CN108167362B - 一种采用多层挤压式磁弹簧和摆杆的准零刚度隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用多层挤压式磁弹簧和摆杆的准零刚度隔振器。该隔振器包括主轴、导向轴、摆杆以及多层结构；多层结构包括从上至下依次设置的上顶板、上端盖、负刚度单元、下端盖、正刚度单元和下底板；主轴为多层结构的中心轴；导向轴和摆杆均为多根，且均以固定间隔分布在主轴周围，结构紧凑，相对较小的尺寸下具有更大的承载能力。另外该隔振器利用磁致负刚度的原理，将负刚度单元与正刚度单元并联，具有高静态刚度、低动态刚度的特性，能够有效的降低该隔振器的固有频率，拓宽隔振频带，适用于低频隔振；负刚度单元为多层挤压式的磁弹簧形式，能够产生更强的磁感应强度，增大磁弹簧的负刚度，适用于高负载场合，满足广范围的适用。

Description

一种采用多层挤压式磁弹簧和摆杆的准零刚度隔振器

技术领域

本发明涉及隔振技术领域，特别是涉及一种采用多层挤压式磁弹簧和摆杆的准零刚度隔振器。

背景技术

机械振动是一种普遍存在于生产实践的现象。当系统受到外界振动源的激励时，就会产生振动。机械振动在工业生产中是一把双刃剑。一方面人们可以利用振动来为工业生产服务，如工业上常采用的振动筛选，振动沉桩，振动输送以及按振动理论设计的传感器等；然而在国防科技、工业机械以及仪表、仪器等技术领域，机械振动往往会导致结构的破坏失效，产生较大的噪声，使用寿命缩短等问题。例如，仪表、仪器的振动会导致其测量精度降低；设备在运转过程中，冲击载荷可能会造成结构的破坏失效等。

为了降低机械振动所带来的危害，各种隔振技术与振动控制相继出现。常用的隔振方法有主动隔振和被动隔振。主动隔振性能好，但是结构较为复杂，成本高；而被动隔振，结构简单，制造成本低，不需要外界提供能源，稳定性好，抗低频干扰性能差；对于质量为m，刚度为k的单自由度系统，其固有频率为由线性隔振理论可知，当激励频率高于时，隔振器才具有隔振效果。线性隔振系统抗低频干扰性能主要是通过减小系统的固有频率，即减小系统的刚度，或增加承载质量来增大隔振频率范围。但是减小系统刚度会使承载能力下降，使弹性元件的变形过大，并且会带来稳定性的问题，质量也不可能太大。为解决这一问题，近年来，通过正刚度隔振器并联负刚度机构来构建准零刚度非线性隔振系统，实现高静刚度、低动刚度的特性，以提高低频及超低频隔振性能，成为国内外学者的研究热点。因此，利用准零刚度的特性，设计一种既具备优秀隔振性能，又兼具足够承载能力、广泛适应性和良好稳定性的隔振器显得尤为重要。但是目前存在的隔振器普遍存在结构不够紧凑，承载量小等缺陷，且无法满足广范围的适用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的准零刚度隔振器存在的结构不够紧凑、承载量小，无法满足广范围的适用的问题，而提供了一种采用多层挤压式磁弹簧和摆杆的准零刚度隔振器。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种采用多层挤压式磁弹簧和摆杆的准零刚度隔振器，所述准零刚度隔振器包括主轴、导向轴、摆杆以及多层结构；所述多层结构包括从上至下依次设置的上顶板、上端盖、负刚度单元、下端盖、正刚度单元和下底板；所述主轴为所述多层结构的中心轴；所述导向轴和所述摆杆均为多根；所述导向轴以固定间隔分布在所述主轴周围；所述摆杆以固定间隔分布在所述主轴周围，且所述导向轴与所述摆杆交叉分布；

所述主轴的一端通过螺纹与所述下底板连接；所述主轴的另一端从下至上依次穿过所述正刚度单元、所述下端盖、所述负刚度单元、所述上端盖以及所述上顶板；所述导向轴的一端与所述下底板固定连接，所述导向轴的另一端从下至上依次穿过所述下端盖和所述上端盖；所述摆杆的一端通过螺栓与所述上顶板连接，所述摆杆的另一端穿过所述上端盖，并通过所述螺栓与所述下端盖连接；

所述负刚度单元包括磁筒以及设置在所述磁筒内的多组内圈磁铁和多组外圈磁铁；所有所述内圈磁铁均套设于所述主轴上，且相邻两组所述内圈磁铁的接触端的极性相同；所有所述外圈磁铁均套设于所述内圈磁铁上，且相邻两组所述外圈磁铁的接触端的极性相同；所述内圈磁铁和所述外圈磁铁之间存在气隙。

可选的，所述内圈磁铁和所述外圈磁铁之间的气隙为0.5mm；多组所述内圈磁铁和多组所述外圈磁铁组成多层挤压式磁弹簧，所述多层挤压式磁弹簧用于提供负刚度；所述内圈磁铁和所述外圈磁铁均为轴向充磁的环形永磁铁。

可选的，所述负刚度单元还包括固定环；所述固定环为两个；所述固定环套设于所述主轴上；所有所述内圈磁铁均位于两个所述固定环之间，且通过所述固定环卡紧固定在所述主轴上；所有所述外圈磁铁均通过所述上端盖和所述下端盖卡紧固定在所述上端盖和所述下端盖之间。

可选的，所述正刚度单元位于所述下端盖和所述下底板之间；所述正刚度单元用于提供正刚度；所述正刚度单元为弹簧或橡胶。

可选的，所述导向轴和所述摆杆均为三根，所述导向轴在所述磁筒周围以120°间隔设置；所述摆杆设置在相邻两根的所述导向轴之间；所述导向轴和所述摆杆之间的夹角为60°。

可选的，所述准零刚度隔振器还包括轴支座；所述轴支座设置在所述导向轴与所述下底板的连接处；所述轴支座的材料为非导磁或弱导磁的金属材料。

可选的，所述准零刚度隔振器还包括多个直线轴承；每两个所述直线轴承与一个所述导向轴相配合使用；两个所述直线轴承通过所述螺栓分别固定连接在所述上端盖和所述下端盖上，且设置于所述上端盖和所述下端盖之间；所述直线轴承的材料为非导磁或弱导磁的金属材料。

可选的，所述主轴的上端设有正六边形孔；通过内六角扳手旋钮所述主轴上的正六边形孔调节所述内圈磁铁和所述外圈磁铁之间的距离。

可选的，所述上顶板上分别设置有与所述导向轴和所述主轴相适应的通孔；所述上端盖与所述上顶板之间隔有空间。

可选的，所述主轴、所述导向轴、所述摆杆、所述上顶板、所述上端盖、所述下端盖以及所述下底板的材料均为非导磁或弱导磁的金属材料；所述内圈磁铁和所述外圈磁铁的材料均为钕铁硼N45。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种采用多层挤压式磁弹簧和摆杆的准零刚度隔振器，所述准零刚度隔振器包括主轴、导向轴、摆杆以及多层结构；所述多层结构包括从上至下依次设置的上顶板、上端盖、负刚度单元、下端盖、正刚度单元和下底板；所述主轴为所述多层结构的中心轴；所述导向轴和所述摆杆均为多根；所述导向轴以固定间隔分布在所述主轴周围；所述摆杆以固定间隔分布在所述主轴周围，且所述导向轴与所述摆杆交叉分布；所述主轴的一端通过螺纹与所述下底板连接；所述主轴的另一端从下至上依次穿过所述正刚度单元、所述下端盖、所述负刚度单元、所述上端盖以及所述上顶板；所述导向轴的一端与所述下底板固定连接，所述导向轴的另一端从下之上依次穿过所述下端盖和所述上端盖；所述摆杆的一端通过螺栓与所述上顶板连接，所述摆杆的另一端穿过所述上端盖，并通过所述螺栓与所述下端盖连接；所述负刚度单元包括磁筒以及设置在所述磁筒内的多组内圈磁铁和多组外圈磁铁；所有所述内圈磁铁均套设于所述主轴上，且相邻两组所述内圈磁铁的接触端的极性相同；所有所述外圈磁铁均套设于所述内圈磁铁上，且相邻两组所述外圈磁铁的接触端的极性相同；所述内圈磁铁和所述外圈磁铁之间存在气隙，结构紧凑，且在相对较小的尺寸下具有更大的承载能力。

另外该准零刚度隔振器利用磁致负刚度的原理，在平衡位置(平衡位置是指内外圈磁铁端面平齐的位置，在平衡位置往上和往下5mm位移的范围内均具有负刚度效应，也就是隔振器的工作有效范围)附近，由内外圈磁铁构成的磁弹簧产生很大的负刚度，将负刚度单元与正刚度单元并联，系统在平衡位置附近的刚度很小，接近于零，达到所谓的准零刚度，具有高静态刚度、低动态刚度的特性，能够有效的降低该准零刚度隔振器的固有频率，拓宽隔振频带，适用于低频隔振；负刚度单元为多层挤压式的磁弹簧形式，能够产生更强的磁感应强度，增大磁弹簧的负刚度，适用于高负载场合。因此，本发明提供的准零刚度隔振器具有结构紧凑，承载量大，且满足广范围的适用的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例准零刚度隔振器的结构三维剖视图；

图2为本发明磁筒内的环形永磁铁的布置示意图；

图3为本发明摆杆的结构示意图；

图4为本发明实施例准零刚度隔振器总体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是为了解决现有的准零刚度隔振器存在的结构不够紧凑、承载量小，无法满足广范围的适用的问题，而提供了一种采用多层挤压式磁弹簧和摆杆的准零刚度隔振器。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例准零刚度隔振器的结构三维剖视图，如图1所示，本发明实施例提供的采用多层挤压式磁弹簧和摆杆的准零刚度隔振器包括主轴1、导向轴2、摆杆3和多层结构；所述多层结构包括从上至下依次设置的上顶板4、上端盖5、负刚度单元6、下端盖7、正刚度单元8和下底板9。

所述主轴1为多层结构的中心轴；所述导向轴2和所述摆杆3均为多根；所述导向轴2以固定间隔分布在所述主轴1周围；所述摆杆3以固定间隔分布在所述主轴1周围，且所述导向轴2与所述摆杆3交叉分布。

所述主轴1的一端通过螺纹与所述下底板9连接；所述主轴1的另一端从下至上依次穿过所述正刚度单元8、所述下端盖7、所述负刚度单元6、所述上端盖5以及所述上顶板4；所述导向轴2的一端与所述下底板9固定连接，所述导向轴2的另一端从下至上依次穿过所述下端盖7和所述上端盖5；所述摆杆3的一端通过螺栓与所述上顶板4连接，所述摆杆3的另一端穿过所述上端盖5，并通过所述螺栓与所述下端盖7连接。

所述负刚度单元6由若干组轴向充磁的环形永磁铁组成，相邻两组环形永磁铁的接触面之间的磁极相同，通过机械结构将不同组的环形永磁铁紧贴在一起，并套设于主轴1上。

具体为，所述负刚度单元6包括磁筒601以及设置在所述磁筒601内的多组内圈磁铁602和多组外圈磁铁603。所述内圈磁铁602和所述外圈磁铁603均为轴向充磁的环形永磁铁。

所有所述内圈磁铁602均套设于所述主轴1上，且相邻两组所述内圈磁铁602的接触端的极性相同，具体如图2所示；所有所述外圈磁铁603均套设于所述内圈磁铁602上，且相邻两组所述外圈磁铁603的接触端的极性相同，具体如图2所示。优选的，本发明实施例中所述内圈磁铁602和所述外圈磁铁603均为4组。

所述内圈磁铁602和所述外圈磁铁603之间存在气隙；优选的，本发明实施例中所述内圈磁铁602和所述外圈磁铁603之间的气隙为0.5mm。所述内圈磁铁602和所述外圈磁铁603的材料均为钕铁硼N45。

所述负刚度单元6还包括两个固定环604。所有所述内圈磁铁602和所述固定环604均套设于所述主轴1上，且所述内圈磁铁602位于两个所述固定环604之间，且所述固定环604卡紧固定在所述主轴1上。所有所述外圈磁铁603均套设于所述内圈磁铁602上，所有所述外圈磁铁603均通过所述上端盖5和所述下端盖7卡紧固定在所述上盖板5和所述下盖板6之间。俯视所述负刚度单元6时，所述负刚度单元6为圆形结构；所述负刚度单元6的中心为所述主轴1，沿着所述负刚度单元6的半径延伸时依次经过所述固定环604、所述内圈磁铁602、所述外圈磁铁603。

多组所述内圈磁铁602和多组所述外圈磁铁603组成多层挤压式磁弹簧，用于产生负刚度效应。

所述正刚度单元8放置于下端盖7和下底板9之间；所述正刚度单元8用于提供正刚度；所述正刚度单元为弹簧或橡胶。优选的，本发明实施例中所述正刚度单元8为弹簧；当本发明提供的准零刚度隔振器承受负载时，弹簧处于压缩状态，为隔振系统提供正刚度。

所述准零刚度隔振器还包括轴支座10以及直线轴承11。每一个所述轴支座10与一个所述导向轴2相配合使用；每两个所述直线轴承11与一个所述导向轴2相配合使用

为了最大限度的降低整体准零刚度隔振器的高度，保证内、外圈磁铁的同轴度，保证气隙厚度的均匀，优选的，本发明实施例中，在磁筒601周围以120°间隔设置起导向作用的三根导向轴2。所述导向轴2与所述下底板9的连接处设置有轴支座10，所述导向轴2上设置有与其相配合的两个直线轴承11。两个所述直线轴承11均通过螺栓分别固定连接在所述上端盖5上和所述下端盖7上，且设置于所述上端盖5和所述下端盖7之间。所述轴支座10的材料为非导磁或弱导磁的金属材料，优选为304不锈钢，所述直线轴承11的材料为非导磁或弱导磁的金属材料。

由于上顶板4是用于与振动体连接的部件，需要与磁筒601固定连接，考虑到振动体的振动可能存在的水平分量，影响准零刚度隔振器的隔振效果。因此，为了软化水平刚度，使得整个准零刚度隔振器的结构和运动更加合理，在磁筒601周围也以120°间隔设置三根摆杆3，摆杆3的形状如图3所示。具体为，所述摆杆3设置在相邻两个的所述导向轴2之间；所述导向轴2和所述摆杆3之间的夹角为60°。三根摆杆3分别通过螺栓固定到上顶板4上，上顶板4通过与其固定连接的摆杆3贯穿上端盖5后与下端盖7通过螺栓固定连接，从而上端盖5、下端盖7、上顶板4、磁筒601互相固定并无相对运动，均随振动源产生的振动而运动。通过三根摆杆3来连接上顶板4与磁筒601，实现水平向的360°隔振。

所述主轴1的上端设有正六边形孔；通过内六角扳手旋钮所述主轴1上的正六边形孔调节所述内圈磁铁602和所述外圈磁铁603之间的距离。

所述上顶板4上分别设置有与所述导向轴2和所述主轴1相适应的通孔。所述上端盖5与所述上顶板4之间隔有空间。

所述主轴1、所述导向轴2、所述摆杆3、所述上顶板4、所述上端盖5、所述下端盖7以及所述下底板9的材料均为非导磁或弱导磁的金属材料。

图4为本发明实施例准零刚度隔振器总体结构示意图。

本发明中准零刚度隔振器的整体结构如图4所示。整个装置是一个模块化的结构，可通过组合使用实现大负载下隔振，并且在低频隔振领域通用性极强，具有很高的实用价值。初始状态下，互相固定的上顶板4、上端盖5、下端盖7、磁筒601和外圈磁铁603可以沿主轴1上下自由滑动。当内圈磁铁602和外圈磁铁603相对距离为零及平齐时，该准零刚度隔振器处于工作位置，可通过使用内六角扳手旋钮主轴1上端的正六边形孔调节内圈磁铁601、外圈磁铁602的相对位置。

本发明实施例提供了一种采用多层挤压式磁弹簧和摆杆的准零刚度隔振器。该准零刚度隔振器利用磁致负刚度的原理，将负刚度单元与正刚度单元并联，在负刚度单元工作位置附近具有高静态刚度、低动态刚度的特性，能够有效的降低准零刚度隔振器的固有频率，进而拓宽隔振频带，可用于低频隔振。且负刚度单元为多层挤压式的磁弹簧形式，磁极之间能够产生更强的磁感应强度，进而增大磁弹簧的负刚度，可适用于高负载的应用场合。另外，利用摆杆较低的弯曲刚度，采用水平方向三摆杆均布的布置形式，可实现水平向360°隔振。

与现有技术相比，本发明实施例提供的准零刚度隔振器具有以下优点：

(1)本发明提供的采用多层挤压式磁弹簧和摆杆的准零刚度隔振器，属于被动隔振系统，结构简单，制造成本低，维护成本低，不需要外界提供能源，稳定性好，在相对较小的尺寸下能够提供更大的承载能力。

(2)本发明提供的准零刚度隔振器采用四组环形永磁体构成本发明所需要的磁弹簧，并为该隔振系统提供负刚度，在磁弹簧工作位置具有准零刚度特性，从而降低该准零刚度隔振器在工作位置附近的刚度，进而拓宽隔振频带，实现低频隔振。

(3)由于环形永磁体结构的引入，使本发明提供的准零刚度隔振器具有快速响应、非接触、占用空间小等特点；可以通过旋扭主轴来调节内、外圈磁铁的相对位置，使隔振系统在工作位置附近获得理想的负刚度特性。

(4)本发明提供的准零刚度隔振器将导向轴与套设着环形永磁铁的主轴分离，让出了轴承的长度，可以在主轴上装更多的环形永磁铁，同时导向轴能够保证内、外圈磁铁的同轴度，保证气隙厚度的均匀。

(5)由于振动体的振动可能存在的水平分量，可能造成准零刚度隔振器的偏载，本发明通过摆杆来连接上顶板与下端盖，利用摆杆较低的弯曲刚度实现水平方向的隔振，既达到了刚性连接的目的，又软化了水平刚度，增加了整个准零刚度隔振器的适应性，可以较好的实现水平向的隔振。

(6)本发明提供的准零刚度隔振器是一个独立的模块化隔振装置，使用时，只需要将该模块化隔振装置的下底板与基座固连，将该模块化隔振装置的上顶板与振动体通过顶板进行固连，并可以通过布置一系列这样的模块化隔振器，可实现高负载下良好隔振的隔振效果。

(7)本发明提供的准零刚度隔振器中的所有零部件均采用不导磁的金属材料，避免对环形永磁体产生的磁场的造成干扰。当隔振系统工作时，将会在金属部件中产生涡电流，产生磁阻尼效应，具有隔振效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种采用多层挤压式磁弹簧和摆杆的准零刚度隔振器，其特征在于，所述准零刚度隔振器包括主轴、导向轴、摆杆以及多层结构；所述多层结构包括从上至下依次设置的上顶板、上端盖、负刚度单元、下端盖、正刚度单元和下底板；所述主轴为所述多层结构的中心轴；所述导向轴和所述摆杆均为多根；所述导向轴以固定间隔分布在所述主轴周围；所述摆杆以固定间隔分布在所述主轴周围，且所述导向轴与所述摆杆交叉分布；

所述主轴的一端通过螺纹与所述下底板连接；所述主轴的另一端从下至上依次穿过所述正刚度单元、所述下端盖、所述负刚度单元、所述上端盖以及所述上顶板；所述导向轴的一端与所述下底板固定连接，所述导向轴的另一端从下至上依次穿过所述下端盖和所述上端盖；所述摆杆的一端通过螺栓与所述上顶板连接，所述摆杆的另一端穿过所述上端盖，并通过所述螺栓与所述下端盖连接；

所述负刚度单元包括磁筒以及设置在所述磁筒内的多组内圈磁铁和多组外圈磁铁；所有所述内圈磁铁均套设于所述主轴上，且相邻两组所述内圈磁铁的接触端的极性相同；所有所述外圈磁铁均套设于所述内圈磁铁上，且相邻两组所述外圈磁铁的接触端的极性相同；所述内圈磁铁和所述外圈磁铁之间存在气隙；

所述导向轴和所述摆杆均为三根，所述导向轴在所述磁筒周围以120°间隔设置；所述摆杆设置在相邻两根的所述导向轴之间；所述导向轴和所述摆杆之间的夹角为60°。

2.根据权利要求1所述准零刚度隔振器，其特征在于，所述内圈磁铁和所述外圈磁铁之间的气隙为0.5mm；多组所述内圈磁铁和多组所述外圈磁铁组成多层挤压式磁弹簧，所述多层挤压式磁弹簧用于提供负刚度；所述内圈磁铁和所述外圈磁铁均为轴向充磁的环形永磁铁。

3.根据权利要求1所述准零刚度隔振器，其特征在于，所述负刚度单元还包括固定环；所述固定环为两个；所述固定环套设于所述主轴上；所有所述内圈磁铁均位于两个所述固定环之间，且通过所述固定环卡紧固定在所述主轴上；所有所述外圈磁铁均通过所述上端盖和所述下端盖卡紧固定在所述上端盖和所述下端盖之间。

4.根据权利要求1所述准零刚度隔振器，其特征在于，所述正刚度单元位于所述下端盖和所述下底板之间；所述正刚度单元用于提供正刚度；所述正刚度单元为弹簧或橡胶。

5.根据权利要求1所述准零刚度隔振器，其特征在于，所述准零刚度隔振器还包括轴支座；所述轴支座设置在所述导向轴与所述下底板的连接处；所述轴支座的材料为非导磁或弱导磁的金属材料。

6.根据权利要求1所述准零刚度隔振器，其特征在于，所述准零刚度隔振器还包括多个直线轴承；每两个所述直线轴承与一个所述导向轴相配合使用；两个所述直线轴承通过所述螺栓分别固定连接在所述上端盖和所述下端盖上，且设置于所述上端盖和所述下端盖之间；所述直线轴承的材料为非导磁或弱导磁的金属材料。

7.根据权利要求1所述准零刚度隔振器，其特征在于，所述主轴的上端设有正六边形孔；通过内六角扳手旋钮所述主轴上的正六边形孔调节所述内圈磁铁和所述外圈磁铁之间的距离。

8.根据权利要求1所述准零刚度隔振器，其特征在于，所述上顶板上分别设置有与所述导向轴和所述主轴相适应的通孔；所述上端盖与所述上顶板之间隔有空间。

9.根据权利要求1所述准零刚度隔振器，其特征在于，所述主轴、所述导向轴、所述摆杆、所述上顶板、所述上端盖、所述下端盖以及所述下底板的材料均为非导磁或弱导磁的金属材料；所述内圈磁铁和所述外圈磁铁的材料均为钕铁硼N45。