CN111692257A - 一种挤压膜式自调谐吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明申请公开了一种挤压膜式自调谐吸振器，属于减振领域，其包括弹簧振子和挤压底板，所述弹簧振子和挤压底板之间设置有液膜，弹簧振子振动时挤压液膜产生阻尼力耗散振动能量，所述弹簧振子和挤压底板的挤压面具有超疏水特性或者表面孔隙结构以降低阻尼力，从而能增加弹簧振子对微振动的敏感性，以实现微振动吸振，通过调节弹簧振子和挤压底板的间隙来改变挤压膜厚从而改变惯性系数，实现吸振器固有频率的调谐。本发明可实现微米级振动的吸振，具有对微小振动响应灵敏、固有频率调节响应快、抗冲击能力强的优点。

Description

一种挤压膜式自调谐吸振器

技术领域

本发明属于超精密减振领域，更具体地，涉及一种挤压膜式自调谐吸振器。

背景技术

微振动对电子力显微镜、光刻机等高端装备的影响极大，肉眼不可见的振动已经影响到设备的正常运行。现有主动控制技术可实现在传递路径上对微振动的抑制，但系统内部运动部件会产生振动，而且经过隔振后仍存在残余振动，因此需要进一步通过吸振的方式消除振动。

传统的动力吸振器为典型的弹簧阻尼系统，通过安装于被吸振主体，转移部分振动能量，把振动能量转化为阻尼部件的内能耗散，由于设计制造简单，运行可靠，在汽车、航空航天等领域有着较为广泛的应用。传统动力吸振器要有较好的效果的关键在于刚度和阻尼系统的匹配，吸振器的固有频率要接近系统主振动频率，阻尼太大或者太小，都会影响吸振的效果。传统吸振器的负载质量、刚度和阻尼一般都不可调，这就造成了吸振器的工作带宽较窄，对于宽频域或者时变振动的对象应用效果较差。且对于特殊的超精密仪器的微振动应用场景，传统动力吸振器对于微米级甚至纳米级响应的灵敏度有待探索。这就需要可调谐动力吸振器技术来根据被吸振对象的时变振动频率自适应调整固有频率，同时利用非线性增加动力吸振带宽，达到较好的吸振效果。

对于可调谐的动力吸振器，一般是通过调节质量和刚度来改变固有频率，调整质量的途径可通过注入或者吸出相应质量的水来实现，改变刚度则可通过调节简支杆的长度来实现，但是都存在调谐响应时间长的问题，且质量的改变容易引起主系统的动力学特性发生改变，这是不希望出现的。受迫振动非线性的实现则可通过增加磁斥力或者利用结构的内共振等方式实现，阻尼的调节可通过改变磁流变液所处的磁场强度来实现，但对于某些需要磁屏蔽的应用场景，不允许有磁场的存在。

综上所述，针对微振动的动力吸振需求，亟需研究一种调谐响应快，对微振动敏感，且具有非线性宽频域的动力吸振装置和方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种挤压膜式自调谐吸振器，在吸振器的弹簧振子和挤压底板之间填充低粘度液体，动子振动时挤压液膜来提供阻尼力和惯性力，通过调节弹簧振子和挤压底板的间隙以改变液膜厚度，进而来改变吸振器的固有频率和阻尼力，从而实现快速调谐，宽频吸振。

为实现上述目的，本发明提出了一种挤压膜式自调谐吸振器，其包括弹簧振子和挤压底板，挤压底板和弹簧振子间设置有挤压件，挤压件间填充液体，挤压底板和弹簧振子间的间隙大小能够调节，所述液体在挤压件间形成挤压液膜，工作时，通过调节挤压底板和弹簧振子间的间隙大小以调节挤压液膜厚度，从而实现对吸振器的自调谐。

进一步的，在挤压液膜上下表面分别设置有第一挤压件和第二挤压件，第一挤压件和第二挤压件均具有被挤压面和安装面，第一挤压件安装面与弹簧振子的底面连接，第二挤压件的安装面与挤压底板的上表面连接，第一挤压件的挤压面和第二挤压件的挤压面同时与液体直接接触，形成挤压液膜。

进一步的，第一挤压件和第二挤压件与挤压液膜相接触的面均具有超疏水性，其接触角度大于100°，或者第一挤压件和第二挤压件的被挤压面均具有射线状沟槽结构或表面孔隙结构。该超疏水性可以是通过化学反应或者涂覆疏水涂层实现。也可以是具有类似于为射线状沟槽结构或表面孔隙结构，也能实现减小阻尼，提高吸振效率的效果。

进一步的，挤压底板和弹簧振子间填充的液体盛装在容器中，所述液体为低粘度液体，其粘度小于10mPa.s，容器上设置有小孔，用于注入和回收低粘度液体。

进一步的，其还包括支撑架和片簧，片簧具有两片，两片片簧在竖直方向上相隔间距且在水平方向上交叉布置，每片片簧的两端均固定在支撑架上，支撑架固定在基座上。

进一步的，两片板簧的中间均设置有穿孔，以安装连接杆，连接杆一端穿插贯通两片板簧的中间通孔，连接杆的另一端垂直固定在弹簧振子上，连接杆能在垂直方向上实现自由上升和下降，从而实现弹簧振子的竖直方向上的单自由度振动。

进一步的，还包括垂向致动器，垂向致动器一端固定在基座上，另一端固定在挤压底板底面上，用于调节挤压底板的高度，从而调节弹簧振子和挤压底板间的间隙。

进一步的，其还包括一对垂向导轨，两根垂向导轨分别与挤压底板的两侧固定，用于配合垂向致动器实现对挤压底板高度的调节。

进一步的，其还包括加速度传感器、信号处理电路和驱动电路，该加速度传感器设置在基座上，其连接信号处理电路，信号处理电路输出控制信号至驱动电路，驱动电路与垂向致动器连接，以根据待测量对象的振动属性调节垂向致动器，最终实现对挤压液膜厚度的调节。

进一步的，所述垂向致动器为压电陶瓷栈、音圈电机或者滚珠丝杆。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

本发明中，弹簧振子和挤压底板之间设置有液膜，弹簧振子振动时挤压液膜产生阻尼力耗散振动能量，弹簧振子和挤压底板的挤压面具有超疏水特性或者表面孔隙结构以降低阻尼力，从而能增加弹簧振子对微振动的敏感性，以实现微振动吸振，通过调节弹簧振子和挤压底板的间隙来改变挤压膜厚从而改变惯性系数，实现吸振器固有频率的调谐。本发明可实现微米级振动的吸振，具有对微小振动响应灵敏、固有频率调节响应快、抗冲击能力强的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的一种挤压膜式自调谐吸振器的结构示意图；

图2是本发明的吸振器的动力学示意图；

图3是本发明实施例中不同挤压膜厚度的吸振器传递函数曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例提供的一种挤压膜式自调谐吸振器的结构示意图，由图可知，其包括弹簧振子4、支撑架1、板簧2、连接杆3、挤压底板6、第一挤压件5、第二挤压件8、容器7、垂向导轨9、垂向致动器10、基座11和加速度传感器12，在吸振器的弹簧振子4和挤压底板6之间设置有挤压件，挤压件间填充低粘度液体，以形成液膜，低粘度液体的粘度其粘度小于10mPa.s，弹簧振子4振动时，挤压液膜能提供非线性阻尼力和惯性力，通过调节弹簧振子和吸振器基座的间隙来改变液膜的厚度，从而能改变吸振器的固有频率和阻尼比，从而实现快速调谐，宽频吸振。

具体的，如图1所示，两片板簧2在垂直方向上相隔间距并相交叉排布，在垂直方向上两片板簧具有高度差，保持一定间隙，每片板簧的两端均设置在高度相同表面平整的支撑架1上，每一片板簧和每一个支撑架1形成一个“门”字框，两片板簧的中间均设置有穿孔，以安装连接杆3，连接杆3一端穿插贯通两片板簧的中间通孔，连接杆3的另一端固定有弹簧振子4，连接杆3能在垂直方向上实现自由上升和下降，从而实现弹簧振子的垂向单自由度振动。两根板簧2交叉排布是一种优选的方式。在弹簧振子4下表面通过螺纹孔安装有第一挤压件5。作为一种优选，第一挤压件5下表面具有射线状沟槽结构或表面孔隙结构，或者表面通过自组装单分子链实现超疏水。无论是超疏水性还是射线状沟槽结构或者表面孔隙结构，都能用于减小阻尼，提高吸振效率。第一挤压件5易于更换，以方便获得具有不同表面疏水特性或者微结构。

挤压底板6上安装有一个容器7，容器7可以为柔性的，容器7用于盛装液体，容器7底侧开设小孔用于注入和回收液体。作为一种优选的，挤压底板6为圆形，容器7形状为环形。紧贴挤压底板6上表面通过螺纹连接安装有第二挤压件8，第二挤压件8的上表面与挤压液膜直接接触。

挤压液膜上下分别设置有第一挤压件5和第二挤压件8，第一挤压件5下表面(挤压面)具有超疏水微结构，第二挤压件8上表面(挤压面)也具有超疏水微结构。第一、第二挤压件均容易更换，通过更换具有不同超疏水性能的第二挤压件8与第一挤压件5组合，用于实现不同边界条件的挤压膜特性。

作为一种优选的，选择第一挤压件5和挤压底板6为圆形有其巧妙之处，对于圆形挤压膜，根据NS方程推导出挤压膜力的解析解为：

式中，F为挤压膜力，R为挤压膜半径，μ液膜的粘度，h为挤压膜厚度，ρ为液膜的密度，其中附加质量m_w为

阻尼系数c为

π为圆周率。

图2是本发明的吸振器的动力学示意图，如图2所示，对于谐振子和挤压膜组成的单自由度系统，其固有频率为：

式中，k和m₀分别为谐振子的刚度和质量，m_w为挤压膜的附加质量，ω为吸振器的固有频率，由于m_w为h的函数，因此通过调节h，可改变吸振器的固有频率ω等于或者接近于被吸振系统的固有频率，从而实现吸振器的调谐。

被吸振系统的固有频率通过加速度传感器12测得基座的振动信号后经过快速傅里叶变换后转为频率信号，再通过查表得到对应的液膜厚度，进一步调节垂向致动器10高度从而实现对应厚度的液膜。作为一种优选的，垂向致动器10可以为压电陶瓷栈、音圈电机或者滚珠丝杆。

挤压膜式吸振系统的阻尼比为：

式中，各个参数的含义如上文所述。

实现吸振效果的关键是等效附加质量和阻尼比的调制，阻尼太大，系统对振动不敏感，阻尼太小则吸振效果差，等效附加质量系数大，则可改变的频带宽，吸振带宽大。

通过改变挤压面的亲疏水性为超疏水可降低系统阻尼的同时，对附加质量的影响较小，从而实现微振动吸振的效果。

式中，α和β分别为阻尼修正系数和惯性修正系数，均小于1，当液膜厚度小的时候可使阻尼系数c减小，如图3所示，图3是本发明实施例中不同挤压膜厚度的吸振器传递函数曲线，表面超疏水处理可以有效提高吸振器对微振动的响应，从而提高微振动对象的吸振效率。

除了表面疏水改性的方法外，所述第一挤压件5和第二挤压件8的表面微结构可为射线状沟槽结构或孔隙表面结构的一种，来实现减小阻尼而不降低附加质量的效果。

本发明申请中挤压膜式自调谐吸振器的工作方法如下：

在待吸振对象的设定位置处，放置本发明申请的挤压膜式自调谐吸振器，保证挤压膜式自调谐吸振器的板装基座11贴合在待减振位置处。被吸振系统的固有频率通过加速度传感器测得基座的振动信号后经过快速傅里叶变换后转为频率信号，再通过查表得到对应的液膜厚度。加速度传感器与信号处理电路连接，信号处理电路与驱动电路连接，驱动电路与垂向致动器连接，所述信号处理电路可采集加速度信号并进行快速FFT变换，并输出控制信号至驱动电路实现垂向致动器输出位移实现弹簧振子与挤压底板之间的初始间隙调节。调节垂向致动器10高度以调节弹簧振子4和挤压底板6之间的间隙，从而实现对挤压膜厚度的调节。调节挤压膜厚度即实现对吸振器的自调谐。从而能实现对不同待减振对象振动的吸收。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种挤压膜式自调谐吸振器，其特征在于，其包括弹簧振子(4)和挤压底板(6)，挤压底板(6)和弹簧振子(4)间设置有挤压件，挤压件间填充液体，挤压底板(6)和弹簧振子(4)间的间隙大小能够调节，所述液体在挤压件间形成挤压液膜，工作时，通过调节挤压底板(6)和弹簧振子(4)间的间隙大小以调节挤压液膜厚度，从而实现对吸振器的自调谐。

2.如权利要求1所述的一种挤压膜式自调谐吸振器，其特征在于，在挤压液膜上下表面分别设置有第一挤压件(5)和第二挤压件(8)，第一挤压件(5)和第二挤压件(8)均具有被挤压面和安装面，第一挤压件(5)安装面与弹簧振子(4)的底面连接，第二挤压件(8)的安装面与挤压底板(6)的上表面连接，第一挤压件(5)的挤压面和第二挤压件(8)的挤压面同时与液体直接接触，形成挤压液膜。

3.如权利要求2所述的一种挤压膜式自调谐吸振器，其特征在于，第一挤压件(5)和第二挤压件(8)与挤压液膜相接触的面均具有超疏水性，其接触角度大于100°，或者

第一挤压件(5)和第二挤压件(8)的被挤压面均具有射线状沟槽结构或表面孔隙结构，以用于减小阻尼，提高吸振效率。

4.如权利要求3所述的一种挤压膜式自调谐吸振器，其特征在于，挤压底板(6)和弹簧振子(4)间填充的液体盛装在容器(7)中，所述液体为低粘度液体，其粘度小于10mPa.s，容器上设置有小孔，用于注入和回收低粘度液体。

5.如权利要求4所述的一种挤压膜式自调谐吸振器，其特征在于，其还包括支撑架(1)和片簧(2)，片簧(2)具有两片，两片片簧(2)在竖直方向上相隔间距且在水平方向上交叉布置，每片片簧的两端均固定在支撑架1上，支撑架(1)固定在基座(11)上。

6.如权利要求5所述的一种挤压膜式自调谐吸振器，其特征在于，两片板簧的中间均设置有穿孔，以安装连接杆(3)，连接杆(3)一端穿插贯通两片板簧的中间通孔，连接杆(3)的另一端垂直固定在弹簧振子(4)上，连接杆(3)能在垂直方向上实现自由上升和下降，从而实现弹簧振子(4)的竖直方向上的单自由度振动。

7.如权利要求6所述的一种挤压膜式自调谐吸振器，其特征在于，还包括垂向致动器(10)，垂向致动器一端固定在基座(11)上，另一端固定在挤压底板(6)底面上，用于调节挤压底板(6)的高度，从而调节弹簧振子(4)和挤压底板(6)间的间隙。

8.如权利要求7所述的一种挤压膜式自调谐吸振器，其特征在于，其还包括一对垂向导轨(9)，两根垂向导轨(9)分别与挤压底板(6)的两侧固定，用于配合垂向致动器(10)实现对挤压底板(6)高度的调节。

9.如权利要求8所述的一种挤压膜式自调谐吸振器，其特征在于，其还包括加速度传感器、信号处理电路和驱动电路，该加速度传感器设置在基座(11)上，其连接信号处理电路，信号处理电路输出控制信号至驱动电路，驱动电路与垂向致动器连接，以根据待测量对象的振动属性调节垂向致动器，最终实现对挤压液膜厚度的调节。

10.如权利要求9所述的一种挤压膜式自调谐吸振器，其特征在于，所述垂向致动器为压电陶瓷栈、音圈电机或者滚珠丝杆。

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