一种负载可变的超低频隔振器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种负载可变的超低频隔振器，包括矩形壳体、隔振承台、承载杆、第一连接杆、第二连接杆、第一负刚度元件、第二负刚度元件、固定板和线性弹性元件，第一刚度元件与第二刚度元件互相匹配形成双负刚，并与线性弹性元件形成正负刚度并联。本发明专利技术能够实现隔振系统的超低固有频率，并能适应负载在一定范围内的变化，而不需要对隔振器的工作点进行调节，保持隔振器在不同的隔振负载下的性能稳定性，并消除振幅对隔振系统性能的影响。另外本发明专利技术还提供了一种负载可变的超低频隔振器的设计方法。

An ultra-low frequency vibration isolator with variable load and its design method

【技术实现步骤摘要】
一种负载可变的超低频隔振器及其设计方法
本专利技术涉及到超低频减振隔振领域，具体公开了一种负载可变的超低频隔振器及其涉及方法。技术背景随着超精密机械加工、半导体加工、微纳制造等为代表的一系列超精密加工和测量技术不断发展，其加工与测量精度也越来越接近物理极限，因此微小的环境振动都有可能导致其加工或检测失效。为了保证加工、测量精度，该类加工测量装备对环境振动提出了极高的要求。通常来说，环境振动一般分布在低频超低频范围，并且分布在一定的频带范围。因此，低频超低频振动已经成为了制约加工、测量精度实现的关键因素。虽然，通过降低系统的刚度和增加负载质量可以降低固有频率，但降低刚度会使得隔振器的静态变形显著增加，同时增加负载质量使得隔振系统体积庞大，无法满足隔振减振的实际需求。为了进一步降低隔振器的固有频率并保证其承载能力，负刚度技术在减振领域得到了广泛的应用。采用负刚度技术能够在不改变隔振器静态承载力的情况下，显著地降低隔振器的固有频率、提升其低频隔振性能。一种名称为“正负刚度弹性元件并联的减振装置”(申请号：CN85109107)的专利技术专利提出了基于欧拉压杆的负刚度机构，以降低减振系统的固有频率。一种名称为“一种负刚度磁弹簧”(CN201210284870.7)的专利技术专利提出了一种排斥型负刚度磁弹簧，如将其应用到隔振器将能有效地降低系统的固有频率。一种名称为“一种三自由度超低频减振器”(申请号：CN201310187711.X)的专利技术专利提出了垂向基于磁正刚度和磁负刚度并联，水平向基于正刚度片簧和磁负刚度并联的三自由度低频减振器。一种名称为“一种正负刚度并联减振器”(申请号为CN201310142491.9)的专利技术专利提出了一种基于正刚度空气弹簧和负刚度磁弹簧并联的减振器，正刚度空气弹簧和负刚度磁弹簧并联布置，负刚度磁弹簧安装在空气弹簧腔室内。虽然基于正负刚度匹配的隔振器的专利大量被提出，也在一定程度上解决了隔振系统的固有频率过高的问题。然而不可忽略的是现阶段提出的解决方案中，隔振器在工作点附近都表现出了显著的强非线性刚度特性，隔振器有效的正负刚度匹配线性区间极其狭窄，因此对隔振器的工作点提出了严格十分的严格的要求，因此在现有的解决方案中都是通过设计附加的工作点调整装置，通过人工调整工作点的位置，使得隔振器工作在预设的平衡位置，这对隔振器在实际工作中的应用带了的不便，隔振器不能自主适应负载的变化。同时，现有的匹配后的隔振器表现出了刚度渐硬化特性，从而使得隔振器的性能显著依赖于振源的振幅，其使用受到了极大的限制。因此，如何能保证隔振系统在能适应载荷在一定范围内变化，并保证隔振系统的工作及其性能的稳定，有着十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术为解决上述缺陷，提供一种负载可变的超低频隔振器。该隔振器结构紧凑、制造简单、成本低，采用负刚度匹配、正负刚度并联的原理，使得隔振器具有极低的固有频率，能显著扩展减振带宽，提升隔振性能，尤其是在对低频和超低频振动也有良好的抑制效果。同时，本专利技术提供的隔振器能有效克服现有隔振系统对隔振负载适应性能差的缺点，对工作点没严格要求，同时具有结构十分简单，成本低廉的优点。其具体技术方案如下：一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：包括矩形壳体、隔振承台、承载杆、第一连接杆、第二连接杆、第一负刚度元件、第二负刚度元件、固定板和线性弹性元件，所述承载杆的一端与隔振承台固定连接，另一端穿过矩形壳体的顶部且通过上部导向轴承与矩形壳体连接；所述第一负刚度元件包括上部左侧矩形永磁体、上部中心矩形永磁体以及上部右侧矩形永磁体，所述上部中心矩形永磁体与承载杆固定连接，所述上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体分别与矩形壳体的内侧壁固定连接；所述第二负刚度元件包括下部左侧矩形永磁体、下部中心矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体，所述第一连接杆的一端与上部中心矩形永磁体固定连接，另一端与下部中心矩形永磁体固定连接，所述下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体分别与矩形壳体的内侧壁固定连接；所述固定板位于矩形壳体内且与矩形壳体的内侧壁固定连接，所述第二连接杆的一端与下部中心矩形永磁体固定连接，另一端穿过固定板与线性弹性元件固定连接，所述第二连接杆通过下部导向轴承与固定板连接。进一步的，所述第一负刚度元件与第二刚度元件通过隔磁板分隔，所述隔磁板与矩形壳体的内侧壁固定连接，且隔磁板的中部开设有通孔，所述第一连接杆穿过所述通孔。进一步的，所述上部中心矩形永磁体和下部中心矩形永磁体的长、宽、高分别相等；所述上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的长、宽、高分别相等；所述下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体的长、宽、高分别相等。进一步的，述上部左侧矩形永磁体、上部中心矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的重心垂向轴线位于同一平面内，且其重心水平轴线也位于同一平面内。进一步的，所述上部左侧矩形永磁体、上部中心矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的水平方向为磁化方向，且相邻的永磁体之间互斥。进一步的，所述下部左侧矩形永磁体、下部中心矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体的水平方向为磁化方向，且相邻的永磁体之间互斥。进一步的，所述上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体沿上部中心矩形永磁体的垂向中心线对称分布；所述下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体沿下部中心矩形永磁体的垂向中心线对称分布。另外本专利技术还公布了一种负载可变的超低频隔振器的设计方法，其具体技术方案包括如下步骤：步骤一、根据隔振器负载质量以及负载的变化范围确定线性弹性元件的刚度系数，同时确定在负载变化范围内线性弹性元件的变形位移范围，将该位移范围作为实现负刚度元件匹配的线性负刚度的位移范围；步骤二、根据隔振系统固有频率的要求，确定隔振器的综合刚度；根据步骤一中确定的线性弹性元件的刚度系数，进一步确定第一负刚度元件和第二负刚度元件在负刚度匹配后的线性负刚度的幅值；步骤三、根据隔振器结构和体积的约束，分别确定上部中心矩形永磁体和下部中心矩形永磁体的长a1、宽b1、高c1，所述上部中心矩形永磁体和下部中心矩形永磁体的长、宽、高分别相等；同时确定上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的宽度b，所述上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的宽度相等；同时确定下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体的宽度b2，所述下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体的宽度相等，同时确定中心距h；随机给定上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体一长度，所述上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的长度相等；随机给定下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体一长度，所述下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体的长度相等；步骤四、根据步骤一确定的负刚度元件匹配的位移范围、以及步骤三种确定的第一负刚度元件和第二负刚度元件的各永磁体的几何参数、以及中心距h，建立第一负刚度元件和第二负刚度元件的负刚度特性的力学模型；步骤五、改变上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的高度，使得第一负刚度元件的刚度特性呈凹特性分布；同时改变下部左侧矩形永磁体和下部右侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：包括矩形壳体(5)、隔振承台(1)、承载杆(2)、第一连接杆(14)、第二连接杆(12)、第一负刚度元件、第二负刚度元件、固定板(15)和线性弹性元件(11)，所述承载杆(2)的一端与隔振承台(1)固定连接，另一端穿过矩形壳体(5)的顶部且通过上部导向轴承(3)与矩形壳体(5)连接；所述第一负刚度元件包括上部左侧矩形永磁体(6)、上部中心矩形永磁体(4)以及上部右侧矩形永磁体(7)，所述上部中心矩形永磁体(4)与承载杆(2)固定连接，所述上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)分别与矩形壳体(5)的内侧壁固定连接；所述第二负刚度元件包括下部左侧矩形永磁体(8)、下部中心矩形永磁体(9)和下部右侧矩形永磁体(10)，所述第一连接杆(14)的一端与上部中心矩形永磁体(4)固定连接，另一端与下部中心矩形永磁体(9)固定连接，所述下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)分别与矩形壳体(5)的内侧壁固定连接；所述固定板(15)位于矩形壳体(5)内且与矩形壳体(5)的内侧壁固定连接，所述第二连接杆(12)的一端与下部中心矩形永磁体(9)固定连接，另一端穿过固定板(15)与线性弹性元件(11)固定连接，所述第二连接杆(12)通过下部导向轴承(16)与固定板(15)连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：包括矩形壳体(5)、隔振承台(1)、承载杆(2)、第一连接杆(14)、第二连接杆(12)、第一负刚度元件、第二负刚度元件、固定板(15)和线性弹性元件(11)，所述承载杆(2)的一端与隔振承台(1)固定连接，另一端穿过矩形壳体(5)的顶部且通过上部导向轴承(3)与矩形壳体(5)连接；所述第一负刚度元件包括上部左侧矩形永磁体(6)、上部中心矩形永磁体(4)以及上部右侧矩形永磁体(7)，所述上部中心矩形永磁体(4)与承载杆(2)固定连接，所述上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)分别与矩形壳体(5)的内侧壁固定连接；所述第二负刚度元件包括下部左侧矩形永磁体(8)、下部中心矩形永磁体(9)和下部右侧矩形永磁体(10)，所述第一连接杆(14)的一端与上部中心矩形永磁体(4)固定连接，另一端与下部中心矩形永磁体(9)固定连接，所述下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)分别与矩形壳体(5)的内侧壁固定连接；所述固定板(15)位于矩形壳体(5)内且与矩形壳体(5)的内侧壁固定连接，所述第二连接杆(12)的一端与下部中心矩形永磁体(9)固定连接，另一端穿过固定板(15)与线性弹性元件(11)固定连接，所述第二连接杆(12)通过下部导向轴承(16)与固定板(15)连接。


2.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述第一负刚度元件与第二刚度元件通过隔磁板(13)分隔，所述隔磁板(13)与矩形壳体(5)的内侧壁固定连接，且隔磁板(13)的中部开设有通孔，所述第一连接杆(14)穿过所述通孔。


3.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述上部中心矩形永磁体(4)和下部中心矩形永磁体(9)的长、宽、高分别相等；所述上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)的长、宽、高分别相等；所述下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)的长、宽、高分别相等。


4.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述上部左侧矩形永磁体(6)、上部中心矩形永磁体(4)和上部右侧矩形永磁体(7)的重心垂向轴线位于同一平面内，且其重心水平轴线也位于同一平面内。


5.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述下部左侧矩形永磁体(8)、下部中心矩形永磁体(9)和下部右侧矩形永磁体(10)的重心垂向轴线位于同一平面内，且其重心水平轴线也位于同一平面内。


6.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述上部左侧矩形永磁体(6)、上部中心矩形永磁体(4)和上部右侧矩形永磁体(7)的水平方向为磁化方向，且相邻的永磁体之间互斥。


7.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述下部左侧矩形永磁体(8)、下部中心矩形永磁体(9)和下部右侧矩形永磁体(10)的水平方向为磁化方向，且相邻的永磁体之间互斥。


8.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)沿上部中心矩形永磁体(4)的垂向中心线对称分布；所述下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)沿下部中心矩形永磁体(9)的垂向中心线对...

【专利技术属性】
技术研发人员：周振华，刘志强，刘鑫，戴志辉，周民瑞，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43