CN110805645A - 一种柔性支撑电磁式准零刚度隔振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性支撑电磁式准零刚度隔振装置，包括上盖板，柔性支撑元件，直线光轴，缸体，固定磁铁，可动线圈，活塞头，正刚度弹性元件和下底板，可动线圈在通电流下与所述上空腔内的固定磁铁相互作用提供负刚度出力，而活塞头在下空腔内运动时产生阻尼力，而后通过所述柔性支撑元件对负刚度和阻尼力进行有效放大，结合所述正刚度弹性元件，使隔振器的整体刚度降低到接近零值，实现准零刚度隔振效果。本发明能够以较小的代价实现整体刚度的大幅降低和隔振性能的高效提升，适用于对隔振有严格需求的结构或设备。

Description

一种柔性支撑电磁式准零刚度隔振装置
技术领域
本发明属于土木工程结构隔振领域，具体涉及一种柔性支撑电磁式准零刚度隔振装置。
背景技术
隔振装置是一种有效隔离外界振动干扰的技术方法，它通过在地表与结构或设备之间附加另外的刚度和阻尼，进而改变系统整体动力特性，达到减小振动干扰的目的。随着经济和技术的进步，结构或设备对隔振的需求也愈加严格：比如集成电路加工中必不可少的光刻设备，在环境振动干扰下，其容许的振动速度峰值不大于6μm/s，对应的频段在1-100Hz之间。因此，发展广谱高效的隔振装置和及相应的设计方法具有重要的科学意义和实际价值。
近年来，相比于传统隔振方式，准零刚度隔振装置因其优异的隔振性能而得到广泛的关注。其基本原理在于并联一种负刚度机构，降低隔振装置的整体刚度直至零附近，而达到一种在较宽频率范围内对外界振动的隔离效果。目前常用的负刚度机构，包括在垂直的方向上布置预压弹簧、将弹性梁压缩到屈曲状态和利用永磁铁相互作用等，在运动方向形成负刚度，而后直接并联到隔振装置中，以达到减小运动方向的刚度，降低隔振装置频率的目的。
上述的准零刚度隔振装置中：一方面，需要较多的连接构造，增加了系统的复杂程度，而且一经设计定型，无法改变负刚度大小和方向，不能根据外界振动的变化而实现不同的隔振效果；另一方面，更主要的是，这些负刚度机构缺乏一种有效的放大机制，在需要较大负刚度的场合下，只能通过增大几何尺寸而实现较大的负刚度，一定程度上限制了实际应用。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种柔性支撑电磁式准零刚度隔振装置，能够简便高效地实现整体刚度的降低和隔振性能的提升，适用于对隔振有严格需求的结构或设备。
本发明所采用的技术方案如下：一种柔性支撑电磁式准零刚度隔振装置，包括上盖板，柔性支撑元件，直线光轴，缸体，固定磁铁，可动线圈，活塞头，正刚度弹性元件和下底板，所述的上盖板和下底板之间固定连接有正刚度弹性元件，所述的缸体的底部与下底板固定连接，所述的缸体内部沿径向设置有互为封闭的上、下空腔，活塞头位于下空腔内，直线光轴安装在在缸体内部，直线光轴的下端与活塞头固定连接，直线光轴的上端穿出缸体，并与柔性支撑元件的下端固定连接，柔性支撑元件的上端与上盖板固定连接，上空腔内部的上端和下端分别固定连接有固定磁铁，直线光轴位于缸体内部的一段上固定连接有可动线圈，并且该可动线圈位于两个固定磁铁之间；两个固定磁铁的磁极方向相同；当给可动线圈通电时，其产生磁场，与两个固定磁铁相互作用，提供电磁负刚度出力，下空腔内充满粘滞硅油，活塞头在其中上下运动时产生粘滞阻尼力。
本发明还具有如下特征：
1、根据被保护的结构或设备具体的质量和容许振动值，确定正刚度弹性元件的刚度k
式中m是被保护的结构或设备简化成单自由度后的质量；
g是重力加速度；
d0是被保护的结构或设备容许位移；
然后，根据可动线圈的具体圈数和固定磁铁参数，确定上述二者之间产生的负刚度为kn，有
式中kn是可动线圈在两个固定磁铁之间产生的负刚度；
γk是无量纲参数；而柔性支撑元件的刚度k1按下式确定
k1＝γkkn (3)
通过选取粘滞硅油的型号，活塞头产生的阻尼在下式限定的范围内
Figure BDA0002276837420000031
式中，ω是外界激励频率；c是阻尼系数；
电磁负刚度出力先与粘滞阻尼力并联，而后与柔性支撑元件串联，能够实现的等效刚度和阻尼为：
Figure BDA0002276837420000032
Figure BDA0002276837420000033
式中ke是柔性支撑部分的等效刚度；ce是柔性支撑部分的等效阻尼。
2、本装置应用时，隔振系统运动方程为
Figure BDA0002276837420000034
式中
Figure BDA0002276837420000035
u分别是加速度、速度和位移响应；
Figure BDA0002276837420000036
是外部激励，
考虑外部激励是不同频率的正弦荷载时，本装置所能实现的传递系数如下
Figure BDA0002276837420000037
式中TR是传递系数，表示响应的最大加速度与激励最大加速度比值；
是没有柔性支撑部分时的自振频率；
θ＝ω/ωn是激励频率与被保护的结构或设备的自振频率的比值；
将相应参数代入式(8)，评估本装置隔振效果是否满足需求，如若不满足的话，从式(2)开始更改相应参数重新试算设计。
本发明的有益效果及优点：本装置通过可动线圈通电后电磁场与固定磁铁之间相互作用实现轴向负刚度，避免了基于预压缩弹簧、屈曲梁等传统方法连接复杂的缺点；进一步，通过引入柔性支撑实现前述轴向负刚度的有效放大，比如，同样实现-100kN/m的负刚度，传统方法需要较大的预压缩弹簧或者屈曲梁尺寸，而本发明在轴向负刚度为-20kN/m时，配合刚度为25kN/m的柔性支撑即可实现传统方法-100kN/m的效果，即本发明的装置更加经济，紧凑和高效。
附图说明
图1为柔性支撑电磁式准零刚度隔振装置示意图；
图2为本发明用于竖向隔振的示意图；
图3为按本发明所提方法设计的柔性支撑对原有负刚度和阻尼部分的放大效果图；
图4为按本发明所提方法设计的隔振装置加速度传递系数对比图；
其中1、上盖板，2、柔性支撑元件，3、直线光轴，4、缸体，5、上空腔，6、固定磁铁，7、可动线圈，8、下空腔，9、活塞头，10、正刚度弹性元件，11、下底板。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步详细说明：
实施例1，
如图1所示，一种柔性支撑电磁式准零刚度隔振装置，包括上盖板，柔性支撑元件，直线光轴，缸体，固定磁铁，可动线圈，活塞头，正刚度弹性元件和下底板，所述的上盖板和下底板之间固定连接有正刚度弹性元件，其特征在于：所述的缸体的底部与下底板固定连接，所述的缸体内部沿径向设置有互为封闭的上、下空腔，活塞头位于下空腔内，直线光轴安装在在缸体内部，直线光轴的下端与活塞头固定连接，直线光轴的上端穿出缸体，并与柔性支撑元件的下端固定连接，柔性支撑元件的上端与上盖板固定连接，上空腔内部的上端和下端分别固定连接有固定磁铁，直线光轴位于缸体内部的一段上固定连接有可动线圈，并且该可动线圈位于两个固定磁铁之间；两个固定磁铁的磁极方向相同；当给可动线圈通电时，其产生磁场，与两个固定磁铁相互作用，提供电磁负刚度出力，下空腔内充满粘滞硅油，活塞头在其中上下运动时产生粘滞阻尼力。如图2所示，上盖板上放置被保护的结构或设备，通过这种连接方式，本发明所述的隔振装置达到隔离竖向振动的目的。可动线圈在通电流下与上空腔内的固定磁铁相互作用提供负刚度出力，而活塞头在下空腔内运动时产生阻尼力，而后通过柔性支撑元件对负刚度和阻尼力进行有效放大，结合正刚度弹性元件，使本隔振装置的整体刚度降低到接近零值，实现准零刚度隔振效果。
实施例2，
根据实施例1所述的结构，其各参数设计如下，根据被保护的结构或设备具体的质量和容许振动值，确定正刚度弹性元件的刚度k
Figure BDA0002276837420000051
式中m是被保护的结构或设备简化成单自由度后的质量；
g是重力加速度；
d0是被保护的结构或设备容许位移；
然后，根据可动线圈的具体圈数和固定磁铁参数，确定上述二者之间产生的负刚度为kn，有
Figure BDA0002276837420000052
式中kn是可动线圈在两个固定磁铁之间产生的负刚度；
γk是无量纲参数；而柔性支撑元件的刚度k1按下式确定
k1＝γkkn (3)
通过选取粘滞硅油的型号，活塞头产生的阻尼在下式限定的范围内
Figure BDA0002276837420000053
式中，ω是外界激励频率；c是阻尼系数；
电磁负刚度出力先与粘滞阻尼力并联，而后与柔性支撑元件串联，能够实现的等效刚度和阻尼为：
Figure BDA0002276837420000061
Figure BDA0002276837420000062
式中ke是柔性支撑部分的等效刚度；ce是柔性支撑部分的等效阻尼。
最后是评估本装置用于设备隔振时的效果，本装置应用时，隔振系统运动方程为
Figure BDA0002276837420000063
式中
Figure BDA0002276837420000064
u分别是加速度、速度和位移响应；
Figure BDA0002276837420000065
是外部激励，
考虑外部激励是不同频率的正弦荷载时，本装置所能实现的传递系数如下
Figure BDA0002276837420000066
式中TR是传递系数，表示响应的最大加速度与激励最大加速度比值；
Figure BDA0002276837420000067
是没有柔性支撑部分时的自振频率；
θ＝ω/ωn是激励频率与被保护的结构或设备的自振频率的比值；
将相应参数代入式(8)，评估本装置隔振效果是否满足需求，如若不满足的话，从式(2)开始更改相应参数重新试算设计。
如图3所示，是按本发明所提出的设计方法在具体应用时的一个算例。图中横轴是激振频率，而纵轴分别是公式(5)和(6)所示的刚度与阻尼放大系数。在图示频率范围内，当支撑较刚时，刚度和阻尼放大系数稍微大于1，放大效果不显著；当支撑较柔时，刚度和阻尼放大系数均远远大于1，表明本发明及其设计方法所选取的参数有较优的放大效果，且支撑越柔，放大系数越大，以较小的代价，实现了在一定频率范围内较大的等效负刚度和阻尼。
实施例3，
如图4所示，是本发明所提出的隔振装置的加速度传递系数对比图。横轴是无量纲频率比ω/ωn，纵轴是传递系数。当支撑为较刚时，传递系数TR在ω/ωn＝1达到峰值46,而后随着频率的增加而减小；随着支撑变柔，传递系数TR逐渐向左移动，最后在ω/ωn＝0时取得最大值1，而后随着频率的增大一直减小，表明被保护的结构在图示频率范围内的响应一直小于外部激励，即本发明的隔振装置实现准零隔振效果，在图示频率范围可以高效的减小外界振动的干扰。
本发明针对传统隔振装置构造复杂，构造内缺乏对负刚度有效放大机制等缺点，提供了一种柔性支撑电磁式准零刚度隔振装置，在简化设计构造的同时，以较小的代价实现整体刚度的大幅降低和隔振性能的高效提升，适用于对隔振有严格需求的结构或设备。

Claims (3)

1.一种柔性支撑电磁式准零刚度隔振装置，包括上盖板，柔性支撑元件，直线光轴，缸体，固定磁铁，可动线圈，活塞头，正刚度弹性元件和下底板，所述的上盖板和下底板之间固定连接有正刚度弹性元件，其特征在于：所述的缸体的底部与下底板固定连接，所述的缸体内部沿径向设置有互为封闭的上、下空腔，活塞头位于下空腔内，直线光轴安装在在缸体内部，直线光轴的下端与活塞头固定连接，直线光轴的上端穿出缸体，并与柔性支撑元件的下端固定连接，柔性支撑元件的上端与上盖板固定连接，上空腔内部的上端和下端分别固定连接有固定磁铁，直线光轴位于缸体内部的一段上固定连接有可动线圈，并且该可动线圈位于两个固定磁铁之间；两个固定磁铁的磁极方向相同；当给可动线圈通电时，其产生磁场，与两个固定磁铁相互作用，提供电磁负刚度出力，下空腔内充满粘滞硅油，活塞头在其中上下运动时产生粘滞阻尼力。
2.根据权利要求1所述的一种柔性支撑电磁式准零刚度隔振装置，其特征在于：根据被保护的结构或设备具体的质量和容许振动值，确定正刚度弹性元件的刚度k
Figure FDA0002276837410000011
式中m是被保护的结构或设备简化成单自由度后的质量；
g是重力加速度；
d0是被保护的结构或设备容许位移；
然后，根据可动线圈的具体圈数和固定磁铁参数，确定上述二者之间产生的负刚度为kn，有
Figure FDA0002276837410000012
式中kn是可动线圈在两个固定磁铁之间产生的负刚度；
γk是无量纲参数；而柔性支撑元件的刚度k1按下式确定
k1＝γkkn (3)
通过选取粘滞硅油的型号，活塞头产生的阻尼在下式限定的范围内
式中，ω是外界激励频率；c是阻尼系数；
电磁负刚度出力先与粘滞阻尼力并联，而后与柔性支撑元件串联，能够实现的等效刚度和阻尼为：
Figure FDA0002276837410000022
Figure FDA0002276837410000023
式中ke是柔性支撑部分的等效刚度；ce是柔性支撑部分的等效阻尼。
3.根据权利要求2所述的一种柔性支撑电磁式准零刚度隔振装置，其特征在于：本装置应用时，其隔振系统运动方程为
Figure FDA0002276837410000024
式中u分别是加速度、速度和位移响应；是外部激励，
考虑外部激励是不同频率的正弦荷载时，本装置所能实现的传递系数如下
式中TR是传递系数，表示响应的最大加速度与激励最大加速度比值；
是没有柔性支撑部分时的自振频率；
θ＝ω/ωn是激励频率与被保护的结构或设备的自振频率的比值；
将相应参数代入式(8)，评估本装置隔振效果是否满足需求，如若不满足的话，从式(2)开始更改相应参数重新试算设计。
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