CN101871505A - 一种正负刚度并联三平移振动与冲击隔离平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正负刚度并联三平移振动与冲击隔离平台，属于多轴振动控制技术和装置领域，包括上平台(1)、下平台(9)、8条弹性支链结构和硅胶磁流变阻尼器(11)；8条弹性支链结构按4点正交对称支撑方式两两固定于上平台(1)和下平台(9)之间，每点的两条所述弹性支链结构的轴线相互垂直；硅胶磁流变阻尼器(11)设置于上平台(1)和下平台(9)之间的几何中心处。本发明可广泛应用于航空、航天、兵器、车辆、船舶、建筑、核工业、机械工业、光学工业、半导体工业、感光化学等领域仪器设备。本发明具有承载能力大、稳定性高、体积小、固有频率低、阻尼可控，制作和维护成本低等优点。

Description

一种正负刚度并联三平移振动与冲击隔离平台
技术领域
本发明涉及一种三平移多轴向缓冲减振装置，属于多轴振动控制技术和装置领域。
背景技术
机械振动与冲击按其空间作用方向划分，可分为单轴向和多轴向两种形式。现代工业的发展使得动力机械设备功率日益增大、转速加快、刚度相对减小、精度要求越来越高，同时结构日趋轻薄、复杂化和大型化，导致振源能量不断强化、振动环境复杂化、空间化，使得多轴向振动危害问题日益突出，直接影响高精度精密加工精度、精密仪器的测量和控制精度、仪表器械的使用性能，加剧构件的疲劳与磨损，缩短仪器设备的使用寿命，危害人体健康和舒适性，严重时还会引起灾难性破坏。例如，移动载运工具方面：高分辨率惯性导航和制导仪表在性能测试和使用过程时，对环境多轴向振动与冲击(特别是低频振动和倾斜)的要求极严；军事雷达天线、摄像机、瞄准器、实战军事武器平台等都要求高精度的、稳定的操作平台，才能满足现代武器的作战时间短、空域强的特点，然而机动作战中的野外环境使得上述设备经受剧烈的多轴向振动，严重影响操作平台的平稳性，从而影响整个武器系统的跟踪、瞄准和发射精度；航天领域火箭发射时的高速推进、空气动力和振动耦合，使得运载火箭及其内部有效载荷承受巨大的多轴向振动与冲击载荷，太空干涉测量仪、空间望远镜、空间天线、太空摄像机、卫星遥感器等在轨运行时，受到反冲作用轮、重力梯度、太阳辐射压力及设备操作等因素影响产生微幅多轴向振动与冲击，由于距离远，环境微小的振动会引起很大的误差，影响其工作性能；座椅、担架等常规仪器设备由于移动载运工具行驶自然环境因素、操控和内部动力设备干扰等因素影响，导致其常规搭载设备多轴向振动与冲击显著，对搭载设备和人体健康及舒适性都产生了严重的影响；高精度精密加工与精密仪器设备方面：如微机电系统(MEMS)的加工、检测和装配，光刻机刻划光栅，感光化学中胶片上乳剂涂层，半导体制成电路生产方面大规模集成芯片、声表面波器件、激光全息光栅、彩色显象管的阴罩等的加工、伺服磁盘的录磁等高精度精密加工过程和原子显微镜、曝光机、精密分析天平、光谱仪等精密仪器由于受到大地脉动、交通运输、人员走动和本身内部激励源作用，使其处于多轴向振动与冲击动力环境，影响其加工质量、精度和工作性能；建筑结构及工程机械方面：由于地震、风载等自然力干扰和机械设备多点、多向激励力干扰工况作用下，导致其多轴向振动与冲击显著，对建筑结构和工程机械本身及其内部仪器设备、周围环境和人体健康及舒适性都产生了严重的影响。
随着科技的发展，仪器设备动态性能要求的不断提高，多轴向振动与冲击的危害日益表现出来。为此，美国和我国军标及精密仪器设备振动与冲击标准中都对三平移轴向上振动与冲击响应提出了明确的要求。但由于缺乏相应的三平移轴向减振隔振装置，为了控制三平移轴向上振动与冲击响应水平，根据检索相关文献，一般采用的振动与冲击控制技术如下：1)采用橡胶隔振器、空气弹簧隔振器、钢丝绳隔振器等具有六轴向隔振特性的隔振器组合多面布置实现，如专利“移动载体平台控制所用传感器的隔振装置(ZL03267102.4)”；2)采用橡胶隔振器、空气弹簧隔振器、钢丝绳隔振器等具有六轴向隔振特性的隔振器组合同一平面布置、添加机构约束实现，如专利“无角位移减振装置(ZL200420012722.0)”；3)采用单轴向减振隔振装置分层单一控制来实现，如专利“一种三向悬挂减振座椅(ZL88212647.4)”；4)采用内含弹性、阻尼元件的并联机构来实现，如专利“航天器的整体隔振平台(ZL200610009888.0)”、“一种多维隔振装置(200910024448.6)”、“仿橡胶多自由度弹性阻尼减振装置(ZL02258129.4)”、“一类基于混联式运动副并联机构弹性多维减振平台(ZL200410014088.9)”、“磁流变半主动多自由度并联减振装置(ZL200810122615.6)”。
上述各种方法中，“采用内含弹性、阻尼元件的并联机构来实现”具有结构简单，机型紧凑，精确度高，易于控制等优点，可以实现纯三平移运动输出振动控制，如专利“仿橡胶多自由度弹性阻尼减振装置(ZL02258129.4)”、“一类基于混联式运动副并联机构弹性多维减振平台(ZL200410014088.9)”、“磁流变半主动多自由度并联减振装置(ZL200810122615.6)”，但是由于所选用的少自由度并联机构及其弹性元件的布置位置具有承载能力小、运动副多、摩擦阻力大、力传递性差、稳定性差、弹性元件为单向线性元件等缺陷，使得不能承受冲击载荷和无法实现低频振动隔离，可靠性和稳定性差，难以转化为实际应用。此外，由于并联机构自身具有的高度非线性，使得其阻尼元件的布置位置和数量均不利于阻尼调节和控制，实施困难。
发明内容
本发明的目的：
为了降低多轴向振动与冲击对航空、航天、兵器、车辆、船舶、建筑、核工业、机械工业、光学工业、半导体工业、感光化学等领域仪器设备工作性能、可靠性、使用寿命、人体安全性和舒适性的影响，针对现有三平移多轴向缓冲减振装置不足，本发明提供一种安全可靠、能够实现空间三平移轴向减振隔振，可以保证航空、航天、兵器、车辆、船舶、建筑、核工业、机械工业、光学工业、半导体工业、感光化学等领域仪器设备运行振动参数在标准范围内的基于正负刚度并联和可控阻尼的三平移振动与冲击隔离平台。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
基于正负刚度并联和可控阻尼的三平移振动与冲击隔离平台，它主要包括上平台、支架连接螺钉、上连接支架、导杆、正负刚度并联单轴向隔振装置、下连接支架、径向轴承、销轴、下平台、阻尼器支架、硅胶磁流变阻尼器，仪器设备安放于上平台上，下平台安装于基础地基，由上连接支架、导杆、正负刚度并联单轴向隔振装置、下连接支架、径向轴承、销轴构成的8条弹性支链结构按4点支撑方式正交对称布置于上平台和下平台中间，由阻尼器支架、硅胶磁流变阻尼器构成的1条可控阻尼支链布置于上平台和下平台的几何中心处。整个平台为空间冗余三平移机构，工作过程中，当上平台或下平台受到由于各种因素而引起的空间振动与冲击后，转化为空间三平移轴向线振动与冲击，由正负刚度并联单轴向隔振装置的弹性元件实现缓冲、隔振，硅胶磁流变阻尼器、各运动副的摩擦阻尼消耗系统振动能量，实现减振；从而有效、经济、可靠的降低了上平台上安放的仪器设备的三平移轴向振动与冲击水平。
本发明的有益效果是：
随着现代科学技术的日益进步、工程振动研究的深入发展、人体安全性和舒适性要求的不断提高，现代机械设备及结构使用过程中的动态性能和动力环境要求越来越高，传统简化的单轴向振动与冲击危害控制理论越来越不能满足工程实际需要，多轴向振动与冲击逐渐成为影响航空、航天、兵器、车辆、船舶、建筑、核工业、机械工业、光学工业、半导体工业、感光化学等领域仪器设备工作性能、可靠性、使用寿命、人体安全性和舒适性的主要原因。因此，如何有效地预防和控制多轴向振动与冲击危害成为了航空、航天、兵器、车辆、船舶、建筑、核工业、机械工业、光学工业、半导体工业、感光化学等领域面临的重要论题，也是目前国内外振动危害控制领域急需解决的一个技术难题，具有重要的理论价值，广泛的应用前景和社会经济效益。
基于正负刚度并联和可控阻尼的三平移振动与冲击隔离平台的采用，改善了航空、航天、兵器、车辆、船舶、建筑、核工业、机械工业、光学工业、半导体工业、感光化学等领域仪器设备工作过程中的动力学环境，保证其运行振动参数在标准范围内。
附图说明
本发明附图说明如下：
图1为基于正负刚度并联和可控阻尼的三平移振动与冲击隔离平台结构示意主视图；
图2为基于正负刚度并联和可控阻尼的三平移振动与冲击隔离平台结构示意俯视图；
图3为正负刚度并联单轴向隔振装置结构示意图；
图4为硅胶磁流变阻尼器结构示意图。
图中，1、上平台；2、支架连接螺钉；3、上连接支架；4、导杆；5、正负刚度并联单轴向隔振装置；6、下连接支架；7、径向轴承；8、销轴；9、下平台；10、阻尼器支架；11、硅胶磁流变阻尼器；12、轴承连接件；13、正刚度碟簧支座；14、锁紧螺母；15、负刚度支架；16、撑杆直线轴承；17、正刚度碟簧；18、撑杆；19、导杆直线轴承；20、带柄轴承；21、螺母；22、负刚度碟簧上支撑；23、负刚度碟簧；24、负刚度碟簧下支撑；25、平垫片；26、弹簧垫片；27、连接螺母；28、杆端球关节轴承；29、销钉；30、弹性卡圈；31、活塞杆；32、直线轴承座；33、阻尼器直线轴承；4、缸体；35、硅胶磁流变；36、线圈，
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施方式一：基于正负刚度并联和可控阻尼的三平移振动与冲击隔离平台包括上平台1、下平台9、8条弹性支链结构和硅胶磁流变阻尼器11；所述弹性支链结构包括上连接支架3、导杆4、正负刚度并联单轴向隔振装置5、下连接支架6、径向轴承7、销轴8，所述正负刚度并联单轴向隔振装置5通过导杆4连接上连接支架3、通过销轴8和径向轴承7连接下连接支架6，上连接支架3通过支架连接螺钉2固定于上平台1，下连接支架6通过支架连接螺钉2固定于下平台9；8条弹性支链结构按4点正交对称支撑方式两两固定于上平台1和下平台9之间，每对所述弹性支链结构的轴线相互垂直，构成空间冗余三平移弹性支撑机构；硅胶磁流变阻尼器11通过阻尼器支架10、支架连接螺钉2固定于上平台1和下平台9的几何中心处，构成可控阻尼系统。正负刚度并联单轴向隔振装置5包括轴承连接件12、正刚度碟簧支座13、锁紧螺母14、负刚度支架15、撑杆直线轴承16、正刚度碟簧17、撑杆18、导杆直线轴承19、带柄轴承20、螺母21、负刚度碟簧上支撑22、负刚度碟簧23、负刚度碟簧下支撑24、平垫片25、弹簧垫片26、连接螺母27，通过调节正刚度碟簧支座13和负刚度支架15中间构成的螺旋，可实现负刚度碟簧23初始位置的设定。硅胶磁流变阻尼器11包括杆端球关节轴承28、销钉29、弹性卡圈30、活塞杆31、直线轴承座32、阻尼器直线轴承33、缸体34、硅胶磁流变35、线圈36，采用硅胶磁流变材料克服了液体磁流变材料的沉淀和密封阻力过大问题。
实施方式二：本实施方式与实施方式一不同点是：径向轴承7和导杆直线轴承19采用流体静压轴承，以应用于大型重载设备。

Claims (3)

1.一种正负刚度并联三平移振动与冲击隔离平台，其特征在于，包括上平台(1)、下平台(9)、8条弹性支链结构和硅胶磁流变阻尼器(11)；所述弹性支链结构包括上连接支架(3)、导杆(4)、正负刚度并联单轴向隔振装置(5)、下连接支架(6)、径向轴承(7)、销轴(8)，所述正负刚度并联单轴向隔振装置(5)通过导杆(4)连接上连接支架(3)、通过销轴(8)和径向轴承(7)连接下连接支架(6)，上连接支架(3)通过支架连接螺钉(2)固定于上平台(1)，下连接支架(6)通过支架连接螺钉(2)固定于下平台(9)；8条弹性支链结构按4点正交对称支撑方式两两固定于上平台(1)和下平台(9)之间，每点的两条所述弹性支链结构的轴线相互垂直；所述硅胶磁流变阻尼器(11)通过阻尼器支架(10)固定于上平台(1)、通过支架连接螺钉(2)下平台(9)，所述硅胶磁流变阻尼器(11)设置于上平台(1)和下平台(9)之间的几何中心处。
2.根据权利要求1所述的一种正负刚度并联三平移振动与冲击隔离平台，其特征在于，所述正负刚度并联单轴向隔振装置(5)包括轴承连接件(12)、正刚度碟簧支座(13)、锁紧螺母(14)、负刚度支架(15)、撑杆直线轴承(16)、正刚度碟簧(17)、撑杆(18)、导杆直线轴承(19)、带柄轴承(20)、螺母(21)、负刚度碟簧上支撑(22)、负刚度碟簧(23)、负刚度碟簧下支撑(24)、平垫片(25)、弹簧垫片(26)、连接螺母(27)。
3.根据权利要求1所述的一种正负刚度并联三平移振动与冲击隔离平台，其特征在于，所述硅胶磁流变阻尼器(11)包括杆端球关节轴承(28)、销钉(29)、弹性卡圈(30)、活塞杆(31)、直线轴承座(32)、阻尼器直线轴承(33)、缸体(34)、硅胶磁流变(35)、线圈(36)。4.根据权利要求2所述的一种正负刚度并联三平移振动与冲击隔离平台，其特征在于，所述的径向轴承(7)和导杆直线轴承(19)采用流体静压轴承。
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