CN114458723A - 一种准零刚度隔振装置及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种准零刚度隔振装置及其设计方法，装置包括相对设置的第一永磁铁和第二永磁铁，第一永磁铁和第二永磁铁之间设有隔振磁铁，隔振磁铁与被隔振物体相连，第一永磁铁与隔振磁铁之间设有第一非线性弹力装置，第二永磁铁与隔振磁铁之间设有第二非线性弹力装置；施加于隔振磁铁的正刚度和负刚度相互抵消，在隔振磁铁位置形成准零刚度。方法包括建立单个空气弹簧轴向力与有效承载面积之间的函数关系；将空气弹簧对隔振磁铁产生的刚度表示为跟轴向变形量相关的函数；计算永磁铁对隔振磁铁产生的负刚度；将空气弹簧产生的正刚度与永磁铁产生的负刚度进行累加，按照隔振装置呈准零刚度状态的条件，计算初始时刻各永磁铁的磁感应强度。

Description

一种准零刚度隔振装置及其设计方法
技术领域
本发明涉及隔振装置技术领域，具体而言，涉及一种准零刚度隔振装置及其设计方法。
背景技术
设备振动对设备稳定运行和周围环境都会产生较大影响，因此需要对设备振动进行抑制，传统隔振技术对于低频尤其是超低频振动的隔振效果并不理想。1989年，首次引入了准零刚度概念并应用于振动保护和测量系统，使用准零刚度隔振器具有高静低动的刚度特性，能有效提高系统稳定性以及静态承载能力，具有优越的低频隔振性能，受到了国内外学者的广泛关注。
然而，尽管一般情况下准零刚度结构具有良好的隔振性能，但是在持久性与耐用性上面存在一定的缺陷，一般的三弹簧结构在经过一段时间的使用以后很容易出现隔振效果下降、弹簧结构损坏等缺陷，且由于通常在垂直于振动方向上向隔振装置提供负刚度，导致结构复杂，进一步降低了耐用性；同时现有技术缺少对零刚度隔振装置的设计方法，无法准确选用合适的磁铁和空气弹簧，影响隔振效果。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在弹簧结构容易损坏，影响隔振效果，结构复杂，隔振器耐用性差，缺少对零刚度隔振装置的设计方法，无法准确选用合适的磁铁和空气弹簧制作隔振装置，难以适应不同工况下的隔振需求的技术问题之一。
为此，本发明第一方面提供了一种准零刚度隔振装置。
本发明第二方面提供了一种准零刚度隔振装置设计方法。
本发明提供了一种准零刚度隔振装置，包括相对设置的第一永磁铁和第二永磁铁，所述第一永磁铁和第二永磁铁之间设有隔振磁铁，所述隔振磁铁与被隔振物体相连，所述第一永磁铁与隔振磁铁之间设有第一非线性弹力装置，所述第二永磁铁与隔振磁铁之间设有第二非线性弹力装置；
所述第一非线性弹力装置和所述第二非线性弹力装置向隔振磁铁提供正刚度，所述第一永磁铁和第二永磁铁向隔振磁铁提供负刚度；
当被隔振物体带动隔振磁铁运动时，施加于所述隔振磁铁的正刚度和负刚度相互抵消，在隔振磁铁位置形成准零刚度。
本发明提出的一种准零刚度隔振装置及其设计方法，第一永磁铁和第二永磁铁对称设置于隔振磁铁的两侧，并同时对隔振磁铁产生吸力，隔振磁铁与被隔振物体相连，当被隔振物体发生振动时将动能传递至隔振磁铁，带动隔振磁铁运动，则通过控制隔振磁铁的振动，即可达到隔振效果；
在隔振磁铁的两侧设置第一非线性弹力装置和第二非线性弹力装置，使隔振装置形成两自由度的准零刚度隔振系统，非线性弹力装置可选择空气弹簧、橡胶弹簧等非线性弹簧；
使非线性弹力装置向隔振磁铁提供的正刚度与永磁铁向隔振磁铁提供的负刚度相互抵消，从而使系统达到一个准零刚度的状态，这种状态下系统的动刚度趋于零，使系统共振频率远小于线性结构的共振频率，相比线性刚度系统，本发明在特定的振动激励和阻尼下，具有隔振频率更低，隔振频段更宽，隔振效果更好的优点。
根据本发明上述技术方案的一种准零刚度隔振装置，还可以具有以下附加技术特征：
在上述技术方案中，所述第一非线性弹力装置包括第一空气弹簧，所述第二非线性弹力装置包括第二空气弹簧，所述第一空气弹簧和第二空气弹簧向隔振磁铁提供3阶非线性恢复力；
所述被隔振物体带动隔振磁铁运动时，所述第一空气弹簧和第二空气弹簧的伸缩状态相反。
在该技术方案中，选择空气弹簧作为非线性弹力装置向隔振磁铁提供3阶非线性恢复力，第一非线性弹力装置可包含多个第一空气弹簧，多个第一空气弹簧可进行串联或并联，第二非线性弹力装置可包含多个第二空气弹簧，多个第二空气弹簧可进行串联或并联；
第一空气弹簧和第二空气弹簧分别位于隔振磁铁的两侧，且被隔振物体带动隔振磁铁运动时，所述第一空气弹簧和第二空气弹簧的伸缩状态相反，即初始状态，第一空气弹簧和第二空气弹簧均为静止状态，隔振磁铁向第一空气弹簧方向压缩时，第一空气弹簧为压缩状态，第二空气弹簧为拉伸状态，隔振磁铁向第二空气弹簧方向压缩时，第一空气弹簧为拉伸状态，第二空气弹簧为压缩状态。
在上述技术方案中，所述隔振磁铁分别与第一永磁铁和第二永磁铁异极相对。
在该技术方案中，相邻的磁铁之间互相产生吸力，可设置多块第一永磁铁或多块第二永磁铁，需保证隔振磁铁两侧永磁铁的总磁感线强度相等。
在上述技术方案中，所述第一永磁铁设于第一支撑板，所述第二永磁铁设于第二支撑板，所述第一支撑板与第二支撑板通过第一连接杆相连；
所述隔振磁铁设于隔振连接板，所述隔振连接板通过第二连接杆与物体放置板相连，所述物体放置板与被隔振物体接触。
在该技术方案中，第一支撑板与第一空气弹簧的顶端相连，第二支撑板与第二空气弹簧的底端相连，当第一支撑板位于靠近被隔振物体的一侧时，第二支撑板可与地面或基础安装座固定连接，第一支撑板用于固定第一永磁铁，第二支撑板用于固定第二永磁铁，第一支撑板与第二支撑板之间通过第一连接杆相连；
隔振连接板用于固定隔振磁铁，物体放置板用于连接被隔振物体，将隔振连接板与物体放置板通过第二连接杆相连，使隔振磁铁与被隔振物体连接；
第一连接杆和第二连接杆均为刚性连接杆，第一支撑板和第二支撑板之间设有4根第一连接杆，隔振连接板与物体放置板之间设有4根第二连接杆，提供刚性支撑。
在上述技术方案中，所述隔振连接板设有第一通过孔，所述第一连接杆穿过第一通过孔连接第一支撑板和第二支撑板；
所述第一支撑板和/或第二支撑板设有第二通过孔，所述第二连接杆穿过第二通过孔连接物体放置板和隔振连接板。
在该技术方案中，第一连接杆穿过第一通过孔，使隔振连接板套接于第一连接杆并在第一连接杆上的一定范围内滑动；
当被隔振物体位于靠近第一支撑板的一侧时，第二通过孔开设于第一支撑板，第二连接杆穿过第二通过孔，使第一支撑板套接于第二连接杆并在第二连接杆上的一定范围内滑动。
本发明提供了一种准零刚度隔振装置设计方法，包括以下步骤：
S1、选定使用的空气弹簧型号，使空气弹簧的有效承载面积随弹簧高度呈线性变化，建立单个空气弹簧轴向力与有效承载面积之间的函数关系；
S2、根据S1中得出的函数关系分别求取空气弹簧在拉伸状态和压缩状态的刚度，并将空气弹簧对隔振磁铁产生的刚度表示为跟轴向变形量相关的函数；
S3、建立第一永磁铁和第二永磁铁在隔振磁铁产生的磁力与轴向变形量之间的函数关系，计算永磁铁对隔振磁铁产生的负刚度；
S4、将空气弹簧产生的正刚度与永磁铁产生的负刚度进行累加，按照隔振装置呈准零刚度状态的条件，计算初始时刻各永磁铁的磁感应强度。
进一步地，S1中单个空气弹簧轴向力与有效承载面积之间的函数关系如下：
Figure BDA0003502970540000041
其中，Pa为大气压力，P0为初始状态下的空气弹簧内压，S为有效承载面积：
S＝Dδ+S0
其中，S0为自然状态下的初始有效面积；D为有效承载面积随变形量δ的变化率，δ为空气弹簧拉伸或压缩时产生的变形量。
进一步地，S2中将空气弹簧的非线性回复力表示为位移的三次函数，则在压缩状态下空气弹簧对隔振磁铁产生的刚度为：
Kc＝3k3δ2+2k2δ+k1
在拉伸状态下空气弹簧对隔振磁铁产生的刚度为：
Kcp＝3k3δ2-2k2δ+k1
其中：k1、k2、k3为跟空气弹簧气压、结构和材质相关的系数。
进一步地，第一永磁铁和第二永磁铁的磁感线强度大小相等，S3中第一永磁铁和第二永磁铁共同对隔振磁铁产生的磁力为：
Figure BDA0003502970540000051
其中，d为单个空气弹簧原始长度，x为隔振磁铁的位移，与空气弹簧拉伸或压缩时产生的变形量δ相等。
由于隔振装置只在平衡位置小幅度振动，不考虑大幅度强非线性的情形，可假设永磁铁的磁感线是理想分布状态，且忽略第一永磁铁和第二永磁铁之间的干扰。
进一步地，S4中经正刚度和负刚度累加后隔振装置的等效刚度为：
Figure BDA0003502970540000052
其中，n为串联的隔振装置数量，在本说明书中，以两个空气弹簧、两个永磁铁组成的结构作为一个隔振装置，并以串联数为1的情况进行计算。
在初始时刻(即x＝0时)，为了保证空气弹簧与磁铁之间呈准零刚度状态(即Keq＝0时)，则可得到磁感应强度的计算方法如下：
Figure BDA0003502970540000053
其中，Cm为隔振装置安装第一永磁铁一端或安装第二永磁铁一端的磁感线强度，根据计算结果选择匹配的第一永磁铁或第二永磁铁的数量和大小。
此时，隔振磁铁的磁感线强度为第一永磁铁或第二永磁铁的两倍。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
准零刚度空气弹簧隔振器在低频状态下能拥有更好的隔振效率，满足振动设备的各方面隔振需求，并且空气弹簧和永磁铁材料容易获取，因此本方案相比其他的准零刚度隔振器，拥有制造方便，成本低廉，可操作性高，实用性强，结构简单，不易损坏，耐用性强的特点；此外本发明还可以通过调节空气弹簧的气压与电磁铁的强度解决各种不同工况下的隔振需求。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的一种准零刚度隔振装置的结构图；
图2是本发明一个实施例的一种准零刚度隔振装置的立体图；
图3是本发明一个实施例的一种准零刚度隔振装置的剖视图；
图4是本发明一个实施例的一种准零刚度隔振装置的系统刚度分析图；
图5是本发明一个实施例的一种准零刚度隔振装置设计方法的流程图。
其中，图1至图5中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
1、第一永磁铁；2、第二永磁铁；3、隔振磁铁；4、第一空气弹簧；5、第二空气弹簧；6、第一连接杆；7、第二连接杆；
11、第一支撑板；21、第二支撑板；31、隔振连接板；32、物体放置板；111、第二通过孔；311、第一通过孔。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1至图5来描述根据本发明一些实施例提供的一种准零刚度隔振装置及其设计方法。
本申请的一些实施例提供了一种准零刚度隔振装置及其设计方法。
如图1至图5所示，本发明第一个实施例提出了一种准零刚度隔振装置，包括相对设置的第一永磁铁1和第二永磁铁2，所述第一永磁铁1和第二永磁铁2之间设有隔振磁铁3，所述隔振磁铁3与被隔振物体相连，所述第一永磁铁1与隔振磁铁3之间设有第一非线性弹力装置，所述第二永磁铁2与隔振磁铁3之间设有第二非线性弹力装置；
所述第一非线性弹力装置和所述第二非线性弹力装置向隔振磁铁3提供正刚度，所述第一永磁铁1和第二永磁铁2向隔振磁铁3提供负刚度；
当被隔振物体带动隔振磁铁3运动时，施加于所述隔振磁铁3的正刚度和负刚度相互抵消，在隔振磁铁3位置形成准零刚度。
本实施例提出的一种准零刚度隔振装置及其设计方法，第一永磁铁1和第二永磁铁2对称设置于隔振磁铁3的两侧，并同时对隔振磁铁3产生吸力，隔振磁铁3与被隔振物体相连，当被隔振物体发生振动时将动能传递至隔振磁铁3，带动隔振磁铁3运动，则通过控制隔振磁铁3的振动，即可达到隔振效果；
在隔振磁铁3的两侧设置第一非线性弹力装置和第二非线性弹力装置，使隔振装置形成两自由度的准零刚度隔振系统，非线性弹力装置可选择空气弹簧、橡胶弹簧等非线性弹簧；
使非线性弹力装置向隔振磁铁3提供的正刚度与永磁铁向隔振磁铁3提供的负刚度相互抵消，从而使系统达到一个准零刚度的状态，这种状态下系统的动刚度趋于零，使系统共振频率远小于线性结构的共振频率，相比线性刚度系统，本发明在特定的振动激励和阻尼下，具有隔振频率更低，隔振频段更宽，隔振效果更好的优点。
本发明第二个实施例提出了一种准零刚度隔振装置，且在第一个实施例的基础上，如图1至图5所示，所述第一非线性弹力装置包括第一空气弹簧4，所述第二非线性弹力装置包括第二空气弹簧5，所述第一空气弹簧4和第二空气弹簧5向隔振磁铁3提供3阶非线性恢复力；
所述被隔振物体带动隔振磁铁3运动时，所述第一空气弹簧4和第二空气弹簧5的伸缩状态相反。
在该实施例中，选择空气弹簧作为非线性弹力装置向隔振磁铁3提供3阶非线性恢复力，第一非线性弹力装置可包含多个第一空气弹簧4，多个第一空气弹簧4可进行串联或并联，第二非线性弹力装置可包含多个第二空气弹簧5，多个第二空气弹簧5可进行串联或并联；
第一空气弹簧4和第二空气弹簧5分别位于隔振磁铁3的两侧，且被隔振物体带动隔振磁铁3运动时，所述第一空气弹簧4和第二空气弹簧5的伸缩状态相反，即初始状态，第一空气弹簧4和第二空气弹簧5均为静止状态，隔振磁铁3向第一空气弹簧4方向压缩时，第一空气弹簧4为压缩状态，第二空气弹簧5为拉伸状态，隔振磁铁3向第二空气弹簧5方向压缩时，第一空气弹簧4为拉伸状态，第二空气弹簧5为压缩状态。
本发明第三个实施例提出了一种准零刚度隔振装置，且在上述任一实施例的基础上，如图1至图5所示，所述隔振磁铁3分别与第一永磁铁1和第二永磁铁2异极相对。
在该实施例中，相邻的磁铁之间互相产生吸力，可设置多块第一永磁铁1或多块第二永磁铁2，需保证隔振磁铁3两侧永磁铁的总磁感线强度相等。
本发明第四个实施例提出了一种准零刚度隔振装置，且在上述任一实施例的基础上，如图1至图5所示，所述第一永磁铁1设于第一支撑板11，所述第二永磁铁2设于第二支撑板21，所述第一支撑板11与第二支撑板21通过第一连接杆6相连；
所述隔振磁铁3设于隔振连接板31，所述隔振连接板31通过第二连接杆7与物体放置板32相连，所述物体放置板32与被隔振物体接触。
在该实施例中，第一支撑板11与第一空气弹簧4的顶端相连，第二支撑板21与第二空气弹簧5的底端相连，当第一支撑板11位于靠近被隔振物体的一侧时，第二支撑板21可与地面或基础安装座固定连接，第一支撑板11用于固定第一永磁铁1，第二支撑板21用于固定第二永磁铁2，第一支撑板11与第二支撑板21之间通过第一连接杆6相连；
隔振连接板31用于固定隔振磁铁3，物体放置板32用于连接被隔振物体，将隔振连接板31与物体放置板32通过第二连接杆7相连，使隔振磁铁3与被隔振物体连接；
第一连接杆6和第二连接杆7均为刚性连接杆，第一支撑板11和第二支撑板21之间设有4根第一连接杆6，隔振连接板31与物体放置板32之间设有4根第二连接杆7，提供刚性支撑。
本发明第五个实施例提出了一种准零刚度隔振装置，且在上述实施例的基础上，如图1至图5所示，所述隔振连接板31设有第一通过孔311，所述第一连接杆6穿过第一通过孔311连接第一支撑板11和第二支撑板21；
所述第一支撑板11和/或第二支撑板21设有第二通过孔111，所述第二连接杆7穿过第二通过孔111连接物体放置板32和隔振连接板31。
在该实施例中，第一连接杆6穿过第一通过孔311，使隔振连接板31套接于第一连接杆6并在第一连接杆6上的一定范围内滑动；
当被隔振物体位于靠近第一支撑板11的一侧时，第二通过孔111开设于第一支撑板11，第二连接杆7穿过第二通过孔111，使第一支撑板11套接于第二连接杆7并在第二连接杆7上的一定范围内滑动。
本发明第六个实施例提出了一种准零刚度隔振装置设计方法，且在上述任一实施例的基础上，如图1至图5所示，包括以下步骤：
S1、选定使用的空气弹簧型号，使空气弹簧的有效承载面积随弹簧高度呈线性变化，建立单个空气弹簧轴向力与有效承载面积之间的函数关系；
根据被隔振设备的质量和体积，以及安装环境允许的有效使用空间，选定空气弹簧的型号，单个空气弹簧轴向力与有效承载面积之间的函数关系如下：
Figure BDA0003502970540000091
其中，Pa为大气压力，P0为初始状态下的空气弹簧内压，S为有效承载面积；
S＝Dδ+S0
其中，S0为自然状态下的初始有效面积；D为有效承载面积随变形量δ的变化率，δ为空气弹簧拉伸或压缩时产生的变形量。
S2、根据S1中得出的函数关系分别求取空气弹簧在拉伸状态和压缩状态的刚度，并将空气弹簧对隔振磁铁3产生的刚度表示为跟轴向变形量相关的函数；
将S1中空气弹簧轴向力与有效承载面积之间的函数对变形量求导，则有：
Figure BDA0003502970540000092
取空气弹簧竖直刚度为静态刚度，有
Figure BDA0003502970540000101
Figure BDA0003502970540000102
则压缩状态下空气弹簧的刚度可表示为：
Figure BDA0003502970540000103
空气弹簧的刚度可表示为位移的二次函数，故非线性回复力可近似表示为位移的三次函数，设空气弹簧的轴向力为：
Fc＝k3δ3+k2δ2+k1δ+F0
对F求导有，压缩状态下空气弹簧对隔振磁铁产生的刚度为：
Kc＝3k3δ2+2k2δ+k1
同理，在拉伸状态下：
Sp＝-Dδ+S0
则拉伸状态下，空气弹簧对隔振磁铁产生的刚度为：
Kcp＝3k3δ2-2k2δ+k1
其中：k1、k2、k3为跟空气弹簧气压、结构和材质相关的系数。
S3、建立第一永磁铁1和第二永磁铁2在隔振磁铁3产生的磁力与轴向变形量之间的函数关系，计算永磁铁对隔振磁铁3产生的负刚度；
第一永磁铁1和第二永磁铁2的磁感线强度大小相等，S3中第一永磁铁1和第二永磁铁2共同对隔振磁铁3产生的磁力为：
Figure BDA0003502970540000104
对x求导，得出第一永磁铁1和第二永磁铁2共同对隔振磁铁产生的负刚度为：
Figure BDA0003502970540000111
其中，d为单个空气弹簧原始长度，第一空气弹簧4和第二空气弹簧5大小相等，x为隔振磁铁的位移，与空气弹簧拉伸或压缩时产生的变形量δ相等。
由于隔振装置只在平衡位置小幅度振动，不考虑大幅度强非线性的情形，可假设永磁铁的磁感线是理想分布状态，且忽略第一永磁铁1和第二永磁铁2之间的干扰。
S4、将空气弹簧产生的正刚度与永磁铁产生的负刚度进行累加，按照隔振装置呈准零刚度状态的条件，计算初始时刻各永磁铁的磁感应强度；
以隔振磁铁向下运动为例，第一空气弹簧4为拉伸状态，对隔振磁铁3作用力向上，第二空气弹簧5为压缩状态，对隔振磁铁3作用力向上，将第一空气弹簧4、第二空气弹簧5产生的正刚度与永磁铁产生的负刚度累加后隔振装置的等效刚度为：
Figure BDA0003502970540000112
其中，n为串联的隔振装置数量，在本说明书中以串联数为1的情况进行计算。
在初始时刻(即x＝0时)，为了保证空气弹簧与磁铁之间呈准零刚度状态(即Keq＝0时)，则可得到磁感应强度的计算方法如下：
Figure BDA0003502970540000113
其中，Cm为隔振装置安装第一永磁铁1一端或安装第二永磁铁2一端的磁感线强度，根据计算结果选择匹配的第一永磁铁1或第二永磁铁2的数量和大小；
此时，隔振磁铁3的磁感线强度为第一永磁铁1或第二永磁铁2的两倍。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种准零刚度隔振装置，其特征在于，包括相对设置的第一永磁铁(1)和第二永磁铁(2)，所述第一永磁铁(1)和第二永磁铁(2)之间设有隔振磁铁(3)，所述隔振磁铁(3)与被隔振物体相连，所述第一永磁铁(1)与隔振磁铁(3)之间设有第一非线性弹力装置，所述第二永磁铁(2)与隔振磁铁(3)之间设有第二非线性弹力装置；
所述第一非线性弹力装置和所述第二非线性弹力装置向隔振磁铁(3)提供正刚度，所述第一永磁铁(1)和第二永磁铁(2)向隔振磁铁(3)提供负刚度；
当被隔振物体带动隔振磁铁(3)运动时，施加于所述隔振磁铁(3)的正刚度和负刚度相互抵消，在隔振磁铁(3)位置形成准零刚度。
2.根据权利要求1所述的一种准零刚度隔振装置，其特征在于，所述第一非线性弹力装置包括第一空气弹簧(4)，所述第二非线性弹力装置包括第二空气弹簧(5)，所述第一空气弹簧(4)和第二空气弹簧(5)向隔振磁铁(3)提供3阶非线性恢复力；
所述被隔振物体带动隔振磁铁(3)运动时，所述第一空气弹簧(4)和第二空气弹簧(5)的伸缩状态相反。
3.根据权利要求1所述的一种准零刚度隔振装置，其特征在于，所述隔振磁铁(3)分别与第一永磁铁(1)和第二永磁铁(2)异极相对。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种准零刚度隔振装置，其特征在于，所述第一永磁铁(1)设于第一支撑板(11)，所述第二永磁铁(2)设于第二支撑板(21)，所述第一支撑板(11)与第二支撑板(21)通过第一连接杆(6)相连；
所述隔振磁铁(3)设于隔振连接板(31)，所述隔振连接板(31)通过第二连接杆(7)与物体放置板(32)相连，所述物体放置板(32)与被隔振物体接触。
5.根据权利要求4所述的一种准零刚度隔振装置，其特征在于，所述隔振连接板(31)设有第一通过孔(311)，所述第一连接杆(6)穿过第一通过孔(311)连接第一支撑板(11)和第二支撑板(21)；
所述第一支撑板(11)和/或第二支撑板(21)设有第二通过孔(111)，所述第二连接杆(7)穿过第二通过孔(111)连接物体放置板(32)和隔振连接板(31)。
6.一种准零刚度隔振装置设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选定使用的空气弹簧型号，使空气弹簧的有效承载面积随弹簧高度呈线性变化，建立单个空气弹簧轴向力与有效承载面积之间的函数关系；
S2、根据S1中得出的函数关系分别求取空气弹簧在拉伸状态和压缩状态的刚度，并将空气弹簧对隔振磁铁(3)产生的刚度表示为跟轴向变形量相关的函数；
S3、建立第一永磁铁(1)和第二永磁铁(2)在隔振磁铁(3)产生的磁力与轴向变形量之间的函数关系，计算永磁铁对隔振磁铁(3)产生的负刚度；
S4、将空气弹簧产生的正刚度与永磁铁产生的负刚度进行累加，按照隔振装置呈准零刚度状态的条件，计算初始时刻各永磁铁的磁感应强度。
7.根据权利要求6所述的一种准零刚度隔振装置设计方法，其特征在于，S1中单个空气弹簧轴向力与有效承载面积之间的函数关系如下：
Figure FDA0003502970530000021
其中，Pa为大气压力，P0为初始状态下的空气弹簧内压，S为有效承载面积；
S＝Dδ+S0
其中，S0为自然状态下的初始有效面积；D为有效承载面积随变形量δ的变化率，δ为空气弹簧拉伸或压缩时产生的变形量。
8.根据权利要求7所述的一种准零刚度隔振装置设计方法，其特征在于，S2中将空气弹簧的非线性回复力表示为位移的三次函数，则在压缩状态下空气弹簧对隔振磁铁(3)产生的刚度为：
Kc＝3k3δ2+2k2δ+k1
在拉伸状态下空气弹簧对隔振磁铁(3)产生的刚度为：
Kcp＝3k3δ2-2k2δ+k1
其中：k1、k2、k3为跟空气弹簧气压、结构和材质相关的系数。
9.根据权利要求8所述的一种准零刚度隔振装置设计方法，其特征在于，第一永磁铁(1)和第二永磁铁(2)的磁感线强度大小相等，S3中第一永磁铁(1)和第二永磁铁(2)共同对隔振磁铁产生的磁力为：
Figure FDA0003502970530000031
其中，d为单个空气弹簧原始长度，x为隔振磁铁的位移，与空气弹簧拉伸或压缩时产生的变形量δ相等。
10.根据权利要求9所述的一种准零刚度隔振装置设计方法，其特征在于，S4中经正刚度和负刚度累加后隔振装置的等效刚度为：
Figure FDA0003502970530000032
在初始时刻(即x＝0时)，为了保证空气弹簧与磁铁之间呈准零刚度状态(即Keq＝0时)，则可得到磁感应强度的计算方法如下：
Figure FDA0003502970530000033
其中，Cm为隔振装置安装第一永磁铁(1)一端或安装第二永磁铁(2)一端的磁感线强度，根据计算结果选择匹配的第一永磁铁(1)或第二永磁铁(2)的数量和大小。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3410473A1 (de) * 1983-04-11 1984-10-18 Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V., 5000 Köln Federungssystem fuer ein kraftfahrzeug
JP2002081498A (ja) * 2000-06-30 2002-03-22 Japan Science & Technology Corp 除振方法およびその装置
WO2005026573A1 (ja) * 2003-09-11 2005-03-24 Japan Science And Technology Agency 除振方法およびその装置
EP1803963A1 (de) * 2005-12-30 2007-07-04 Integrated Dynamics Engineering GmbH Hybrides Steifigkeitsmodul zur Schwingungsisolation
CN102410337A (zh) * 2011-10-25 2012-04-11 清华大学 一种基于负刚度原理的永磁低频多自由度隔振度机构
CN104154170A (zh) * 2014-08-01 2014-11-19 安徽工程大学 一种基于并联机构的多维减振平台
CN206234312U (zh) * 2016-11-11 2017-06-09 中国人民解放军海军工程大学 一种刚度可调的磁性准零刚度隔振器
CN110043600A (zh) * 2019-03-25 2019-07-23 江苏大学 一种基于磁引力构件的准零刚度隔振器及车辆
CN110388408A (zh) * 2019-08-30 2019-10-29 国网湖南省电力有限公司 一种负刚度可调准零刚度隔振装置及其应用方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3410473A1 (de) * 1983-04-11 1984-10-18 Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V., 5000 Köln Federungssystem fuer ein kraftfahrzeug
JP2002081498A (ja) * 2000-06-30 2002-03-22 Japan Science & Technology Corp 除振方法およびその装置
WO2005026573A1 (ja) * 2003-09-11 2005-03-24 Japan Science And Technology Agency 除振方法およびその装置
EP1803963A1 (de) * 2005-12-30 2007-07-04 Integrated Dynamics Engineering GmbH Hybrides Steifigkeitsmodul zur Schwingungsisolation
CN102410337A (zh) * 2011-10-25 2012-04-11 清华大学 一种基于负刚度原理的永磁低频多自由度隔振度机构
CN104154170A (zh) * 2014-08-01 2014-11-19 安徽工程大学 一种基于并联机构的多维减振平台
CN206234312U (zh) * 2016-11-11 2017-06-09 中国人民解放军海军工程大学 一种刚度可调的磁性准零刚度隔振器
CN110043600A (zh) * 2019-03-25 2019-07-23 江苏大学 一种基于磁引力构件的准零刚度隔振器及车辆
CN110388408A (zh) * 2019-08-30 2019-10-29 国网湖南省电力有限公司 一种负刚度可调准零刚度隔振装置及其应用方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
董光旭;罗亚军;严博;张希农;: "基于正负刚度并联的低频隔振器研究", 航空学报, no. 07, pages 182 - 192 *

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