一种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超低频隔振器，包括隔振承载台板、矩形壳体、上部刚性杆、下部刚性杆、上调节机构、下调节机构、具有负刚度特性的负刚度元件以及具有正刚度特性的线性弹性元件；同时还公布了一种超低频隔振器的设计方法。本发明专利技术装配结构简单，避免了同心安装的高精度要求，并且本发明专利技术能够使得隔振器在工作点附近保持线性低刚度特性，从而能消除对振幅对隔振器性能的制约，从而实现优异的低频隔振性能。

An ultra-low frequency vibration isolator and its design method

【技术实现步骤摘要】
一种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，特别涉及一种超低频隔振器及其设计方法技术背景随着超精密磨削、半导体加工、微纳制造以及表面形貌测量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区间。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。传统的隔振器一般采用刚弹簧或橡胶弹性结构，但其固有频率很难低于4Hz，因而无法有效隔离超低频振动。虽然，采用空气弹簧可以实现较大的承载力和对较低频振动的抑制，必将导致空气弹簧体积极其庞大，制造和使用均存在困难。虽然降低固有频率可以通过降低系统的刚度和增加负载的质量来实现，但会导致隔振器的静态变形位移显著增加，甚至超过其有效的工作行程，从而使得隔振器无法正常工作。为了进一步降低隔振器的固有频率并保证其承载能力，负刚度特性被引入到隔振器的设计中。通过将负刚度机构引入隔振器的设计中能够在不改变其静态承载力的情况下，显著地降低隔振器的固有频率，并显著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利用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，并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，其存在的问题是其负刚度机构由多块径向磁化瓦状永磁体构成，径向磁化永磁体工艺成本高、难度大，同时负刚度磁弹簧采用数量众多的永磁体构成，因此加工复杂、装配成本极高。虽然上述专利技术专利以及现阶段提出的负刚度机构都能够在一定程度降低隔振器的固有频率，实现对低频振动的隔离和抑制。然而不可忽略的是，其构成的低频隔振器，在工作点附近都表现出了显著的强非线性刚度特性。从而使得隔振器的性能显著依赖于振源振幅：在振源振幅较小时，隔振器近似线性系统，可以获得优异的隔振性能。当振源振幅变大时，隔振器具有的非线性刚度特性将使得隔振器出现如超谐共振、亚谐共振、类周期共振等非线性共振，从而导致隔振器性能迅速恶化，显然其应用场合受到了极大的制约。因此，如何实现隔振器的超低固有频率，并确保隔振器在工作点附近具有线性低刚度特性，消除隔振器性能对振幅的依赖性，同时要考虑便于加工和制造，这在隔振器的设计中显得至关重要。名称为一种超低频隔振器及其设计方法的专利技术专利(申请号：2019105719451)，采用轴向磁化的环形永磁体作为负刚度元件，在设计过程中考虑了振源振幅对隔振系统性能的影响，但是轴向磁化环形永磁体加工成本高，同时在装配时能够要求两个永磁体同心要求精度高，存在装配成本高，难度大的缺点。
技术实现思路
本专利技术为解决上述缺陷，本专利技术提供一种超低频隔振器。该隔振器结构紧凑、制造简单、成本低，采用正负刚度并联的原理，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，同时可以保证在不同振源振幅情况下的隔振性能的稳定性。同时，本专利技术提供的隔振器能够考虑了隔振器刚度元件的制备误差，可以根据隔振负载进行工作点调整，防止负载变化带来的隔振器性能的退化，在本专利技术中工作点指的是当负载重力和隔振器承载力相等的时候，隔振器的稳定点，也就是平衡位置。本专利技术所提供的一种超低频隔振器的具体技术方案如下：一种超低频隔振器，包括隔振承载台板、矩形壳体、上部刚性杆、下部刚性杆、上调节机构、下调节机构、具有负刚度特性的负刚度元件以及具有正刚度特性的线性弹性元件；所述隔振承载台板位于矩形壳体外部且与上部刚性杆固定连接，所述上部刚性杆通过上调节机构与矩形壳体连接，所述线性弹性元件位于矩形壳体内且与下部刚性杆固定连接，所述下部刚性杆通过下调节机构与矩形壳体连接；所述负刚度元件包括中心矩形永磁体、左侧矩形永磁体以及右侧矩形永磁体，所述中心矩形永磁体的一端与上部刚性杆固定连接，另一端与下部刚性杆固定连接，所述左侧矩形永磁体位于中心矩形永磁体的左侧且与矩形壳体的内侧壁固定连接，所述右侧矩形永磁体位于中心矩形永磁体的右侧且与矩形壳体的内侧壁固定连接，所述左侧矩形永磁体、中心矩形永磁体和右侧矩形永磁体互相平行，并且其垂向中心线位于同一平面上。进一步的，所述上调节机构包括第一弹性片簧、第二弹性片簧、第一螺杆以及第二螺杆，所述第一弹性片簧的一端与上部刚性杆固定连接，另一端与第一螺杆固定连接，所述第二弹性片簧的一端与上部刚性杆固定连接，另一端与第二螺杆固定连接，所述第一弹性片簧和第二弹性片簧沿上部刚性杆的轴线对称；所述第一螺杆穿过矩形壳体上的第一通孔后配合有第一螺钉，所述第二螺杆穿过矩形壳体上的第二通孔后配合有第二螺钉，所述第一通孔和第二通孔分别靠近矩形壳体的顶端。进一步的，所述下调节机构包括第三弹性片簧、第四弹性片簧、第三螺杆以及第四螺杆，所述第三弹性片簧的一端与下部刚性杆固定连接，另一端与第三螺杆固定连接，所述第四弹性片簧的一端与下部刚性杆固定连接，另一端与第四螺杆固定连接，所述第三弹性片簧和第四弹性片簧沿下部刚性杆的轴线对称；所述第三螺杆穿过矩形壳体上的第三通孔后配合有第三螺钉，所述第四螺杆穿过矩形壳体上的第四通孔后配合有第四螺钉，所述第三通孔和第四通孔分别靠近矩形壳体的中部。进一步的，所述左侧矩形永磁体的长、宽、高与右侧矩形永磁体的长、宽、高分别相等。进一步的，中心矩形永磁体和右侧矩形永磁体的水平方向为磁化方向，且相邻永磁体间的磁极相同。另外本专利技术还提供了一种超低频隔振器的设计方法，具体包括如下步骤：步骤一、根据超低频隔振器的承载力确定线性弹性元件的正刚度幅值；步骤二、根据超低频隔振器的固有频率的设计要求，确定隔振器的总体刚度值，并根据步骤一中确定的线性弹性元件的正刚度幅值，进一步确定中心矩形永磁体、左侧矩形永磁体以及右侧矩形永磁体构成的负刚度元件的负刚度特性的幅值；步骤三、根据低频隔振器的体积约束，确定中心矩形永磁体的高度a1，以及中心矩形永磁体的宽度c1、左侧矩形永磁体以及右侧矩形永磁体的宽度c以及相邻永磁体间中心距h；步骤四、随机确定中心矩形永磁体长度b1、左侧矩形永磁体以及右侧矩形永磁体高度b，调整左侧矩形永磁体和右侧矩形永磁体的高度a的值，直到负刚度元件的负刚度特性的非线性分量变为零，实现负刚度元件的线性负刚度特本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超低频隔振器，其特征在于：包括隔振承载台板(9)、矩形壳体(11)、上部刚性杆(10)、下部刚性杆(14)、上调节机构、下调节机构、具有负刚度特性的负刚度元件以及具有正刚度特性的线性弹性元件(26)；所述隔振承载台板(9)位于矩形壳体(11)外部且与上部刚性杆(10)固定连接，所述上部刚性杆(10)通过上调节机构与矩形壳体(11)连接，所述线性弹性元件(26)位于矩形壳体(11)内且与下部刚性杆(14)固定连接，所述下部刚性杆(14)通过下调节机构与矩形壳体(11)连接；所述负刚度元件包括中心矩形永磁体(20)、左侧矩形永磁体(21)以及右侧矩形永磁体(19)，所述中心矩形永磁体(20)的一端与上部刚性杆(10)固定连接，另一端与下部刚性杆(14)固定连接，所述左侧矩形永磁体(21)位于中心矩形永磁体(20)的左侧且与矩形壳体(11)的内侧壁固定连接，所述右侧矩形永磁体(19)位于中心矩形永磁体(20)的右侧且与矩形壳体(11)的内侧壁固定连接，所述左侧矩形永磁体(21)、中心矩形永磁体(20)和右侧矩形永磁体(19)互相平行，并且其垂向中心线位于同一平面上。/n

【技术特征摘要】
1.一种超低频隔振器，其特征在于：包括隔振承载台板(9)、矩形壳体(11)、上部刚性杆(10)、下部刚性杆(14)、上调节机构、下调节机构、具有负刚度特性的负刚度元件以及具有正刚度特性的线性弹性元件(26)；所述隔振承载台板(9)位于矩形壳体(11)外部且与上部刚性杆(10)固定连接，所述上部刚性杆(10)通过上调节机构与矩形壳体(11)连接，所述线性弹性元件(26)位于矩形壳体(11)内且与下部刚性杆(14)固定连接，所述下部刚性杆(14)通过下调节机构与矩形壳体(11)连接；所述负刚度元件包括中心矩形永磁体(20)、左侧矩形永磁体(21)以及右侧矩形永磁体(19)，所述中心矩形永磁体(20)的一端与上部刚性杆(10)固定连接，另一端与下部刚性杆(14)固定连接，所述左侧矩形永磁体(21)位于中心矩形永磁体(20)的左侧且与矩形壳体(11)的内侧壁固定连接，所述右侧矩形永磁体(19)位于中心矩形永磁体(20)的右侧且与矩形壳体(11)的内侧壁固定连接，所述左侧矩形永磁体(21)、中心矩形永磁体(20)和右侧矩形永磁体(19)互相平行，并且其垂向中心线位于同一平面上。


2.根据权利要求1所述的一种超低频隔振器，其特征在于：所述上调节机构包括第一弹性片簧(15)、第二弹性片簧(16)、第一螺杆(8)以及第二螺杆(5)，所述第一弹性片簧(15)的一端与上部刚性杆(10)固定连接，另一端与第一螺杆(8)固定连接，所述第二弹性片簧(16)的一端与上部刚性杆(10)固定连接，另一端与第二螺杆(5)固定连接，所述第一弹性片簧(15)和第二弹性片簧(16)沿上部刚性杆(10)的轴线对称；所述第一螺杆(8)穿过矩形壳体(11)上的第一通孔(23)后配合有第一螺钉(7)，所述第二螺杆(5)穿过矩形壳体(11)上的第二通孔(22)后配合有第二螺钉(6)，所述第一通孔(23)和第二通孔(22)分别靠近矩形壳体(11)的顶端。


3.根据权利要求1所述的一种超低频隔振器，其特征在于：所述下调节机构包括第三弹性片簧(17)、第四弹性片簧(18)、第三螺杆(3)以及第四螺杆(1)，所述第三弹性片簧(17)的一端与下部刚性杆(14)固定连接，另一端与...

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