雙腔液固混合介質(zhì)隔振器動力學特性及半主動控制研究.pdf

1、液固混合介質(zhì)（SALiM）隔振器是一種適用于低頻重載動力機械隔振的被動隔振裝置，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優(yōu)點，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)良的被動隔振裝置，但是由于其剛度阻尼特性一定，因而無法處理諸如寬頻激勵、沖擊激勵等復(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)計方案。新式隔振器在原有SALiM隔振器的基礎(chǔ)上添加了一個剛性腔室和連接通道，剛性腔室內(nèi)部同樣裝滿SALiM，因而可以進一步降低系統(tǒng)剛度。連接通道扮演了阻尼元件的角色，通過改變節(jié)流開度可以方便調(diào)其耗散特性。本文通過理論、仿真和試驗結(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。為了進一步改善隔振系統(tǒng)的工作特性，將連接通道用一個節(jié)流開度可控的主動閥組替代，雙腔SALiM隔振器

3、轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€變剛度隔振系統(tǒng)。最后結(jié)合相關(guān)的控制律，用仿真和試驗相結(jié)合的方法驗證了半主動控制系統(tǒng)的可行性。本文主要研究內(nèi)容和學術(shù)貢獻如下：
　　1.剛度阻尼模型的建立。建立了兩個腔室內(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，通過液壓流體力學相關(guān)知識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隔振器的非線性動力學模型。為便于研究，對于彈性單元體引入的非線性剛度項和流體阻尼引入的平方阻

4、尼項進行合理簡化，可以得到線性化系統(tǒng)的運動方程。常規(guī)的研究思路是基于復(fù)剛度理論，運用傅里葉變換的方法推導隔振器復(fù)剛度表達式，從而得到動剛度、損耗因子（或滯后角）具體表達式。本文將隔振系統(tǒng)簡化成一個單自由度系統(tǒng)處理，對比簡化前后兩個系統(tǒng)的頻響方程，可以得到簡化后系統(tǒng)等效剛度、等效阻尼表達式。
　　2.剛度阻尼特性研究內(nèi)容、方法。對于隔振器的剛度和阻尼特性，本文采取了理論推導、數(shù)值仿真和試驗驗證三者相結(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)的研究內(nèi)容，還引入了一些新的問題，主要包括：（1）等效剛度和等效阻尼的邊界特性。研究了隔振器各個參數(shù)以及激勵頻率、幅值對于等效剛度、等效阻尼邊界的影響，并基于相關(guān)結(jié)論提出了雙腔SALiM隔振器的改進方案。（2）主腔剛度對于隔振器剛度和阻尼的影響。SALiM隔振器可以通過改變單元體數(shù)量改變剛度大小。在剛度阻尼特性測試試驗過程中，調(diào)整主腔單元體的個數(shù)，研究主腔剛度對于系統(tǒng)動特性影

6、響。（3）測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。對于空載工況，運用MTS（電液伺服疲勞試驗機）對于隔振器施加位移激勵，改變簡諧激勵頻率和幅值，記錄隔振器的位移和回復(fù)力信號，研究振動水平和激勵頻率對于隔振器剛度阻尼特性的影響。對于承載工況，在主腔和附加腔室中設(shè)置了液壓傳感器，通過分析液壓時域信號進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量恒定運行速度（管道壓差）下連接通道的流通的

7、特性，本文通過液壓傳感器的實測信號研究各種復(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。通過配置兩個腔室內(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)，用主動閥組替代連接通道，可使其轉(zhuǎn)化成一個變剛度阻尼隔振系統(tǒng)。二是負剛度隔振系統(tǒng)，當管道內(nèi)部液柱和有效載荷的相位差小于90度時，液柱振動會引起剛度漸軟效應(yīng)。滿足特定條件下隔

8、振器等效剛度將由正值變?yōu)樨撝担芯拷Y(jié)果表明，在零剛度點，隔振器將取得極其優(yōu)越的隔振特性。在一些特殊應(yīng)用場合，負剛度隔振器系統(tǒng)可以替代動力吸振器。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，在臨界壓強下，主腔單元體會達到變形極限，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)流開度控制

9、、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、半主動控制律等問題。對于雙腔隔振系統(tǒng)，可以通過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)計主動控制閥（組），對于節(jié)流開度進行實時連續(xù)控制是實現(xiàn)變剛度控制的關(guān)鍵。本文結(jié)合數(shù)字閥的原理，使用四個二位二通電磁插裝閥和兩個節(jié)流閥組成了一個控制閥組，可以實現(xiàn)對于節(jié)流開度的近似連續(xù)控制。利用線性最優(yōu)控制、基于頻率辨識的尋優(yōu)控制、基于模型的尋優(yōu)控制等控制律，對于雙腔SALiM半主動控制系統(tǒng)進行了仿真和控制研究，相關(guān)結(jié)果