CN111734776A - 基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器 - Google Patents

基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器 Download PDF

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Abstract

基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器属于精密隔振技术领域，四个水平放置的预压弹簧沿圆周阵列布置，内端与外端分别与负载连接件、固定框架固定连接，磁弹簧由上定磁铁、中间动磁铁和下定磁铁沿Z轴等间隙布置构成，上定磁铁和下定磁铁分别与固定框架、底板固定连接，中间动磁铁与负载连接件通过动磁铁连接件固定连接。本发明结构设计简单灵活、磁材料利用率高、实现精密仪器设备三自由度的低频/超低频隔振效果。

Description

基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器
技术领域
本发明属于精密隔振技术领域，特别是一种基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器。
背景技术
在精密仪器设备的装调、测试和实验过程中，环境中的低频微幅振动干扰成为影响研究效果的重点问题之一，为精密仪器设备配备低频隔振器逐渐成为精密工程领域抑制环境微振动的主要技术手段。低频隔振器多采用正负刚度结构并联或者串联的方式实现低频隔振效果，目前对单自由度及六自由度电磁隔振器的研究较多，而对三自由度电磁隔振器的研究较少。
专利号为CN201310187711.X公开了一种三自由度超低频减振器。在垂向上，该技术方案利用磁正刚度结构与磁负刚度结构并联实现低频隔振效果，磁正刚度结构与磁负刚度结构分别由同极磁铁间的斥力作用与异极磁铁间的引力作用实现；在水平方向上，采用片簧作为正刚度元件与水平向磁负刚度结构并联实现低频隔振效果，水平向的磁负刚度特性由垂向磁正刚度弹簧产生。该技术方案的特征在于：垂向磁负刚度结构仅利用了磁铁间引力作用在Z向上产生的负刚度特性，磁材料的利用率低，且需要运动导向机构以实现垂向磁负刚度结构沿X、Y方向运动的约束，结构复杂、体积大、制造成本高。
专利号为CN201811427114.9公开了一种多维磁负刚度机构及其构成的多维磁负刚度减振系统，该多维减振系统由正刚度机构和多维负刚度机构并联构成。正刚度机构是传统的弹性元件，用于连接被减振体和安装基座，提供X方向、Y方向和Z向的支撑和基本减振功能；多维负刚度机构由同极磁铁构成的一维负刚度磁组与二维负刚度磁组串联构成。该技术方案的特征在于：1)一维负刚度磁组利用磁铁间的斥力作用在Z向产生负刚度特性，而其沿X、Y方向的运动被直线导轨等运动导向机构限制，磁材料的利用率低，结构复杂、体积大、制造成本高；2)一维负刚度磁组与二维负刚度磁组均只能沿着某一特定的方向磁化，负刚度磁组的结构设计单一。
综上，如何通过电磁器的结构及原理创新，提供一种高磁材料利用率且无需运动导向机构的三自由度电磁隔振器对降低环境中的低频微幅振动干扰，保证精密仪器设备工作环境最优，进而进一步提高精密仪器设备的精度具有重大意义。
发明内容
本发明针对现有三自由度电磁隔振器的磁材料利用率低，且需要运动导向机构以实现特定方向刚度特性的问题，提供一种基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器，该三自由度电磁隔振器利用磁弹簧与四个沿圆周均布的水平预压弹簧并联实现三自由度的正度刚度结构并联隔振效果，可以有效提高磁材料的利用率，且无需运动导向结构；此外磁弹簧的磁化方向多样，结构设计灵活性高。
本发明的技术解决方案是：
一种基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器，包括连接结构、固定结构和弹簧结构，整体结构成轴对称，所述连接结构包括动磁铁连接件和负载连接件，负载连接件顶端与隔振负载固定连接；所述固定结构包括固定弹簧座、可调弹簧座、螺母、固定框架和底板，固定框架的底部与底板固定连接；可调弹簧座上设置外螺纹，所述弹簧结构包括磁弹簧和四个水平放置的预压弹簧，预压弹簧的预压缩量与原长的比值小于0.75，四个预压弹簧沿圆周阵列布置，内端通过四个固定弹簧座与负载连接件的侧壁固定连接，外端通过四个可调弹簧座、螺母与固定框架的侧壁固定连接；所述磁弹簧位于负载连接件的正下方，由中心开孔的上定磁铁、中间动磁铁和下定磁铁沿Z轴等间隙布置构成，上定磁铁、中间动磁铁和下定磁铁沿水平X轴或水平Y轴同向磁化，上定磁铁与固定框架固定连接，下定磁铁与底板固定连接，动磁铁连接件底部以轴线重合的方式固定安装在中间动磁铁中心的孔中，顶端穿过上定磁铁中心的孔固定安装在负载连接件的底部。
优选的，所述上定磁铁、中间动磁铁和下定磁铁的形状为立方体或者圆柱体。
优选的，所述预压弹簧为空气弹簧、橡胶弹簧、螺旋弹簧或磁弹簧。
优选的，所述上定磁铁、中间动磁铁和下定磁铁为永磁体或电磁铁。
本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
(1)该技术方案利用磁弹簧与四个沿圆周均布的水平预压弹簧并联实现了三自由度的电磁隔振，同时实现了高磁材料利用率及无导向机构的结构设计。利用磁弹簧在Z方向上产生的正刚度特性，X、Y方向上产生的负刚度特性与四个沿圆周均布的水平预压弹簧在Z方向上产生的负刚度特性，X、Y方向上产生的正刚度特性并联实现三自由度的低频隔振效果，磁弹簧与水平预压弹簧三个自由度的刚度特性均得到利用，从而显著地提高了磁材料的利用率；实际使用过程中不需要运动导向机构约束磁弹簧的运动，无导向机构的结构设计降低了隔振装置的复杂度及制造成本。这是本发明区别于现有技术的创新点之一。
(2)本发明可显著提高磁弹簧的设计灵活性。磁弹簧基于磁铁间的斥力作用实现，上定磁铁、中间动磁铁和下定磁铁可沿水平X轴、水平Y轴同向磁化；磁弹簧的磁化方向多样，突破现有技术方案中磁弹簧的磁化方向单一的限制，适用于不同磁铁形状、磁化工艺、刚度特性需求的场合。这是本发明区别于现有技术的创新点之二。
附图说明
图1为基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器的三维模型；
图2为基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器的三维剖视示意图；
图3为图1的俯视图；
图4为图3A-A剖面视图；
图5为四个水平放置的压缩弹簧处于平衡位置时的原理图；
图6为四个水平放置的压缩弹簧在X方向的隔振原理图；
图7为四个水平放置的压缩弹簧在Y方向的隔振原理图；
图8为四个水平放置的压缩弹簧在Z方向的隔振原理图；
图9为图3A-A剖面视图另一个实施例。
图中件号说明：1磁弹簧、1a上定磁铁、1b下定磁铁、1c中间动磁铁、2动磁铁连接件、3固定弹簧座、4预压弹簧、5可调弹簧座、6负载连接件、7螺母、8固定框架、9底板。
具体实施方式
一种基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器，包括连接结构、固定结构和弹簧结构，整体结构成轴对称，所述连接结构包括动磁铁连接件2和负载连接件6，负载连接件6顶端与隔振负载固定连接；所述固定结构包括固定弹簧座3、可调弹簧座5、螺母7、固定框架8和底板9，固定框架8的底部与底板9固定连接；可调弹簧座5上设置外螺纹，所述弹簧结构包括磁弹簧1和四个水平放置的预压弹簧4，预压弹簧4的预压缩量与原长的比值小于0.75，四个预压弹簧4沿圆周阵列布置，内端通过四个固定弹簧座3与负载连接件6的侧壁固定连接，外端通过四个可调弹簧座5、螺母7与固定框架8的侧壁固定连接；所述磁弹簧1位于负载连接件6的正下方，由中心开孔的上定磁铁1a、中间动磁铁1c和下定磁铁1b沿Z轴等间隙布置构成，上定磁铁1a、中间动磁铁1c和下定磁铁1b沿水平X轴或水平Y轴同向磁化，上定磁铁1a与固定框架8固定连接，下定磁铁1b与底板9固定连接，动磁铁连接件2底部以轴线重合的方式固定安装在中间动磁铁1c中心的孔中，顶端穿过上定磁铁1a中心的孔固定安装在负载连接件6的底部。
作为一种具体的实施方式，所述上定磁铁1a、中间动磁铁1c和下定磁铁1b的形状为立方体或者圆柱体。
作为一种具体的实施方式，所述预压弹簧4为空气弹簧、橡胶弹簧、螺旋弹簧或磁弹簧。
作为一种具体的实施方式，所述上定磁铁1a、中间动磁铁1c和下定磁铁1b为永磁体或电磁铁。
下面结合图1～图4给出本发明的一个实施例。
图1～图3分别为基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器的三维模型、三维剖视示意图、俯视图。固定框架8的正剖面为“H”形，截面为口字形，将三自由度电磁隔振器分为上下两层，上下层之间设置圆孔，材料为铝合金。水平预压弹簧4为圆柱形线性螺旋弹簧，刚度为k1，原长为L，预压缩量为Δl，且满足Δl＜0.75L，四个沿圆周均匀布置的预压弹簧4内端通过四个固定弹簧座3与负载连接件6的侧壁固定连接，外端通过四个可调弹簧座5、螺母7与固定框架8的侧壁固定连接，可调弹簧座5上设置的外螺纹与螺母7配合调节水平预压弹簧4的预压缩量，以改变三自由度隔振器的刚度值。磁弹簧1位于固定框架8下层，由上定磁铁1a、中间动磁铁1c和下定磁铁1b沿Z轴等间隙布置构成，上定磁铁1a、中间动磁铁1c和下定磁铁1b为中心设置圆孔的圆柱形永磁体，永磁体材料为N44H牌号钕铁硼，剩余磁感应强度Br＝1.34T，相对磁导率μr＝1.03。上定磁铁1a和下定磁铁1b中心开孔直径远大于动磁铁连接件2的直径，中间动磁铁1c中心开孔直径等于动磁铁连接件2的直径。上定磁铁1a和下定磁铁1b分别与固定框架8下层结构的顶端、底板9的上表面固定连接，动磁铁连接件2的底部以轴线重合的形式固定安装在中间动磁铁1c中心的圆孔内，顶端穿过上定磁铁1a和固定框架8上的圆孔同轴固定安装在负载连接件6底部的圆孔中。
上定磁铁1a、中间动磁铁1c和下定磁铁1b沿水平X轴正向磁化，磁化方向如图4中箭头方向所示。上定磁铁1a和下定磁铁1b的斥力作用使得中间动磁铁1c在Z向处于稳定平衡状态，呈现正刚度特性，在X、Y方向上处于不稳定的平衡状态，呈现负刚度特性。动磁铁连接件2和负载连接件6将磁弹簧1与四个沿圆周均布的预压弹簧4并联，即在X、Y方向上，水平预压弹簧4产生的正刚度与磁弹簧1产生的负刚度并联；在Z方向上，水平预压弹簧4产生的负刚度与磁弹簧1产生的正刚度并联；通过优化预压弹簧4与磁弹簧1的结构参数实现三自由度的低频隔振效果。
图5为四个水平放置的压缩弹簧处于平衡位置时的原理图。四个水平预压弹簧4沿圆周均匀布置于同一水平面上，由于结构的对称性，负载连接件6所受回复力为0。图6～图9分别为四个水平放置的压缩弹簧4在X方向、Y方向及Z方向的隔振原理图。外部振动干扰作用下，隔振负载通过负载连接件6带动四个水平放置的预压弹簧4运动时，计算可以得到负载连接件6所受回复力及刚度为：
Figure BDA0002560814680000051
Figure BDA0002560814680000052
由公式(2)计算得到：当Δl＝0.75L时，沿圆周均匀布置的四个水平预压弹簧4在X与Y方向呈现零刚度特性，当Δl＜0.75L，沿圆周均布的四个水平预压弹簧4在X、Y方向呈现正刚度特性，当Δl＞0.75L，沿圆周均匀布置的四个水平预压弹簧4在X、Y方向呈现负刚度特性。在本实施例中，四个水平预压弹簧4用于在X、Y方向产生正刚度特性。
图9为图3A-A剖面视图另一个实施例，上定磁铁1a、中间动磁铁1c和下定磁铁1b均沿Y轴正向磁化。

Claims (4)

1.一种基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器，包括连接结构、固定结构和弹簧结构，整体结构成轴对称，所述连接结构包括动磁铁连接件(2)和负载连接件(6)，负载连接件(6)顶端与隔振负载固定连接；所述固定结构包括固定弹簧座(3)、可调弹簧座(5)、螺母(7)、固定框架(8)和底板(9)，固定框架(8)的底部与底板(9)固定连接；其特征在于：可调弹簧座(5)上设置外螺纹，所述弹簧结构包括磁弹簧(1)和四个水平放置的预压弹簧(4)，预压弹簧(4)的预压缩量与原长的比值小于0.75，四个预压弹簧(4)沿圆周阵列布置，内端通过四个固定弹簧座(3)与负载连接件(6)的侧壁固定连接，外端通过四个可调弹簧座(5)、螺母(7)与固定框架(8)的侧壁固定连接；所述磁弹簧(1)位于负载连接件(6)的正下方，由中心开孔的上定磁铁(1a)、中间动磁铁(1c)和下定磁铁(1b)沿Z轴等间隙布置构成，上定磁铁(1a)、中间动磁铁(1c)和下定磁铁(1b)沿水平X轴或水平Y轴同向磁化，上定磁铁(1a)与固定框架(8)固定连接，下定磁铁(1b)与底板(9)固定连接，动磁铁连接件(2)底部以轴线重合的方式固定安装在中间动磁铁(1c)中心的孔中，顶端穿过上定磁铁(1a)中心的孔固定安装在负载连接件(6)的底部。
2.根据权利要求1所述的基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器，其特征在于：所述上定磁铁(1a)、中间动磁铁(1c)和下定磁铁(1b)的形状为立方体或者圆柱体。
3.根据权利要求1所述的基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器，其特征在于：所述预压弹簧(4)为空气弹簧、橡胶弹簧、螺旋弹簧或磁弹簧。
4.根据权利要求1、2所述的基于水平预压弹簧与磁弹簧并联的三自由度低频隔振器，其特征在于：所述上定磁铁(1a)、中间动磁铁(1c)和下定磁铁(1b)为永磁体或电磁铁。
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