本發(fā)明屬于振動與噪聲控制技術領域，涉及一種適用性較強的超低頻振動被動隔離技術，具體涉及一種剛度可調(diào)的磁性準零剛度隔振器。

背景技術：

眾所周知，對于一個質(zhì)量為m，剛度為k的單自由度線性隔振系統(tǒng)，系統(tǒng)的固有頻率為只有激勵頻率大于時，系統(tǒng)才有隔振效果。對于一個被隔振對象固定的隔振系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的隔振效果，需降低系統(tǒng)剛度k，但剛度k的降低會引起系統(tǒng)的靜變形變大，難以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。為解決這一技術問題，學者們提出了具有高靜剛度和低動剛度的準零剛度隔振器，使其同時滿足高承載能力和低動剛度的要求，在滿足一定條件的情況下，能夠有效隔離低頻振動。

準零剛度隔振器是一種正剛度與負剛度進行匹配的組合型隔振器，在靜平衡位置一定區(qū)間內(nèi)具有較小的組合剛度。一方面，若被隔振物體的重量不是設計的理想重量，即被隔振物體放在準零剛度隔振器上，不能夠穩(wěn)定在理想的靜平衡位置上，準零剛度隔振器的性能將受到影響。針對這一問題，發(fā)明專利CN104455181A、CN203641365U、CN202132428U和CN102678804A，均是通過調(diào)節(jié)套調(diào)節(jié)正剛度彈簧的壓縮量使系統(tǒng)達到靜平衡位置，但是，正剛度彈簧的預壓量調(diào)節(jié)量有限，當被隔振物體重量與設計的理想重量有較大偏差時，該方法難以達到理想的效果。另一方面，若隔振器的某一剛度發(fā)生變化，通過調(diào)節(jié)預壓量，將很難達到理想的準零狀態(tài)。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供了一種剛度可調(diào)的磁性準零剛度隔振器，利用矩形永磁鐵產(chǎn)生負剛度、彈性氣囊提供正剛度設計一種可調(diào)式準零剛度隔振器，通過控制彈性氣囊工作位置不變并調(diào)節(jié)負剛度磁性調(diào)節(jié)機構的負剛度使其與改變的正剛度相匹配，可適應不同重量的被隔振物體；該具有結構簡單，安裝方便，承載可調(diào)等特點，且其隔振起始頻率低，承載能力高，可效解決低頻振動傳遞率與高頻振動衰減率之間的難題，適用于汽車、船舶、飛機、精密儀器等的隔振領域。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種剛度可調(diào)的磁性準零剛度隔振器，包括負載平臺、負剛度磁性調(diào)節(jié)機構、正剛度彈性囊體和機箱；所述負載平臺設置在機箱外部上方，機箱內(nèi)部設置負剛度磁性調(diào)節(jié)機構和正剛度彈性囊體；其中，負剛度磁性調(diào)節(jié)機構的上部通過導桿穿出機箱上部與負載平臺相連接，負剛度磁性調(diào)節(jié)機構的下部與正剛度彈性囊體的上部相連，正剛度彈性囊體的下部與機箱下部連接固定；所述正剛度彈性囊體包括上蓋板、下蓋板和彈性氣囊，彈性氣囊與氣路位置保持裝置連通，當負載平臺上的負載變化時，通過氣路位置保持裝置保持彈性氣囊的工作位置不變，使隔振器穩(wěn)定在理想的靜平衡位置上；所述磁性準零剛度隔振器整個裝置沿導桿的中心軸線呈對稱結構。被隔振物體放置在負載平臺上，被隔振物體、導桿、中間磁鐵和彈性氣囊必須保證對中性。

所述負剛度磁性調(diào)節(jié)機構包括中間磁鐵和對稱設置在中間磁鐵兩側(cè)的外部磁鐵，所述中間磁鐵和外部磁鐵均為矩形磁鐵，且中截面的高度保持平齊；外部磁鐵與橫向位移調(diào)節(jié)裝置連接。

所述中間磁鐵采用上壓板和下壓板進行夾持；上壓板采用第一螺栓與導桿連接，導桿穿出機箱上部與負載平臺連接；下壓板采用第二螺栓與正剛度彈性囊體的上蓋板連接固定；所述橫向位移調(diào)節(jié)裝置固定在箱體的側(cè)部，它包括U型夾體和第三螺栓，U型夾體的開口方向與中間磁鐵相對，外部磁鐵固定在U型夾體的開口處；第三螺栓的一端與U型夾體側(cè)部的中部固定，另一端穿出機箱的側(cè)部；第三螺栓穿出機箱側(cè)部的部位的兩側(cè)設置第一螺母和第二螺母，將第三螺栓固定在側(cè)板上(實現(xiàn)U型夾體和側(cè)板的連接)；所述第三螺栓穿出箱體側(cè)部的一端開始平行于軸向方向開設鍵槽，第三螺栓與機箱的側(cè)部之間采用鍵進行連接，使擰動調(diào)節(jié)第三螺栓的第一螺母調(diào)節(jié)外部磁鐵與中間磁鐵的間距時，外部磁鐵只發(fā)生橫向移動而不發(fā)生轉(zhuǎn)動。

所述上壓板和下壓板貼合中間磁鐵一側(cè)的中部分別開設凹槽，第一螺栓和第二螺栓分別固定在上壓板和下壓板開設的凹槽內(nèi)。

所述U型夾體靠近外部磁鐵側(cè)部的中部開設凹槽，第三螺栓穿過U型夾體穿過U型夾體側(cè)部固定在凹槽內(nèi)，并在U型夾體和第二螺母之間設置第三螺母，通過調(diào)節(jié)第三螺母將U行夾體和第三螺栓鎖緊。

所述上壓板和下壓板分別沿第一螺栓兩側(cè)對稱開設滑槽，上壓板和下壓板開設的滑槽上下位置對應；采用第四螺栓穿過滑槽固定中間磁鐵的兩側(cè)；所述第四螺栓的尺寸與滑槽的尺寸相配合，可沿滑槽方向調(diào)節(jié)位置并固定，可實現(xiàn)不同尺寸中間磁鐵的固定和更換。

所述U型夾體的上下兩端開設螺紋孔，采用上、下第五螺栓將外部磁鐵固定在U型夾體的開口處；通過調(diào)節(jié)上、下設置的第五螺栓可保證外部磁鐵與中間磁鐵的中截面重合，并能實現(xiàn)不同尺寸外部磁鐵的更換。

所述彈性氣囊可選用囊式空氣彈簧或膜式空氣彈簧等。

所述氣路位置保持裝置包括位移傳感器、控制器、用于控制氣源充放氣的氣源控制單元、用于對彈性氣囊進行充放氣的充放氣控制單元、氣源、集線器；位移傳感器設置于正剛度彈性囊體的上蓋板上；所述控制器采用集線器分別與位移傳感器、氣源控制單元、充放氣控制單元相連；所述氣源、氣源控制單元、充放氣控制單元和彈性氣囊依次采用氣路進行連通；控制器根據(jù)接收到的位移傳感器發(fā)射的上蓋板的位移信號，控制氣源控制單元和充放氣控制單元對彈性氣囊進行充氣或放氣，調(diào)整彈性氣囊內(nèi)的壓力，保持彈性氣囊的工作位置不變。

所述下蓋板分別開設通向彈性氣囊的氣孔和線孔，線孔的出口處設有氣密封插座。

所述機箱上部開設中心孔，導桿穿出中心孔部位設置滑動軸承，其尺寸分別與導桿外徑和中心孔的孔徑相配合；利用滑動軸承與導桿的配合，限制了導桿的徑向運動，防止出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

所述導桿與負載平臺采用第六螺栓連接，第六螺栓下部開設鍵槽，與導桿采用鍵連接，防止負載平臺上的被隔振物體相對所述磁性準零剛度隔振器發(fā)生轉(zhuǎn)動。

所述中間磁鐵和外部磁鐵沿橫向充磁，且充磁方向相同；采用釹鐵硼稀土永磁鐵材料。除中間磁鐵、外部磁鐵、彈性囊體和被隔振物體外，其余部件均采用非導磁或弱導磁的金屬材料。所述非導磁或弱導磁的金屬材料優(yōu)選304不銹鋼。

本發(fā)明所述剛度可調(diào)的磁性準零剛度隔振器的負剛度技術原理如下：

根據(jù)等效磁荷理論，兩塊磁鐵間的磁力由左、右磁鐵的左、右端面相互作用產(chǎn)生，兩塊充磁方向平行的靜磁能為：

其中：左、右磁鐵的尺寸分別為2a×2b×2c和2a′×2b′×2c′，介質(zhì)極化強度分別為J和J′，所在坐標系分別為O-XYZ和O′-X′Y′Z′，O′的坐標為(x,y,z)。U_ij＝x+(-1)^ja′-(-1)ⁱa，V_lk＝y(tǒng)+(-1)^kb′-(-1)^lb，W_pq＝z+(-1)^qc′-(-1)^pc，經(jīng)四重積分后可得：

其中

根據(jù)虛功原理可得兩磁鐵間的磁力為：

當兩塊磁鐵充磁方向相同時F取正，反之則F取負，省略多重求和為零的項：

對式(4)分別在不同方向求導，并省略多重求和為零的項，可得兩磁鐵間的負剛度為：

當被隔振物體的實際載荷與設計載荷不同時，通過控制彈性氣囊工作位置不變并調(diào)節(jié)負剛度磁性調(diào)節(jié)機構的負剛度使其與正剛度匹配，可適應不同重量的被隔振物體。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

1)本發(fā)明采用彈性氣囊作為正剛度控制結構，其承載能力強，而且當負載變化時，其工作點不變，保證準零剛度隔振器能穩(wěn)定在理想的靜平衡位置上。

2)本發(fā)明的負剛度機構采用三塊矩形磁鐵，無機械摩損、無需潤滑、壽命長，且剛度容易調(diào)節(jié)，非線性程度小，能較好地與正剛度匹配。

3)本發(fā)明將空氣彈簧(彈性氣囊)與矩形永磁鐵(磁鐵)集成，綜合了空氣彈簧高頻隔振和永磁體低頻線譜隔振的優(yōu)點，具有較低的隔振起始頻率和較大的振動衰減率。

4)本發(fā)明的磁鐵夾持機構可實現(xiàn)不同尺寸磁鐵的更換，增大了負剛度的調(diào)節(jié)范圍，提高了系統(tǒng)的適用范圍。

5)本發(fā)明除中間磁鐵、外部磁鐵、彈性囊體和被隔振物體外，其余部件均采用不導磁或弱導磁的金屬材料，避免對永磁體產(chǎn)生的磁場造成干擾，系統(tǒng)工作時，會在金屬部件中產(chǎn)生渦電流，可改善系統(tǒng)的阻尼特性。

6)本發(fā)明可克服現(xiàn)有準零剛度隔振器對正剛度進行調(diào)整時，對正剛度部件的預壓量限制問題，通過控制彈性氣囊的工作位置不變并調(diào)節(jié)負剛度磁性調(diào)節(jié)機構的負剛度使其與正剛度匹配，可適應不同重量的被隔振物體。

7)本發(fā)明具有結構緊湊、裝拆方便、可靠性高、能耗少、適應性好等優(yōu)點，對較大幅值的激勵和不同重量的物體均具有較好的隔振效果，隔振頻帶寬，幅值衰減率大。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施例的準零剛度隔振器的剖視圖。

圖2為外部磁鐵的夾持裝配圖。

圖3為中間磁鐵的夾持裝配圖。

圖4為氣路位置保持裝置的硬件連接原理示意圖。

圖5是不同磁鐵間距下負剛度磁性調(diào)節(jié)機構的負剛度曲線。

圖6是準零剛度隔振器的剛度-位移曲線。

其中：1-負載平臺，2-機箱端蓋，3-機箱側(cè)板，4-機箱底座，5-中間磁鐵，6-外部磁鐵，7-上壓板，8-下壓板，9-第一螺栓，10-導桿，11-滑動軸承，12-第二螺栓，13-滑槽，14-第四螺栓，15-U型夾體，16-第三螺栓，17-鍵，18-第一螺母，19-第三螺母，20-第二螺母，21-第五螺栓，22-彈性氣囊，23-上蓋板，24-下蓋板，25-凸臺，26-氣孔，27-線孔，28-氣密封插座，29-第六螺栓，30-方形墊圈，31-被隔振物體，32-控制器，33-位移傳感器，34-充放氣控制單元，35-氣源控制單元氣源，36-氣源，37-集線器，38-電纜，39-氣路。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施對本發(fā)明作進一步詳細描述，目的是幫助本領域的技術人員對本發(fā)明的構思、技術方案有更完整、準確和深入的理解，并有助于實施。

如圖1、2、3所示，一種剛度可調(diào)的磁性準零剛度隔振器，它包括負載平臺1、負剛度磁性調(diào)節(jié)機構、正剛度彈性囊體和機箱；所述機箱自上而下包括機箱端蓋2、機箱側(cè)板3和機箱底座4；所述負載平臺1設置在機箱外部的上方，機箱內(nèi)部設置負剛度磁性調(diào)節(jié)機構和正剛度彈性囊體；其中，負剛度磁性調(diào)節(jié)機構的上部采用導桿10穿出機箱端蓋2(機箱上部)與負載平臺1相連接，負剛度磁性調(diào)節(jié)機構的下部與正剛度彈性囊體的上部相連，正剛度彈性囊體的下部與機箱底座4(機箱下部)連接固定；所述正剛度彈性囊體包括上蓋板23、下蓋板24和彈性氣囊22(膜式空氣彈簧)，下蓋板24上分別開設通向彈性氣囊的氣孔26和線孔27，氣孔26的出口處設有氣密封插座28，彈性氣囊22采用氣孔26和線孔27與氣路位置保持裝置實現(xiàn)密封連接和連通，當負載變化時彈性氣囊22的工作位置保持不變，能使所述隔振器穩(wěn)定在理想的靜平衡位置上；所述磁性準零剛度隔振器整個裝置沿導桿的中心軸線呈對稱結構。

所述負剛度調(diào)節(jié)機構包括中間磁鐵5和對稱設置在中間磁鐵兩側(cè)的外部磁鐵6，所述中間磁鐵5和外部磁鐵6均為矩形磁鐵；其中，中間磁鐵5采用上壓板7和下壓板8進行夾持，所述上壓板7和下壓板8貼合中間磁鐵一側(cè)的中部分別開設凹槽；第一螺栓9的一端固定于上壓板7的凹槽中，另一端與導桿10連接固定；機箱端蓋2設置中心孔，導桿10穿出設置在中心孔的滑動軸承11與負載平臺1采用第六螺栓29連接固定；第二螺栓12的一端固定于下壓板8的凹槽中，另一端與正剛度彈性囊體的上蓋板23連接固定；所述上壓板7和下壓板8分別沿第一螺栓9的兩側(cè)對稱開設滑槽13，上壓板7和下壓板8開設的滑槽13上下位置對應；采用4組第四螺栓14穿過滑槽13對稱固定中間磁鐵5的兩側(cè)；所述第四螺栓14的尺寸與滑槽13的尺寸相配合，并可沿滑槽13方向調(diào)節(jié)位置并固定，可實現(xiàn)不同尺寸中間磁鐵5的固定和更換；外部磁鐵6分別采用U型夾體15通過第三螺栓16固定在機箱側(cè)板3上，U型夾體15的開口方向與中間磁鐵5相對，外部磁鐵6固定在U型夾體15的開口處；所述U型夾體15靠近外部磁鐵6側(cè)部的中部開設凹槽，第三螺栓16的一端固定于U型夾體15的凹槽中，另一端穿出機箱側(cè)板3；第三螺栓16穿出機箱側(cè)板3的部位的兩側(cè)設置第一螺母18和第二螺母20，將第三螺栓16固定在機箱側(cè)板3上，且外部磁鐵6通過調(diào)節(jié)第三螺栓16使其相對中間磁鐵5沿水平方向的距離可調(diào)，通過改變負剛度大小，使其與正剛度彈性囊體的正剛度匹配實現(xiàn)準零；所述第三螺栓16穿出機箱側(cè)板3的一端開始平行于軸向方向開設鍵槽，第三螺栓16與機箱側(cè)板3之間(接觸面處)用鍵17進行連接，通過擰動第一螺母18和第二螺母20調(diào)節(jié)中間磁鐵5和外部磁鐵6的間距時，使外部磁鐵6只發(fā)生橫向移動而不發(fā)生轉(zhuǎn)動；所述第三螺栓16在U型夾體15和第二螺母20之間設置第三螺母19，將U型夾體15與第三螺栓16夾緊；U型夾體15上下兩端開設螺紋孔，采用上、下第五螺栓21將外部磁鐵6固定在U型夾體15的開口處；通過調(diào)節(jié)上、下第五螺栓21可保證外部磁鐵6與中間磁鐵5的中截面重合，并能實現(xiàn)不同尺寸外部磁鐵6的更換。

所述氣路位置保持裝置由位移傳感器33、氣源36、控制器32、氣源控制單元35、充放氣控制單元34、集線器37、電纜38和氣路39組成(原理圖見圖4)；位移傳感器33設置在上蓋板23上；所述控制器32通過電纜38與集線器37連接，集線器37分別與位移傳感器33、氣源控制單元35、充放氣控制單元34相連，位移傳感器33、充放氣控制單元34、氣源控制單元35的信號通過電纜38和集線器37、控制器32相互傳遞；充放氣控制單元34通過氣路39分別與氣源控制單元35和彈性氣囊22連接，氣源36中的氣體經(jīng)氣路39與氣源控制單元35連接；通過控制器32對位移傳感器33的信號進行分析處理控制氣源控制單元35和充放氣控制單元34調(diào)整彈性氣囊內(nèi)的壓力，保持彈性氣囊22的工作位置不變。

所述第六螺栓29下部開設鍵槽，與導桿10采用鍵連接，防止負載平臺上的被隔振物體相對所述磁性準零剛度隔振器發(fā)生轉(zhuǎn)動。

所述第四螺栓14上還設置3組方形墊圈30，用于固定和保護中間磁鐵5。

所述上蓋板23與第二螺栓12相連，下蓋板24固定在機箱底座4上；機箱底座4設置凸臺25，與下蓋板24設置的缺口相配合。

所述外部磁鐵和中間磁鐵均由剩磁強度大的釹鐵硼材料構成，除外部磁鐵、中間磁鐵、彈性囊體和被隔振物體外，其余部件均采用304不銹鋼。所述中間磁鐵和外部磁鐵沿橫向充磁，且充磁方向相同，中間磁鐵和外部磁鐵之間呈相斥狀態(tài)。

所述被隔振物體、導桿、中間磁塊和氣囊隔振器必須保證較高的對中性。

本發(fā)明的工作原理如下：當被隔振物體31質(zhì)量發(fā)生變化時，正剛度彈性囊體34的工作位置保持不變，而由于內(nèi)部壓力發(fā)生變化導致自身正剛度改變，本發(fā)明采用三塊矩形磁鐵(中間磁鐵和外部磁鐵)提供負剛度(負剛度調(diào)節(jié)機構的負剛度曲線見圖5)使其與正剛度匹配，所述隔振系統(tǒng)在平衡位置附近剛度實現(xiàn)準零(見圖6)。當隔振系統(tǒng)處于靜止時，由于設置的對稱結構，外部磁鐵對中間磁鐵的軸向力為零，因此磁性彈簧(正剛度彈性囊體)不會影響隔振器的承載能力，而且非導磁金屬在磁場中會產(chǎn)生渦電流，能改善本發(fā)明的阻尼特性。

綜上，本發(fā)明所述準零剛度隔振器具有高靜低動的特性，可在保證承載能力的前提下使共振頻率很低，從而拓寬隔振頻帶、提高隔振效果。

本說明書未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，而非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改，等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。