一种可调电磁负刚度与垂向电涡流阻尼的准零刚度隔振器的制作方法

1.本发明涉及隔振技术领域，具体涉及一种可调电磁负刚度与垂向电涡流阻尼的准零刚度隔振器。


背景技术：

2.工程领域中，振动是引发故障的重要因素之一，传统的线性刚度隔振器对中、高频振动的隔离效果良好，但对低频振动的隔离效果不理想。而且线性隔振系统只有当激励频率大于系统固有频率的倍时才具有隔振效果。因此，隔振系统需降低自身固有频率才具有低频隔振性能，通常的方法是减小系统刚度，但刚度过小会降低承载能力，导致静位移过大、系统稳定性不足，线性隔振系统不能兼顾高承载能力与低频隔振性能。为了提高隔振器的低频隔振效果，研究者们提出了大量新颖的隔振装置。
3.公开号为cn 204852123 u，为“一种可灵活调节的准零刚度减振平台”的实用新型专利，该实用新型由定平台、动平台、减振组件和推力组件构成，减振组件与动平台和定平台连接，推力组件设置在定平台上，用于对动平台施加推力，推力组件在动平台周围设置多个；公开号为cn 104455181 b，为“一种采用环形永磁体产生负刚度的准零刚度隔振器”的发明专利，提出了一种采用环形永磁体产生负刚度的准零刚度隔振器，在振动过程中，所设置的内永磁体与外永磁体相对，产生负刚度来降低系统的总刚度，该发明具有高静态刚度和低动态刚度的特点。公开号为cn 205824020 u，为“一种剪式准零刚度隔振器”的实用新型专利，公开了一种剪式准零刚度隔振器，该隔振器基于正负刚度结构并联的原理，具有高静刚度低动刚度特性。公开号为cn 109973571 a，为“一种带水平阻尼的准零刚度隔振器”的发明专利，公开了一种带水平阻尼的准零刚度隔振器，利用两组凸轮-滚轮-弹簧机构水平对称布置作为负刚度结构，并增设水平阻尼器，再与竖直布置的正刚度弹簧结构并联，共同组成一个准零刚度隔振机构。但是，目前现有的隔振装置普遍存在负刚度不可调或者调节不便的问题，导致其承载范围有限，不能够很好地应用于工程实践；其次，现有隔振装置在低频共振点处都存在较为明显的共振峰，在共振点处的隔振效果较差；还有就是现有隔振装置结构不够紧凑，承载能力有限，一般仅适用于特定隔振对象，普适性较差。
4.由正、负刚度元件并联的准零刚度隔振器，承载力取决于正刚度元件，而负刚度元件则可以降低系统动刚度，可获得支撑被隔离设备的高静刚度和减小振动传递率的低动刚度特性，既可保证工作点附近的低频隔振性能，又能提高系统的稳定性，使之具有广阔的应用前景。但船上安装空间有限，工程化隔振器必须实现紧凑设计，而目前负刚度机构往往是斜螺旋弹簧、斜连杆或屈曲梁，占用空间较大。另外，准零刚度隔振器是一种组合型隔振器，其在静平衡位置的一定区间内具有较小的组合刚度。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严重影响。同时，在共振点处普遍存在较为明显的共振峰，隔振效果较差，导致隔振系统振动剧烈，增加隔振系统的不稳定性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种可抑制系统共振的可调电磁负刚度与垂向电涡流阻尼的准零刚度隔振器。
6.本发明采用的技术方案为：一种可调电磁负刚度与垂向电涡流阻尼的准零刚度隔振器，包括隔振箱体，以及安装在隔振箱体内部的防倾覆装置、负刚度电磁调节装置和正刚度弹簧调节装置；所述隔振箱体包括下支撑平台、上支撑平台和四个围合在上下支撑平台之间的侧板；所述防倾覆装置包括四个依次首尾设置的防倾覆机构，防倾覆机构的顶部和底部分别与上下支撑平台连接固定；四个防倾覆机构沿对角线对称布置，中部围合形成中央区；所述负刚度电磁调节装置包括两个相对设置的负刚度产生模块，负刚度产生模块面向中央区；所述正刚度弹簧调节装置安装在中央区内，正刚度弹簧调节装置包括涡轮蜗杆机构和螺旋弹簧，所述涡轮蜗杆机构安装在下支撑平台上，涡轮蜗杆机构的输入端穿过侧板伸出隔振箱体，涡轮蜗杆机构的输出端与螺旋弹簧相连，螺旋弹簧竖向布置，涡轮蜗杆机构可带动螺旋弹簧沿竖直方向运动；所述垂向电涡流阻尼装置包括两个垂向电涡流阻尼模块，两个垂向电涡流阻尼模块相对布置，且位于两个负刚度产生模块之间的中央区外，垂向电涡流阻尼模块与负刚度产生模块相连。
7.按上述方案，每个负刚度产生模块包括c型轭铁和永磁体，所述c型轭铁的底部和顶部分别与上下支撑平台相连；两个负刚度产生模块的c型轭铁开口侧正对；所述c型轭铁的开口内设有上下两块中间轭铁，两块中间轭铁外部缠绕线圈a形成电磁铁a；所述永磁体和两块电磁铁a同极向垂直安装在c型轭铁的开口内，且永磁体位于两块电磁铁a之间，三块磁铁在c型轭铁内形成闭合磁回路；所述永磁体通过支撑板与上支撑平台相连。
8.按上述方案，两个负刚度产生模块的支撑板通过连接板相连，连接板上设有高度指示针，高度指示针与永磁体位于同一高度；所述高度指示针的一端伸出侧板。
9.按上述方案，所述支撑板为l型支撑板，支撑板的竖直段顶部与上支撑平台相连，支撑板的水平段上安装永磁体；所述连接板与支撑板的竖直段相连。
10.按上述方案，负刚度产生模块还设有限位橡胶，限位橡胶布置在防倾覆机构的支撑结构的上下两端。
11.按上述方案，所述垂向电涡流阻尼模块包括平行且间隔布置的电磁铁b和铜板，所述电磁铁b由缠绕有线圈b的外侧轭铁构成；所述铜板固定在连接板上，可随连接板上下运动，切割电磁铁b的磁感线。
12.按上述方案，每个防倾覆机构设支撑结构，支撑结构包括与下支撑平台相连的第一固定块、第二固定块、第三固定块、与上支撑平台相连的第四固定块，以及若干横向簧片和若干竖向簧片；所述第二固定块安装在第一固定块的上部，第二固定块通过至少一块横向簧片与第三固定块相连；第三固定块通过至少一块竖向簧片与第四固定块相连。
13.按上述方案，所述涡轮蜗杆机构包括若干支座、蜗杆和涡轮，所述若干支座间隔布置在下支撑平台上；所述蜗杆依次穿过各支座后伸出侧板上的操作孔；蜗杆与涡轮配合，涡轮的中部与竖向螺栓螺纹配合，竖向螺栓的底部与下支撑平台相连；所述螺旋弹簧与涡轮同轴配合，且螺旋弹簧的上端与上支撑平台的内顶部接触，螺旋弹簧的下端固定在涡轮上，当转动蜗杆时，涡轮随之转动，并带动螺旋弹簧沿竖向螺栓的轴线方向升降。
14.按上述方案，所述正刚度弹簧调节装置还设有两组对称分布在螺旋弹簧外侧的限
位机构，限位机构包括限位杆和限位块，所述限位杆竖向设置，其下端与下支撑平台相连；所述限位块固定在限位杆上。
15.按上述方案，c型轭铁和中间轭铁采用dt4c材料制作，永磁体采用稀土永磁材料制作。
16.本发明的有益效果为：
17.本发明所述准零刚度隔振器具有低固有频率和高静承载能力的特性，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；并且可根据实际需求调节正刚度和负刚度。本发明在静平衡位置附近具有非常低的动刚度，垂向阻尼的增加可有效地抑制系统共振，提高了隔振系统稳定性，结构简单，维护方便，适用于低频、甚至超低频隔振。
附图说明
18.图1为本发明一个具体实施例的整体结构示意图。
19.图2为本实施例不带上支撑平台的俯视图。
20.图3为本实施例中防倾覆装置、负刚度电磁调节装置、正刚度弹簧调节装置和垂向电涡流阻尼装置的连接示意图。
21.图4为本实施例中防倾覆装置的装配示意图。
22.图5为本实施例中负刚度电磁调节装置的装配示意图。
23.图6为本实施例中正刚度弹簧调节装置的装配示意图。
24.图7为本实施例中垂向电涡流阻尼装置的装配示意图。
25.图8为本实施例中垂向电涡流阻尼模块的阻尼力随铜板运动速度、线圈电流变化的曲线图。
26.图9为本实施例中垂向电涡流阻尼模块的单位向量、速度和磁通密度分量示意图。
27.其中：1、下支撑平台；2、机脚；3、螺栓a；4、侧板；5、上支撑平台；6、螺栓b；7、操作孔；8、线孔；9、显示孔；10、负刚度电磁调节装置；11、正刚度弹簧调节装置；12、防倾覆装置；13、螺栓c；14、螺栓d；15、横向簧片；16、竖向簧片；17、螺栓e；18、支撑结构；18.1、第一固定块；18.2、第二固定块；18.3、第三固定块；18.4、第四固定块；19、c型轭铁；20、永磁体；21、线圈a；22、限位橡胶；23、高度指示针；24、竖向螺栓；25、涡轮蜗杆机构；26、蜗杆；27、螺旋弹簧；28、支座；29、限位杆；30、限位块；31、支撑板；31.1、竖直段；31.2、水平段；32、连接板；33、中间轭铁；34、铜板；35、电磁铁b；36、垂向电涡流阻尼装置。
具体实施方式
28.为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
29.如图1～图3所示的一种可调电磁负刚度与垂向电涡流阻尼的准零刚度隔振器，包括隔振箱体，以及安装在隔振箱体内部的防倾覆装置12、负刚度电磁调节装置10、正刚度弹簧调节装置11和垂向电涡流阻尼装置36；所述隔振箱体包括下支撑平台1、上支撑平台5和四个围合在上下支撑平台1之间的侧板4；所述防倾覆装置12包括四个依次首尾设置的防倾覆机构，防倾覆机构的顶部和底部分别与上下支撑平台1连接固定；四个防倾覆机构沿对角线对称布置，中部围合形成中央区；所述负刚度电磁调节装置10包括两个相对设置的负刚
度产生模块，负刚度产生模块面向中央区；所述正刚度弹簧调节装置11安装在中央区内，正刚度弹簧调节装置11包括涡轮蜗杆机构25和螺旋弹簧27，所述涡轮蜗杆机构25安装在下支撑平台1上，涡轮蜗杆机构25的输入端穿过侧板4伸出隔振箱体，涡轮蜗杆机构25的输出端与螺旋弹簧27相连，螺旋弹簧27竖向布置，涡轮蜗杆机构25可带动螺旋弹簧27沿竖直方向运动；所述垂向电涡流阻尼装置36包括两个垂向电涡流阻尼模块，两个垂向电涡流阻尼模块相对布置，且位于两个负刚度产生模块之间的中央区外，垂向电涡流阻尼模块与负刚度产生模块相连。
30.本发明中，如图1所示的隔振箱体中，所述下支撑平台1通过多个螺栓b6与侧板4相连，下支撑平台1的底部通过螺栓a3连接有机脚2；上支撑平台5采用嵌入方式与侧板4连接。侧板4上开设有用于操作蜗杆26的操作孔7、用于接入电源线的线孔8和用于显示平衡位置的显示孔9。
31.防倾覆装置12为整个装置提供扭转刚度，可有效防止隔振器产生较大的扭转振幅。如图4所示的防倾覆装置12中，每个防倾覆机构设支撑结构18，支撑结构18包括与下支撑平台1相连的第一固定块18.1(可螺栓连接)、第二固定块18.2、第三固定块18.3、与上支撑平台5相连的第四固定块18.4(通过螺栓d14连接)，以及若干横向簧片15和若干竖向簧片16；所述第二固定块18.2安装在第一固定块18.1的上部，第二固定块18.2通过至少一块横向簧片15与第三固定块18.3相连；第三固定块18.3通过至少一块竖向簧片16与第四固定块18.4相连。
32.本实施例中，第二固定块18.2通过两片平行的横向簧片15与第三固定块18.3相连，第三固定块18.3通过一片竖向簧片16与第四固定块18.4相连；各簧片均分别通过螺栓e17与对应的固定块相连。
33.负刚度电磁调节装置10采用三磁铁垂向同极向布置的形式作为负刚度产生模块，用于实现准零刚度隔振器负刚度的自适应控制。如图5所示，负刚度电磁调节装置10包括相对布置的两个负刚度产生模块，每个负刚度产生模块包括c型轭铁19、永磁体20和两块缠绕有线圈a21的中间轭铁33，所述c型轭铁19分别与下支撑平台1相连(可螺栓连接)；两个负刚度产生模块的c型轭铁19开口侧正对，均位于横向簧片16的下方；所述c型轭铁19的开口内设有上下两块中间轭铁33，两块中间轭铁33外部缠绕线圈a21形成电磁铁a；所述永磁体20和电磁铁a同极向垂直安装在c型轭铁的开口内，且永磁体20位于两块电磁铁a之间，三者在c型轭铁19内形成闭合磁回路，永磁体20与电磁铁a之间产生相斥力；所述永磁体20通过支撑板31与上支撑平台5相连。本实施例中，中间轭铁33的中部缠绕有线圈a21，中间轭铁33的上端通过螺栓与上支撑平台5相连。
34.本发明中，支撑板31位于中央区内，永磁体20通过支撑板31与上支撑平台5相连接，与上支撑平台5共同进行运动，在运动过程中与上下两端的电磁铁a感应出磁场，并产生与位移方向形同的磁力，从而实现负刚度。线圈a21与自线孔8引入的电线相连，通过改变输入线圈a21的电流控制该隔振器的负刚度。在c型轭铁19闭合磁回路中，电磁铁a的线圈a21不通入电流，中间轭铁33可由永磁体20感应出磁场，产生相应的负刚度，并可为线圈a21输入与原磁场方向相同的励磁电流，增强负刚度。
35.优选地，两个负刚度产生模块的支撑板31通过连接板32相连，连接板32上设有高度指示针23，高度指示针23与永磁体20位于同一高度；所述高度指示针23的一端自显示孔9
伸出侧板4，用于显示永磁体20的实时位置，便于调节准零刚度隔振器的平衡点位置。
36.本实施例中，所述支撑板31为l型支撑板，支撑板31的竖直段31.1顶部与上支撑平台5相连(可螺栓c13连接)，支撑板31的水平段上安装永磁体20；所述连接板32与支撑板31的竖直段相连。
37.优选地，负刚度产生模块还设有限位橡胶25，限位橡胶25布置在防倾覆机构的支撑结构18的上下两端(具体布置在第一固定块18.1的上部和下部)，可以防止永磁体20在运动过程中与c型轭铁19发生碰撞。本实施例中，连接板32、支撑板31和高度指示针23均可随永磁体20上下往复运动，连接板32在第一固定块18.1的上部和下部之间运动。
38.优选地，所述线圈a21为水冷线圈，可有效解决线圈a21发热问题。
39.正刚度弹簧调节装置11用于实现零刚度隔振器正刚度的控制。如图6所示，所述涡轮蜗杆机构25包括若干支座28、蜗杆26和涡轮，所述若干支座28间隔布置在下支撑平台1上(可螺栓连接)；所述蜗杆26依次穿过各支座28后伸出侧板4上的操作孔；蜗杆26与涡轮配合，涡轮的中部与竖向螺栓24螺纹配合，竖向螺栓24的底部与下支撑平台1相连；所述螺旋弹簧27与涡轮同轴配合，且螺旋弹簧27的上端与上支撑平台5的内顶部接触，螺旋弹簧27的下端固定在涡轮上，当转动蜗杆26时，涡轮随之转动，并带动螺旋弹簧27沿竖向螺栓24的轴线方向升降，改变螺旋弹簧27的正刚度值，从而便于调节准零刚度隔振器的平衡点位置。本实施例中，支座28有3个，可固定蜗杆26的位置，实现有效控制螺旋弹簧27的垂向运动。
40.优选地，所述正刚度弹簧调节装置11还设有两组对称分布在螺旋弹簧27外侧的限位机构，以限制螺旋弹簧27左右偏移，使其仅在垂直方向运动；所述限位机构包括限位杆29和限位块30，所述限位杆29竖向设置，其下端与下支撑平台1相连；所述限位块30固定在限位杆29上。
41.优选地，如图7所示，垂向电涡流阻尼模块包括平行且间隔布置的电磁铁b35和铜板34，所述电磁铁b35由缠绕有线圈b的外侧轭铁构成，外侧轭铁固定于下支撑平台1上；所述铜板34固定在连接板32上，可随连接板32上下运动，切割电磁铁b35的磁感线，从而产生电涡流阻尼，并可控制输入电流改变电涡流阻尼。本实施例中，所述电磁铁b35与铜板34平行布置，两者之间间隙为1mm；所述线圈b为水冷线圈。
42.本发明中，c型轭铁19、中间轭铁33和外侧轭铁均采用低矫顽力和高导磁率的dt4c材料制作，永磁体20采用稀土永磁材料制作；其他部件及结构均采用非导磁性或弱导磁性的材料制作，如304不锈钢。
43.负刚度电磁调节装置10的工作原理为：中间的永磁体20对上下两个中间轭铁33进行磁化，从而产生吸引力。通过改变线圈a21电流大小和方向，进而改变中间轭铁33内部磁场大小和方向，从而改变电磁负刚度大小。中间轭铁33的受力可分为永磁体20与永磁体33本身的作用力(永磁作用力)以及线圈a21电流引起的磁场与永磁体20的作用力(电磁作用力)，其中，永磁作用力为：
[0044][0045]
式中，f
pc
表示永磁作用力，n；a1表示常系数，nm4；q1表示位移参数(q1＝zc a2)，m；zc表示永磁体20处于中间平衡位置时永磁体20与中间轭铁33的距离，mm；a2表示位移常系数，
m；z表示永磁体20离开平衡位置的垂向位移量，mm。
[0046]
电磁作用力为：
[0047][0048]
式中，f
pe
表示电磁力，n；a3表示电流参数，a-1
；sign表示符号函数；i表示线圈a21电流，a；b3表示电流参数，a-1
；b1表示常系数，nm4；q2表示位移参数(q2＝zc b2)，m；b2表示位移常系数，m。
[0049]
永磁体20和电磁铁a的磁化方向同向，其结构类似于三磁铁负刚度结构。当线圈a21没有通入电流时，磁通密度较小，其磁通密度主要是由永磁体20产生。随着电流大小的增大，磁通密度也随之增大。线圈a21没有通入电流时，由于永磁体20在电磁铁a中感应的磁场，也能形成三磁铁负刚度结构，存在负刚度现象，随着电流的增加，负刚度现象越明显。
[0050]
垂向电涡流阻尼装置36的工作原理为：垂向电涡流阻尼主要由垂向电涡流阻尼模块提供，当线圈b中输入电流，外侧轭铁和线圈b组成的电磁铁b35，在铜板34周围产生相应的电磁场，铜板34随上支撑平台上下运动过程中，会切割电磁铁b35的磁感线，产生电涡流阻尼，并可由输入电流控制电涡流阻尼。
[0051]
假设铜板34的表面电荷可以忽略不计，铜板34上的感应电流密度j可表示为：
[0052]
j＝σ(v
×
b)
ꢀꢀ
(3)，
[0053]
式中，σ为铜板34的电导率,西门子/毫米(s/mm)；v为铜板34的运动速度，mm/s；b表示电磁铁在铜板34附近产生的磁通密度,wb/mm2。进一步，可将v和b写成坐标分量形式：
[0054]
v＝v
x
i vyj v
zkꢀꢀ
(4)，
[0055]
b＝b
x
i byj b
zkꢀꢀ
(5)，
[0056]
式中，v
x
、vy和vz分别表示铜板34速度在三个坐标轴上的分量,mm/s；b
x
、by和bz分别表示磁通密度在三个坐标轴上的分量,wb/mm2；i、j和k分别表示三个坐标轴(x、y和z)的单位向量，如图9所示。根据实际工作情况，电涡流单元的铜板34仅有z方向上的速度，因此感应电流密度可进一步简化成：
[0057]
j＝σvz(-byi b
x
j)
ꢀꢀ
(6)。
[0058]
铜板34运动产生的电涡流在电磁铁产生的磁通密度中受到的洛伦茨力f可以表示为：
[0059]
f＝∫vj
×
bdv
ꢀꢀ
(7)，
[0060]
式中，v表示铜板34体积，mm3，写成分量形式：
[0061][0062]
因此，z方向的阻尼力fz可表示为：
[0063][0064]
本发明的工作原理为：本发明利用三磁铁垂向同极向布置结构提供负刚度，其中间为永磁体20，上下为电磁铁a，且用c型轭铁19闭合磁回路；并联螺旋弹簧27后，系统在平衡位置处的总刚度很小。使用时，被隔振物体固定在上支撑平台5上部中心位置，当被隔振物体质量发生变化时，调节线圈a21的电流和蜗杆26使负刚度与正刚度相匹配，可使隔振器
处于平衡位置。因此，整个装置动刚度很小，振动时的固有频率很低。当系统处于运动状态时，铜板34随永磁铁10共同做往复运动，铜板34切割电磁铁b35周围磁感线，铜板34内产生感应电流，在电磁铁b35的磁场内产生洛伦兹力，从而形成电涡流阻尼(如图8所示为垂向电涡流阻尼模块阻尼力曲线)，抑制系统发生共振。当整个装置处于静止状态时，永磁体20处于两中间轭铁内33之间，由于对称性，电磁铁a对永磁体20产生的轴向力为零，因此不会影响隔振器的静承载能力。
[0065]
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。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。