一种超低频隔振器及其设计方法技术

本发明专利技术涉及超低频减振隔振领域，公开了一种超低频隔振器，包括隔振承载台板，隔振承载台板连接承载杆，承载杆与上部壳体、下部壳体、基座同轴安装，上部壳体内壁上设有上外部环形永磁体，下部壳体内壁上设有下外部环形永磁体，上外部永磁体中设有上内部环形永磁体，下外部环形永磁体中设有下内部环形永磁体。为优化上述隔振器，还公开了一种设计方法，确定上内部环形永磁体的内半径、外半径；改变气隙宽度，改变上内、外部环形磁体的高度；形成新负刚度特性曲线；获得较大的负刚度特性；计算组合负刚度磁弹簧的负刚度特性，设计承载螺旋弹簧的参数。本发明专利技术实现了隔振器对于超低频振动的隔离的优异性能。

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。
技术介绍
随着环境中振源强度的提高，振动频率和振幅多样化，隔振器成为了振动控制中研究最多，应用最广的一项振动控制技术。在航天工程中，航天飞行器中高精度导航仪器和精密测量仪器对于振动环境和工作条件要求十分苛刻。超精密加工技术是在核能、大规模集成电路，激光等尖端技术中占主要成分，这就对于加工设备的隔振性能要求更为严格。在微机电系统领域，其完成的动作和操作越来越精细，操作对象的尺寸已经提升至纳米甚至是亚纳米级别，其系统结构的隔振稳定性已经成为影响其性能的主要因素。低频、超低频振动指的是振动频率在5Hz以下的振动。大型机械设备、桥梁、地震、大型水坝、高层建筑等的振动都属于低频振动。现代精密加工和制造的制造精度也发展到微米甚至纳米级，而对于精密加工机床的隔振技术要求也日益提高，隔振稳定性已经成为影响其性能的主要因素。所以对于低频、超低频振动的隔离研究受到了高度重视。传统的隔振器一般采用弹性元件，阻尼元件和惯性元件组合构成的隔振系统。但是随着技术的发展，对于振动环境和隔振技术要求不断地提高，传统隔振无法实时地适应外部振动环境特性变化，特别被动隔振在1Hz以下的低频及超低频的振动下的隔振效果差，所以被动隔振在很多场合受到限制。现有通过降低固有频率可以实现隔振器的低频振动隔离，降低固有频率主要通过降低系统的刚度和增加负载的质量来实现，而降低刚度会引起较大的静变形，降低隔振器的稳定性，而在实际工作中是无法通过实时改变物体的质量来改变系统特性的。通过将正刚度单元与负刚度单元并联构成的隔振器被证明是拓宽带宽抑制低频振动的一种好方法。这些隔振器通常具有高静态低动态刚度的特点，承载螺旋弹簧提供高静态支撑刚度，用于支撑有效载荷，而正负刚度弹簧并联提供低动态刚度用于提高低频隔振性能。一种名称为“一种准零刚度隔振器”(申请号：CN109737168)的专利技术专利提出了基于横向组合机械弹簧构成的负刚度机构，可调节负刚度结构以降低减振系统的固有频率。一种名称为“一种两自由度超低频隔振器”(CN106321707)的专利技术专利提出了一种可调负刚度磁弹簧与空气弹簧和螺旋弹簧并联的隔振机构，实现了高静态刚度、低动态刚度的特性，实现系统较低的固有频率和高负载的特性。一种专利名称为“一种基于正负刚度弹簧并联的超低频隔振器”(申请号：CN102619916B)的专利技术专利提出了凸轮与横向弹簧的负刚度结构。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。但是对于负刚度系统，由于负刚度结构具有非线性刚度特性，超低负刚度会带来平衡位置强非线性刚度特性，在获得更大负刚度的同时，会导致隔振系统在工作点稳定性差。隔振系统超低刚度与位置稳定性之间存在一定矛盾；然而现阶段研究的超低频隔振器，由于负刚度结构带来的强非线性刚度特性，导致在不同振幅下，对于隔振器的隔离性能有着较大影响，在大振幅的激励下，会导致隔振系统出现亚谐、超谐共振和频率跳变现象，从而影响隔振系统的性能，甚至对系统造成破坏。所以，如何在增强负刚度强度同时，解决负刚度结构非线性过大，所导致系统不够稳定的问题、实现降低隔振系统的固有频率和改善系统稳定性、实现低频振动信号隔离的扩展、同时也能够简化整体结构和优化成本，这就对于超低频隔振器的设计有着至关重要作用。
技术实现思路
本专利技术为解决上述一系列问题，提供了一种超低频隔振器及其设计方法。该隔振器无需外部能源供应、结构简单、容易实现、经济性优秀、可靠度高，采用正负刚度并联的原理，通过上负刚度磁弹簧和下负刚度磁弹簧并联，上负刚度磁弹簧和下负刚度磁弹簧非线性刚度特性合并形成的线性刚度特性，从而显著降低系统的固有频率，并且同时能够减小工作点附近由于非线性刚度特性带来的影响，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。同时本专利技术为了隔振器提供了可调负载组件，隔振器能够进行不同负载下的工作平衡调整，防止负载变化影响隔振器的性能。本专利技术所要解决的问题通过以下技术方案来实现：一种超低频隔振器，包括隔振承载台板，隔振承载台板连接承载杆，承载板固定在承载杆顶部，承载杆与上滑动轴承、下滑动轴承、上部壳体、下部壳体、基座同轴安装，下滑动轴承下面与基座固接，下滑动轴承上面固接下部壳体，下部壳体上面固接上部壳体，上部壳体上面固接上滑动轴承。上滑动轴承和下滑动轴承与壳体保持固定安装，并与承载杆同轴接触安装，保证了承载杆沿轴向方向以较小摩擦单自由度运动，限制其他自由度运动。进一步地，上部壳体内壁上设有上外部环形永磁体，下部壳体内壁上设有下外部环形永磁体，上外部环形永磁体中设有上内部环形永磁体，下外部环形永磁体中设有下内部环形永磁体，上、下内部环形永磁体和上、下外部环形永磁体的磁化沿轴向且二者的磁化方向相同。上内部环形永磁体和下内部环形永磁体与承载杆同轴安装，并固定在承载杆上，上内部环形永磁体和上外部环形永磁体同轴安装，下内部环形永磁体和下外部环形永磁体同轴安装，上内部环形永磁体和上外部环形永磁体组成上负刚度磁弹簧、下内部环形永磁体和下外部环形永磁体组成下负刚度磁弹簧，上负刚度磁弹簧的非线性刚度特性与下负刚度磁弹簧的非线性刚度特性匹配，构成了隔振器线性刚度特性，承载杆延伸至基座中连接螺旋弹簧上端，螺旋弹簧下端安装在基座的中心轴体上。进一步地，工作中，上内部环形永磁体和上外部环形永磁体径向的中心平面重合，下内部环形永磁体和下外部环形永磁体径向的中心平面重合，该重合面为隔振器的工作中心面。进一步地，承载杆下端与可调组件同轴安装，可调组件下端连接螺旋弹簧，可调组件可沿承载杆上下垂直移动从而可实现螺旋弹簧的垂直运动。进一步地，上滑动轴承与上部壳体通过上外磁环固定盖固定，上滑动轴承固定在上外磁环固定盖内壁，上部壳体固定在上外磁环固定盖外壁，上外磁环固定盖将上外部环形永磁体固定在上部壳体内壁。进一步地，下滑动轴承、下部壳体和基座通过下外磁环固定盖固定，下滑动轴承固定在下外磁环固定盖内壁，下部壳体固定在下外磁环固定盖上面，基座固定在下外磁环固定盖外壁，下外磁环固定盖将下外部环形永磁体固定在下部壳体内壁。进一步地，上滑动轴承与上外磁环固定盖、上外磁环固定盖与上部壳体、下外磁环固定盖与基座，下滑动轴承和下外磁环固定盖、下部壳体与下外磁环固定盖，上部壳体与下部壳体均使用螺栓固定连接。上负刚度弹簧和下负刚度弹簧的上、下外部环形永磁体安装在上部壳体和下部壳体的内侧，通过上下外磁环固定盖和上下壳体螺栓连接固定。为优化上述隔振器，还使用了一种超低频隔振器设计方法，具体包括如下步骤：1)根据壳体结构尺寸、承载杆结构尺寸、装配要求和最大负刚度强度值初步确定上内部环形永磁体的内半径r11、外半径r12，上外部环形永磁体的内半径r13和外半径r14取值范围；2)改变上内部环形永磁体与上外部环形永磁体间的气隙宽度ω1，根据确认的上内部环形永磁体的内半径r11、外半本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超低频隔振器，包括隔振承载台板(1)，所述隔振承载台板(1)连接承载杆(2)，所述承载杆(2)与上滑动轴承(8)、下滑动轴承(9)、上部壳体(4)、下部壳体(5)、基座(7)同轴安装，所述下滑动轴承(9)下面与基座(7)固接，所述下滑动轴承(9)上面固接所述下部壳体(5)，所述下部壳体(5)上面固接所述上部壳体(4)，所述上部壳体(4)上面固接所述上滑动轴承(8)，其特征在于，所述上部壳体(4)内壁上设有上外部环形永磁体(11)，所述下部壳体(5)内壁上设有下外部环形永磁体(13)，所述上外部环形永磁体(11)中设有所述上内部环形永磁体(10)，所述下外部环形永磁体(13)中设有所述下内部环形永磁体(12)，所述上内部环形永磁体(10)和所述下内部环形永磁体(12)与所述承载杆(2)同轴安装，并固定在承载杆(2)上，所述上内部环形永磁体(10)和所述上外部环形永磁体(11)同轴安装，所述下内部环形永磁体(12)和所述下外部环形永磁体(13)同轴安装，所述承载杆(2)延伸至所述基座(7)中连接螺旋弹簧(15)上端，所述螺旋弹簧(15)下端安装在基座(7)的中心轴体上。/n

【技术特征摘要】
1.一种超低频隔振器，包括隔振承载台板(1)，所述隔振承载台板(1)连接承载杆(2)，所述承载杆(2)与上滑动轴承(8)、下滑动轴承(9)、上部壳体(4)、下部壳体(5)、基座(7)同轴安装，所述下滑动轴承(9)下面与基座(7)固接，所述下滑动轴承(9)上面固接所述下部壳体(5)，所述下部壳体(5)上面固接所述上部壳体(4)，所述上部壳体(4)上面固接所述上滑动轴承(8)，其特征在于，所述上部壳体(4)内壁上设有上外部环形永磁体(11)，所述下部壳体(5)内壁上设有下外部环形永磁体(13)，所述上外部环形永磁体(11)中设有所述上内部环形永磁体(10)，所述下外部环形永磁体(13)中设有所述下内部环形永磁体(12)，所述上内部环形永磁体(10)和所述下内部环形永磁体(12)与所述承载杆(2)同轴安装，并固定在承载杆(2)上，所述上内部环形永磁体(10)和所述上外部环形永磁体(11)同轴安装，所述下内部环形永磁体(12)和所述下外部环形永磁体(13)同轴安装，所述承载杆(2)延伸至所述基座(7)中连接螺旋弹簧(15)上端，所述螺旋弹簧(15)下端安装在基座(7)的中心轴体上。


2.如权利要求1所述的一种超低频隔振器，其特征在于，所述上内部环形永磁体(10)和上外部环形永磁体(11)径向的中心平面重合，下内部环形永磁体(12)和下外部环形永磁体(13)径向的中心平面重合。


3.如权利要求2所述的一种超低频隔振器，其特征在于，所述承载杆(2)下端与可调组件(14)同轴安装，所述可调组件(14)下端连接所述螺旋弹簧(15)，所述可调组件(14)可实现所述螺旋弹簧(15)的垂直移动。


4.如权利要求1-3中任意一项所述的一种超低频隔振器，其特征在于，所述上滑动轴承(8)与所述上部壳体(4)通过上外磁环固定盖(3)固定，所述上滑动轴承(8)固定在上外磁环固定盖(3)内壁，所述上部壳体(4)固定在上外磁环固定盖(3)外壁，所述上外磁环固定盖(3)将所述上外部环形永磁体(11)固定在上部壳体(4)内壁。


5.如权利要求4所述的一种超低频隔振器，其特征在于，所述下滑动轴承(9)、下部壳体(5)和基座(7)通过下外磁环固定盖(6)固定，所述下滑动轴承(9)固定在所述下外磁环固定盖(6)内壁，所述下部壳体(5)固定在所述下外磁环固定盖(6)上面，所述基座(7)固定在所述下外磁环固定盖(6)外壁，所述下外磁环固定盖(6)将所述下外部环形永磁体(13)固定在所述下部壳体(5)内壁。


6.如权利要求5所述的一种超低频隔振器，其特征在于，所述上滑动轴承(8)...

【专利技术属性】
技术研发人员：周振华，杜荣华，傅逸轩，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