CN1477319A

CN1477319A - 多自由度超低频精密隔振系统

Info

Publication number: CN1477319A
Application number: CNA031116051A
Authority: CN
Inventors: 申董; 董申; 李旦; 陈明君; 张建卓
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2003-05-01
Filing date: 2003-05-01
Publication date: 2004-02-25
Anticipated expiration: 2023-05-01
Also published as: CN1225607C

Abstract

多自由度超低频精密隔振系统，它涉及一种机械式隔振系统。它由水平隔振装置(A)、垂直隔振装置(B)、水平设置的隔板(C)、位于隔板(C)上方水平设置的台面板(D)组成，至少三个垂直隔振装置(B)支撑在隔板(C)的下面，在隔板(C)的上面设有至少三个水平隔振装置(A)，水平隔振装置(A)支撑在台面板(D)的下面。它解决了现有隔振系统存在的固有频率较高、机动性能低、适应能力差的问题。本发明为精密工程领域设计研制一套廉价、可靠、机动性能好、适应能力强、隔振能力优于空气弹簧的超低频多自由度隔振系统。其垂直方向和水平方向的固有频率皆＜0.5Hz，阻尼比＞0.1。

Description

多自由度超低频精密隔振系统

技术领域：本发明涉及一种机械式隔振系统。

背景技术：随着科学技术的发展，振动控制问题日益显得重要，为了减少振动在工程中的危害性，人们研究了各种减振方法，研制了各种振动控制装置及减振材料。在超精密加工、微细加工、精密光学测量、惯导测试及生物医学试验等各种精密工程领域对外界环境振动的要求越来越严格。目前，在这些精密工程领域常用的隔振系统是自60年代发展起来的空气弹簧隔振技术，这是因为空气弹簧具有较高承载能力的同时具有较低的刚度的优点，其固有频率一般为2～3Hz。但另一方面空气弹簧制造成本高并且在运行时还需辅助气源，使其机动性能降低；对高温环境的适应能力较差，应用于洁净室中会造成空气污染。由于这些不足，使空气弹簧的应用受到一定限制。

发明内容：为解决现有隔振系统存在的固有频率较高、机动性能低、适应能力差的问题，本发明提供一种多自由度超低频精密隔振系统。本发明由水平隔振装置A、垂直隔振装置B、水平设置的隔板C、位于隔板C上方水平设置的台面板D组成，至少三个垂直隔振装置B支撑在隔板C的下面，在隔板C的上面设有至少三个水平隔振装置A，水平隔振装置A支撑在台面板D的下面。在使用时可根据需要将水平隔振装置A和垂直隔振装置B的位置互换。本发明隔振系统由两级组成，如图1所示，垂直隔振系统主要将振动的垂直分量和绕两个水平轴线的角振动分量隔离，水平隔振系统主要将绕垂直轴线的角振动和沿两个水平方向的线振动分量隔离掉。本发明的优点在于(1)其垂直方向和水平方向的固有频率皆＜0.5Hz，阻尼比＞0.1，可实现六自由度隔振；(2)固有频率可根据需要方便地进行调节；(3)安装方便，机动性能好，稳定可靠，价格低廉；(4)不需要气源，可应用于洁净室，不会污染环境；(5)不需要电能，可适用于野外作业；(6)可应用于超精密加工、精密测量，生物技术、电生理及扫描隧道显微镜等各种需要精密隔振的领域；(7)可形成系列化产品。本发明为精密工程领域设计研制一套廉价、可靠、机动性能好、适应能力强、隔振能力优于空气弹簧的超低频多自由度隔振系统。其垂直方向和水平方向的固有频率皆＜0.5Hz，阻尼比＞0.1。

附图说明：图1是本发明的系统示意图，图2是垂直隔振装置B的工作原理图，图3是垂直隔振装置B的载荷曲线图，图4是垂直隔振装置B的结构示意图，图5是水平隔振装置A的工作原理图，图6是图5的俯视图，图7是水平隔振装置A的主视图，图8是图7的俯视图。

具体实施方式：本实施方式由水平隔振装置A、垂直隔振装置B、水平设置的隔板C、位于隔板C上方水平设置的台面板D组成，四个垂直隔振装置B支撑在隔板C的下面，在隔板C的上面设有四个水平隔振装置A，水平隔振装置A支撑在台面板D的下面。

参阅图4，垂直隔振装置B包含基板13、设置在基板13上方的弹簧6、设置在弹簧6上方与弹簧6弹力方向相垂直的弹簧片15、支承体16、垂直刚度调节机构8、平衡点调节机构4，支承体16设置在弹簧6的上端，弹簧6的下方设有平衡点调节机构4，弹簧片15的中部固定在支承体16上，弹簧片15的左端固定在基板13上的立梁14上，弹簧片15的右端连有垂直刚度调节机构8。共有两个弹簧片15，并相互上下设置，垂直刚度调节机构8由垂直固定在基板13上面的弹簧板17、设置在两个弹簧片15之间并与立梁14螺纹连接的螺杆12、连接在弹簧板17上端的固定体18、弹性体11组成，固定体18和弹性体11自左向右依次套装于螺杆12的右端，在弹性体11的右侧还设有螺母12-1，弹簧片15的右端与固定体18相连接。通过螺母12和弹性体11可方便的调节垂直方向的刚度。在支承体16的上方固定有防滑隔声阻尼橡胶10，防滑隔声阻尼橡胶10支撑在隔板C的下方。在弹簧6的外面还套装有阻尼装置7。平衡点调节机构4由设置在弹簧6下方的转盘6-1、与转盘6-1螺纹配合的螺杆6-2、垂直固定在基板13上面的导向杆5组成，转盘6-1套装于导向杆5上，螺杆6-2的下端设置在基板13上的通孔13-1内。在基板13的下方还设有充细沙的支腿2和连接在支腿2下端的支座1，在支腿2与基板13之间设有阻尼垫层3，上述结构可将来自地基的高频振动隔离掉。垂直隔振系统原理如图2所示，AC为一弹性压杆，两端通过一弹性元件施加轴向力P，在压杆中点B处与一刚度为K_s的金属弹簧并联，M为承载质量。处于平衡位置时，ABC处于水平位置。图3中点划线为金属弹簧的载荷变形关系，当力P＞P_lj(P_lj为压杆的临界失稳压力)时，压杆在平衡点处的载荷变形关系如cefd虚线所示，由于压杆与弹簧在B点并联，则总变形曲线如图中实线OAB所示。使隔振系统在平衡点附近的载荷变形关系具有立方刚度渐硬特性(OAB)。使其在平衡点时的刚度趋向于0且大于0，从而使隔振系统具有很低的固有频率，实现低频隔振，同时具有较高的承载能力。

参阅图7、图8，水平隔振装置A由中间体A9、x向隔振机构A8和y向隔振机构A7组成，x和y向隔振机构分别由支承块A1、相互平行设置的至少一对小弹簧片A2、外支承块A4、螺杆A3、弹性块A5、螺母A6组成，小弹簧片A2的两端分别与支承块A1和外支承块A4相连接，螺杆A3的一端与支承块A1相连接，螺杆A3的另一端穿过外支承块A4，弹性块A5位于外支承块A4的外侧，弹性块A5及其压板A5-1套装于螺杆A3上，在螺杆A3的外端连有螺母A6；x向隔振机构A8和y向隔振机构A7的小弹簧片A2相互垂直设置，小弹簧片A2的中部固定在中间体A9上，在中间体A9上面设有与台面板D相接触的上防滑阻尼隔声垫A14，在支承块A1和外支承块A4的下面设有与隔板C相接触的下防滑阻尼隔声垫A13。水平隔振系统利用压杆在受到亚临界轴向力时横向刚度趋于0的原理来降低系统的固有频率，从而达到低频隔振的目的。图4、图5所示的复式片弹簧机构，在力4P及8F作用下，则水平位移f为：

f = \frac{F L^{3}}{12 E L_{y}} - - (1)

则y向刚度为：

k_{y} = \frac{12 E I_{y} (1 - α)}{L^{3}} - - (2)

式中：EI_y--单根片弹簧在y向的抗弯刚度；

α＝P/P_lj；

P_lj-一端固定一端可移动但不能转动时压杆的临界力，P_lj＝π²EI/l²。

当轴向力P趋向于P_lj时，k_y趋向于0，从而实现水平y方向超低频隔振的目的。同理，在与此机构垂直方向再嵌一套相同机构即可实现x方向的超低频隔振。与此同时，压杆在z向的抗弯刚度EI_z＞EI_y＝EI_x，在z向支撑重物。

Claims

1、多自由度超低频精密隔振系统，其特征在于它由水平隔振装置(A)、垂直隔振装置(B)、水平设置的隔板(C)、位于隔板(C)上方水平设置的台面板(D)组成，至少三个垂直隔振装置(B)支撑在隔板(C)的下面，在隔板(C)的上面设有至少三个水平隔振装置(A)，水平隔振装置(A)支撑在台面板(D)的下面。

2、根据权利要求1所述的多自由度超低频精密隔振系统，其特征在于垂直隔振装置(B)包含基板(13)、设置在基板(13)上方的弹簧(6)、设置在弹簧(6)上方与弹簧(6)弹力方向相垂直的弹簧片(15)、支承体(16)、垂直刚度调节机构(8)、平衡点调节机构(4)，支承体(16)设置在弹簧(6)的上端，弹簧(6)的下方设有平衡点调节机构(4)，弹簧片(15)的中部固定在支承体(16)上，弹簧片(15)的左端固定在基板(13)上的立梁(14)上，弹簧片(15)的右端连有垂直刚度调节机构(8)。

3、根据权利要求2所述的多自由度超低频精密隔振系统，其特征在于共有两个弹簧片(15)，并相互上下设置。

4、根据权利要求3所述的多自由度超低频精密隔振系统，其特征在于垂直刚度调节机构(8)由垂直固定在基板(13)上面的弹簧板(17)、设置在两个弹簧片(15)之间并与立梁(14)螺纹连接的螺杆(12)、连接在弹簧板(17)上端的固定体(18)、弹性体(11)组成，固定体(18)和弹性体(11)自左向右依次套装于螺杆(12)的右端，在弹性体(11)的右侧还设有螺母(12-1)，弹簧片(15)的右端与固定体(18)相连接。

5、根据权利要求2、3或4所述的多自由度超低频精密隔振系统，其特征在于在支承体(16)的上方固定有防滑隔声阻尼橡胶(10)，防滑隔声阻尼橡胶(10)支撑在隔板(C)的下方。

6、根据权利要求2所述的多自由度超低频精密隔振系统，其特征在于在弹簧(6)的外面还套装有阻尼装置(7)。

7、根据权利要求2所述的多自由度超低频精密隔振系统，其特征在于平衡点调节机构(4)由设置在弹簧(6)下方的转盘(6-1)、与转盘(6-1)螺纹配合的螺杆(6-2)、垂直固定在基板(13)上面的导向杆(5)组成，转盘(6-1)套装于导向杆(5)上，螺杆(6-2)的下端设置在基板(13)上的通孔(13-1)内。

8、根据权利要求1所述的多自由度超低频精密隔振系统，其特征在于水平隔振装置(A)由中间体(A9)、x向隔振机构(A8)和y向隔振机构(A7)组成，x和y向隔振机构分别由支承块(A1)、相互平行设置的至少一对小弹簧片(A2)、外支承块(A4)、螺杆(A3)、弹性块(A5)、螺母(6)组成，小弹簧片(A2)的两端分别与支承块(A1)和外支承块(A4)相连接，螺杆(A3)的一端与支承块(A1)相连接，螺杆(A3)的另一端穿过外支承块(A4)，弹性块(A5)位于外支承块(A4)的外侧，弹性块(A5)及其压板(A5-1)套装于螺杆(A3)上，在螺杆(A3)的外端连有螺母(A6)；x向隔振机构(A8)和y向隔振机构(A7)的小弹簧片(A2)相互垂直设置，小弹簧片(A2)的中部固定在中间体(A9)上。

9、根据权利要求8所述的多自由度超低频精密隔振系统，其特征在于在中间体(A9)上面设有与台面板(D)相接触的上防滑阻尼隔声垫(A14)，在支承块(A1)和外支承块(A4)的下面设有与隔板(C)相接触的下防滑阻尼隔声垫(A13)。