一种刚度可调的磁性准零刚度隔振器的制作方法

本发明属于振动与噪声控制技术领域，涉及一种适用性较强的超低频振动被动隔离技术，具体涉及一种刚度可调的磁性准零刚度隔振器。

背景技术：

众所周知，对于一个质量为m，刚度为k的单自由度线性隔振系统，系统的固有频率为只有激励频率大于时，系统才有隔振效果。对于一个被隔振对象固定的隔振系统，为了提高系统的隔振效果，需降低系统刚度k，但刚度k的降低会引起系统的静变形变大，难以满足系统的稳定性要求。为解决这一技术问题，学者们提出了具有高静刚度和低动刚度的准零刚度隔振器，使其同时满足高承载能力和低动刚度的要求，在满足一定条件的情况下，能够有效隔离低频振动。

准零刚度隔振器是一种正刚度与负刚度进行匹配的组合型隔振器，在静平衡位置一定区间内具有较小的组合刚度。一方面，若被隔振物体的重量不是设计的理想重量，即被隔振物体放在准零刚度隔振器上，不能够稳定在理想的静平衡位置上，准零刚度隔振器的性能将受到影响。针对这一问题，发明专利CN104455181A、CN203641365U、CN202132428U和CN102678804A，均是通过调节套调节正刚度弹簧的压缩量使系统达到静平衡位置，但是，正刚度弹簧的预压量调节量有限，当被隔振物体重量与设计的理想重量有较大偏差时，该方法难以达到理想的效果。另一方面，若隔振器的某一刚度发生变化，通过调节预压量，将很难达到理想的准零状态。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种刚度可调的磁性准零刚度隔振器，利用矩形永磁铁产生负刚度、弹性气囊提供正刚度设计一种可调式准零刚度隔振器，通过控制弹性气囊工作位置不变并调节负刚度磁性调节机构的负刚度使其与改变的正刚度相匹配，可适应不同重量的被隔振物体；该具有结构简单，安装方便，承载可调等特点，且其隔振起始频率低，承载能力高，可效解决低频振动传递率与高频振动衰减率之间的难题，适用于汽车、船舶、飞机、精密仪器等的隔振领域。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种刚度可调的磁性准零刚度隔振器，包括负载平台、负刚度磁性调节机构、正刚度弹性囊体和机箱；所述负载平台设置在机箱外部上方，机箱内部设置负刚度磁性调节机构和正刚度弹性囊体；其中，负刚度磁性调节机构的上部通过导杆穿出机箱上部与负载平台相连接，负刚度磁性调节机构的下部与正刚度弹性囊体的上部相连，正刚度弹性囊体的下部与机箱下部连接固定；所述正刚度弹性囊体包括上盖板、下盖板和弹性气囊，弹性气囊与气路位置保持装置连通，当负载平台上的负载变化时，通过气路位置保持装置保持弹性气囊的工作位置不变，使隔振器稳定在理想的静平衡位置上；所述磁性准零刚度隔振器整个装置沿导杆的中心轴线呈对称结构。被隔振物体放置在负载平台上，被隔振物体、导杆、中间磁铁和弹性气囊必须保证对中性。

所述负刚度磁性调节机构包括中间磁铁和对称设置在中间磁铁两侧的外部磁铁，所述中间磁铁和外部磁铁均为矩形磁铁，且中截面的高度保持平齐；外部磁铁与横向位移调节装置连接。

所述中间磁铁采用上压板和下压板进行夹持；上压板采用第一螺栓与导杆连接，导杆穿出机箱上部与负载平台连接；下压板采用第二螺栓与正刚度弹性囊体的上盖板连接固定；所述横向位移调节装置固定在箱体的侧部，它包括U型夹体和第三螺栓，U型夹体的开口方向与中间磁铁相对，外部磁铁固定在U型夹体的开口处；第三螺栓的一端与U型夹体侧部的中部固定，另一端穿出机箱的侧部；第三螺栓穿出机箱侧部的部位的两侧设置第一螺母和第二螺母，将第三螺栓固定在侧板上(实现U型夹体和侧板的连接)；所述第三螺栓穿出箱体侧部的一端开始平行于轴向方向开设键槽，第三螺栓与机箱的侧部之间采用键进行连接，使拧动调节第三螺栓的第一螺母调节外部磁铁与中间磁铁的间距时，外部磁铁只发生横向移动而不发生转动。

所述上压板和下压板贴合中间磁铁一侧的中部分别开设凹槽，第一螺栓和第二螺栓分别固定在上压板和下压板开设的凹槽内。

所述U型夹体靠近外部磁铁侧部的中部开设凹槽，第三螺栓穿过U型夹体穿过U型夹体侧部固定在凹槽内，并在U型夹体和第二螺母之间设置第三螺母，通过调节第三螺母将U行夹体和第三螺栓锁紧。

所述上压板和下压板分别沿第一螺栓两侧对称开设滑槽，上压板和下压板开设的滑槽上下位置对应；采用第四螺栓穿过滑槽固定中间磁铁的两侧；所述第四螺栓的尺寸与滑槽的尺寸相配合，可沿滑槽方向调节位置并固定，可实现不同尺寸中间磁铁的固定和更换。

所述U型夹体的上下两端开设螺纹孔，采用上、下第五螺栓将外部磁铁固定在U型夹体的开口处；通过调节上、下设置的第五螺栓可保证外部磁铁与中间磁铁的中截面重合，并能实现不同尺寸外部磁铁的更换。

所述弹性气囊可选用囊式空气弹簧或膜式空气弹簧等。

所述气路位置保持装置包括位移传感器、控制器、用于控制气源充放气的气源控制单元、用于对弹性气囊进行充放气的充放气控制单元、气源、集线器；位移传感器设置于正刚度弹性囊体的上盖板上；所述控制器采用集线器分别与位移传感器、气源控制单元、充放气控制单元相连；所述气源、气源控制单元、充放气控制单元和弹性气囊依次采用气路进行连通；控制器根据接收到的位移传感器发射的上盖板的位移信号，控制气源控制单元和充放气控制单元对弹性气囊进行充气或放气，调整弹性气囊内的压力，保持弹性气囊的工作位置不变。

所述下盖板分别开设通向弹性气囊的气孔和线孔，线孔的出口处设有气密封插座。

所述机箱上部开设中心孔，导杆穿出中心孔部位设置滑动轴承，其尺寸分别与导杆外径和中心孔的孔径相配合；利用滑动轴承与导杆的配合，限制了导杆的径向运动，防止出现卡死现象。

所述导杆与负载平台采用第六螺栓连接，第六螺栓下部开设键槽，与导杆采用键连接，防止负载平台上的被隔振物体相对所述磁性准零刚度隔振器发生转动。

所述中间磁铁和外部磁铁沿横向充磁，且充磁方向相同；采用钕铁硼稀土永磁铁材料。除中间磁铁、外部磁铁、弹性囊体和被隔振物体外，其余部件均采用非导磁或弱导磁的金属材料。所述非导磁或弱导磁的金属材料优选304不锈钢。

本发明所述刚度可调的磁性准零刚度隔振器的负刚度技术原理如下：

根据等效磁荷理论，两块磁铁间的磁力由左、右磁铁的左、右端面相互作用产生，两块充磁方向平行的静磁能为：

其中：左、右磁铁的尺寸分别为2a×2b×2c和2a′×2b′×2c′，介质极化强度分别为J和J′，所在坐标系分别为O-XYZ和O′-X′Y′Z′，O′的坐标为(x,y,z)。U_ij＝x+(-1)^ja′-(-1)ⁱa，V_lk＝y+(-1)^kb′-(-1)^lb，W_pq＝z+(-1)^qc′-(-1)^pc，经四重积分后可得：

其中

根据虚功原理可得两磁铁间的磁力为：

当两块磁铁充磁方向相同时F取正，反之则F取负，省略多重求和为零的项：

对式(4)分别在不同方向求导，并省略多重求和为零的项，可得两磁铁间的负刚度为：

当被隔振物体的实际载荷与设计载荷不同时，通过控制弹性气囊工作位置不变并调节负刚度磁性调节机构的负刚度使其与正刚度匹配，可适应不同重量的被隔振物体。

本发明与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明采用弹性气囊作为正刚度控制结构，其承载能力强，而且当负载变化时，其工作点不变，保证准零刚度隔振器能稳定在理想的静平衡位置上。

2)本发明的负刚度机构采用三块矩形磁铁，无机械摩损、无需润滑、寿命长，且刚度容易调节，非线性程度小，能较好地与正刚度匹配。

3)本发明将空气弹簧(弹性气囊)与矩形永磁铁(磁铁)集成，综合了空气弹簧高频隔振和永磁体低频线谱隔振的优点，具有较低的隔振起始频率和较大的振动衰减率。

4)本发明的磁铁夹持机构可实现不同尺寸磁铁的更换，增大了负刚度的调节范围，提高了系统的适用范围。

5)本发明除中间磁铁、外部磁铁、弹性囊体和被隔振物体外，其余部件均采用不导磁或弱导磁的金属材料，避免对永磁体产生的磁场造成干扰，系统工作时，会在金属部件中产生涡电流，可改善系统的阻尼特性。

6)本发明可克服现有准零刚度隔振器对正刚度进行调整时，对正刚度部件的预压量限制问题，通过控制弹性气囊的工作位置不变并调节负刚度磁性调节机构的负刚度使其与正刚度匹配，可适应不同重量的被隔振物体。

7)本发明具有结构紧凑、装拆方便、可靠性高、能耗少、适应性好等优点，对较大幅值的激励和不同重量的物体均具有较好的隔振效果，隔振频带宽，幅值衰减率大。

附图说明

图1为本发明一个实施例的准零刚度隔振器的剖视图。

图2为外部磁铁的夹持装配图。

图3为中间磁铁的夹持装配图。

图4为气路位置保持装置的硬件连接原理示意图。

图5是不同磁铁间距下负刚度磁性调节机构的负刚度曲线。

图6是准零刚度隔振器的刚度-位移曲线。

其中：1-负载平台，2-机箱端盖，3-机箱侧板，4-机箱底座，5-中间磁铁，6-外部磁铁，7-上压板，8-下压板，9-第一螺栓，10-导杆，11-滑动轴承，12-第二螺栓，13-滑槽，14-第四螺栓，15-U型夹体，16-第三螺栓，17-键，18-第一螺母，19-第三螺母，20-第二螺母，21-第五螺栓，22-弹性气囊，23-上盖板，24-下盖板，25-凸台，26-气孔，27-线孔，28-气密封插座，29-第六螺栓，30-方形垫圈，31-被隔振物体，32-控制器，33-位移传感器，34-充放气控制单元，35-气源控制单元气源，36-气源，37-集线器，38-电缆，39-气路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步详细描述，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于实施。

如图1、2、3所示，一种刚度可调的磁性准零刚度隔振器，它包括负载平台1、负刚度磁性调节机构、正刚度弹性囊体和机箱；所述机箱自上而下包括机箱端盖2、机箱侧板3和机箱底座4；所述负载平台1设置在机箱外部的上方，机箱内部设置负刚度磁性调节机构和正刚度弹性囊体；其中，负刚度磁性调节机构的上部采用导杆10穿出机箱端盖2(机箱上部)与负载平台1相连接，负刚度磁性调节机构的下部与正刚度弹性囊体的上部相连，正刚度弹性囊体的下部与机箱底座4(机箱下部)连接固定；所述正刚度弹性囊体包括上盖板23、下盖板24和弹性气囊22(膜式空气弹簧)，下盖板24上分别开设通向弹性气囊的气孔26和线孔27，气孔26的出口处设有气密封插座28，弹性气囊22采用气孔26和线孔27与气路位置保持装置实现密封连接和连通，当负载变化时弹性气囊22的工作位置保持不变，能使所述隔振器稳定在理想的静平衡位置上；所述磁性准零刚度隔振器整个装置沿导杆的中心轴线呈对称结构。

所述负刚度调节机构包括中间磁铁5和对称设置在中间磁铁两侧的外部磁铁6，所述中间磁铁5和外部磁铁6均为矩形磁铁；其中，中间磁铁5采用上压板7和下压板8进行夹持，所述上压板7和下压板8贴合中间磁铁一侧的中部分别开设凹槽；第一螺栓9的一端固定于上压板7的凹槽中，另一端与导杆10连接固定；机箱端盖2设置中心孔，导杆10穿出设置在中心孔的滑动轴承11与负载平台1采用第六螺栓29连接固定；第二螺栓12的一端固定于下压板8的凹槽中，另一端与正刚度弹性囊体的上盖板23连接固定；所述上压板7和下压板8分别沿第一螺栓9的两侧对称开设滑槽13，上压板7和下压板8开设的滑槽13上下位置对应；采用4组第四螺栓14穿过滑槽13对称固定中间磁铁5的两侧；所述第四螺栓14的尺寸与滑槽13的尺寸相配合，并可沿滑槽13方向调节位置并固定，可实现不同尺寸中间磁铁5的固定和更换；外部磁铁6分别采用U型夹体15通过第三螺栓16固定在机箱侧板3上，U型夹体15的开口方向与中间磁铁5相对，外部磁铁6固定在U型夹体15的开口处；所述U型夹体15靠近外部磁铁6侧部的中部开设凹槽，第三螺栓16的一端固定于U型夹体15的凹槽中，另一端穿出机箱侧板3；第三螺栓16穿出机箱侧板3的部位的两侧设置第一螺母18和第二螺母20，将第三螺栓16固定在机箱侧板3上，且外部磁铁6通过调节第三螺栓16使其相对中间磁铁5沿水平方向的距离可调，通过改变负刚度大小，使其与正刚度弹性囊体的正刚度匹配实现准零；所述第三螺栓16穿出机箱侧板3的一端开始平行于轴向方向开设键槽，第三螺栓16与机箱侧板3之间(接触面处)用键17进行连接，通过拧动第一螺母18和第二螺母20调节中间磁铁5和外部磁铁6的间距时，使外部磁铁6只发生横向移动而不发生转动；所述第三螺栓16在U型夹体15和第二螺母20之间设置第三螺母19，将U型夹体15与第三螺栓16夹紧；U型夹体15上下两端开设螺纹孔，采用上、下第五螺栓21将外部磁铁6固定在U型夹体15的开口处；通过调节上、下第五螺栓21可保证外部磁铁6与中间磁铁5的中截面重合，并能实现不同尺寸外部磁铁6的更换。

所述气路位置保持装置由位移传感器33、气源36、控制器32、气源控制单元35、充放气控制单元34、集线器37、电缆38和气路39组成(原理图见图4)；位移传感器33设置在上盖板23上；所述控制器32通过电缆38与集线器37连接，集线器37分别与位移传感器33、气源控制单元35、充放气控制单元34相连，位移传感器33、充放气控制单元34、气源控制单元35的信号通过电缆38和集线器37、控制器32相互传递；充放气控制单元34通过气路39分别与气源控制单元35和弹性气囊22连接，气源36中的气体经气路39与气源控制单元35连接；通过控制器32对位移传感器33的信号进行分析处理控制气源控制单元35和充放气控制单元34调整弹性气囊内的压力，保持弹性气囊22的工作位置不变。

所述第六螺栓29下部开设键槽，与导杆10采用键连接，防止负载平台上的被隔振物体相对所述磁性准零刚度隔振器发生转动。

所述第四螺栓14上还设置3组方形垫圈30，用于固定和保护中间磁铁5。

所述上盖板23与第二螺栓12相连，下盖板24固定在机箱底座4上；机箱底座4设置凸台25，与下盖板24设置的缺口相配合。

所述外部磁铁和中间磁铁均由剩磁强度大的钕铁硼材料构成，除外部磁铁、中间磁铁、弹性囊体和被隔振物体外，其余部件均采用304不锈钢。所述中间磁铁和外部磁铁沿横向充磁，且充磁方向相同，中间磁铁和外部磁铁之间呈相斥状态。

所述被隔振物体、导杆、中间磁块和气囊隔振器必须保证较高的对中性。

本发明的工作原理如下：当被隔振物体31质量发生变化时，正刚度弹性囊体34的工作位置保持不变，而由于内部压力发生变化导致自身正刚度改变，本发明采用三块矩形磁铁(中间磁铁和外部磁铁)提供负刚度(负刚度调节机构的负刚度曲线见图5)使其与正刚度匹配，所述隔振系统在平衡位置附近刚度实现准零(见图6)。当隔振系统处于静止时，由于设置的对称结构，外部磁铁对中间磁铁的轴向力为零，因此磁性弹簧(正刚度弹性囊体)不会影响隔振器的承载能力，而且非导磁金属在磁场中会产生涡电流，能改善本发明的阻尼特性。

综上，本发明所述准零刚度隔振器具有高静低动的特性，可在保证承载能力的前提下使共振频率很低，从而拓宽隔振频带、提高隔振效果。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上仅为本发明的较佳实施例而已，而非用于限定本发明的保护范围。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。