CN117927607A - 一种能够适应多种工况的磁环式高静低动刚度隔振器及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种能够适应多种工况的磁环式高静低动刚度隔振器及使用方法，属于隔振降噪设备领域，由支撑组件、永磁正刚度组件、碟簧负刚度组件、承载机构组成。支撑组件为中空圆柱体结构，能够屏蔽磁场对外界环境的影响。永磁正、负刚度组件分别为隔振器提供正、负刚度，其中，正刚度组件中的内、外磁组之间相对运动产生磁力，提供竖直方向的承载力。承载机构提出支撑，其载物台上可加持被隔振物体。所述隔振器可应用于多种振动工况下，具有降低来自基座传递到被隔振物体的振动幅值和提供支撑作用，使用时需将被隔振物体水平放置或固定在载物台上。本发明通过调节磁体间相对位置，能够适应负载工况改变，具有良好的低频和超低频隔振效果，隔振频带宽，工作性能稳定。

Description

一种能够适应多种工况的磁环式高静低动刚度隔振器及使用 方法

技术领域

本发明属于隔振降噪设备领域，涉及一种能够适应多种工况的磁环式高静低动刚度隔振器，是一种振动控制装备。

背景技术

传统线性隔振系统受到自身结构的限制，只有当激励频率大于系统固有频率的倍时才具备隔振能力。因此在设计线性隔振系统时常采用降低固有频率的方法来提高线性隔振系统的隔振能力，但是盲目地降低固有频率导致系统刚度的下降，使得系统对于载荷的承受能力下降，这一系列的问题始终存在于线性隔振系统的设计中。因此，如何有效控制机械设备运行过程中产生的低频振动是提高声隐身性能的关键。加装隔振器是降低机械设备振动常用的方法，但普通线性隔振器对于低频隔振效果还不够理想。为了拓展隔振频带，可降低系统固有频率。如若采取这种方法，也就意味着降低系统刚度，使得隔振系统承载能力降低，导致被隔振设备在运行中可能出现失稳状态。因此，较为理想的隔振器应具有较高的静刚度和较低的动刚度。

本发明提出的高静低动刚度隔振器是将正刚度机构与负刚度机构并联，正刚度机构决定了隔振器承载力大小，负刚度机构用于降低系统动刚度，因此，高静低动刚度隔振器可同时具有较高的静刚度和较低的动刚度，能够承受较大设备负载质量，同时使设备在静平衡位置振动时具有较低的动刚度。但现有的高静低动刚度隔振器主要是针对特定工况来设计结构，而实际工程中由于工况的变化、外部激励的变化以及弹性元件的老化，都将使得系统的隔振性能急剧下降，此时传统高静低动刚度隔振器不能发挥其优良的隔振性能。

发明内容

本申请的目的在于，基于实际需求，通过磁体间相互作用和碟簧配合，提供一种能适应于多种工况的高静低动刚度隔振器，本发明具有优良的低频隔振性能，且不易产生失稳，能够适用于精密仪器隔振，机电设备减振等领域。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案。

一种可适应于多种工况的磁环式高静低动刚度隔振器，所述的磁环式高静低动刚度隔振器包括支撑组件1、永磁正刚度组件2、碟簧负刚度组件3，承载机构4；具体如下：

所述的支撑组件1主体为中空圆柱体结构，其采用不导磁材料不锈钢构成，能够屏蔽磁场对外界环境的影响，且具有降低内部装置损坏的作用，防止外界应力对内部结构做成不可逆的影响，其材料自身应具有一定的刚度，包括：一个上端盖11、机构外壳12、内磁组内壳13、内磁组支撑轴14。所述机构外壳12为中空圆柱结构，上端盖11为中部设有通孔的圆片结构，设于机构外壳12顶部。所述内磁组内壳13为中空圆柱结构，与机构外壳12同轴心，顶部与载物台41接触，外表面与内磁组29内表面接触。所述内磁组支撑轴14为设于机构外壳12中部，其顶部固定在载物台41上。所述机构外壳12沿轴向，其底部放置碟簧负刚度组件3，中部放置永磁正刚度组件2。

所述的永磁正刚度组件2为磁环式高静低动刚度隔振器提供正刚度，包括：四个结构相同的永磁外磁环21与层间及永磁外磁环21上下面的五层外铝环22、四根外磁环支撑杆23；四个结构相同的永磁内磁环24与层间及永磁内磁环磁环24上下面的五层内铝环25、四根内磁环支撑杆26；四个正刚度调节机构27。所述的四个永磁外磁环21布置于机构外壳12内，其外围紧贴机构外壳12内壁面，上下堆叠放置，相邻永磁外磁环21层间及最上和最下方永磁外磁环21的上下面布置外铝环22，四层外磁环21和五层外铝环22构成外磁组28，四个永磁外磁环21周向等间隔设有四个用于安装外磁环支撑杆23的通孔，最上方永磁外磁环21上表面的外铝环22与上端盖11接触。所述四个永磁内磁环24上下堆叠放置于永磁外磁环21内圈，其内圈套接于内磁组支撑轴14上，相邻永磁内磁环24层间及最上和最下方永磁内磁环24的上下面布置内铝环25，四层内磁环24和五层内磁环25构成内磁组29；四个永磁内磁环24周向等间隔设有四个用于安装内磁环支撑杆26的通孔。内磁组29与外磁组28间留有18mm气隙，所述的正刚度调节机构27为螺栓螺杆调节旋钮，通过螺栓调节控制外磁组28与内磁组27竖直方向的位置差。所述的内、外磁组29、28顶端对齐，二者之间相对运动产生磁力，为本发明提供竖直方向的承载力。

进一步的，所述的永磁内磁环24和永磁外磁环21采用钕铁硼N50构成。

所述的碟簧负刚度组件3为本发明提供负刚度，包括：碟簧支撑座33和套接于碟簧支撑座33上的单层碟簧34。所述碟簧支撑座33包括底部圆盘和圆柱体，为倒T形结构，中部圆柱从底部插入叠放的永磁内磁环24内圈。所述单层碟簧34为中间开口，上窄下款的锥形结构，本文中单层碟簧结构由45#钢加工制造，中间开口圆直径为40mm，碟簧外径为130mm，在应力作用下会产生变形力作用在系统上，两个单层碟簧34对合形成对合碟簧31，两个单层碟簧34叠合而成形成叠合碟簧32，对合碟簧31位于叠合碟簧32上方。图7中共有两组对合碟簧31，两组叠合碟簧32，单层碟簧34受到永磁正刚度组件2产生的反作用磁力后产生形变，进而产生碟簧力。

所述的承载机构4为本发明的承载机构，包括：顶部载物台41和底部凹台42，为T形结构，其中载物台41上方可加持被隔振物体，凹台42下方可固定在地面或平台上。所述的载物台41包括顶部圆盘和下方圆柱体，圆柱体的内径小于永磁内磁环24内圈直径，从上方插入叠放的永磁内磁环24内圈，安装后载物台41与碟簧支撑座33的圆柱体之间留有气隙。所述载物台41圆盘与最上层永磁内磁环24的端面内铝环25接触。所述的凹台42为圆环结构，布置于机构外壳12底部，其内径大于碟簧支撑座33圆盘外径，即碟簧支撑座33放置于凹台42内圈，凹台42的顶面承接最下方永磁外磁环21，对合碟簧31的顶面承接最下方永磁内磁环24。

进一步的，所述的碟簧支撑座33与载物台41之间存在的气隙长度大于机构竖直方向上的最大位移量，即载物台竖直方向可运动位移大于碟簧变形范围。所述机构竖直方向上的最大位移量指安装后载物台41下表面和碟簧支撑座33上表面之间中间的气隙长度大于位移，因为载物台存在竖直方向的运动，为了防止载物台和支撑座在运动中接触。

进一步的，所述的支撑组件1的要求是采用不导磁材料加工制作，考虑到该发明的工作环境，上端盖11、机构外壳12、内磁组内壳13和内磁组支撑轴14应具有一定的耐腐蚀性和结构强度，可以保护内部构件不受外界侵蚀，且在应力作用下不产生变形；

进一步的，所述的永磁正刚度组件2的要求是采用强磁材料钕铁硼加工制造，考虑到该部件中最重要的部分为外磁环21和内磁环24，要求磁体材料选择具有很高的饱和磁化强度、各向异性及居里温度的钕铁硼，该材料不易发生退磁，且具有较强的工作稳定性和优异的磁性能；外铝环22和内铝环25采用铝材支撑，具有夹持、保护磁环，降低装配难度的作用；外磁环支撑杆23和内磁环支撑杆26采用铜材加工制造，外磁组28嵌套在外磁环支撑杆23上，可限制外磁组28横向位移，降低失稳风险，正刚度调节机构27位于外磁环支撑杆23上端；内磁组29嵌套在内磁环支撑杆26上，可限制内磁组29横向位移，降低失稳风险；

进一步的，所述的碟簧负刚度组件3的要求是单层碟簧34由45#钢加工制造，其杨氏模量为209000GPa，泊松比为0.3，具体性能参数如表1所示；本发明中碟簧负刚度组件3总共由6层单层碟簧34构成，其中两组对合碟簧31，两组叠合碟簧32；碟簧支撑座33材料与支撑机构1相同；

进一步的，所述的承载机构4的要求是采用不导磁材料不锈钢加工制造，载物台41和凹台42需承受高于自身数倍的重量，因此应具有一定的结构强度，防止在压力作用下发生变形，且应具有屏蔽磁场的功能，防止内部磁场对被隔振物体产生影响；

一种可适应于多种工况的磁环式高静低动刚度隔振器的使用方法，包括以下内容：

本发明提供了一种应用于多种振动工况下，同时具有降低来自基座传递到被隔振物体的振动幅值和提供支撑作用的高静低动刚度隔振器，该发明具有多种使用工况，其使用时需将被隔振物体水平放置或固定在载物台41上。具体的：

工况1：重力由碟簧力支撑。组合碟簧31和叠合碟簧32在被隔振物体重力作用下产生一定的预压缩量，此时内磁组29在预压缩量下产生相对位移，使得系统处于平衡状态，如图1所示，内磁组29与外磁组28顶端对齐，此时重力全部由碟簧支撑，碟簧支撑座33和载物台41嵌套在内磁组支撑轴14上，碟簧支撑座33与载物台41间存在一定气隙，该气隙长度大于机构竖直方向上的最大位移量，外磁组28固定在凹台42上，当基座受到外界激励作用时，碟簧负刚度部件3受作用产生变形，产生碟簧力，继而带动内磁组29与外磁组28之间产生相对位移，产生磁力，使得系统达到低动刚度状态。

工况2：重力由碟簧力和磁力共同支撑。针对特定工况(被隔振物体质量确定)下，调节正刚度机构与负刚度机构至平衡状态，此时被隔振物体重力由碟簧负刚度机构2和永磁正刚度机构3同时承担，此时组合碟簧31和对合碟簧32均有一定的预压缩量，内磁组29与外磁组28之间存在相对位移，此时碟簧力和磁力合力抵消重力的影响，系统处于平衡状态，当基座受到外界激励作用时，碟簧负刚度部件3受作用产生变形，带动内磁组29产生竖直方向运动，使得系统达到低动刚度状态。

当两种工况情况下，负载发生变化时，可通过调节正刚度调节机构27的螺栓螺杆调节旋钮，调节外磁组28与凹台42之间距离，控制内磁组29与外磁组28间磁力输出的大小，以适应负载的变化。本发明提供的整体装置制造成本低，工作稳定性高，不易发生失稳现象，在兼具承载能力的同时具有优良的低频隔振性能，可用于精密仪器减振、机电设备隔振等，是一种具有优良性能的振动控制装备。

本发明的有益效果为：

本发明的工况可调节的高静低动刚度隔振器，它具有较大的静刚度和较小的动态刚度，通过调节磁体间相对位置，能够适应负载工况改变，使高静低动刚度隔振器具有更广泛的应用场景和更优良的低频隔振性能，能够自适应调节机构至高静低动刚度状态，因而具有良好的低频和超低频隔振效果，隔振频带宽，且工作性能稳定，它解决了传统线性隔振系统在隔离低频甚至超低频时的难题。

附图说明

图1是磁环式高静低动刚度隔振器的正视图；

图2是磁环式高静低动刚度隔振器的上视图；

图3是磁环式高静低动刚度隔振器的侧视图；

图4是磁环式高静低动刚度隔振器的正视剖面图；

图5是支撑部件的结构示意图；

图6是永磁正刚度组件的结构示意图；

图7是碟簧负刚度组件的结构示意图；

图8是载物台的结构示意图；

图9是凹台的结构示意图。

图10是单层碟簧的结构示意图

图中：1支撑组件、2永磁正刚度组件、3碟簧负刚度组件、4承载机构；

11上端盖；12机构外壳；13内磁组内壳；14内磁组支撑轴；

21永磁外磁环；22外铝环、23外磁环支撑杆、24永磁内磁环、25内铝环、26内磁环支撑杆、27正刚度调节机构、28外磁组、29内磁组；

31对合碟簧；32叠合碟簧；33碟簧支撑座33；34单层碟簧；

41载物台、42凹台。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本申请作详细说明。

本申请的一种能够适应多种负载工况的高静低动刚度隔振器，利用内磁组29和外磁组28构成的永磁磁组作为隔振器正刚度控制部分，利用单层碟簧34构成碟簧负刚度机构，两个部分相互配合，在隔振器负载工况发生变化时，可以通过调整调节正刚度调节机构27调整外磁组28与凹台42的竖直距离适应负载的变化，使系统在平衡位置达到低动刚度，使被隔振物体在平衡位置附近做小幅振动时，能够有效降低系统的固有频率，实现大范围低起始频率隔振，增强低频隔振能力。

如图1～图10所示，磁环式高静低动刚度隔振器的主要结构包括：支撑组件1、永磁正刚度组件2、碟簧负刚度组件3，承载机构4；

特别的，为了避免结构之间相互磁化影响实施，本装置中，除了永磁磁铁以及磁体间铝环以及一些必要的结构之外，位于磁组附近的可能受到永磁磁场影响的结构应当尽可能使用非铁磁材料制作加工。

其中，支撑组件1包括：上端盖11、机构外壳12、内磁组内壳13、内磁组支撑轴14；

其中内磁组内壳13位于内磁组29与内磁组支撑轴14之间，上端盖11与机构外壳12间需要设置螺孔以及卡口等连接结构或装置与便于与其他结构或装置对接。

需要说明的是，本装置中的正刚度调节结构27主要用于改变隔振系统的正刚度，在实际实施过程中，一般不作为主要的承载缓冲装置，本申请主要用于实现整个系统的刚度主动调节。

其中，永磁正刚度组件2包括：外磁组28、内磁组29、外磁环支撑杆23、内磁环支撑杆26和正刚度调节机构27；外磁组28由四层外磁环21和五层外铝环22叠加组合而成，外磁环21与外铝环22之间通过外磁环支撑杆23串联；内磁组29由四层内磁环24和五层内铝环25叠加组合而成，内磁环24与内铝环25之间通过内磁环支撑杆26串联，可减小磁组装配难度，降低失稳风险；

为便于固定和连接，在本实施例中，外磁组28通过卡扣固定在机构外壳12和上端盖11上，内磁组29固定在内磁组内壳13和载物台41上；内磁组29与内磁组内壳13和载物台41同步运动；

所述的永磁正刚度机构2产生的磁力通过有限元仿真计算并拟合数值表达式满足：

F_c＝2.362×10^-4x³-2.054×10^-5x²+0.3269x+0.1159 (1)

其中，x为磁体轴向运动位移，mm；

其中，碟簧负刚度组件3包括：两组对合碟簧31、两组叠合碟簧32和碟簧支撑座33，碟簧内外径及厚度相同，且内径略大于碟簧支撑座33的碟簧安装接口，给与碟簧足够的变形空间；

所述的碟簧负刚度组件3采用无支撑面碟簧，假定外加载荷和支承面上的反作用力都是沿内、外圆周分布，材料为完全弹性，并忽略其接触表面上摩擦力的影响。本发明中载荷、刚度与变形之间的关系满足：

其中，F为外加载荷，N；E为结构材料的弹性模量；D为碟簧外径，mm；d为碟簧内径，mm；μ为泊松比；h₀为碟簧内锥高度，mm；t为碟簧厚度，mm；x为变形量，mm。

将永磁正刚度机构2与碟簧负刚度机构3并联得到磁环式高静低动刚度隔振器，当被隔振物体质量为m时，定义竖直向下的方向为正方向，当载物台41向下运动时，则隔振系统回复力由永磁正刚度机构2与碟簧负刚度机构3同时提供，隔振系统回复力f(x)可表示为：

对式(5)求微分，可得系统刚度计算表达式：

通过谐波平衡法求解出该系统力传递率数值表达式为：

其中，f₀为传递到基座的力的幅值，F₀为激励力幅值，c为系统阻尼，ω为外界激励频率，F为永磁正刚度机构输出力的幅值，x为载物台竖直方向位移。

其中，承载机构4中载物台41应采用不导磁材料加工，且载物台41嵌套在内磁组支撑轴14上，即载物台41下端外径与内磁组支撑轴14内径相同，载物台41通过内磁环支撑杆26与内磁组29固连，凹台42上表面有四个柱形凹槽，用于放置外磁环支撑杆23，可配合正刚度调节机构27对磁环间相对位置进行调整。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种能够适应多种工况的磁环式高静低动刚度隔振器，其特征在于，所述的磁环式高静低动刚度隔振器包括支撑组件(1)、永磁正刚度组件(2)、碟簧负刚度组件(3)，承载机构(4)；

所述的支撑组件(1)主体为中空圆柱体结构，其采用不导磁材料，包括一个上端盖(11)、机构外壳(12)、内磁组内壳(13)、内磁组支撑轴(14)；所述机构外壳(12)为中空圆柱结构，上端盖(11)为中部设有通孔的圆片结构，设于机构外壳(12)顶部；所述内磁组内壳(13)为中空圆柱结构，与机构外壳(12)同轴心，顶部与载物台(41)接触，外表面与内磁组(29)内表面接触；所述内磁组支撑轴(14)为设于机构外壳(12)中部，其顶部固定在载物台(41)上；所述机构外壳(12)沿轴向，其底部放置碟簧负刚度组件(3)，中部放置永磁正刚度组件(2)；

所述的永磁正刚度组件(2)为磁环式高静低动刚度隔振器提供正刚度，包括：四个结构相同的永磁外磁环(21)与五层外铝环(22)、四根外磁环支撑杆(23)；四个结构相同的永磁内磁环(24)与五层内铝环(25)、四根内磁环支撑杆(26)；四个正刚度调节机构(27)；所述的四个永磁外磁环(21)布置于机构外壳(12)内，其外围紧贴机构外壳(12)内壁面，上下堆叠放置，相邻永磁外磁环(21)层间及最上和最下方永磁外磁环(21)的上下面布置外铝环(22)，四层外磁环(21)和五层外铝环(22)构成外磁组(28)，四个永磁外磁环(21)周向等间隔设有四个用于安装外磁环支撑杆(23)的通孔，最上方永磁外磁环(21)上表面的外铝环(22)与上端盖(11)接触；所述四个永磁内磁环(24)上下堆叠放置于永磁外磁环(21)内圈，其内圈套接于内磁组支撑轴(14)上，相邻永磁内磁环(24)层间及最上和最下方永磁内磁环(24)的上下面布置内铝环(25)，四层内磁环(24)和五层内磁环(25)构成内磁组(29)；四个永磁内磁环(24)周向等间隔设有四个用于安装内磁环支撑杆(26)的通孔；所述的正刚度调节机构(27)为螺栓螺杆调节旋钮，通过螺栓调节控制外磁组(28)与内磁组(27)竖直方向的位置差；

所述的碟簧负刚度组件(3)用于提供负刚度，包括：碟簧支撑座(33)和套接于碟簧支撑座(33)上的单层碟簧(34)；所述碟簧支撑座(33)包括底部圆盘和圆柱体，为倒T形结构，圆柱体从底部插入叠放的永磁内磁环(24)内圈；

所述的承载机构(4)用于承载机构，其采用不导磁材料，包括：顶部载物台(41)和底部凹台(42)，为T形结构，其中载物台(41)上方可加持被隔振物体，凹台(42)下方固定在地面或平台上；所述的载物台(41)包括顶部圆盘和下方圆柱体，圆柱体的内径小于永磁内磁环(24)内圈直径，从上方插入叠放的永磁内磁环(24)内圈，安装后载物台(41)与碟簧支撑座(33)的圆柱体之间留有气隙；所述载物台(41)圆盘与最上层永磁内磁环(24)的端面内铝环(25)接触；所述的凹台(42)为圆环结构，碟簧支撑座(33)放置于凹台(42)内圈，凹台(42)的顶面承接最下方永磁外磁环(21)，对合碟簧(31)的顶面承接最下方永磁内磁环(24)。

2.根据权利要求1所述的一种能够适应多种工况的磁环式高静低动刚度隔振器，其特征在于，所述的内磁组(29)与外磁组(28)的顶端对齐，二者之间留有气隙，且二者之间的相对运动产生磁力，用于提供竖直方向的承载力。

3.根据权利要求1所述的一种能够适应多种工况的磁环式高静低动刚度隔振器，其特征在于，所述的单层碟簧(34)为中间开口，上窄下款的锥形结构，其在应力作用下会产生变形力作用在整个结构上；两个单层碟簧(34)对合形成对合碟簧(31)，两个单层碟簧(34)叠合而成形成叠合碟簧(32)，对合碟簧(31)位于叠合碟簧(32)上方。

4.根据权利要求1所述的一种能够适应多种工况的磁环式高静低动刚度隔振器，其特征在于，所述的支撑组件(1)为不锈钢材质；所述的永磁内磁环(24)和永磁外磁环(21)采用钕铁硼N50构成；所述的承载机构(4)为不锈钢材质。

5.根据权利要求1所述的一种能够适应多种工况的磁环式高静低动刚度隔振器，其特征在于，所述的碟簧支撑座(33)与载物台(41)之间存在的气隙长度大于机构竖直方向上的最大位移量，即载物台竖直方向可运动位移大于碟簧变形范围。

6.一种权利要求1-5任一所述的可适应于多种工况的磁环式高静低动刚度隔振器的使用方法，其特征在于，具有多种使用工况，使用时将被隔振物体水平放置或固定在载物台(41)上，具体包括以下步骤：

工况1：重力由碟簧力支撑；组合碟簧(31)和叠合碟簧(32)在被隔振物体重力作用下产生预压缩量，此时内磁组(29)在预压缩量下产生相对位移，使得系统处于平衡状态，内磁组(29)与外磁组(28)顶端对齐，此时重力全部由碟簧支撑，碟簧支撑座(33)和载物台(41)嵌套在内磁组支撑轴(14)上，碟簧支撑座(33)与载物台(41)间存在气隙，外磁组(28)固定在凹台(42)上，当基座受到外界激励作用时，碟簧负刚度部件3受作用产生变形，产生碟簧力，继而带动内磁组(29)与外磁组(28)之间产生相对位移，产生磁力，使得系统达到低动刚度状态；

工况2：重力由碟簧力和磁力共同支撑；针对工况具体情况，调节正刚度机构与负刚度机构至平衡状态，此时被隔振物体重力由碟簧负刚度机构2和永磁正刚度机构3同时承担，此时组合碟簧(31)和对合碟簧32均有预压缩量，内磁组(29)与外磁组(28)之间存在相对位移，此时碟簧力和磁力合力抵消重力的影响，系统处于平衡状态，当基座受到外界激励作用时，碟簧负刚度部件3受作用产生变形，带动内磁组(29)产生竖直方向运动，使得系统达到低动刚度状态；

当两种工况情况下，负载发生变化时，可通过调节正刚度调节机构(27)的螺栓螺杆调节旋钮，调节外磁组(28)与凹台(42)之间距离，控制内磁组(29)与外磁组(28)间磁力输出的大小，以适应负载的变化。