一种电磁辅助式智能减震装置的设计与仿真

郑 凯

(西安交通工程学院电气工程学院，陕西 西安 710300)

0 引言

减震装置在工业设备、机械加工、车辆中应用广泛。而在特定环境中，一般弹簧减震装置的减震效果往往易受突变载荷的影响，造成了局部压缩量的不稳定变化，存在循环震荡明显、减震效果不稳定等问题[1]。因此，如何在保证减震系统原有性能的同时，提高减震系统的稳定性，就成为值得研究的重要问题。

本文设计了一种电磁辅助式智能减震装置(以下简称智能减震装置)。通过对电磁作用力的有效控制，使减震装置快速消耗因振动产生的能量，期望能够缩短减震时间，增强减震稳定性，提高减震弹簧的使用寿与效率。

1 设计目标

该智能减震装置的设计目标如下：

a.减震效率。在减震装置进行压缩时实现能量的吸收与转化而减小振幅，提高减震系统的稳定性。

b.自适应功能。能够对振动力进行自动实时检测，驱动智能检测系统工作，提供给电磁铁适当强度的电流，产生反作用推力减小振幅。

2 总体结构设计与工作原理

2.1 总体结构

电磁辅助式智能减震装置的总体结构，如图1所示。

图1 智能减震装置的结构

2.2 工作原理

联轴孔固定，当振动以力的形式作用在的联轴孔时，导向杆带动永磁体进行轴向移动，进而使减震弹簧产生轴向压缩力，并以减震弹簧为传递介质施加给压力传感器，压力传感器在完成信号转化后，将信号传递到检测反馈系统；最后，依据反馈系统的预定算法，向电磁体输入一定比例大小和方向的励磁电流，形成磁感应强度大小与方向可控的磁场，这时电磁体与永磁体在减震装置内相互作用，进而消耗剩余振动能，而达到减震的目的。

3 关键部件的设计与分析

3.1 减震弹簧的设计与分析

3.1.1 减震弹簧的选取

目前，减震弹簧有变节距与等节距弹簧，其中变节距弹簧虽然具有较好的减震稳定性，但变节距弹簧在过渡圈附近存在应力集中现象，而容易造成断裂，而等节距弹簧有利于对吸收振动力的定量分析，提高了整个系统的可控性。本文依据文献[2]，选取了材料为碳素弹簧钢的等节距弹簧。其选取的等节距弹簧参数如表1所示。

表1 等节距弹簧参数

3.1.2 减震弹簧的设计分析

弹簧刚度k的公式为

(1)

将表1中的等节距弹簧参数代入式(1)得k=25.89 N/mm。

弹簧预压长度L1的公式为

(2)

由表1可知，减震弹簧的预压力f=300 N，若F1=f，k=25.89 N/mm，代入式(2)得L1=11 mm。

弹簧稳定工作行程L2及工作载荷[2-3]F2分别为

(3)

(4)

根据表1的等节距弹簧参数，并已知F1=f=300 N，将参数代入式(3)和式(4)得F2=1 489.60 N，L2=57.65 mm。

弹簧极限工作行程[4]L3及极限载荷F3为：

L3=(L-n1d)-L1

(5)

F3=kL3

(6)

当减震弹簧被完全压缩时，处于极限载荷，参照表1中的等节距弹簧参数，已知L1=11 mm，代入式(5)、式(6)得F3=2 270.32 N，L3=86 mm。

3.1.3 减震弹簧的工作过程分析

根据3.1.2的设计分析，减震弹簧的工作过程如图2所示。

通过3.3节减震弹簧的工作过程分析，可知减震弹簧的工作载荷不得高于2 270.32 N，当工作在稳定载荷1 489.60 N时，既保证了弹簧的减震效果，同时提高了减震弹簧的使用寿命。

图2 减震弹簧的工作过程

3.2 电磁铁组的设计分析

3.2.1 电磁材料的选择

本文选取了磁导率较高、磁滞回线较窄、矫顽磁力较小的铁镍合金[5]，作为电磁铁组材料，其坡莫合金参数如表2所示。

表2 铁镍合金参数

3.2.2 电磁铁组的设计分析

a.有效作用截面的直径。由3.1可知，当电磁铁组的电磁力[6]接近稳定工作载荷时，电磁铁组相互作用消耗剩余振动能，达到减震的目的。取F磁=1 500 N，并参照表2中的参数，代入式(7)得

(7)

Ba和Bb分别为永磁体与电磁铁处于相对位置60 mm(稳定工作位置57.65 mm)两端时的磁感应强度[6-7]，Ba=0.702 T，Bb=0.082 T；S为电磁铁有效作用截面积。

由式(7)可以知道，当电磁铁有效作用截面直径D磁≥30 mm时，就能够满足本设计的需求。

b.电磁铁的励磁电流分析。

由铁镍合金磁化曲线(B-H曲线)[8-9]可知，当磁感应强度B=1.2 T时，磁场强度达到饱和点H=310.21 A/m，此时激励电流I=1.6 A。

因此，为了保证电磁系统工作的持续性，电磁铁的励磁电流应不超过1.6 A。

3.3 控制系统的设计

控制系统的主要功能是，对压力传感器输出的电信号进行处理，同时驱动电源向电磁铁输入适当强度的电流。首先为压力传感器设置阀值，当外部振动载荷大于所设阀值时，系统通过比例环节向电磁铁输入适当强度的电流，产生电磁排斥力，使压缩环节速度减缓，振幅减少。而当外部振动载荷小于所设阀值时，系统在减震弹簧作用下进行减震，压力传感器所设阀值为300 N[10]。

3.3.1 控制流程

本文以PID算法为基础，选用Micro-chip公司的具有较高响应速度的DSPIC30F2010数字信号处理器[11]为控制核心进行控制，控制流程如图3所示。

图3 控制系统流程

3.3.2 比例系数

当减震系统处于工作状态时，压力传感器将振动载荷转化为电信号，控制器按照预定算法进行处理，处理后向电磁铁输入一定大小的励磁电流，形成感应磁场与永磁体相互作用实现减震。本文采用了PID算法中的比例环节。

设振动载荷与电磁力之间的关系为

F磁=kF振

(8)

4 系统仿真与分析

本文运用AMESim软件[12]，通过绘制系统草图、建立子模型、参数设置、运行仿真4个环节，建立了一般弹簧减震装置与智能减震装置的仿真模型，模拟了二种减震装置在相同振动载荷下的减震过程。并进行了仿真实验，得到了相应的特性曲线。

4.1 系统模型的建立

绘制系统草图。分别从“Signal,Control”电子器件库；“Mechanical”机械库；选取相应的“元件”进行系统草图的绘制；建立子模型[13]。选择“首选子模型”赋予“元件”具体的物理特性。本系统所用“元件”均来自于AMESim软件的标准库；设置参数。为各个“子模型”设置参数，就是为子模型中的系数赋予具体的“值”[14]；运行仿真。查看相应元件仿真结果，绘制动态曲线。

4.1.1 一般弹簧减震装置的仿真模型

a.建立仿真模型，如图4所示。

图4 一般弹簧减震装置的仿真模型

b.设定子模型参数，如表3所示。

表3 一般弹簧减震装置的子模型参数

c.工作过程

信号源产生脉冲信号，力控元件将其转化为与信号源大小，方向同步的交变压力(模拟振动载荷)。若压力方向为正方向，质量块产生移位，减震弹簧压缩进行减震；若压力方向为负方向，质量块产生移位，使减震弹簧复原。

4.1.2 智能减震装置的仿真模型

a.建立仿真模型，如图5所示。

b.设定子模型参数，如表4所示。

图5 智能减震装置的仿真模型表4 智能减震装置的子模型参数

名称指标参数值电磁铁默认值默认值质量块质量/kg0.5减震弹簧弹簧刚度/N/m25.89压力传感器预设阀值/N300力控元件默认值默认值信号源脉冲波频率/Hz0.01最小值/mA-500最大值/mA500比例反馈比例系数0.625

c.工作过程

信号源产生脉冲信号，力控元件将其转化为与信号源大小，方向同步的交变压力(模拟振动载荷)。若压力方向为正方向，质量块产生移位，减震弹簧压缩引起压力传感器得变化，若当前值大于预设阀值，比例反馈系统工作，向电磁铁输入一定比例大小的励磁电流，电磁铁组产生磁场力消耗剩余振动能，实现减震。若传感器当前值小于预设阀值，则执行弹簧减震。

4.2 系统仿真与分析

本文对一般弹簧减震与智能减震系统进行了仿真实验。

4.2.1 一般弹簧减震系统的仿真

依据4.1.1中的仿真模型，按照表3中的参数进行设置并进行仿真，得到相应的特性曲线如图6所示。

图6 一般弹簧减震系统的特性曲线

4.2.2 智能减震系统的仿真

依据4.1.2节中的仿真模型，按照表4中的参数进行设置并进行仿真，得到相应的特性曲线如图7所示。

图7 智能减震系统的特性曲线

由图6可知，一般弹簧减震系统虽然起到了一定的减震效果，但与图7中的智能减震系统相比较，图7中的振动明显进一步减弱。通过实验结果证明，智能减震系统进一步吸收了外部的震动载荷，起到了较好的辅助减震效果。

4.2.3 系统分析

依据4.2.1节与4.2.2节中的运行结果，分别对二种减震系统的运行结果进行频域分析，并对结果进行比较分别如图8和图9所示。

图8 一般弹簧减震系统的频域曲线

图9 智能减震系统的频域曲线

通过频域分析发现2种系统在减震开始阶段都出现了较大的振幅。随着时间的推移，一般弹簧减震系统逐渐进入稳定工作状态，这时图8A处的振动虽然减弱，但依然较为明显。而这时，在相同时间与外部振动载荷的作用下，智能减震系统也进入了稳定工作状态，这时将图9B处的振动状态与图8A处相比较，振动明显进一步减弱。通过分析证明智能减震系统起到了较好的辅助减震效果。

5 结束语

本文以弹簧、电磁铁和传感器为核心，完成了电磁辅助式智能减震装置的结构与控制系统设计，通过AMESim仿真分析，证明新系统能够根据外部振动的强弱，主动减弱其振动力度，使减震系统具备了较好的自适应功能，同时在连续、高强度振动下，依然能够起到较好的减震力效果。因此适用于多种减震场合，具有一定的应用价值。