雙腔液固混合介質(zhì)隔振器動(dòng)力學(xué)特性及半主動(dòng)控制研究.pdf

1、液固混合介質(zhì)（SALiM）隔振器是一種適用于低頻重載動(dòng)力機(jī)械隔振的被動(dòng)隔振裝置，由可變形壓力容器、液壓油、若干彈性單元體三部分組成。SALiM隔振器兼具高承載能力和低剛度兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，既可以直接地應(yīng)用于單層隔振系統(tǒng)，也可以作為彈性組件應(yīng)用于多層隔振系統(tǒng)，在低頻重載隔振領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　SALiM隔振器是一種優(yōu)良的被動(dòng)隔振裝置，但是由于其剛度阻尼特性一定，因而無(wú)法處理諸如寬頻激勵(lì)、沖擊激勵(lì)等復(fù)雜工況。本文在課題組的研究基礎(chǔ)上

2、，提出了一種帶附加腔室的（雙腔）SALiM隔振器設(shè)計(jì)方案。新式隔振器在原有SALiM隔振器的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)剛性腔室和連接通道，剛性腔室內(nèi)部同樣裝滿(mǎn)SALiM，因而可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)剛度。連接通道扮演了阻尼元件的角色，通過(guò)改變節(jié)流開(kāi)度可以方便調(diào)其耗散特性。本文通過(guò)理論、仿真和試驗(yàn)結(jié)合的方法研究雙腔SALiM隔振器的剛度阻尼特性以及隔振特性。為了進(jìn)一步改善隔振系統(tǒng)的工作特性，將連接通道用一個(gè)節(jié)流開(kāi)度可控的主動(dòng)閥組替代，雙腔SALiM隔振器

3、轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)變剛度隔振系統(tǒng)。最后結(jié)合相關(guān)的控制律，用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法驗(yàn)證了半主動(dòng)控制系統(tǒng)的可行性。本文主要研究?jī)?nèi)容和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)如下：
　　1.剛度阻尼模型的建立。建立了兩個(gè)腔室內(nèi)部液固混合介質(zhì)變形體積和油壓的關(guān)系、主腔位移和所有彈性單元體變形體積之間的關(guān)系，通過(guò)液壓流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)建立連通管道兩端的壓差流量關(guān)系，從而可以得到雙腔SALiM隔振器的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型。為便于研究，對(duì)于彈性單元體引入的非線(xiàn)性剛度項(xiàng)和流體阻尼引入的平方阻

4、尼項(xiàng)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，可以得到線(xiàn)性化系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。常規(guī)的研究思路是基于復(fù)剛度理論，運(yùn)用傅里葉變換的方法推導(dǎo)隔振器復(fù)剛度表達(dá)式，從而得到動(dòng)剛度、損耗因子（或滯后角）具體表達(dá)式。本文將隔振系統(tǒng)簡(jiǎn)化成一個(gè)單自由度系統(tǒng)處理，對(duì)比簡(jiǎn)化前后兩個(gè)系統(tǒng)的頻響方程，可以得到簡(jiǎn)化后系統(tǒng)等效剛度、等效阻尼表達(dá)式。
　　2.剛度阻尼特性研究?jī)?nèi)容、方法。對(duì)于隔振器的剛度和阻尼特性，本文采取了理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證三者相結(jié)合的方法。相關(guān)領(lǐng)域的工作主要關(guān)注

5、連接通道幾何參數(shù)對(duì)于隔振器剛度阻尼特性的影響。本文除了囊括常規(guī)的研究?jī)?nèi)容，還引入了一些新的問(wèn)題，主要包括：（1）等效剛度和等效阻尼的邊界特性。研究了隔振器各個(gè)參數(shù)以及激勵(lì)頻率、幅值對(duì)于等效剛度、等效阻尼邊界的影響，并基于相關(guān)結(jié)論提出了雙腔SALiM隔振器的改進(jìn)方案。（2）主腔剛度對(duì)于隔振器剛度和阻尼的影響。SALiM隔振器可以通過(guò)改變單元體數(shù)量改變剛度大小。在剛度阻尼特性測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)整主腔單元體的個(gè)數(shù)，研究主腔剛度對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)特性影

6、響。（3）測(cè)試了空載情況下和承載（激振器）情況下隔振器剛度和阻尼特性。對(duì)于空載工況，運(yùn)用MTS（電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)）對(duì)于隔振器施加位移激勵(lì)，改變簡(jiǎn)諧激勵(lì)頻率和幅值，記錄隔振器的位移和回復(fù)力信號(hào)，研究振動(dòng)水平和激勵(lì)頻率對(duì)于隔振器剛度阻尼特性的影響。對(duì)于承載工況，在主腔和附加腔室中設(shè)置了液壓傳感器，通過(guò)分析液壓時(shí)域信號(hào)進(jìn)一步討論連通管道的壓差流量特性和隔振系統(tǒng)的剛度阻尼特性?，F(xiàn)有的研究工作局限于測(cè)量恒定運(yùn)行速度（管道壓差）下連接通道的流通的

7、特性，本文通過(guò)液壓傳感器的實(shí)測(cè)信號(hào)研究各種復(fù)雜工況下連接通道兩端的壓差流量特性，更具研究意義。
　　3.雙腔SALiM隔振器功能的拓展。通過(guò)配置兩個(gè)腔室內(nèi)部彈性單元體的數(shù)量和材質(zhì)，雙腔SALiM隔振系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種功能，本文著重了介紹了三種情況。一是常規(guī)隔振系統(tǒng)，用主動(dòng)閥組替代連接通道，可使其轉(zhuǎn)化成一個(gè)變剛度阻尼隔振系統(tǒng)。二是負(fù)剛度隔振系統(tǒng)，當(dāng)管道內(nèi)部液柱和有效載荷的相位差小于90度時(shí)，液柱振動(dòng)會(huì)引起剛度漸軟效應(yīng)。滿(mǎn)足特定條件下隔

8、振器等效剛度將由正值變?yōu)樨?fù)值，研究結(jié)果表明，在零剛度點(diǎn)，隔振器將取得極其優(yōu)越的隔振特性。在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，負(fù)剛度隔振器系統(tǒng)可以替代動(dòng)力吸振器。三是限位系統(tǒng)，主腔裝載較軟的彈性單元體，附加腔室裝載較硬彈性單元體，在臨界壓強(qiáng)下，主腔單元體會(huì)達(dá)到變形極限，從而使系統(tǒng)具有分段剛度阻尼特性。限位系統(tǒng)在小位移工況下具有小剛度、小阻尼工作特性，在大位移情況下具有大剛度、大阻尼工作特性。
　　4.變剛度控制研究。主要包括變剛度原理、節(jié)流開(kāi)度控制

9、、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、半主動(dòng)控制律等問(wèn)題。對(duì)于雙腔隔振系統(tǒng)，可以通過(guò)改變連接通道的幾何面積控制系統(tǒng)的剛度阻尼特性。因而設(shè)計(jì)主動(dòng)控制閥（組），對(duì)于節(jié)流開(kāi)度進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)控制是實(shí)現(xiàn)變剛度控制的關(guān)鍵。本文結(jié)合數(shù)字閥的原理，使用四個(gè)二位二通電磁插裝閥和兩個(gè)節(jié)流閥組成了一個(gè)控制閥組，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于節(jié)流開(kāi)度的近似連續(xù)控制。利用線(xiàn)性最優(yōu)控制、基于頻率辨識(shí)的尋優(yōu)控制、基于模型的尋優(yōu)控制等控制律，對(duì)于雙腔SALiM半主動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和控制研究，相關(guān)結(jié)果