本發(fā)明涉及減振器領(lǐng)域，具體涉及基于sma變剛度彈簧的智能減振裝置及工作過程。

背景技術(shù)：

振動(dòng)是自然界最普遍的現(xiàn)象之一，它由外部干擾和機(jī)械振動(dòng)等因素引起，滲透在人類生產(chǎn)和生活中的方方面面，給人類帶來許多好處的同時(shí)，也造成了許多危害。例如持續(xù)的生產(chǎn)性振動(dòng)會(huì)對(duì)人類的神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和骨組織等造成影響，甚至是永久性損傷；某些外部干擾會(huì)引起儀器，尤其是一些精密儀器產(chǎn)生共振現(xiàn)象，嚴(yán)重影響儀器的使用。針對(duì)這些情況，一般的方法是在設(shè)備結(jié)構(gòu)中加設(shè)減振器，當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)候，能夠通過減振元件達(dá)到減振和避振的效果，起到保護(hù)人體和設(shè)備，減低噪聲等作用。傳統(tǒng)減振器的減振元件由普通的線彈性金屬?gòu)椈芍饾u演變?yōu)橄鹉z材料，但這些材料或致系統(tǒng)的整體剛度無法改變，在某些情況下無法避免共振現(xiàn)象，或容易出現(xiàn)高溫老化、低溫脆化的現(xiàn)象，影響材料的使用壽命。隨著智能材料領(lǐng)域的推進(jìn)式發(fā)展，振動(dòng)的智能控制方法也越來越多，減振器也迎來了技術(shù)革新。專利2009201276121將磁流變液引入到了減振器中，通過改變電磁線圈或電磁鐵或永久磁體或它們組合體中的電流強(qiáng)度來改變腔體內(nèi)磁流變液的粘度，使得腔體的剛度發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到減振的目的。該減振器的適用范圍可以通過改變彈性材料的材質(zhì)、厚度和形狀來進(jìn)行調(diào)整。這種磁流變液減振器具備了變剛度特性，也可以達(dá)到智能減振的目的，解決了傳統(tǒng)減振器的一些不足，但是其適用范圍需要改變系統(tǒng)的物理參數(shù)和幾何參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，很不方便，而且磁流變液的粘度變化也無法得到精確的控制，因此該設(shè)計(jì)仍然存在許多局限性。形狀記憶合金(shapememoryalloy，以下簡(jiǎn)稱sma；該合金一般由鎳鈦等材料制備而成，以下簡(jiǎn)稱niti‐sma)作為一種全新的智能材料，以其剛度的溫度可控性，解決了上述設(shè)計(jì)的許多不足，在減振器領(lǐng)域得到了應(yīng)用和發(fā)展。專利2011102636770利用了sma超彈性特性產(chǎn)生的耗能減振效應(yīng)，發(fā)明了一種滑動(dòng)式性能可調(diào)sma阻尼器，該阻尼器解決了現(xiàn)有sma阻尼器的剛度和耗能能力不可調(diào)節(jié)的問題，主要用于結(jié)構(gòu)變形后的復(fù)位以及耗能減振。但是該設(shè)計(jì)僅僅通過調(diào)整sma絲的長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)性能的調(diào)節(jié)，并沒有考慮sma出色的溫敏特性，也沒有提出溫度‐振動(dòng)的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，因此該設(shè)計(jì)仍然存在許多可以改進(jìn)的地方。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供基于sma變剛度彈簧的智能減振裝置及工作過程，利用niti‐sma彈簧的溫敏變剛度特性，合理設(shè)計(jì)負(fù)剛度減振器結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)內(nèi)增設(shè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和溫度控制設(shè)備，充分發(fā)揮該新型減振裝置的智能減振和避振功能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于sma變剛度彈簧的新型智能減振裝置，該裝置由三部分組成，分別是振動(dòng)監(jiān)測(cè)部分1，工作腔溫控部分2和減振器主體部分3；所述振動(dòng)監(jiān)測(cè)部分1為通過金屬外殼3‐8與減振器主體部分3內(nèi)腔相連通的振動(dòng)傳感器，由示波器1‐1通過電纜線1‐2與設(shè)置在減振器主體部分3內(nèi)腔的傳感器探頭1‐3連接組成；所述工作腔溫控部分2包括溫度監(jiān)測(cè)部分和溫度調(diào)節(jié)部分，其中溫度監(jiān)測(cè)部分由溫度顯示器2‐1通過導(dǎo)線2‐3與設(shè)置在減振器主體部分3內(nèi)腔的溫度傳感器2‐4連接組成，溫度調(diào)節(jié)部分由溫度調(diào)節(jié)器2‐2通過導(dǎo)線2‐3分別與設(shè)置在減振器主體部分3內(nèi)腔的微型制冷器2‐5和加熱器2‐6連接組成，通過溫度調(diào)節(jié)器2‐2的內(nèi)置開關(guān)選擇連通微型制冷器2‐5或加熱器2‐6工作，其中：振動(dòng)監(jiān)測(cè)部分1負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)減振器主體部分3的振動(dòng)情況，并將信號(hào)輸出顯示在示波器1‐1上，工作腔溫控部分2負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)反饋減振器主體部分3內(nèi)腔的溫度，并通過人為啟閉微型制冷器2‐5或加熱器2‐6調(diào)節(jié)內(nèi)腔溫度。

所述的減振器主體部分3由鋁彈簧3‐1、中心移動(dòng)軸3‐2、橡膠墊片3‐3、高阻尼箍圈3‐4、niti‐sma彈簧3‐5、移動(dòng)滑塊3‐6、鉸接短桿3‐7和金屬外殼3‐8組成，其中，niti‐sma彈簧3‐5存在低溫馬氏體和高溫奧氏體兩種相態(tài)，兩種相態(tài)在穩(wěn)定時(shí)分別對(duì)應(yīng)兩種不同的材料剛度，且niti‐sma彈簧3‐5在相變過程中剛度會(huì)隨著sma的馬氏體體積分?jǐn)?shù)變化而變化，niti‐sma彈簧3‐5沿徑向分布有多根，每根彈簧一端與金屬外殼3‐8的內(nèi)壁固接，另一端與移動(dòng)滑塊3‐6固接，形成了減振器主體部分3的橫向彈性機(jī)構(gòu)，減振器主體部分3的中間套嵌一根中心移動(dòng)軸3‐2，能夠沿著縱向上下自由移動(dòng)，中心移動(dòng)軸3‐2的下端外套一根鋁彈簧3‐1，鋁彈簧3‐1下端與橡膠墊片3‐3固接，上端與中心移動(dòng)軸3‐2的凸起部分固接，能夠在縱向上為減振器提供彈簧恢復(fù)力，此外，減振器主體部分3內(nèi)腔的上下端對(duì)稱安裝有橡膠墊片3‐3，用來防止振動(dòng)過激時(shí)引起的中心移動(dòng)軸3‐2與金屬外殼3‐8的剛性碰撞，與橡膠墊片3‐3相鄰之處嵌裝高阻尼箍圈3‐4，由阻尼系數(shù)高的材料制備而成，為減振器的縱向振動(dòng)提供強(qiáng)大的阻尼作用力，鋁彈簧3‐1、中心移動(dòng)軸3‐2、橡膠墊片3‐3和高阻尼箍圈3‐4共同構(gòu)成了減振器主體部分3的縱向彈性機(jī)構(gòu)，八根鉸接短桿3‐7沿徑向分布，分別與中心移動(dòng)軸3‐2的凸起部分和八塊移動(dòng)滑塊3‐6鉸接，從而將減振器主體部分3的縱向彈性機(jī)構(gòu)和橫向彈性機(jī)構(gòu)聯(lián)系起來，形成了負(fù)剛度結(jié)構(gòu)，共同為減振器主體部分3提供縱向的恢復(fù)力，達(dá)到減振的目的，減振器主體部分3的外圍由金屬外殼3‐8保護(hù)，一般選用q235鋼等剛度比較大的材料制備而成。

所述niti‐sma彈簧(3‐5)沿徑向分布有八根。

所述溫度傳感器(2‐4)、微型制冷器(2‐5)和加熱器(2‐6)均設(shè)置在減振器主體部分(3)內(nèi)腔下端的環(huán)形壁面上，所述微型制冷器(2‐5)和加熱器(2‐6)設(shè)置在溫度傳感器(2‐4)的下端。

所述金屬外殼(3‐8)選用q235鋼制備而成。

所述的減振器主體部分3的承載能力由彈簧材料的物理參數(shù)和內(nèi)腔的尺寸設(shè)計(jì)所決定。

所述的新型智能減振裝置的工作過程，包括以下步驟：

1)減振器主體部分3在承載物重力作用下，處于靜止平衡態(tài)，此時(shí)鋁彈簧3‐1和niti‐sma彈簧3‐5產(chǎn)生一定的壓縮形變量提供恢復(fù)力，共同支撐承載物；

2)當(dāng)減振器主體部分3受到外部激勵(lì)或基礎(chǔ)振蕩干擾時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，由于niti‐sma彈簧3‐5為非線性材料，因此減振器的振動(dòng)帶有強(qiáng)非線性特征，減振器主體部分3的振動(dòng)情況通過傳感器探頭1‐3與中心移動(dòng)軸3‐2凸起之間的間隙調(diào)節(jié)，經(jīng)由電纜線1‐2將信號(hào)輸出顯示在示波器1‐1上測(cè)得，減振器主體部分3內(nèi)腔的溫度可以由溫度傳感器2‐4捕獲，經(jīng)由導(dǎo)線2‐3將溫度信號(hào)輸出顯示在溫度顯示器2‐1上，以獲得及時(shí)反饋；

3)減振器主體部分3在特定溫度條件下會(huì)抵抗外部激勵(lì)或基礎(chǔ)振蕩的干擾，起到減振降噪，保護(hù)承載物的作用，如果在該溫度下無法達(dá)到理想的減振效果或者在干擾作用下系統(tǒng)達(dá)到了共振，則通過操控溫度調(diào)節(jié)器2‐2來實(shí)現(xiàn)減振器主體部分3內(nèi)腔的溫度調(diào)節(jié)，若閉合溫度調(diào)節(jié)器2‐2內(nèi)置制冷電路開關(guān)，在電流作用下，減振器主體部分3內(nèi)腔的微型制冷器2‐5會(huì)開始制冷，內(nèi)腔溫度降低，若閉合溫度調(diào)節(jié)器2‐2內(nèi)置加熱電路開關(guān)，在電流作用下，減振器主體部分3內(nèi)腔的加熱器2‐6會(huì)開始加熱，內(nèi)腔溫度升高，若斷開電路，則內(nèi)腔溫度會(huì)逐漸恢復(fù)至工作環(huán)境的溫度，由于niti‐sma彈簧3‐5的剛度會(huì)隨溫度發(fā)生改變，高溫奧氏體下其彈性模量甚至可達(dá)低溫馬氏體下的2～3倍，因此通過溫度調(diào)節(jié)能夠?qū)p振器主體部分3內(nèi)腔的振動(dòng)情況和系統(tǒng)的共振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

使用本發(fā)明，可以改進(jìn)傳統(tǒng)減振器和部分智能減振器的不足之處，具體如下：

1)本發(fā)明充分利用了niti‐sma彈簧的變剛度特性，可以隨著溫度變化改變系統(tǒng)的等效剛度，成為溫敏元件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了該裝置的智能減振和避振，相較于傳統(tǒng)彈簧減振器的剛度不變性，更加體現(xiàn)智能材料應(yīng)用的優(yōu)越性。

2)本發(fā)明較常規(guī)減振器裝置增設(shè)了振動(dòng)傳感器和溫度傳感器，可以及時(shí)反饋減振器內(nèi)腔的振動(dòng)和溫度變化情況。

3)本發(fā)明減振器內(nèi)置的微型制冷器和加熱器可以及時(shí)對(duì)減振器內(nèi)腔的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有溫度可控性和及時(shí)性。

4)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為負(fù)剛度結(jié)構(gòu)，其負(fù)剛度可部分抵消原結(jié)構(gòu)的正剛度，降低結(jié)構(gòu)的自振頻率，較大幅度地減少了結(jié)構(gòu)在干擾作用下的動(dòng)力響應(yīng)，具有更出色的減振性能。

5)niti‐sma彈簧作為合金材料，其抗腐蝕性與不銹鋼絲相仿，擴(kuò)展了該裝置的工作環(huán)境。

6)本發(fā)明拆裝簡(jiǎn)易，耗材量少，占用空間小，減振效果明顯。

總之，本發(fā)明用具有溫敏變剛度特性的niti‐sma彈簧替代普通的彈簧，來達(dá)到系統(tǒng)等效剛度可變可控的目的?；驹硎抢眠@種可以在不同溫度下發(fā)生馬氏體和奧氏體之間順、逆相態(tài)轉(zhuǎn)變的智能彈簧元件，實(shí)現(xiàn)剛度的自由轉(zhuǎn)變。采用這種新型減振裝置最終可以達(dá)到智能減振和智能避振等效果，反饋及時(shí)，安裝方便，使用安全可靠。

附圖說明

圖1為本發(fā)明新型智能減振裝置的原理圖。

圖2為本發(fā)明新型智能減振裝置中減振器主體部分的結(jié)構(gòu)詳圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式和注意事項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)說明。

基于傳感器技術(shù)的振動(dòng)反饋機(jī)制

本發(fā)明一種基于sma變剛度彈簧的新型智能減振裝置的原理如附圖1所示，由振動(dòng)監(jiān)測(cè)部分1、工作腔溫控部分2和減振器主體部分3組成。振動(dòng)監(jiān)測(cè)部分1涉及振動(dòng)傳感技術(shù)，由示波器1‐1、電纜線1‐2和傳感器探頭1‐3組成，其工作原理是：傳感器探頭1‐3與中心移動(dòng)軸3‐2的凸起部分有一定的距離，當(dāng)減振器主體部分3在外部干擾的作用下開始振動(dòng)時(shí)，中心移動(dòng)軸3‐2的凸起部分會(huì)隨之上下移動(dòng)，與傳感器探頭1‐3之間的距離也會(huì)發(fā)生變化，且能反映此時(shí)的振動(dòng)情況，傳感器探頭1‐3可以據(jù)此拾振并將機(jī)械參量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳⒘啃盘?hào)，經(jīng)由電纜線1‐2將電信號(hào)放大并顯示在示波器1‐1上，操作者通過觀察示波器1‐1可以獲得即時(shí)的振動(dòng)情況。工作腔溫控部分2的溫度監(jiān)測(cè)部分涉及溫度傳感技術(shù)，由溫度顯示器2‐1、導(dǎo)線2‐3和溫度傳感器2‐4組成，其工作原理是：溫度傳感器2‐4一般為熱電阻式傳感器，通過與減振器主體部分3內(nèi)腔的直接接觸，可以即時(shí)感應(yīng)內(nèi)腔溫度，產(chǎn)生一定的阻值，這部分信息可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出顯示在溫度顯示器2‐1。因此，在傳感器技術(shù)支持下，當(dāng)裝置發(fā)生振動(dòng)時(shí)，操作者可以通過振動(dòng)監(jiān)測(cè)部分1和工作腔溫控部分2的溫度監(jiān)測(cè)部分對(duì)減振器主體部分3的振動(dòng)和溫度情況及時(shí)反饋，做出合理的調(diào)整，避免系統(tǒng)強(qiáng)振和共振的發(fā)生。

基于溫度調(diào)節(jié)技術(shù)和sma變剛度特性的減振避振機(jī)制

操作者可以通過示波器1‐1及時(shí)獲取減振器的振動(dòng)情況，當(dāng)所述裝置在外部干擾下產(chǎn)生強(qiáng)振或共振時(shí)，操作者可以及時(shí)獲取振動(dòng)信息，并通過調(diào)整工作腔溫控部分2的溫度調(diào)節(jié)部分來調(diào)整減振器主體部分3內(nèi)腔的溫度，從而達(dá)到減振或避振的效果，具體可以分為兩部分。

第一部分是改變內(nèi)腔溫度，具體工作原理是：操作者觀察到所述裝置在當(dāng)前工作環(huán)境下(包括外部干擾和環(huán)境溫度)發(fā)生強(qiáng)振或共振時(shí)，可以操作工作腔溫控部分2的溫度調(diào)節(jié)部分。如果想使內(nèi)腔溫度降低，則閉合工作腔溫控部分2的內(nèi)置制冷電路開關(guān)，此時(shí)微型制冷器2‐5會(huì)與工作腔溫控部分2的工作電源連通，微型制冷器2‐5的微型氣泵開始工作，吸收的外界空氣通過冷凝管降低溫度，作為制冷氣流進(jìn)入到減振器主體部分3內(nèi)腔中進(jìn)行制冷，并通過縫隙排出內(nèi)腔，達(dá)到降低內(nèi)腔溫度的目的；如果想使內(nèi)腔溫度升高，則閉合工作腔溫控部分2的內(nèi)置加熱電路開關(guān)，此時(shí)加熱器2‐6會(huì)與工作腔溫控部分2的工作電源連通，加熱器2‐6的電阻絲開始通電產(chǎn)生熱量，并通過熱對(duì)流將熱量散發(fā)到內(nèi)腔空氣中，達(dá)到了提升內(nèi)腔溫度的目的；如果斷開工作腔溫控部分2的內(nèi)置電路開關(guān)，則內(nèi)腔的溫度會(huì)逐漸恢復(fù)至工作環(huán)境的溫度。需要注意的一點(diǎn)是，由于內(nèi)腔體積比較小，因此無論是加熱還是制冷所需要的時(shí)間都比較短。

第二部分是改變振動(dòng)情況，具體工作原理是：減振器主體部分3的縱向彈性機(jī)構(gòu)為正剛度彈簧減振機(jī)構(gòu)，由鋁彈簧3‐1、中心移動(dòng)軸3‐2、橡膠墊片3‐3和高阻尼箍圈3‐4組成，橫向彈性機(jī)構(gòu)為負(fù)剛度彈簧減振機(jī)構(gòu)，由八根niti‐sma彈簧3‐5、八塊移動(dòng)滑塊3‐6組成，其中八根niti‐sma彈簧3‐5為溫敏變剛度材料，隨著溫度的變化其剛度會(huì)發(fā)生變化，八根鉸接短桿3‐7將移動(dòng)滑塊3‐6和中心移動(dòng)軸3‐2的凸起部分鉸接在一起，因此所述裝置的等效剛度會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變。

所述niti‐sma彈簧3‐5的材料彈性模量變化滿足以下規(guī)律(剛度變化也滿足類似的規(guī)律)：

e(ξ)＝ξ·em+(1-ξ)·ea

其中，e(ξ)為sma的彈性模量，ξ為sma的馬氏體體積分?jǐn)?shù)，em和ea分別為sma處于完全馬氏體相態(tài)和完全奧氏體相態(tài)下的彈性模量。ξ可以寫為由應(yīng)力引起的馬氏體體積分?jǐn)?shù)ξs和由溫度引起的馬氏體體積分?jǐn)?shù)ξt之和，即ξ＝ξs+ξt，且在sma的相變階段，ξ的變化滿足以下規(guī)律：

奧氏體→馬氏體(t>ms)

馬氏體→奧氏體(t>as)

其中，下角標(biāo)“0”代表初始狀態(tài)，和分別表示臨界應(yīng)力的起始值和終止值，σ表示sma的應(yīng)力，as和af表示奧氏體相的起始溫度和終止溫度，ms為馬氏體相的起始溫度，cm和ca表示sma材料本構(gòu)滯回環(huán)的兩個(gè)斜率常量，這些量的參考值分別如下：as＝34.5℃，af＝49℃，ms＝18.4℃，cm＝8(mpa/℃)，ca＝13.8(mpa/℃)。

據(jù)此，可以通過改變溫度減振器主體部分3內(nèi)腔的溫度來改變減振器的振動(dòng)情況，從而規(guī)避強(qiáng)振和共振的發(fā)生。