CN111734778A - 基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器 - Google Patents

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Abstract

基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器属于精密隔振技术领域，包括双腔室空气弹簧隔振器和磁负刚度结构，磁负刚度结构同轴嵌套在双腔室空气弹簧隔振器的主气室内，主气室的底部设置环形橡胶垫，主气室与附加气室之间均匀设置2～10个节流孔；磁负刚度结构由内定磁环、上动磁环、下动磁环、外定磁环同轴嵌套构成，上动磁环与下动磁环关于内定磁环的轴向高度中心对称布置、沿径向反向磁化，内定磁环与外定磁环的轴向高度中心在同一水平线上，且沿轴向反向磁化；本发明固有频率低，阻尼系数大，集成度及稳定性高。

Description

基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器
技术领域
本发明属于精密减振技术领域，特别是一种基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器。
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大承载空气弹簧隔振器逐渐成为大型超精密工程领域抑制环境微振动的主要技术手段，但对于空气弹簧隔振器的研究仍存在以下几个问题：
(1)空气弹簧隔振器的固有频率高，无法抑制环境中的低频/超低频振动干扰。现有空气弹簧隔振器可以实现大承载及中高频振动抑制效果，但是实现低频/超低频振动抑制需要增加腔室体积，不仅会增加制造成本和使用空间，而且随着腔室体积的增加，其低频振动抑制效果越不明显，因此，在实际使用中，空气弹簧隔振器一般难以隔离1Hz以下的振动。
(2)空气弹簧隔振器的系统阻尼小，导致冲击扰动下稳定调整时间长，谐振峰值高。空气弹簧隔振器是在柔性膜中充入压缩气体，利用气体的可压缩性实现弹性支撑的一种非接触式弹簧，不存在机械摩擦，柔性膜的结构阻尼作为空气弹簧隔振器的主要阻尼来源，阻尼系数较小，导致冲击扰动激励下，振动能量衰减慢，系统稳定调整时间长，谐振峰值高。
(3)并联磁负刚度结构的空气弹簧隔振器集成度低、稳定性差、受正刚度支撑元件浮起高度影响。将磁负刚度结构与空气弹簧隔振器并联可在保证空气弹簧隔振器大承载的条件下降低固有频率，从而实现大承载低频/超低频隔振效果。但现有由立方永磁体负刚度结构与空气弹簧隔振器并联构成的低频隔振器体积大，系统集成度低，且负刚度结构的刚度值受空气弹簧隔振器浮起高度的影响；而对于嵌套同轴磁环负刚度结构的空气弹簧隔振器，沿轴向阵列同轴磁环负刚度结构以增大负刚度值的方式会提高隔振器的重心高度，降低隔振器的稳定性。
(4)并联磁负刚度结构的空气弹簧隔振器对冲击扰动激励无相应的保护措施。大幅值冲击扰动激励导致磁负刚度结构的动磁铁与定磁铁，动磁铁与或定磁铁固定件之间产生刚性碰撞，易造成磁铁损坏或破碎。
专利号CN201310142491.9公开了一种正负刚度并联减振器。该技术方案将磁负刚度结构同轴安装在空气弹簧隔振器腔室内构成正负刚度并联减振器，磁负刚度结构由两个沿径向反向磁化的同轴磁环构成，结构紧凑，且不需要考虑空气弹簧隔振器浮起高度对磁负刚度结构刚度值的影响。该技术方案的特征在于：1)磁负刚度结构轴向阵列以增大负刚度值的方式导致正负刚度并联减振器重心高，稳定性差；2)磁负刚度结构为非接触作用方式，并未改善空气弹簧隔振器的阻尼特性；3)冲击扰动激励下，磁负刚度结构无相应的保护措施。
专利号CN201610914596.5和CN201610914512.8公开了一种磁负刚度结构以降低空气弹簧隔振器的固有频率，磁负刚度结构由三块磁化方向相同、沿垂向等间隙阵列布置的立方永磁体构成，刚度值可通过改变永磁体间隙实现可调。该技术方案的特征在于：1)适用于浮起高度较小的空气弹簧隔振器，对于大承载空气弹簧隔振器，较大的浮起高度会增大永磁体间隙，进而导致磁负刚度结构的刚度值甚微，对降低空气弹簧隔振器固有频率的效果不明显；2)橡胶膜的结构阻尼小；3)空气弹簧隔振器与磁负刚度结构分体安装布置，系统集成度低、体积大；4)冲击扰动激励下，磁负刚度结构无相应的保护措施。
专利号CN201810853079.0公开了一种正负刚度并联的准零刚度隔振器。该技术方案利用轴向磁化的同轴双磁环构成磁负刚度结构，磁环的轴向充磁加工方便；磁环间隙与正刚度支撑元件的起落运动方向垂直，因此不需要考虑正刚度支撑元件的浮起高度对磁负刚度结构刚度值的影响。该技术方案的特征在于：1)磁负刚度结构为非接触作用方式，并未改善空气弹簧隔振器的阻尼特性；2)磁负刚度结构采用沿轴向阵列的方式增大负刚度值降低正刚度支撑元件的刚度值，轴向阵列方式导致隔振器的重心高，稳定性差；3)磁负刚度结构均匀分布在正刚度支撑元件的左右两侧，系统集成度低、体积大。
综上，如何通过隔振结构与原理创新，提供一种高集成度、高稳定性、大阻尼，且不受正刚度支撑元件浮起高度影响的磁负刚度结构以抵消大承载空气弹簧隔振器的正刚度值，对进一步提高隔微振平台的低频隔振性能及增大结构阻尼，快速衰减振动能量具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是针对大承载空气弹簧隔振器固有频率高无法满足精密仪器设备低频/超低频的隔振需求，阻尼系数小导致冲击扰动下稳定调整时间长、谐振峰值高，且冲击扰动激励下，磁负刚度结构无相应的保护措施的问题，提出一种基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，该空气弹簧隔振器能够实现大承载条件下的超低频隔振效果，从而有效隔离高、中、低各个频段的环境微振动干扰，提升防微振实验室的隔振水平，保证各类超精密仪器设备工作在最优环境，同时系统的节流孔阻尼及涡流阻尼有助于加速振动能量衰减，降低谐振峰值。
本发明的技术解决方案是：
一种基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，包括空气弹簧隔振器和磁负刚度结构，所述磁负刚度结构同轴嵌套在空气弹簧隔振器内，整体结构呈轴对称，所述空气弹簧隔振器包括主气室、橡胶膜、内压环和外压环，外压环将环形橡胶膜的外端压紧固定在主气室上，内压环顶端支撑隔振负载；所述空气弹簧隔振器还包括附加气室，所述附加气室固定安装在主气室正下方，附加气室侧壁设置进气孔，主气室与附加气室之间均匀设置2～10个节流孔，主气室的材料为导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢，主气室的底部设置环形橡胶垫；所述磁负刚度结构包括由轴线沿半径向外同轴嵌套的定磁环固定件、内定磁环、动磁环安装件、动磁环和外定磁环，所述定磁环固定件和动磁环安装件的材料为导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢，内定磁环固定安装在定磁环固定件外壁，定磁环固定件底部与主气室的底部固定连接，内定磁环与动磁环安装件沿径向设有间隙，动磁环包括关于定磁环的轴向高度中心对称布置的上动磁环与下动磁环，上动磁环与下动磁环沿径向反向磁化并固定连接在动磁环安装件外壁，内压环将环形弹性膜的内端压紧固定在动磁环安装件顶端，动磁环与外定磁环沿径向设有间隙，外定磁环固定安装在主气室内壁，内定磁环与外定磁环轴向高度中心在同一水平线上，且沿轴向反向磁化，内定磁环与上动磁环之间呈斥力作用，内定磁环与下动磁环之间呈斥力作用，外定磁环与上动磁环之间呈斥力作用，外定磁环与下动磁环之间呈斥力作用。
优选的，所述内定磁环沿轴向向下磁化、上动磁环由轴心沿半径向外磁化，或内定磁环沿轴向向上磁化、上动磁环沿半径向轴心磁化。
优选的，所述内定磁环、外定磁环、上动磁环和下动磁环为永磁体或电磁铁。
优选的，所述节流孔的形状为圆形、椭圆形或多边形。
优选的，所述节流孔的外接圆直径为1mm～10mm。
优选的，所述附加气室的体积不大于主气室体积的3倍。
优选的，所述橡胶膜由橡胶材料与尼龙帘线或涤纶帘线硫化而成。
优选的，所述橡胶垫由橡胶材料与尼龙帘线或涤纶帘线硫化而成。
本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
(1)该技术方案实现了空气弹簧隔振器的大承载及近零频率隔振效果，同时具有高集成度特性。本发明一方面通过串联附加气室的方式降低空气弹簧隔振器的刚度值及固有频率，另一方面在空气弹簧隔振器的主气室内同轴嵌套磁负刚度结构实现了大承载条件下的近零频率隔振效果，有效隔离超精密仪器设备所处环境中全频带的微振动干扰，同时提高了系统的集成度。这是本发明区别于现有技术的创新点之一。
(2)本发明产生的节流孔阻尼与涡流阻尼可有效加速振动能量衰减，缩短系统稳定时间。本发明在主气室与附加气室之间设置不同形状、尺寸、数量的节流孔以引入节流孔阻尼、增大系统阻尼；此外，扰动激励下，主气室、定磁环固定架内产生的电涡流阻尼可以有效抑制动磁环相对定磁环的运动、快速衰减振动能量、缩短系统稳定时间。这是本发明区别于现有技术的创新点之二。
(3)该技术方案利用垂直磁化的磁环同轴嵌套构成磁负刚度结构，可避免空气弹簧隔振器浮起高度对负刚度值的影响，同时实现了高稳定性特性。采用径向磁化的定磁环与轴向磁化的动磁环同轴嵌套构成磁负刚度结构，磁环间隙与空气弹簧隔振器的起落运动方向垂直，消除了空气弹簧隔振器浮起高度对磁负刚度结构刚度值的影响；径向阵列磁环增大负刚度值的方式可有效避免磁环的轴向阵列方式而导致磁负刚度结构的重心高度提升、稳定性降低的问题。这是本发明区别于现有技术的创新点之三。
(4)本发明可有效避免冲击扰动激励下的刚性碰撞。本发明在空气弹簧隔振器主气室底部设置橡胶垫作为磁负刚度结构的保护措施，可以有效避免冲击扰动激励下动磁环与主气室底部产生刚性碰撞造成磁环损坏的现象。这是本发明区别于现有技术的创新点之四。
附图说明
图1为基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器的三维剖视示意图；
图2为基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器的正剖面示意图。
图中件号说明：1进气孔、2橡胶垫、3主气室、4附加气室、5橡胶膜、6内压环、7外压环、8a内定磁环、8b外定磁环、9定磁环固定件、10动磁环、10a上动磁环、10b下动磁环、11动磁环安装件、12节流孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
一种基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，包括空气弹簧隔振器和磁负刚度结构，所述磁负刚度结构同轴嵌套在空气弹簧隔振器内，整体结构呈轴对称，所述空气弹簧隔振器包括主气室3、橡胶膜5、内压环6和外压环7，外压环7将环形橡胶膜5的外端压紧固定在主气室3上，内压环6顶端支撑隔振负载；所述空气弹簧隔振器还包括附加气室4，所述附加气室4固定安装在主气室3正下方，附加气室4侧壁设置进气孔13，主气室3与附加气室4之间均匀设置2～10个节流孔12，主气室3的材料为不导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢，主气室3的底部设置环形橡胶垫14；所述磁负刚度结构包括由轴线沿半径向外同轴嵌套的定磁环固定件9、内定磁环8a、动磁环安装件11、动磁环10和外定磁环8b，所述定磁环固定件9和动磁环安装件11的材料为不导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢，内定磁环8a固定安装在定磁环固定件9外壁，定磁环固定件9底部与主气室3的底部固定连接，内定磁环8a与动磁环安装件11沿径向设有间隙，动磁环10包括关于定磁环8的轴向高度中心对称布置的上动磁环10a与下动磁环10b，上动磁环10a与下动磁环10b沿径向反向磁化并固定连接在动磁环安装件11外壁，内压环6将环形弹性膜5的内端压紧固定在动磁环安装件11顶端，动磁环10与外定磁环8b沿径向设有间隙，外定磁环8b固定安装在主气室3内壁，内定磁环8a与外定磁环8b轴向高度中心在同一水平线上，且沿轴向反向磁化，内定磁环8a与上动磁环10a之间呈斥力作用，内定磁环8a与下动磁环10b之间呈斥力作用，外定磁环8b与上动磁环10a之间呈斥力作用，外定磁环8b与下动磁环10b之间呈斥力作用。
作为一种具体的实施方式，所述内定磁环8a沿轴向向下磁化、上动磁环10a由轴心沿半径向外磁化，或内定磁环8a沿轴向向上磁化、上动磁环10a沿半径向轴心磁化。
作为一种具体的实施方式，所述内定磁环8a、外定磁环8b、上动磁环10a和下动磁环10b为永磁体或电磁铁。
作为一种具体的实施方式，所述节流孔12的形状为圆形、椭圆形或多边形。
作为一种具体的实施方式，所述节流孔12的外接圆直径为1mm～10mm。
作为一种具体的实施方式，所述附加气室4的体积不大于主气室3体积的3倍。
作为一种具体的实施方式，所述橡胶膜5由橡胶材料与尼龙帘线或涤纶帘线硫化而成。
作为一种具体的实施方式，所述橡胶垫14由橡胶材料与尼龙帘线或涤纶帘线硫化而成。
下面结合图1～图2给出本发明的一个实施例。
图1与图2分别为本发明所提供的正负刚度并联隔振器的三维剖视示意图及正剖面视图。如图1与图2所示，本发明所提供的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器包括空气弹簧隔振器和磁负刚度结构，空气弹簧隔振器与磁负刚度结构同轴安装，并联布置，整体呈轴对称。空气弹簧隔振器包括主气室3、附加气室4、弹性膜5、内压环6和外压环7，主气室3与附加气室4为304不锈钢材料，附加气室4的体积为主气室3体积的3倍，将空气弹簧隔振器产生的正刚度降低75％，固有频率降低50％，且不改变空气弹簧隔振器的承载能力。弹性膜5与外压环7为环形结构，内压环6为圆柱形结构，弹性膜5由橡胶与尼龙帘线硫化而成，内压环6与外压环7的材料为轻质铝合金。内压环6顶端支撑隔振负载，内压环6底部将弹性膜5的内端压紧固定在动磁环安装件11的顶端，外压环7将弹性膜5的外端压紧固定在主气室3的侧壁上。主气室3底部设置厚度为2mm，由橡胶与尼龙帘线硫化而成的橡胶垫2，用于防止较大的振动位移导致负刚度磁弹簧1的动磁环10与主气室3产生碰撞。主气室3底部与附加气室4腔室顶端沿直径为40mm的圆周均匀设置6个φ5mm的圆孔，附加气室4顶端设置直径等于主气室3腔室外径，深度为1mm的圆形凹槽，主气室3同轴固定安装在附加气室4顶端的圆形凹槽内，且保证主气室3底部与附加气室4腔室顶端的圆孔相对，作为双腔室空气弹簧隔振器的节流孔12，用于增大系统阻尼降低谐振峰值，缩短稳定时间。附加气室4侧壁上设置圆形进气孔1，进气孔1通过供气系统通入洁净压缩气体支撑隔振负载，空气弹簧隔振器的工作气压为0.3MPa，浮起高度为10mm。
负刚度磁弹簧包括定磁环固定件9、内定磁环8a、动磁环安装件11、动磁环10和外定磁环8b，定磁环固定件9和动磁环安装件11的材料为304不锈钢，动磁环10包括上动磁环10a与下动磁环10b，上动磁环10a与下动磁环10b关于内定磁环8a的轴向高度中心对称安装，内定磁环8a与外定磁环8b轴向高度中心等高。内定磁环8a沿轴向向下磁化，上动磁环10a由轴心沿半径向外磁化，下动磁环10b沿半径向轴心磁化，内定磁环8a沿轴向向上磁化，磁环的磁化方向如图2中箭头所示；内定磁环8a固定安装在定磁环固定件9外壁，定磁环固定件9底部与主气室3的底部固定连接，内定磁环8a与动磁环安装件11沿径向设有间隙，上动磁环10a与下动磁环10b固定连接在动磁环安装件11外壁，上动磁环10a与下动磁环10b内径与动磁环安装件11外径相等，同轴嵌套固定安装在动磁环安装件11外壁，上动磁环10a的底部与下动磁环10b顶端连接，且上动磁环10a底部比内定磁环8a与外定磁环8b轴向高度中心低10mm，磁环的材料为N50牌号钕铁硼，剩余磁感应强度为1.43T，相对磁导率为1.03。当空气弹簧隔振器充气至0.3MPa时，弹性膜5在压缩空气作用下膨胀，内压环6通过动磁环安装件11带动上动磁环10a、下动磁环10b沿轴向向上运动10mm，使得内定磁环8a与外定磁环8b的轴向高度中心与上动磁环10a底部、下动磁环10b顶端等高，内压环6将环形弹性膜5的内端压紧固定在动磁环安装件11顶端，动磁环10与外定磁环8b沿径向设有间隙，外定磁环8b外径与主气室3内径相等，固定安装在主气室3内壁。外界振动干扰下，上动磁环10a和下动磁环10b相对内定磁环8a与外定磁环8b运动，上动磁环10a和下动磁环10b产生的磁感线切割主气室3和定磁环固定件9，从而在主气室3和定磁环固定件9内产生电涡流，涡流阻尼阻碍上动磁环10a和下动磁环10b相对内定磁环8a与外定磁环8b运动，加速振动衰减，缩短了隔振系统的稳定调整时间。

Claims (8)

1.一种基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，包括空气弹簧隔振器和磁负刚度结构，所述磁负刚度结构同轴嵌套在空气弹簧隔振器内，整体结构呈轴对称，所述空气弹簧隔振器包括主气室(3)、橡胶膜(5)、内压环(6)和外压环(7)，外压环(7)将环形橡胶膜(5)的外端压紧固定在主气室(3)上，内压环(6)顶端支撑隔振负载；其特征在于：所述空气弹簧隔振器还包括附加气室(4)，所述附加气室(4)固定安装在主气室(3)正下方，附加气室(4)侧壁设置进气孔(13)，主气室(3)与附加气室(4)之间均匀设置2～10个节流孔(12)，主气室(3)的材料为不导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢，主气室(3)的底部设置环形橡胶垫(14)；所述磁负刚度结构包括由轴线沿半径向外同轴嵌套的定磁环固定件(9)、内定磁环(8a)、动磁环安装件(11)、动磁环(10)和外定磁环(8b)，所述定磁环固定件(9)和动磁环安装件(11)的材料为不导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢，内定磁环(8a)固定安装在定磁环固定件(9)外壁，定磁环固定件(9)底部与主气室(3)的底部固定连接，内定磁环(8a)与动磁环安装件(11)沿径向设有间隙，动磁环(10)包括关于定磁环(8)的轴向高度中心对称布置的上动磁环(10a)与下动磁环(10b)，上动磁环(10a)与下动磁环(10b)沿径向反向磁化并固定连接在动磁环安装件(11)外壁，内压环(6)将环形弹性膜(5)的内端压紧固定在动磁环安装件(11)顶端，动磁环(10)与外定磁环(8b)沿径向设有间隙，外定磁环(8b)固定安装在主气室(3)内壁，内定磁环(8a)与外定磁环(8b)轴向高度中心在同一水平线上，且沿轴向反向磁化，内定磁环(8a)与上动磁环(10a)之间呈斥力作用，内定磁环(8a)与下动磁环(10b)之间呈斥力作用，外定磁环(8b)与上动磁环(10a)之间呈斥力作用，外定磁环(8b)与下动磁环(10b)之间呈斥力作用。
2.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述内定磁环(8a)沿轴向向下磁化、上动磁环(10a)由轴心沿半径向外磁化，或内定磁环(8a)沿轴向向上磁化、上动磁环(10a)沿半径向轴心磁化。
3.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述内定磁环(8a)、外定磁环(8b)、上动磁环(10a)和下动磁环(10b)为永磁体或电磁铁。
4.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述节流孔(12)的形状为圆形、椭圆形或多边形。
5.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述节流孔(12)的外接圆直径为1mm～10mm。
6.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述附加气室(4)的体积不大于主气室(3)体积的3倍。
7.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述橡胶膜(5)由橡胶材料与尼龙帘线或涤纶帘线硫化而成。
8.根据权利要求1所述的基于磁负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器，其特征在于：所述橡胶垫(14)由橡胶材料与尼龙帘线或涤纶帘线硫化而成。
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