一种采用螺旋弹簧与磁性弹簧并联的准零刚度隔振器

摘要

一种采用螺旋弹簧与磁性弹簧并联的准零刚度隔振器，包括质量支撑杆，质量支撑杆的一端与螺旋弹簧通过螺纹固连；被螺旋弹簧夹持的永磁体与螺旋弹簧、质量支撑杆一起沿轴向相对于螺旋弹簧夹持机构运动，同时螺旋弹簧沿轴向为系统提供正刚度；由永磁体夹持机构固定的两块环形永磁体分别对由螺旋弹簧夹持的永磁体施加吸引力，三块永磁体构成一磁性弹簧，并为系统提供非线性恢复力和非线性负刚度；通过旋扭永磁体夹持机构，即可调节上、下两块永磁体与被螺旋弹簧夹持的永磁体之间的相对距离；本发明装置能够有效地降低隔振系统的固有频率，进而拓宽了隔振频带；同时，提高并改善到了结构的阻尼特性，为低频振动控制提供一种可靠的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及隔振技术领域，具体涉及一种采用螺旋弹簧与磁性弹簧并联的准零刚度隔振器。

背景技术

机械结构振动现象普遍存在于实际的生产实践当中。当系统受到外界振源的激励时，将会产生振动。人们利用振动可为生产实践服务，如工业上常采用的振动筛选，振动沉桩，振动输送以及按振动理论设计的传感器等；然而，在国防科技、工业机械以及仪表、仪器等技术领域，机械振动往往会导致结构的破坏失效，测量精度降低，使用寿命缩短等问题。例如，仪表、仪器的振动会导致其测量精度降低；航天器发射时，冲击载荷可能会造成结构的破坏失效等。

在处理有害振动问题时，隔振技术常常是优先考虑的方法。与常见的主动隔振、半主动隔振相比，被动式隔振由于其具有使用简单，不需要外界提供能源，稳定性好等优点而被广泛采用。对于机械振动问题中的中高频振动部分，可采用已发展成熟的线性隔振理论以及相应方法来实现有效的控制，当激励频率大于隔振系统无阻尼固有频率的倍时，传统的线性隔振器才具有隔振效果，但对于低频带范围的振动往往难以有效的隔离。由于一般线性隔振器的隔振频带受到限制，为了能够对低频区域的振动进行有效的控制，非线性低频隔振理论和方法已经有了一些相关的研究。常采用的一种方法是通过减小隔振系统的刚度来拓宽隔振频带，但减小隔振系统的刚度将会导致静变形增大，降低系统的稳定性。为解决该问题，准零刚度隔振器、高静态-低动态刚度隔振系统得到了许多学者的关注。由于永磁体的性能与制备已取得了一定的进展，采用永磁结构设计出具有准零刚度特性的隔振系统显得相对容易；然而，在一定的设计指标下，设计出固有频率低，结构简单并且空间尺寸小的非线性隔振系统，就显得较为困难。

发明内容

为克服现有技术存在的问题，本发明的目的是提出一种采用螺旋弹簧与磁性弹簧并联的准零刚度隔振器，本发明装置在其工作位置附近具有高静态刚度-低动态刚度特性，可用于低频隔振，缓冲等工况，并具有结构简单，安装方便，承载力大，成本低的特点，能够有效地降低隔振系统的固有频率，进而拓宽了隔振频带；同时，提高并改善到了结构的阻尼特性，为低频振动控制提供一种可靠的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种采用螺旋弹簧与磁性弹簧并联的准零刚度隔振器，包括螺旋弹簧7，设置在螺旋弹簧7中心腔体内的第一环形永磁体15，设置在螺旋弹簧7中心腔体上端的中间永磁体固定盖6；两端带有螺纹段的质量支撑杆1的一端螺纹段穿过永磁体固定盖6的螺纹孔、中间环形永磁体15的中心孔以及螺旋弹簧7中心腔体底部的中心螺纹孔，所述中间永磁体固定盖6的螺纹孔和螺旋弹簧7中心腔体底部的中心螺纹孔与质量支撑杆1的螺纹段相适配，所述第一环形永磁体15的中心孔与质量支撑杆1的螺纹段间隙配合；所述质量支撑杆1的中间无螺纹段轴向设置有约束质量支撑杆1使其沿轴向运动的不导磁直线轴承2，不导磁直线轴承2的外部设置有内壁和外壁带有螺纹的上端永磁体夹持机构4，上端永磁体夹持机构4和不导磁直线轴承2间形成的腔体中放置上端环形永磁体16，上端永磁体夹持机构4的顶部开口处设置有与上端永磁体夹持机构4内壁螺纹相适配的带有外螺纹的上端永磁体固定盖3，用于固定上端环形永磁体16；所述上端永磁体固定盖3与不导磁直线轴承2通过第一螺栓14固连，螺旋弹簧7的外端上下设置有通过第二螺栓13固定的上端螺旋弹簧夹持机构5和下端螺旋弹簧夹持机构8；上端螺旋弹簧夹持机构5通过其上端凸台的内螺纹与上端永磁体夹持机构4的外壁螺纹配合连接；下端螺旋弹簧夹持机构8的下端凸台内螺纹处固定有带有外螺纹的下端永磁体夹持机构9，下端永磁体夹持机构9内放置下端环形永磁体17，下端永磁体夹持机构9下端通过内螺纹固定有用于连接外部振源的固定键10；所述上端螺旋弹簧夹持机构5的上端凸台通过第三螺栓12将上端永磁体夹持机构4固定，下端螺旋弹簧夹持机构8的下端凸台通过第四螺栓11将下端永磁体夹持机构9固定。

通过旋钮上端永磁体夹持机构4和下端永磁体夹持机构9来调节上端环形永磁体16和下端环形永磁体17沿轴向的相对位置。

将上端永磁体固定盖3和固定键10在上端永磁体夹持机构4和下端永磁体夹持机构9分别旋进不同深度来调节安装的上端环形永磁体16和下端环形永磁体17的厚度。

所述不导磁直线轴承2采用金属铜，所述隔振器除不导磁直线轴承2外的其余部件采用非导磁的金属材料。

所述上端环形永磁体16和下端环形永磁体17与中间环形永磁体15的初始安装距离设置为10mm。

本发明和现有的技术相比，具有如下优点：

1、当沿着质量支撑杆1的轴向加载时，与质量支撑杆1固连的螺旋弹簧7将沿轴向发生弹性变形。本发明根据弹性元件的特性，采用螺旋弹簧7作为隔振系统的正刚度弹性支撑元件，螺旋弹簧具有低的应力集中，沿轴向可产生较大的位移，占用空间小的特点。

2、采用三块环形永磁体构成本发明所需要的磁性弹簧并为该隔振系统提供负刚度，从而降低隔振装置在其工作位置附近的刚度，进而拓宽隔振频带，实现低频隔振。

3、由于永磁结构的引入，使本发明装置具有快速响应、非接触、占用空间小等特点；可以通过旋扭上端永磁体夹持机构4和下端永磁体夹持机构9来调节永磁体之间的相对位置来为系统在工作位置附近获得理想的负刚度特性。

4、本发明采用带有外螺纹的上端永磁体固定盖3与固定键10将上端环形永磁体16和下端环形永磁体17与上端永磁体夹持机构4和下端永磁体夹持机构9固连。可将上端永磁体固定盖3与固定键10在上端永磁体夹持机构4和下端永磁体夹持机构9中旋进不同深度，即可调节并装配不同厚度的上端环形永磁体16和下端环形永磁体17。

5、本发明所有零部件均采用不导磁材料，避免对永磁体产生的磁场的造成干扰。

6、本发明装置中所有部件均可采用不导磁的金属材料；当系统工作时，将会在金属部件中产生涡电流，可改善本发明装置的阻尼特性。

7、本发明结构装置，使用方便，成本低廉，承载能力强，对于低频振动具有良好的隔离效果。

附图说明

图1为本发明隔振器装配体半剖视图。

图2为螺旋弹簧零件图。

图3为永磁体夹持机构零件图，其中：图3a为上端永磁体夹持机构零件图，图3b为下端永磁体夹持机构零件图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理进一步做详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明一种采用螺旋弹簧与磁性弹簧并联的准零刚度隔振器，包括螺旋弹簧7，设置在螺旋弹簧7中心腔体内的第一环形永磁体15，设置在螺旋弹簧7中心腔体上端的永磁体固定盖6；两端带有螺纹段的质量支撑杆1的一端螺纹段穿过永磁体固定盖6的螺纹孔、中间环形永磁体15的中心孔以及螺旋弹簧7中心腔体底部的中心螺纹孔，所述中间永磁体固定盖6的螺纹孔和螺旋弹簧7中心腔体底部的中心螺纹孔与质量支撑杆1的螺纹段相适配，所述第一环形永磁体15的中心孔与质量支撑杆1的螺纹段间隙配合；所述质量支撑杆1的中间无螺纹段轴向设置有约束质量支撑杆1使其沿轴向运动的不导磁直线轴承2，不导磁直线轴承2的外部设置有内壁和外壁带有螺纹的上端永磁体夹持机构4，上端永磁体夹持机构4和不导磁直线轴承2间形成的腔体中放置上端环形永磁体16，上端永磁体夹持机构4的顶部开口处设置有与上端永磁体夹持机构4内壁螺纹相适配的带有外螺纹的上端永磁体固定盖3，用于固定上端环形永磁体16；所述上端永磁体固定盖3与不导磁直线轴承2通过第一螺栓14固连，螺旋弹簧7的外端上下设置有通过第二螺栓13固定的上端螺旋弹簧夹持机构5和下端螺旋弹簧夹持机构8；上端螺旋弹簧夹持机构5通过其上端凸台的内螺纹与上端永磁体夹持机构4的外壁螺纹配合连接；下端螺旋弹簧夹持机构8的下端凸台内螺纹处固定有带有外螺纹的下端永磁体夹持机构9，下端永磁体夹持机构9内放置下端环形永磁体17，下端永磁体夹持机构9下端通过内螺纹固定有用于连接外部振源的固定键10；所述上端螺旋弹簧夹持机构5的上端凸台通过第三螺栓12将上端永磁体夹持机构4固定，下端螺旋弹簧夹持机构8的下端凸台通过第四螺栓11将下端永磁体夹持机构9固定。

通过旋钮上端永磁体夹持机构4和下端永磁体夹持机构9来调节上端环形永磁体16和下端环形永磁体17沿轴向的相对位置。

在所述的螺旋弹簧7的中心腔体内设置第一环形永磁体15，并通过质量支撑杆1与中间永磁体固定盖6以及螺旋弹簧7的内外螺纹将第一环形永磁体15安装紧固并随螺旋弹簧7一起运动。所述的螺旋弹簧7由上端螺旋弹簧夹持机构5和下端螺旋弹簧夹持机构8夹持，通过第二螺栓13将上端螺旋弹簧夹持机构5和下端螺旋弹簧夹持机构8锁紧使螺旋弹簧7被夹持紧固。

优选的，所述的下端螺旋弹簧夹持机构8的下端通过内圆柱表面螺纹与下端永磁体夹持机构9外圆柱表面螺纹配合相连，并调节下端环形永磁体17沿轴向的位置。所述的下端永磁体夹持机构9通过内圆柱表面的螺纹与固定键10圆帽外螺纹相配合，并将下端环形永磁体17紧固其中。所述的下端螺旋弹簧夹持机构8的凸台侧面通过第四螺栓11将下端螺旋弹簧夹持机构8与下端永磁体夹持机构9紧固在一起。

将上端永磁体固定盖3和固定键10在上端永磁体夹持机构4和下端永磁体夹持机构9分别旋进不同深度来调节安装的上端环形永磁体16和下端环形永磁体17的厚度。

所述不导磁直线轴承2采用金属铜，所述隔振器除不导磁直线轴承2外的其余部件采用非导磁的金属材料。

优选的，所述上端环形永磁体16和下端环形永磁体17与中间环形永磁体15的初始安装距离设置为10mm。

本发明的工作原理是：使用时，将质量支撑杆1的上端与被控结构相连，固定键10与外部振源相连；当质量支撑杆1、螺旋弹簧7以及中间环形永磁体15与上端螺旋弹簧夹持机构5和下端螺旋弹簧夹持机构8之间产生相对运动时，上端环形永磁体16和下端环形永磁体17分别吸引被螺旋弹簧7夹持的中间环形永磁体15；上端环形永磁体16、中间环形永磁体15和下端环形永磁体17产生的磁场在发明装置的非导磁金属结构中产生涡电流，从而产生与运动方向相反的阻尼力，提高并改善到了本发明的阻尼特性。在本发明装置中，上端环形永磁体16、中间环形永磁体15和下端环形永磁体17构成磁性弹簧，上端环形永磁体16和下端环形永磁体17作用在中间环形永磁体15上总的磁性恢复力与螺旋弹簧7为中间环形永磁体15提供的恢复力方向相反。因此，磁性弹簧可为隔振系统提供非线性磁性恢复力以及非线性负刚度，从而可以降低本发明装置在其工作位置附近的刚度，拓宽隔振频带，进而可以隔离低频振动。