CN111810585A - 一种组合隔振系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种组合隔振系统，涉及振动抑制领域，包括底座和负载平台；底座上固定设置有下密封筒，下密封筒连接有上密封筒，上密封筒上穿设有推杆，推杆底部通过第一直线轴承与底座连接；推杆轴肩上安装有电磁负刚度部件，推杆上套设有推杆弹簧；底座上通过第二直线轴承连接有尼龙推杆，尼龙推杆顶部通过金属活塞与负载平台连接，推杆顶部与负载平台连接；金属活塞与尼龙推杆连接位置处设置有巨电流变液阻尼器，尼龙推杆下方安装有永磁刚度部件；尼龙推杆上套设有阻尼器弹簧。本发明通过并联负刚度组件不但显著降低了组合隔振系统的固有频率，同时也改善了系统的阻尼特性，提高了组合隔振系统产生高频内共振的频率。

Description

一种组合隔振系统
技术领域
本发明涉及振动抑制技术领域，特别是涉及一种组合隔振系统。
背景技术
随着精密工程技术的不断发展，在精密加工、精密测量及空间微重力等研究领域，对隔离外界宽频带环境振动提出了越来越严格的要求。传统的组合隔振系统主要采用参数固定的弹簧和阻尼器结构来完成对被控对象的减振，具有结构简单、工作可靠、不依赖电源等特点。在一般的工业场合可以达到生产要求，但是对隔离低频和超低频振动的效果并不理想。尤其随着现代工业中加工和测量精度的不断提高，隔振对象又兼具大载荷及结构复杂等特点，开发具有大承载及高隔振带宽的新型减振器显得迫在眉睫。
传统的隔振装置只有当扰动频率大于隔振装置共振频率的
Figure BDA0002600264880000011
倍时才能有效的抑制振动。因此为了提高隔振器的隔振性能，扩大隔振器工作频带范围，就必须降低隔振装置的共振频率。一般通过降低隔振装置的系统刚度或增加系统质量来实现共振频率的降低。但是，降低系统刚度会使得系统静变形增大，增加系统质量易受空间环境限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种组合隔振系统，以解决上述现有技术存在的问题，通过并联负刚度组件不但显著降低了组合隔振系统的固有频率，同时也改善了系统的阻尼特性，提高了组合隔振系统产生高频内共振的频率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种组合隔振系统，包括底座和负载平台；所述底座上固定设置有下密封筒，所述下密封筒顶部密封连接有上密封筒，所述上密封筒上穿设有推杆，所述推杆底部穿过所述下密封筒后通过第一直线轴承与所述底座连接；所述推杆上环设有轴肩，所述轴肩上安装有电磁负刚度部件，所述推杆上套设有推杆弹簧，所述推杆弹簧位于所述第一直线轴承和所述轴肩之间；所述底座上通过第二直线轴承连接有尼龙推杆，所述尼龙推杆顶部螺纹连接有金属活塞，所述金属活塞顶部通过第一螺钉与所述负载平台固定连接，所述推杆顶部通过第二螺钉与所述负载平台连接；所述金属活塞与所述尼龙推杆连接位置处设置有巨电流变液阻尼器，所述尼龙推杆下方安装有永磁刚度部件；所述尼龙推杆上套设有阻尼器弹簧，所述阻尼器弹簧位于所述巨电流变液阻尼器与所述永磁刚度部件之间。
可选的，所述电磁负刚度部件包括依次套设于所述推杆上的第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体上部套设有限位环，所述第一永磁体下部与所述第二永磁体上部接触连接，所述第二永磁体下部设置于所述推杆的轴肩上；所述第一永磁体外环设有第一电磁线圈，所述第二永磁体外环设有第二电磁线圈。
可选的，所述上密封筒和下密封筒之间设置有水平设置的绝缘垫片，所述绝缘垫片靠近所述推杆的一端位于所述第一电磁线圈和第二电磁线圈之间。
可选的，所述永磁刚度部件包括套设于所述尼龙推杆上的第一磁环和第二磁环，所述第一磁环和第二磁环的外边缘固定设置于磁环安装座的安装台上，所述磁环安装座环设于所述尼龙推杆外，且所述磁环安装座底部与所述底座固定连接。
可选的，所述巨电流变液阻尼器包括套设于所述尼龙推杆上的内筒和外筒，所述内筒设置于所述外筒内部，所述内筒和外筒等高，且所述内筒和外筒顶部开口；所述金属活塞上套设有密封端盖，所述密封端盖与所述内筒和外筒的顶部开口密封连接；所述内筒和所述外筒之间设置有巨电流变液，所述内筒侧壁上开设有阻尼孔；所述阻尼器弹簧底部与所述第一磁环连接，所述阻尼器弹簧顶部与所述外筒底部连接。
可选的，所述巨电流变液阻尼器的金属活塞外侧面与内筒内侧面之间的环形间隙保持在1-2mm之间。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明属于主动控制方式，较传统的被动和半主动控制减振装置，性能可控，抑振效果更强，具有很强的自适应性。可通过多自由度拓展的方式进行多自由度融合，用于多自由度平台，实现多自由度振动抑制。通过并联负刚度组件不但显著降低了组合隔振系统的固有频率，同时也改善了系统的阻尼特性，提高了组合隔振系统产生高频内共振的频率。本发明采用巨电流变液阻尼器为主动控制阻尼元件，结构紧凑，阻尼可调范围大，适用于精密仪器平台的减振。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的整体剖视图；
图2是本发明提供的巨电流变液阻尼器剖视图；
图3是本发明提供的电磁负刚度部件剖视图；
图4是本发明提供的永磁刚度部件剖视图；
图5是现有技术中被动隔振机构的原理示意图；
图6是本发明组合隔振系统的原理示意图；
图7为图5-6中两种情况下的传递率曲线对比图；
附图标记说明：1、负载平台；2、第一螺钉；3、推杆弹簧；4、第二螺钉；5、限位环；6、电磁负刚度部件；6-1、第一电磁线圈；6-2、第二电磁线圈；6-3、第一永磁体；6-4、第二永磁体；7、上密封筒；8、绝缘垫片；9、下密封筒；10、第一直线轴承；11、推杆；12、磁环安装座；13、第二直线轴承；14、底座；15、永磁刚度部件；15-1、第一磁环；15-2、第二磁环；16、阻尼器弹簧；17、巨电流变液阻尼器；17-1、密封端盖；17-2、金属活塞；17-3、内筒；17-4、尼龙推杆；17-5、外筒。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
本发明的目的是提供一种组合隔振系统，以解决上述现有技术存在的问题，通过并联负刚度组件不但显著降低了组合隔振系统的固有频率，同时也改善了系统的阻尼特性，提高了组合隔振系统产生高频内共振的频率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种组合减振系统，包括负载平台1，第一螺钉2，第二螺钉4，电磁负刚度组件，永磁刚度组件，阻尼器弹簧16、巨电流变液阻尼器17和负载平台1。
负载平台1位于巨电流变液阻尼器17和电磁负刚度组件的上端。系统隔振通过两部分实现。装置左侧由巨电流变液阻尼器17和永磁刚度组件串联实现隔振，装置右侧由电磁负刚度组件实现隔振。巨电流变液阻尼器17和永磁刚度组件之间通过阻尼器弹簧16形成共力连接，巨电流变液阻尼器17和负载平台1之间通过第一螺钉2连接，电磁负刚度组件与负载平台1之间通过第二螺钉4连接。
电磁负刚度组件包括推杆11，上密封筒7，限位环5，绝缘垫片8，电磁负刚度部件6，推杆弹簧3，第一直线轴承10和下密封筒9。第一直线轴承10和第二直线轴承13均安装在底座14的轴承座孔内，第一直线轴承10用于电磁负刚度组件中推杆11的竖直导向，第二直线轴承13用于巨电流变液阻尼器中尼龙推杆17-4的竖直导向，推杆11通过上密封筒7，限位环5和电磁负刚度部件6，经第一直线轴承10导向，产生竖直方向的位移。绝缘垫片8位于上密封筒7和下密封筒9之间。下密封筒9位于底座14上方。推杆弹簧3位于推杆11下端轴肩和第一直线轴承10之间。推杆弹簧3提供正刚度，保证系统静止时有较大的静态刚度。发生振动时，电磁负刚度部件6产生负刚度，整个系统具有低的动态刚度特性，由此提供一种具有高静态刚度和低动态刚度的非线性隔振系统，能够同时满足高承载能力和低固有频率这两方面的技术要求。
如图2所示，电磁负刚度部件6包括第一电磁线圈6-1，第二电磁线圈6-2，第一永磁体6-3和第二永磁体6-4。第一电磁线圈6-1位于绝缘垫片8和上密封筒7之间，通过上密封筒7的环形槽和绝缘垫片8的上表面限位。第二电磁线圈6-2位于绝缘垫片8和下密封筒9之间，通过下密封筒9的环形槽和绝缘垫片8的下表面限位。第一永磁体6-3和第二永磁体6-4串联并通过推杆11的上端轴肩和限位环5限位，推杆11顶部通过第二螺钉4与负载平台1的底部连接。两个电磁线圈的电流方向相反。电磁线圈和永磁体平行布置，两组电磁线圈通入电流方向相反，每组电磁线圈产生的磁场均与对应的永磁体磁场方向相反。当外部电路分别给两组电磁线圈通入电流时，根据电磁感应定律，产生的磁场与永磁体作用，产生负刚度行为，电磁线圈和永磁体的这种配置方法产生的负刚度值更大、位移范围更小。电磁负刚度组件的负刚度大小由电磁线圈输入电流的大小决定，用于匹配与之并联的正刚度弹簧的刚度，从而调整隔振系统的刚度大小。
永磁刚度组件包括磁环安装座12和永磁刚度部件15，永磁刚度部件15安装在磁环安装座12内，永磁刚度部件15通过阻尼器弹簧16和磁环安装座12的环形座孔限位，使磁环在磁环安装座内保持同心竖直移动。
如图3所示，永磁刚度部件15包括第一磁环15-1和第二磁环15-2，第二磁环15-2安装在磁环安装座12的环形槽中。第一磁环15-1的极性与第二磁环15-2相同，因此二者之间产生斥力，使第一磁环15-1悬浮并在磁环安装座12内保持竖直方向滑动，保证系统静止时有较大的静态刚度，二者保持同心且相互排斥。
如图4所示，巨电流变液阻尼器17包括密封端盖17-1、金属活塞17-2、内筒17-3、外筒17-5和尼龙推杆17-4。金属活塞17-2和尼龙推杆17-4通过螺纹连接为整体，金属活塞17-2顶部通过第一螺钉2与负载平台底部连接。外筒17-5采用绝缘材料制成。巨电流变液充满外筒17-5内的整个腔室。内筒壁面开设有阻尼孔，当外接电场为0且受到外部冲击时，巨电流变液在通过阻尼孔时受到粘滞作用，从而起到对活塞的缓冲和能量吸收，由外部电源向巨电流变液阻尼器17供电，金属活塞17-2接正极，内筒17-3接地，在金属活塞17-2外侧面和内筒17-3内侧面之间形成高压电场。当负载平台1受到外部激励后，处于活塞和内筒间隙之间的巨电流变液发生流变效应，巨电流变液阻尼器在外接电场超过临界场强时，内部的巨电流变液转化为非牛顿流体，其剪切应力迅速上升，产生较大的阻尼力，从而实现对金属活塞的缓冲减振。此时巨电流变液对金属活塞17-2外侧面产生剪切作用阻尼力，从而达到减振缓冲作用。
以下对本发明中的隔振机构与被动隔振机构的隔振原理进行对比：
如图5所示，原始机构通过传统的弹簧-质量-阻尼单元构成，实现简单的被动隔振，其传递率曲线函数G：
Figure BDA0002600264880000061
式中，x0为负载平台的振动位移量，x1是基础平台的振动位移量，c是系统的等效阻尼，k是系统的等效刚度，m是负载平台的质量，s为拉氏变换的复变量，ω为频域系数。
如图6所示，本发明为永磁刚度组件串联一个巨电流变液阻尼器再并联一个电磁负刚度组成，其传递率曲线函数G：
Figure BDA0002600264880000062
式中，x0为负载平台的振动位移量，x1是基础平台的振动位移量，c是系统的等效阻尼，k1是系统中左侧具有负刚度特性的电磁弹簧刚度，k2是系统中与巨电流变液阻尼器串联的永磁刚度，m是负载平台的质量，s为拉氏变换的复变量，ω为频域系数。
图7为图5和图6的传递率曲线图，从图中实曲线可以看出采用原始机构隔振时，其传递率在共振峰处有较高的峰值，且系统的固有频率较高。从图中虚曲线可以看出，采用本发明的隔振机构后，由于巨电流变液阻尼和永磁刚度组件的串联，再并联一个变刚度的电磁弹簧后，系统的刚度得以降低，阻尼得到提升，系统的传递率曲线可以看出，固有频率进一步减小，系统的共振峰值得到明显的改善，本发明使得系统振动抑制能力得到了进一步性能的提升。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种组合隔振系统，其特征在于：包括底座和负载平台；所述底座上固定设置有下密封筒，所述下密封筒顶部密封连接有上密封筒，所述上密封筒上穿设有推杆，所述推杆底部穿过所述下密封筒后通过第一直线轴承与所述底座连接；所述推杆上环设有轴肩，所述轴肩上安装有电磁负刚度部件，所述推杆上套设有推杆弹簧，所述推杆弹簧位于所述第一直线轴承和所述轴肩之间；所述底座上通过第二直线轴承连接有尼龙推杆，所述尼龙推杆顶部螺纹连接有金属活塞，所述金属活塞顶部通过第一螺钉与所述负载平台固定连接，所述推杆顶部通过第二螺钉与所述负载平台连接；所述金属活塞与所述尼龙推杆连接位置处设置有巨电流变液阻尼器，所述尼龙推杆下方安装有永磁刚度部件；所述尼龙推杆上套设有阻尼器弹簧，所述阻尼器弹簧位于所述巨电流变液阻尼器与所述永磁刚度部件之间。
2.根据权利要求1所述的组合隔振系统，其特征在于：所述电磁负刚度部件包括依次套设于所述推杆上的第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体上部套设有限位环，所述第一永磁体下部与所述第二永磁体上部接触连接，所述第二永磁体下部设置于所述推杆的轴肩上；所述第一永磁体外环设有第一电磁线圈，所述第二永磁体外环设有第二电磁线圈。
3.根据权利要求2所述的组合隔振系统，其特征在于：所述上密封筒和下密封筒之间设置有水平设置的绝缘垫片，所述绝缘垫片靠近所述推杆的一端位于所述第一电磁线圈和第二电磁线圈之间。
4.根据权利要求1所述的组合隔振系统，其特征在于：所述永磁刚度部件包括套设于所述尼龙推杆上的第一磁环和第二磁环，所述第一磁环和第二磁环的外边缘固定设置于磁环安装座的安装台上，所述磁环安装座环设于所述尼龙推杆外，且所述磁环安装座底部与所述底座固定连接。
5.根据权利要求4所述的组合隔振系统，其特征在于：所述巨电流变液阻尼器包括套设于所述尼龙推杆上的内筒和外筒，所述内筒设置于所述外筒内部，所述内筒和外筒等高，且所述内筒和外筒顶部开口；所述金属活塞上套设有密封端盖，所述密封端盖与所述内筒和外筒的顶部开口密封连接；所述内筒和所述外筒之间设置有巨电流变液，所述内筒侧壁上开设有阻尼孔；所述阻尼器弹簧底部与所述第一磁环连接，所述阻尼器弹簧顶部与所述外筒底部连接。
6.根据权利要求5所述的组合隔振系统，其特征在于：所述巨电流变液阻尼器的金属活塞外侧面与内筒内侧面之间的环形间隙保持在1-2mm之间。
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