，

所述下内盖上设有至少一个溢流孔。

2.根据权利要求1所述的自适应变阻尼剪切增稠液减振器，其特征在于：

其中，所述缸体的上端的内表面设置有凹槽，该凹槽与所述上内盖所具有的凸台相配合，

所述缸体的下端的内表面设置有凹槽，该凹槽与所述下内盖所具有的凸台相配合，

所述上内盖与所述缸体为过渡配合，

所述下内盖与所述缸体为过渡配合。

3.根据权利要求1所述的自适应变阻尼剪切增稠液减振器，其特征在于：

其中，所述上端盖的内表面具有螺纹，

所述缸体的上端的外表面具有和所述上端盖相配合的螺纹，

所述下端盖的内表面具有螺纹，

所述缸体的下端的外表面具有和所述下端盖相配合的螺纹。

4.根据权利要求1所述的自适应变阻尼剪切增稠液减振器，其特征在于：

其中，所述溢流孔为沉头孔，数量为1-2个。

5.根据权利要求1所述的自适应变阻尼剪切增稠液减振器，其特征在于：

其中，所述活塞呈中空的圆柱形，位于所述缸体的中间，所述活塞的厚度为所述上内盖与所述下内盖之间的距离的1/7-1/5。

6.根据权利要求1所述的自适应变阻尼剪切增稠液减振器，其特征在于：

其中，所述缸体的内径小于等于100mm，所述活塞与所述缸体之间的间隙为1-4mm。

7.根据权利要求1所述的自适应变阻尼剪切增稠液减振器，其特征在于：

其中，所述活塞杆和所述活塞通过螺纹连接。

8.根据权利要求1所述的自适应变阻尼剪切增稠液减振器，其特征在于：

其中，所述剪切增稠液为由纳米二氧化硅与液态聚乙二醇配制而成的高粘度流体。