CN111075873A - 一种负载可变的超低频隔振器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负载可变的超低频隔振器，包括矩形壳体、隔振承台、承载杆、第一连接杆、第二连接杆、第一负刚度元件、第二负刚度元件、固定板和线性弹性元件，第一刚度元件与第二刚度元件互相匹配形成双负刚，并与线性弹性元件形成正负刚度并联。本发明能够实现隔振系统的超低固有频率，并能适应负载在一定范围内的变化，而不需要对隔振器的工作点进行调节，保持隔振器在不同的隔振负载下的性能稳定性，并消除振幅对隔振系统性能的影响。另外本发明还提供了一种负载可变的超低频隔振器的设计方法。

Description

一种负载可变的超低频隔振器及其设计方法

技术领域

本发明涉及到超低频减振隔振领域，具体公开了一种负载可变的超低频隔振器及其涉及方法。

技术背景

随着超精密机械加工、半导体加工、微纳制造等为代表的一系列超精密加工和测量技术不断发展，其加工与测量精度也越来越接近物理极限，因此微小的环境振动都有可能导致其加工或检测失效。为了保证加工、测量精度，该类加工测量装备对环境振动提出了极高的要求。通常来说，环境振动一般分布在低频超低频范围，并且分布在一定的频带范围。因此，低频超低频振动已经成为了制约加工、测量精度实现的关键因素。虽然，通过降低系统的刚度和增加负载质量可以降低固有频率，但降低刚度会使得隔振器的静态变形显著增加，同时增加负载质量使得隔振系统体积庞大，无法满足隔振减振的实际需求。

为了进一步降低隔振器的固有频率并保证其承载能力，负刚度技术在减振领域得到了广泛的应用。采用负刚度技术能够在不改变隔振器静态承载力的情况下，显著地降低隔振器的固有频率、提升其低频隔振性能。一种名称为“正负刚度弹性元件并联的减振装置”(申请号：CN85109107)的发明专利提出了基于欧拉压杆的负刚度机构，以降低减振系统的固有频率。一种名称为“一种负刚度磁弹簧”(CN201210284870.7)的发明专利提出了一种排斥型负刚度磁弹簧，如将其应用到隔振器将能有效地降低系统的固有频率。一种名称为“一种三自由度超低频减振器”(申请号：CN201310187711.X)的发明专利提出了垂向基于磁正刚度和磁负刚度并联，水平向基于正刚度片簧和磁负刚度并联的三自由度低频减振器。一种名称为“一种正负刚度并联减振器”(申请号为CN201310142491.9)的发明专利提出了一种基于正刚度空气弹簧和负刚度磁弹簧并联的减振器，正刚度空气弹簧和负刚度磁弹簧并联布置，负刚度磁弹簧安装在空气弹簧腔室内。

虽然基于正负刚度匹配的隔振器的专利大量被提出，也在一定程度上解决了隔振系统的固有频率过高的问题。然而不可忽略的是现阶段提出的解决方案中，隔振器在工作点附近都表现出了显著的强非线性刚度特性，隔振器有效的正负刚度匹配线性区间极其狭窄，因此对隔振器的工作点提出了严格十分的严格的要求，因此在现有的解决方案中都是通过设计附加的工作点调整装置，通过人工调整工作点的位置，使得隔振器工作在预设的平衡位置，这对隔振器在实际工作中的应用带了的不便，隔振器不能自主适应负载的变化。同时，现有的匹配后的隔振器表现出了刚度渐硬化特性，从而使得隔振器的性能显著依赖于振源的振幅，其使用受到了极大的限制。因此，如何能保证隔振系统在能适应载荷在一定范围内变化，并保证隔振系统的工作及其性能的稳定，有着十分重要的意义。

发明内容

本发明为解决上述缺陷，提供一种负载可变的超低频隔振器。该隔振器结构紧凑、制造简单、成本低，采用负刚度匹配、正负刚度并联的原理，使得隔振器具有极低的固有频率，能显著扩展减振带宽，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，本发明提供的隔振器能有效克服现有隔振系统对隔振负载适应性能差的缺点，对工作点没严格要求，同时具有结构十分简单，成本低廉的优点。其具体技术方案如下：

一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：包括矩形壳体、隔振承台、承载杆、第一连接杆、第二连接杆、第一负刚度元件、第二负刚度元件、固定板和线性弹性元件，所述承载杆的一端与隔振承台固定连接，另一端穿过矩形壳体的顶部且通过上部导向轴承与矩形壳体连接；所述第一负刚度元件包括上部左侧矩形永磁体、上部中心矩形永磁体以及上部右侧矩形永磁体，所述上部中心矩形永磁体与承载杆固定连接，所述上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体分别与矩形壳体的内侧壁固定连接；所述第二负刚度元件包括下部左侧矩形永磁体、下部中心矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体，所述第一连接杆的一端与上部中心矩形永磁体固定连接，另一端与下部中心矩形永磁体固定连接，所述下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体分别与矩形壳体的内侧壁固定连接；所述固定板位于矩形壳体内且与矩形壳体的内侧壁固定连接，所述第二连接杆的一端与下部中心矩形永磁体固定连接，另一端穿过固定板与线性弹性元件固定连接，所述第二连接杆通过下部导向轴承与固定板连接。

进一步的，所述第一负刚度元件与第二刚度元件通过隔磁板分隔，所述隔磁板与矩形壳体的内侧壁固定连接，且隔磁板的中部开设有通孔，所述第一连接杆穿过所述通孔。

进一步的，所述上部中心矩形永磁体和下部中心矩形永磁体的长、宽、高分别相等；所述上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的长、宽、高分别相等；所述下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体的长、宽、高分别相等。

进一步的，述上部左侧矩形永磁体、上部中心矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的重心垂向轴线位于同一平面内，且其重心水平轴线也位于同一平面内。

进一步的，所述上部左侧矩形永磁体、上部中心矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的水平方向为磁化方向，且相邻的永磁体之间互斥。

进一步的，所述下部左侧矩形永磁体、下部中心矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体的水平方向为磁化方向，且相邻的永磁体之间互斥。

进一步的，所述上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体沿上部中心矩形永磁体的垂向中心线对称分布；所述下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体沿下部中心矩形永磁体的垂向中心线对称分布。

另外本发明还公布了一种负载可变的超低频隔振器的设计方法，其具体技术方案包括如下步骤：

步骤一、根据隔振器负载质量以及负载的变化范围确定线性弹性元件的刚度系数，同时确定在负载变化范围内线性弹性元件的变形位移范围，将该位移范围作为实现负刚度元件匹配的线性负刚度的位移范围；

步骤二、根据隔振系统固有频率的要求，确定隔振器的综合刚度；根据步骤一中确定的线性弹性元件的刚度系数，进一步确定第一负刚度元件和第二负刚度元件在负刚度匹配后的线性负刚度的幅值；

步骤三、根据隔振器结构和体积的约束，分别确定上部中心矩形永磁体和下部中心矩形永磁体的长a1、宽b1、高c1，所述上部中心矩形永磁体和下部中心矩形永磁体的长、宽、高分别相等；同时确定上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的宽度b，所述上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的宽度相等；同时确定下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体的宽度b2，所述下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体的宽度相等，同时确定中心距h；随机给定上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体一长度，所述上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的长度相等；随机给定下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体一长度，所述下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体的长度相等；

步骤四、根据步骤一确定的负刚度元件匹配的位移范围、以及步骤三种确定的第一负刚度元件和第二负刚度元件的各永磁体的几何参数、以及中心距h，建立第一负刚度元件和第二负刚度元件的负刚度特性的力学模型；

步骤五、改变上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的高度，使得第一负刚度元件的刚度特性呈凹特性分布；同时改变下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体的高度，使得第二负刚度元件的刚度特性呈凸特性分布；分析第一负刚度元件和第二负刚度元件并联后，其负刚度匹配后的总体负刚度非线性分量的变化规律，当负刚度匹配后的负刚度特性的非线性分量为零时，确定上部左侧矩形永磁体、上部右侧矩形永磁体的高度c，以及下部左侧矩形永磁体、下部右侧矩形永磁体的高度c2；

步骤六、基于步骤三和步骤五中所确定的第一负刚度元件和第二负刚度元件的各永磁体的几何参数、以及步骤三中随机给定的上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的长度、以及步骤三中随机给定的下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体长度，判断第一负刚度元件和第二负刚度元件的负刚度匹配后的负刚度幅值是否与步骤二中确定的线性负刚度的幅值是否一致，若不一致，则调整上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的长度、下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体长度；若一致则，则确定当前上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的长度a，以及下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体长度a2；

根据上述步骤所确定的上部中心矩形永磁体和下部中心矩形永磁体的长a1、宽b1、高c1，上部左侧矩形永磁体和上部右侧矩形永磁体的长a、宽b、高c，下部左侧矩形永磁体和下部右侧矩形永磁体的长a2、宽b2、高c2，即为各永磁体的几何尺寸。

有益效果：1.本发明采用双负刚度匹配以及正负刚度并联的结构，可以达到极地的动刚度，有效降低隔振器的隔振下限截止频率，扩展隔振宽带；

2.本发明采用负刚度匹配以实现大的线性负刚度特性位移区间，使得隔振系统在大范围负载变化的情况下，都能保持刚度特性不变；

3.本发明不需要对隔振器的工作点进行调节，使得隔振器在负载变化情况下都能工作在下线刚度区间，防止负载变化带来的性能改变，同时消除振幅对性能的影响；

4.本发明隔振器中的负刚度元件其结构采用了矩形永磁体结构，使得整个隔振器结构紧凑，同时在加工和制造、装配成本更加低廉；

5.通过本发明所公开的设计方法能实现隔振器在工作点附近具有线性低刚度特性，能有效地消除确保在不同振幅下的隔振器性能的稳定性。

6.本发明提供的隔振器的组合可以实现对多个自由度的重载隔振。

附图说明

图1为本发明隔振器的结构示意图；

图2为图1沿A-A的剖面示意图；

图3为图1沿B-B的剖面示意图；

图4为第一负刚度元件和第二负刚度元件的几何尺寸示意图；

图5为第一负刚度元件和第二负刚度元件的磁化示意图；

图6为本发明负刚度曲线示意图；

图7为本发明在负载可变负刚度特性曲线在中心永磁体高度固定时，左侧和右侧永磁体高度变化是的负刚度特性的变化曲线；

图8本发明负载可变的超低频隔振器的设计方法流程图。

附图标记：1-隔振承台；2-承载杆；3-上部导向轴承；4-上部中心矩形永磁体；5-矩形壳体；6-上部左侧矩形永磁体；7-上部右侧矩形永磁体；8-下部左侧矩形永磁体；9-下部中心矩形永磁体；10-下部右侧矩形永磁体；11-线性弹性元件；12-第二连接杆；13-隔磁板；14-第一连接杆；15-固定板；16-下部导向轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，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。

如图1所示，本发明所公开的一种负载可变的超低频隔振器，包括隔振承台1、矩形壳体5、承载杆2、第一连接杆14、第二连接杆12、第一负刚度元件、第二负刚度元件、固定板15以及线性弹性元件11，所述第一负刚度元件和第二负刚度元件均位于矩形壳体5内部，所述第一负刚度元件包括上部左侧矩形永磁体6、上部中心矩形永磁体4和上部右侧矩形永磁体7，所述第二负刚度元件包括下部左侧矩形永磁体8、下部中心矩形永磁体9和下部右侧矩形永磁体10，所述隔振承台1位于矩形壳体5的外部，所述承载杆2的顶端与隔振承台1的底部固定连接，所述承载杆2的底端穿过矩形壳体5后与上部中心矩形永磁体4的顶部固定连接，并且承载杆2通过上部导向轴承3与矩形壳体5连接；所述上部中心矩形永磁体4通过第一连接杆14与下部中心矩形永磁体9固定连接，所述上部中心矩形永磁体4与下部中心矩形永磁体9之间设置有隔磁板13，使得第一负刚度元件和第二负刚度元件之间的负刚度特性互相独立而互不影响，所述隔磁板13与矩形壳体5的内侧壁固定连接，并且隔磁板13的中部开设有通孔，所述第一连接杆14从通孔中穿过；所述下部中心矩形永磁体9通过第二连接杆12与线性弹性元件11固定连接，所述下部中心矩形永磁体9与线性弹性元件11之间设置有固定板15，所述固定板15与矩形壳体5的内侧壁固定连接，所述第二连接杆12穿过固定板15且通过下部导向轴承16与固定板15连接，通过上述结构使得隔振承台1、上部中心矩形永磁体4和下部中心矩形永磁体9只能沿垂直方向运动。在本发明中线性弹性元件11包括但是不限于是钢弹簧、空气弹簧等。

如图2所示，所述上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7沿上部中心矩形永磁体4的垂向中心线对称分布，并且上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的长、宽、高分别相等；当位于初始位置时，所述上部左侧矩形永磁体6、上部中心矩形永磁体4和上部右侧矩形永磁体7的重心垂向轴线和重心水平轴线在均同一平面上；如图5所示，所述第一负刚度元件的水平方向为各永磁体的磁化方向，且相邻永磁体之间互斥。

如图3所示，所述下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10沿下部中心矩形永磁体9的垂向中心线对称分布，并且下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10的长、宽、高分别相等；当位于初始位置时，所述下部左侧矩形永磁体8、下部中心矩形永磁体9和下部右侧矩形永磁体10的重心垂向轴线和重心水平轴线在均同一平面上；如图5所示，所述第二负刚度元件的水平方向为各永磁体的磁化方向，且相邻永磁体之间互斥。

以下对隔振器的原理及其设计方法进行详细的说明：在所提出的隔振器中，隔振器的承载能力由线性弹性元件11来实现。通过上部中心矩形永磁体4、上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7构成的第一负刚度元件和下部中心矩形永磁体9、下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10构成的第二负刚度元件并联，通过负刚度匹配实现的大位移范围的线性负刚度，通过线性弹性元件11的正刚度和刚度匹配实现的大位移范围的线性负刚度并联，不仅可以使得隔振器具有超低的固有频率，同时可以使得隔振器具有大位移范围的高静刚度和动刚度特性，因此能够适应不同的负载，在不同的负载情况下都可以保持隔振器的稳定性，并消除振幅对隔振器性能的影响。

在本发明中，上部中心矩形永磁体4和下部中心矩形永磁体9的长宽高为a1，b1和c1；上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的长宽高分别为a，b和c；下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10的长宽高为a2，b2和c2。同时上部中心矩形永磁体4与上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的中心距均为h，同时下部中心矩形永磁体9与下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10的中心距均为h。上部中心矩形永磁体4、上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的磁化向如图5中所示，上部中心矩形永磁体4与上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7磁极呈排斥型布置。同样的，下部中心矩形永磁体9、下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10的磁化向如图5中所示，下部中心矩形永磁体9与下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10磁极呈排斥型布置。同时上部中心矩形永磁体4和下部中心矩形永磁体9处于固定连接状态。以上部中心矩形永磁体4、上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7构成的第一负刚度元件或是以下部中心矩形永磁体9、下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10构成的第二负刚度元件为例，其刚度特性如图6所示：负刚元件的刚度特性是中心矩形永磁体与右侧矩形永磁体和左侧矩形永磁体的垂向重心位置位移偏差x的二次函数，可以用表达式K＝k₀x+k₁x²来表达，其中系数k₀代表了负刚度的强度，二次分量系数k₁代表了负刚度的非线性分量，同时二次分量系数的符号代表了负刚度特性曲线的凹凸特性，当k₁为正时代表负刚度特性呈凹特性分布，当k₁符号为负时代表负刚度特性呈凸特性分布。同时，在保持中心矩形永磁体高度不变的情况下，同步改变左侧矩形永磁体和右侧永磁体的高度时，负刚度元件的刚度特性的变化规律如图7所示：当左侧矩形永磁体和右侧矩形永磁体的从高度1开始，按照高度值序号，左侧和右侧矩形永磁体的高度依次增加时，负刚度元件对应刚度曲线的形状从凸状变为凹状，最后再变成凸状，这也表明负刚度元件的负刚度非线性分量从负变正，然后再从正变为负。因此，通过固定上部中心矩形永磁体4和下部中心矩形永磁体9高度c1的情况下，通过同步调整上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的高度c以及下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10的高度c2，可以使得其中一个负刚度元件的负刚度特性成凹状分布，另外一个负刚度元件的负刚度特性成凸状分布，并且两者的非线性刚度分量k₁的数值大小相等，符号相反。通过两者的负刚度特性的匹配，从而可实现大范围平直的线性负刚度特性。最后与线性弹性元件11的正刚度并联得到的隔振器在大位移范围内的高静刚度低动刚度的特性，从而实现隔振系统的超低固有频率，并能适应负载在一定范围内的变化，而不需要对隔振器的工作点进行调节，保持隔振器在不同的隔振负载下的性能稳定性，并消除振幅对隔振系统性能的影响，在本发明中工作点指的是，当负载重力和隔振器承载力相等的时候，隔振器的稳定点，也就是平衡位置。

下面结合图8对负载可变超低频隔振器的设计方法进行详细说明，具体包括如下步骤：

步骤一、根据隔振器负载质量以及负载的变化范围确定线性弹性元件11的刚度系数，同时确定在负载变化范围内线性弹性元件11的变形位移范围，将该位移范围作为实现负刚度元件匹配的线性负刚度的位移范围；

步骤二、根据隔振系统固有频率的要求，确定隔振器的综合刚度；根据步骤一中确定的线性弹性元件11的刚度系数，进一步确定第一负刚度元件和第二负刚度元件在负刚度匹配后的线性负刚度的幅值；

步骤三、根据隔振器结构和体积的约束，分别确定上部中心矩形永磁体4和下部中心矩形永磁体9的长a1、宽b1、高c1，所述上部中心矩形永磁体4和下部中心矩形永磁体9的长、宽、高分别相等；同时确定上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的宽度b，所述上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的宽度相等；同时确定下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10的宽度b2，所述下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10的宽度相等，同时确定中心距h；随机给定上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7一长度，所述上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的长度相等；随机给定下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10一长度，所述下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10的长度相等；

步骤四、根据步骤一确定的负刚度元件匹配的位移范围、以及步骤三种确定的第一负刚度元件和第二负刚度元件的各永磁体的几何参数、以及中心距h，建立第一负刚度元件和第二负刚度元件的负刚度特性的力学模型；

步骤五、改变上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的高度，使得第一负刚度元件的刚度特性呈凹特性分布；同时改变下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10的高度，使得第二负刚度元件的刚度特性呈凸特性分布；分析第一负刚度元件和第二负刚度元件并联后，其负刚度匹配后的总体负刚度非线性分量的变化规律，当负刚度匹配后的负刚度特性的非线性分量为零时，确定上部左侧矩形永磁体6、上部右侧矩形永磁体7的高度c，以及下部左侧矩形永磁体8、下部右侧矩形永磁体10的高度c2；

步骤六、基于步骤三和步骤五中所确定的第一负刚度元件和第二负刚度元件的各永磁体的几何参数、以及步骤三中随机给定的上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的长度、以及步骤三中随机给定的下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10长度，判断第一负刚度元件和第二负刚度元件的负刚度匹配后的负刚度幅值是否与步骤二中确定的线性负刚度的幅值是否一致，若不一致，则调整上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的长度、下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10长度；若一致则，则确定当前上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的长度a，以及下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10长度a2；

根据上述步骤所确定的上部中心矩形永磁体4和下部中心矩形永磁体9的长a1、宽b1、高c1，上部左侧矩形永磁体6和上部右侧矩形永磁体7的长a、宽b、高c，下部左侧矩形永磁体8和下部右侧矩形永磁体10的长a2、宽b2、高c2，即为各永磁体的几何尺寸。

通过以上设计步骤可以完全确定隔振器的设计参数，通过负刚度匹配消除非线性刚度特性，可以获得大位移范围内的线性负刚度，因此负载变化时，工作点可以在线性负刚度区间内移动，可以使隔振器在负载变化范围内，保持线性刚度特性以及高静刚度低动刚度的刚度特性，从而消除隔振负载对隔振器性能的影响，保持隔振器的稳定性，同时可以有效地消除振幅对隔振性能的制约。

显然，通过以上提出的设计方法既可以满足隔振器对超低固有频率和承载能力的要求，同时能够使得隔振器在不同负载的情况下都能在工作点附近保持线性低刚度特性，从而能消除负载变化以及振幅对隔振器性能的制约，从而实现优异的低频隔振性能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：包括矩形壳体(5)、隔振承台(1)、承载杆(2)、第一连接杆(14)、第二连接杆(12)、第一负刚度元件、第二负刚度元件、固定板(15)和线性弹性元件(11)，所述承载杆(2)的一端与隔振承台(1)固定连接，另一端穿过矩形壳体(5)的顶部且通过上部导向轴承(3)与矩形壳体(5)连接；所述第一负刚度元件包括上部左侧矩形永磁体(6)、上部中心矩形永磁体(4)以及上部右侧矩形永磁体(7)，所述上部中心矩形永磁体(4)与承载杆(2)固定连接，所述上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)分别与矩形壳体(5)的内侧壁固定连接；所述第二负刚度元件包括下部左侧矩形永磁体(8)、下部中心矩形永磁体(9)和下部右侧矩形永磁体(10)，所述第一连接杆(14)的一端与上部中心矩形永磁体(4)固定连接，另一端与下部中心矩形永磁体(9)固定连接，所述下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)分别与矩形壳体(5)的内侧壁固定连接；所述固定板(15)位于矩形壳体(5)内且与矩形壳体(5)的内侧壁固定连接，所述第二连接杆(12)的一端与下部中心矩形永磁体(9)固定连接，另一端穿过固定板(15)与线性弹性元件(11)固定连接，所述第二连接杆(12)通过下部导向轴承(16)与固定板(15)连接。

2.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述第一负刚度元件与第二刚度元件通过隔磁板(13)分隔，所述隔磁板(13)与矩形壳体(5)的内侧壁固定连接，且隔磁板(13)的中部开设有通孔，所述第一连接杆(14)穿过所述通孔。

3.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述上部中心矩形永磁体(4)和下部中心矩形永磁体(9)的长、宽、高分别相等；所述上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)的长、宽、高分别相等；所述下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)的长、宽、高分别相等。

4.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述上部左侧矩形永磁体(6)、上部中心矩形永磁体(4)和上部右侧矩形永磁体(7)的重心垂向轴线位于同一平面内，且其重心水平轴线也位于同一平面内。

5.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述下部左侧矩形永磁体(8)、下部中心矩形永磁体(9)和下部右侧矩形永磁体(10)的重心垂向轴线位于同一平面内，且其重心水平轴线也位于同一平面内。

6.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述上部左侧矩形永磁体(6)、上部中心矩形永磁体(4)和上部右侧矩形永磁体(7)的水平方向为磁化方向，且相邻的永磁体之间互斥。

7.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述下部左侧矩形永磁体(8)、下部中心矩形永磁体(9)和下部右侧矩形永磁体(10)的水平方向为磁化方向，且相邻的永磁体之间互斥。

8.根据权利要求1所述的一种负载可变的超低频隔振器，其特征在于：所述上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)沿上部中心矩形永磁体(4)的垂向中心线对称分布；所述下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)沿下部中心矩形永磁体(9)的垂向中心线对称分布。

9.一种根据权利要求1～8任一项所述的负载可变的超低频隔振器的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、根据隔振器负载质量以及负载的变化范围确定线性弹性元件(11)的刚度系数，同时确定在负载变化范围内线性弹性元件(11)的变形位移范围，将该位移范围作为实现负刚度元件匹配的线性负刚度的位移范围；

步骤二、根据隔振系统固有频率的要求，确定隔振器的综合刚度；根据步骤一中确定的线性弹性元件(11)的刚度系数，进一步确定第一负刚度元件和第二负刚度元件在负刚度匹配后的线性负刚度的幅值；

步骤三、根据隔振器结构和体积的约束，分别确定上部中心矩形永磁体(4)和下部中心矩形永磁体(9)的长a1、宽b1、高c1，所述上部中心矩形永磁体(4)和下部中心矩形永磁体(9)的长、宽、高分别相等；同时确定上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)的宽度b，所述上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)的宽度相等；同时确定下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)的宽度b2，所述下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)的宽度相等，同时确定中心距h；随机给定上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)一长度，所述上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)的长度相等；随机给定下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)一长度，所述下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)的长度相等；

步骤四、根据步骤一确定的负刚度元件匹配的位移范围、以及步骤三种确定的第一负刚度元件和第二负刚度元件的各永磁体的几何参数、以及中心距h，建立第一负刚度元件和第二负刚度元件的负刚度特性的力学模型；

步骤五、改变上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)的高度，使得第一负刚度元件的刚度特性呈凹特性分布；同时改变下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)的高度，使得第二负刚度元件的刚度特性呈凸特性分布；分析第一负刚度元件和第二负刚度元件并联后，其负刚度匹配后的总体负刚度非线性分量的变化规律，当负刚度匹配后的负刚度特性的非线性分量为零时，确定上部左侧矩形永磁体(6)、上部右侧矩形永磁体(7)的高度c，以及下部左侧矩形永磁体(8)、下部右侧矩形永磁体(10)的高度c2；

步骤六、基于步骤三和步骤五中所确定的第一负刚度元件和第二负刚度元件的各永磁体的几何参数、以及步骤三中随机给定的上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)的长度、以及步骤三中随机给定的下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)的长度，判断第一负刚度元件和第二负刚度元件的负刚度匹配后的负刚度幅值是否与步骤二中确定的线性负刚度的幅值是否一致，若不一致，则调整上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)的长度、下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)长度；若一致则，则确定当前上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)的长度a，以及下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)长度a2；

根据上述步骤所确定的上部中心矩形永磁体(4)和下部中心矩形永磁体(9)的长a1、宽b1、高c1，上部左侧矩形永磁体(6)和上部右侧矩形永磁体(7)的长a、宽b、高c，下部左侧矩形永磁体(8)和下部右侧矩形永磁体(10)的长a2、宽b2、高c2，即为各永磁体的几何尺寸。

Images