CN107654567A - 一种机载准零刚度隔振平台 - Google Patents
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Abstract
一种机载准零刚度隔振平台，包括上平台和下平台，通过六根相同的折叠梁弹簧将六个相同的负刚度支腿固定在上平台与下平台之间，折叠梁弹簧倾斜焊接在上下平台间，并沿轴向为系统提供正刚度支撑；两块轴向充磁的环形永磁体构成磁性负刚度，设置在折叠梁弹簧的弓型梁中，并为系统提供非线性恢复力和非线性负刚度；由防摇机构约束上平台相对于下平台沿轴向运动；本发明装置能够有效地降低隔振系统的固有频率，进而拓宽了隔振频带；同时，提高并改善了结构的库伦阻尼特性，适用于航天航空领域中的机载光电设备、精密测量系统等设备的振动隔离。
Description
技术领域
本发明涉及隔振技术领域，具体涉及一种基于相斥型磁性负刚度机构设计的机载准零刚度隔振平台。
背景技术
机载光电设备是现代信息化战争中信息感知的重要环节。在复杂而艰巨的飞行任务下，载机和机载光电设备始终处于恶劣的振动环境中，由载机传递给光电设备的振动是影响光电设备工作性能的重要因素。该类振动将会导致光电设备的稳定性下降、成像精度降低、有效作用距离缩短等问题。
为有效抑制有害振动对机载光电设备工作性能的不利影响，切断由载机到光电设备的振动传递路径以降低载机与光电设备之间的动态耦合是一种有效的振动抑制手段。因此，隔振技术作为一种有效的载荷传递路径隔离方式被广泛地应用于工程实际当中。其中，被动隔振技术因其具有稳定性高、低功耗、结构简单等优点一直得到持续的关注。然而，传统的线性隔振系统往往仅对机载光电设备的中‐高频段的有害振动具有隔振效果，而对于低频范围的振动往往难以有效隔离。因此，近些年通过在传统线性隔振器的基础上引入负刚度机构设计出具有高静态刚度和低动态刚度的隔振器得到了广泛的研究，从而能够在线性隔振系统的基础上进一步拓宽隔振频带，实现对低频振动的有效抑制。同时，由于永磁体性能的进一步提高，采用磁结构设计出满足功能需求的该类隔振器显得相对容易，但要满足载机在复杂飞行任务下的使用需求，并设计出结构紧凑，实现低频隔振的隔振系统就显得尤为困难。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种采用磁性负刚度机构设计的机载准零刚度隔振平台，本发明装置在其工作位置附近具有高静态刚度(承载能力强)和低动态刚度(低共振频率)特性，能够实现机载光电设备的超低频隔振；同时，该隔振系统具有使用方便、成本低、应用范围广的特点。
本发明解决现存技术问题所采用的技术方案是：
一种机载准零刚度隔振平台，包括上平台1和下平台5，通过六根相同的折叠梁弹簧3将六个相同的负刚度支腿4固定在上平台1和下平台5之间，折叠梁弹簧3与负刚度支腿4构成具有准零刚度特性的支腿，所述折叠梁弹簧3倾斜安装并通过其上下端分别与上平台1和下平台5焊接相连，负刚度支腿4设置在折叠梁弹簧3的弓型梁3.5两端之间；折叠梁弹簧3沿轴向提供正刚度支撑作用；通过第一螺钉2将防摇内套筒6与上平台1紧固；第二螺钉8将防摇外套筒7与下平台5紧固相连；防摇内套筒6与防摇外套筒7间隙配合形成防摇机构，并对上平台1进行横向约束和倾覆约束，上平台1相对下平台5沿机载准零刚度隔振平台的轴向作往复运动。
所述折叠梁弹簧3由位于其两端的第一支撑杆3.3、第二支撑杆3.4与弓型梁3.5焊接而成，在第一支撑杆3.3和第二支撑杆3.4连接弓型梁3.5处，分别设置有第一螺纹孔3.1和第二螺纹孔3.2，用于连接负刚度支腿4。
所述折叠梁弹簧3安装倾角应为60度，六根相同的折叠梁弹簧(3)为机载准零刚度隔振平台沿轴向提供正刚度支撑作用，并具有尺寸紧凑、机构简单和重量轻的特点。
所述负刚度支腿4包括位于其两端连接折叠梁弹簧3的中心轴4.1和安装底座4.7以及由内磁环4.2和外磁环4.3构成的磁性负刚度弹簧，所述中心轴4.1上设置有上螺纹段4.1‐1、第一凸台4.1‐2和下螺纹段4.1‐3，内磁环4.2与中心轴4.1间隙配合设置在第一凸台4.1‐2与第一螺母4.6之间，并由第一螺母4.6与下螺纹段4.1‐3旋钮紧固；安装底座4.7上设置有第三螺纹孔4.7‐1、第二凸台4.7‐2和下螺纹段4.7‐3，通过安装底座4.7的第二凸台4.7‐2与端盖4.4将外磁环4.3固定在安装底座4.7的中心腔内，采用第三螺钉4.5穿过端盖4.4与安装底座4.7进行紧固相连；通过在六个相同的折叠梁弹簧3中设置负刚度支腿4，使得竖直方向具有高承载能力，降低了竖向固有频率，拓宽了竖向的隔振频带。
所述负刚度支腿4中，除内磁环4.2和外磁环4.3外，其余零部件均采用非导磁的金属材料，如硬铝合金。
所述内磁环4.2和外磁环4.3的采用剩磁强度较大的钕铁硼制备，均沿轴向充磁，并具有径向稳定性。
所述负刚度支腿4的上端通过中心轴4.1的螺纹段4.1‐3与折叠梁弹簧3的螺纹孔3.1紧固相连，支腿4的下端通过安装底座4.7的下螺纹段4.7‐3与折叠梁弹簧螺纹孔3.2紧固相连，使得支腿4的磁性负刚度弹簧与提供正刚度的折叠梁弹簧3获得准零刚度特性。
所述防摇内套筒6与防摇外套筒7接触面之间摩擦大，以便提高本发明的库伦阻尼耗能性能。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明装置为被动式低频隔振系统，无需外部供能，具有稳定性好、可靠性高的特点。
2、通过在六个相同的折叠梁弹簧3中设置负刚度支腿4，使得竖直方向具有高承载能力，降低了竖向固有频率，拓宽了竖向的隔振频带。
3、由防摇内套筒6和防摇外套筒7构成的防摇机构，约束上平台1的横向约束和倾覆约束，并为本发明引入了库伦摩擦阻尼，提高隔振平台抑振性能。
4、负刚度支腿4的实现采用两个均为轴线充磁的环形永磁体，具有径向稳定性和轴向导向功能，磁体的加工制备易实现，安装方便。
5、采用折叠梁弹簧3作为正刚度支撑，具有尺寸紧凑、机构简单、重量轻的特点。
6、所述负刚度支腿4中除内外磁环外，其他零部件均采用非导磁的金属材料，如硬铝合金，可避免对磁性负刚度性能的影响。
附图说明
图1为本发明机载准零刚度隔振平台的装配体图。
图2为折叠梁弹簧3零件剖视图。
图3为负刚度支腿4装配体剖视图。
图4为中心轴4.1零件图。
图5为内磁环4.2和外磁环4.3剖视图。
图6为安装底座4.7负刚度零件剖视图。
图7为防摇内套筒6零件图。
图8为防摇外套筒7零件图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理进一步做详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种机载准零刚度隔振平台，包括上平台1，下平台5，六个相同的折叠梁弹簧3，六个相同的负刚度支腿4以及由防摇内套筒6和防摇外套筒7构成的防摇机构；通过六根相同的折叠梁弹簧3将六个相同的负刚度支腿4固定在上平台1和下平台5之间，折叠梁弹簧3与负刚度支腿4构成具有准零刚度特性的支腿；所述折叠梁弹簧3上设置有第一支撑杆3.3、第二支撑杆3.4分别与弓型梁3.5，折叠梁弹簧3通过第一支撑杆3.3和第二支撑杆3.4的上下端倾斜面与上平台1和下平台5倾斜焊接相连，并沿轴向提供正刚度支撑作用；所述负刚度支腿4设置在折叠梁弹簧3的弓型梁3.5两端之间；通过第一螺钉2将防摇内套筒6与上平台1的螺纹孔1.1紧固；第二螺钉8将防摇外套筒7与下平台5的螺纹孔5.1紧固相连；防摇内套筒6的外表面与防摇外套筒7的内表面间隙配合形成防摇机构，并对上平台1进行横向约束和倾覆约束，上平台1相对下平台5沿本发明装置的轴向作往复运动。
如图2所示，所述折叠梁弹簧3由位于其两端的第一支撑杆3.3、第二支撑杆3.4与弓型梁3.5焊接而成，在第一支撑杆3.3和第二支撑杆3.4连接弓型梁3.5处，分别设置有第一螺纹孔3.1和第二螺纹孔3.2，用于连接负刚度支腿4。折叠梁弹簧3与下平台5的安装倾角应为60度。
如图3、图4、图5和图6所示，所述负刚度支腿4包括位于其两端连接折叠梁弹簧3的中心轴4.1和安装底座4.7以及由内磁环4.2和外磁环4.3构成的磁性负刚度弹簧；所述中心轴4.1上设置有上螺纹段4.1‐1、第一凸台4.1‐2和下螺纹段4.1‐3，内磁环4.2与中心轴4.1间隙配合并设置在第一凸台4.1‐2与第一螺母4.6之间，由第一螺母4.6与下螺纹段4.1‐3旋钮紧固；安装底座4.7上设置有第三螺纹孔4.7‐1、第二凸台4.7‐2和下螺纹段4.7‐3，通过安装底座4.7的第二凸台4.7‐2与端盖4.4将外磁环4.3固定在安装底座4.7的中心腔内，采用第三螺钉4.5穿过端盖4.4与安装底座4.7进行紧固相连。
优选的，所述负刚度支腿4的上端通过中心轴4.1的螺纹段4.1‐3与折叠梁弹簧3的螺纹孔3.1紧固相连，支腿4的下端通过安装底座4.7的下螺纹段4.7‐3与折叠梁弹簧螺纹孔3.2紧固相连，使得负刚度支腿4的磁性负刚度弹簧与提供正刚度的折叠梁弹簧3获得准零刚度特性。
优选的，所述负刚度支腿4中，除内磁环4.2和外磁环4.3外，其余零部件均采用非导磁的金属材料，如硬铝合金。
优选的，所述内磁环4.2和外磁环4.3的采用剩磁强度较大的钕铁硼制备，均沿轴向充磁，并具有径向稳定性。
如图7和图8所示，优选的，所述防摇内套筒6与防摇外套筒7接触面之间应具有较高的摩擦工艺，以便提高本发明的库伦阻尼耗能性能。
本发明的工作原理是：如图1所示的机载准零刚度隔振平台，每个支腿都是一个被动的隔振单元。由于防摇内套筒6和防摇外套筒7的引入，为本发明装置引入了库伦阻尼，同时上平台1相对于下平台5仅有沿轴向的单自由度运动。在准零刚度支腿中，折叠梁弹簧3起轴向支撑作用，由内磁环4.2和外磁环4.3构成的磁性负刚度机构在平衡位置处产生负刚度，抵消折叠梁弹簧3的正刚度，从而是每个支腿具有很小的动刚度，并获得准零刚度特性，当该隔振平台的六根支腿都具有很小的动刚度时，机载准零刚度隔振平台的共振频率就会很小，因此该隔振平台能够实现低频扰动的隔离，并具有很好的振动控制效果。
Claims (6)
1.一种机载准零刚度隔振平台，其特征在于：包括上平台(1)和下平台(5)，通过六根相同的折叠梁弹簧(3)将六个相同的负刚度支腿(4)固定在上平台(1)和下平台(5)之间，折叠梁弹簧(3)与负刚度支腿(4)构成具有准零刚度特性的支腿，所述折叠梁弹簧(3)倾斜安装并通过其上下端分别与上平台(1)和下平台(5)焊接相连，负刚度支腿(4)设置在折叠梁弹簧(3)的弓型梁(3.5)两端之间；折叠梁弹簧(3)沿轴向提供正刚度支撑作用；通过第一螺钉(2)将防摇内套筒(6)与上平台(1)紧固；第二螺钉(8)将防摇外套筒(7)与下平台(5)紧固相连；防摇内套筒(6)与防摇外套筒(7)间隙配合形成防摇机构，并对上平台(1)进行横向约束和倾覆约束，上平台(1)相对下平台(5)沿机载准零刚度隔振平台的轴向作往复运动。
2.根据权利要求(1)所述一种机载准零刚度隔振平台，其特征在于：所述折叠梁弹簧(3)由位于其两端的第一支撑杆(3.3)、第二支撑杆(3.4)与弓型梁(3.5)焊接而成，在第一支撑杆(3.3)和第二支撑杆(3.4)连接弓型梁(3.5)处，分别设置有第一螺纹孔(3.1)和第二螺纹孔(3.2)，用于连接负刚度支腿(4)；所述折叠梁弹簧(3)安装倾角应为60度，六根相同的折叠梁弹簧(3)为机载准零刚度隔振平台沿轴向提供正刚度支撑作用，并具有尺寸紧凑、机构简单和重量轻的特点。
3.根据权利要求1所述一种机载准零刚度隔振平台，其特征在于：负刚度支腿(4)包括位于其两端连接折叠梁弹簧(3)的中心轴(4.1)和安装底座(4.7)以及由内磁环(4.2)和外磁环(4.3)构成的磁性负刚度弹簧，所述中心轴(4.1)上设置有上螺纹段(4.1-1)、第一凸台(4.1-2)和下螺纹段(4.1-3)，内磁环(4.2)与中心轴(4.1)间隙配合设置在第一凸台(4.1-2)与第一螺母(4.6)之间，并由第一螺母(4.6)与下螺纹段(4.1-3)旋钮紧固；安装底座(4.7)上设置有第三螺纹孔(4.7-1)、第二凸台(4.7-2)和下螺纹段(4.7-3)，通过安装底座(4.7)的第二凸台(4.7-2)与端盖(4.4)将外磁环(4.3)固定在安装底座(4.7)的中心腔内，采用第三螺钉(4.5)穿过端盖(4.4)与安装底座(4.7)进行紧固相连；通过在六个相同的折叠梁弹簧(3)中设置负刚度支腿(4)，使得竖直方向具有高承载能力，降低了竖向固有频率，拓宽了竖向的隔振频带。
4.根据权利要求1所述一种机载准零刚度隔振平台，其特征在于：所述负刚度支腿(4)中，除内磁环(4.2)和外磁环(4.3)外，其余零部件均采用非导磁的金属材料，避免对磁性负刚度性能的影响；内磁环(4.2)和外磁环(4.3)采用剩磁强度大的钕铁硼制备，均沿轴向充磁，并具有径向稳定性。
5.根据权利要求1所述一种机载准零刚度隔振平台，其特征在于：所述负刚度支腿(4)的上端通过中心轴(4.1)的螺纹段(4.1-3)与折叠梁弹簧(3)的螺纹孔(3.1)紧固相连，支腿(4)的下端通过安装底座(4.7)的下螺纹段(4.7-3)与折叠梁弹簧螺纹孔(3.2)紧固相连，使得支腿(4)的磁性负刚度弹簧与提供正刚度的折叠梁弹簧(3)获得准零刚度特性
6.根据权利要求1所述一种机载准零刚度隔振平台，其特征在于：所述防摇内套筒(6)与防摇外套筒(7)接触面之间摩擦大，以便提高本发明的库伦阻尼耗能性能。
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