一種電磁輔助式智能減震裝置的設計與仿真

鄭 凱

(西安交通工程學院電氣工程學院，陜西 西安 710300)

0 引言

減震裝置在工業設備、機械加工、車輛中應用廣泛。而在特定環境中，一般彈簧減震裝置的減震效果往往易受突變載荷的影響，造成了局部壓縮量的不穩定變化，存在循環震蕩明顯、減震效果不穩定等問題[1]。因此，如何在保證減震系統原有性能的同時，提高減震系統的穩定性，就成為值得研究的重要問題。

本文設計了一種電磁輔助式智能減震裝置(以下簡稱智能減震裝置)。通過對電磁作用力的有效控制，使減震裝置快速消耗因振動產生的能量，期望能夠縮短減震時間，增強減震穩定性，提高減震彈簧的使用壽與效率。

1 設計目標

該智能減震裝置的設計目標如下：

a.減震效率。在減震裝置進行壓縮時實現能量的吸收與轉化而減小振幅，提高減震系統的穩定性。

b.自適應功能。能夠對振動力進行自動實時檢測，驅動智能檢測系統工作，提供給電磁鐵適當強度的電流，產生反作用推力減小振幅。

2 總體結構設計與工作原理

2.1 總體結構

電磁輔助式智能減震裝置的總體結構，如圖1所示。

圖1 智能減震裝置的結構

2.2 工作原理

聯軸孔固定，當振動以力的形式作用在的聯軸孔時，導向桿帶動永磁體進行軸向移動，進而使減震彈簧產生軸向壓縮力，并以減震彈簧為傳遞介質施加給壓力傳感器，壓力傳感器在完成信號轉化后，將信號傳遞到檢測反饋系統；最后，依據反饋系統的預定算法，向電磁體輸入一定比例大小和方向的勵磁電流，形成磁感應強度大小與方向可控的磁場，這時電磁體與永磁體在減震裝置內相互作用，進而消耗剩余振動能，而達到減震的目的。

3 關鍵部件的設計與分析

3.1 減震彈簧的設計與分析

3.1.1 減震彈簧的選取

目前，減震彈簧有變節距與等節距彈簧，其中變節距彈簧雖然具有較好的減震穩定性，但變節距彈簧在過渡圈附近存在應力集中現象，而容易造成斷裂，而等節距彈簧有利于對吸收振動力的定量分析，提高了整個系統的可控性。本文依據文獻[2]，選取了材料為碳素彈簧鋼的等節距彈簧。其選取的等節距彈簧參數如表1所示。

表1 等節距彈簧參數

3.1.2 減震彈簧的設計分析

彈簧剛度k的公式為

(1)

將表1中的等節距彈簧參數代入式(1)得k=25.89 N/mm。

彈簧預壓長度L1的公式為

(2)

由表1可知，減震彈簧的預壓力f=300 N，若F1=f，k=25.89 N/mm，代入式(2)得L1=11 mm。

彈簧穩定工作行程L2及工作載荷[2-3]F2分別為

(3)

(4)

根據表1的等節距彈簧參數，并已知F1=f=300 N，將參數代入式(3)和式(4)得F2=1 489.60 N，L2=57.65 mm。

彈簧極限工作行程[4]L3及極限載荷F3為：

L3=(L-n1d)-L1

(5)

F3=kL3

(6)

當減震彈簧被完全壓縮時，處于極限載荷，參照表1中的等節距彈簧參數，已知L1=11 mm，代入式(5)、式(6)得F3=2 270.32 N，L3=86 mm。

3.1.3 減震彈簧的工作過程分析

根據3.1.2的設計分析，減震彈簧的工作過程如圖2所示。

通過3.3節減震彈簧的工作過程分析，可知減震彈簧的工作載荷不得高于2 270.32 N，當工作在穩定載荷1 489.60 N時，既保證了彈簧的減震效果，同時提高了減震彈簧的使用壽命。

圖2 減震彈簧的工作過程

3.2 電磁鐵組的設計分析

3.2.1 電磁材料的選擇

本文選取了磁導率較高、磁滯回線較窄、矯頑磁力較小的鐵鎳合金[5]，作為電磁鐵組材料，其坡莫合金參數如表2所示。

表2 鐵鎳合金參數

3.2.2 電磁鐵組的設計分析

a.有效作用截面的直徑。由3.1可知，當電磁鐵組的電磁力[6]接近穩定工作載荷時，電磁鐵組相互作用消耗剩余振動能，達到減震的目的。取F磁=1 500 N，并參照表2中的參數，代入式(7)得

(7)

Ba和Bb分別為永磁體與電磁鐵處于相對位置60 mm(穩定工作位置57.65 mm)兩端時的磁感應強度[6-7]，Ba=0.702 T，Bb=0.082 T；S為電磁鐵有效作用截面積。

由式(7)可以知道，當電磁鐵有效作用截面直徑D磁≥30 mm時，就能夠滿足本設計的需求。

b.電磁鐵的勵磁電流分析。

由鐵鎳合金磁化曲線(B-H曲線)[8-9]可知，當磁感應強度B=1.2 T時，磁場強度達到飽和點H=310.21 A/m，此時激勵電流I=1.6 A。

因此，為了保證電磁系統工作的持續性，電磁鐵的勵磁電流應不超過1.6 A。

3.3 控制系統的設計

控制系統的主要功能是，對壓力傳感器輸出的電信號進行處理，同時驅動電源向電磁鐵輸入適當強度的電流。首先為壓力傳感器設置閥值，當外部振動載荷大于所設閥值時，系統通過比例環節向電磁鐵輸入適當強度的電流，產生電磁排斥力，使壓縮環節速度減緩，振幅減少。而當外部振動載荷小于所設閥值時，系統在減震彈簧作用下進行減震，壓力傳感器所設閥值為300 N[10]。

3.3.1 控制流程

本文以PID算法為基礎，選用Micro-chip公司的具有較高響應速度的DSPIC30F2010數字信號處理器[11]為控制核心進行控制，控制流程如圖3所示。

圖3 控制系統流程

3.3.2 比例系數

當減震系統處于工作狀態時，壓力傳感器將振動載荷轉化為電信號，控制器按照預定算法進行處理，處理后向電磁鐵輸入一定大小的勵磁電流，形成感應磁場與永磁體相互作用實現減震。本文采用了PID算法中的比例環節。

設振動載荷與電磁力之間的關系為

F磁=kF振

(8)

4 系統仿真與分析

本文運用AMESim軟件[12]，通過繪制系統草圖、建立子模型、參數設置、運行仿真4個環節，建立了一般彈簧減震裝置與智能減震裝置的仿真模型，模擬了二種減震裝置在相同振動載荷下的減震過程。并進行了仿真實驗，得到了相應的特性曲線。

4.1 系統模型的建立

繪制系統草圖。分別從“Signal,Control”電子器件庫；“Mechanical”機械庫；選取相應的“元件”進行系統草圖的繪制；建立子模型[13]。選擇“首選子模型”賦予“元件”具體的物理特性。本系統所用“元件”均來自于AMESim軟件的標準庫；設置參數。為各個“子模型”設置參數，就是為子模型中的系數賦予具體的“值”[14]；運行仿真。查看相應元件仿真結果，繪制動態曲線。

4.1.1 一般彈簧減震裝置的仿真模型

a.建立仿真模型，如圖4所示。

圖4 一般彈簧減震裝置的仿真模型

b.設定子模型參數，如表3所示。

表3 一般彈簧減震裝置的子模型參數

c.工作過程

信號源產生脈沖信號，力控元件將其轉化為與信號源大小，方向同步的交變壓力(模擬振動載荷)。若壓力方向為正方向，質量塊產生移位，減震彈簧壓縮進行減震；若壓力方向為負方向，質量塊產生移位，使減震彈簧復原。

4.1.2 智能減震裝置的仿真模型

a.建立仿真模型，如圖5所示。

b.設定子模型參數，如表4所示。

圖5 智能減震裝置的仿真模型表4 智能減震裝置的子模型參數

名稱指標參數值電磁鐵默認值默認值質量塊質量/kg0.5減震彈簧彈簧剛度/N/m25.89壓力傳感器預設閥值/N300力控元件默認值默認值信號源脈沖波頻率/Hz0.01最小值/mA-500最大值/mA500比例反饋比例系數0.625

c.工作過程

信號源產生脈沖信號，力控元件將其轉化為與信號源大小，方向同步的交變壓力(模擬振動載荷)。若壓力方向為正方向，質量塊產生移位，減震彈簧壓縮引起壓力傳感器得變化，若當前值大于預設閥值，比例反饋系統工作，向電磁鐵輸入一定比例大小的勵磁電流，電磁鐵組產生磁場力消耗剩余振動能，實現減震。若傳感器當前值小于預設閥值，則執行彈簧減震。

4.2 系統仿真與分析

本文對一般彈簧減震與智能減震系統進行了仿真實驗。

4.2.1 一般彈簧減震系統的仿真

依據4.1.1中的仿真模型，按照表3中的參數進行設置并進行仿真，得到相應的特性曲線如圖6所示。

圖6 一般彈簧減震系統的特性曲線

4.2.2 智能減震系統的仿真

依據4.1.2節中的仿真模型，按照表4中的參數進行設置并進行仿真，得到相應的特性曲線如圖7所示。

圖7 智能減震系統的特性曲線

由圖6可知，一般彈簧減震系統雖然起到了一定的減震效果，但與圖7中的智能減震系統相比較，圖7中的振動明顯進一步減弱。通過實驗結果證明，智能減震系統進一步吸收了外部的震動載荷，起到了較好的輔助減震效果。

4.2.3 系統分析

依據4.2.1節與4.2.2節中的運行結果，分別對二種減震系統的運行結果進行頻域分析，并對結果進行比較分別如圖8和圖9所示。

圖8 一般彈簧減震系統的頻域曲線

圖9 智能減震系統的頻域曲線

通過頻域分析發現2種系統在減震開始階段都出現了較大的振幅。隨著時間的推移，一般彈簧減震系統逐漸進入穩定工作狀態，這時圖8A處的振動雖然減弱，但依然較為明顯。而這時，在相同時間與外部振動載荷的作用下，智能減震系統也進入了穩定工作狀態，這時將圖9B處的振動狀態與圖8A處相比較，振動明顯進一步減弱。通過分析證明智能減震系統起到了較好的輔助減震效果。

5 結束語

本文以彈簧、電磁鐵和傳感器為核心，完成了電磁輔助式智能減震裝置的結構與控制系統設計，通過AMESim仿真分析，證明新系統能夠根據外部振動的強弱，主動減弱其振動力度，使減震系統具備了較好的自適應功能，同時在連續、高強度振動下，依然能夠起到較好的減震力效果。因此適用于多種減震場合，具有一定的應用價值。