一种基于振动模态和摆模态耦合的多自由度低频隔振器

摘要

一种基于振动模态和摆模态耦合的多自由度低频隔振器，主要包括两个相同的上、下对称布置的高静态‐低动态刚度隔振器，两个高静态‐低动态刚度隔振器的支撑杆分别通过两个球铰与空间摆机构相连；两个高静态‐低动态刚度隔振器分别由提供螺旋弹簧和磁性负刚度机构构成；螺旋弹簧提供沿轴向支撑的正刚度支撑；磁性负刚度弹簧由三块相吸配置的环形永磁体构成，提供竖直方向的非线性恢复力和负刚度特性；通过两个球铰链将高静态‐低动态刚度隔振器与空间摆机构进行运动耦合，使得水平方向具有准零刚度特性和几何非线性阻尼，以实现对被隔振物体在三个平移方向上的低频振动进行有效隔离；本发明具有高承载能力和低共振频率的特点，对多个自由度方向的低频振动具有良好的抑制效果。

说明书

技术领域

本发明涉及隔振技术领域，具体涉及一种基于振动模态和摆模态耦合的多自由度低频隔振器。

背景技术

在航天航空、精密仪器等工程领域，振动问题会直接影响机构设备的安全性和可靠性。例如，工程中常见的随机/冲击等外部干扰会造成机械零部件的损坏、仪表仪器测量精度的降低、使用寿命的缩短等问题。此外，该类外部干扰的主要能量常分布于多个自由度方向的低频段，因此该类振动的抑制问题在实际工程中急需解决。

针对多自由度低频振动抑制问题，隔振作为一种广泛使用的减振手段一直得到学者的持续关注。隔振技术主要分为：被动隔振、主动隔振和半主动隔振。其中，被动隔振方式由于安装方便、稳定性高、无需外界供能等优点常被优先考虑使用。然而，传统的被动隔振装置如橡胶隔振器，弹簧隔振器等装置仅能够对单个方向的中/高频振动具有抑制效果，难以满足多个自由度方向低频振动抑制的需求。为实现低频段振动的有效隔离，降低隔振系统固有频率成为一种有效的途径。减小隔振器支撑刚度，可降低隔振系统固有频率，但会增加装置的静变形而降低承载能力；增加被隔振物体质量也可降低固有频率，但通过增加质量来提高低频隔振性能的能力往往有限。为解决该问题，研究人员提出了被动式的准零刚度/高静‐低动刚度非线性隔振系统。它能够同时兼顾高承载力和低固有频率两方面的技术要求。此前，学者所研究的准零刚度/高静‐低动刚度非线性隔振器主要集中在单自由度的形式，无法满足多自由度低频振动抑制的需求，在实际应用中具有很大的局限性。同时，将准零刚度/高静‐低动刚度的低频隔振原理应用于多自由度隔振的研究鲜有报道。

发明内容

为克服现有技术存在的局限，本发明的目的是提出一种基于振动模态和摆模态耦合的多自由度低频隔振器，该装置具有竖直方向上的高静态刚度(高承载能力)和低动态刚度(低共振频率)，以及水平方向上的准零刚度和几何非线性阻尼特性，并具有结构简单、安装方便、成本低的特点，能够有效地拓宽隔振频带，适用于航天航空、精密仪器等工程领域的多自由度低频隔振需求。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于振动模态和摆模态耦合的多自由度低频隔振器，包括支撑框架1、支撑框架1上下对称安装的第一高静‐低动刚度隔振器4和第二高静‐低动刚度隔振器5，分别通过第一球铰链8、第二球铰链11、第三球铰链13和第一刚性杆9、第二刚性杆12将被隔振物体10与所述的第一高静‐低动刚度隔振器4和第二高静‐低动刚度隔振器5的第一支撑杆4.1和第二支撑杆5.1相连；所述第一刚性杆9的下端和被隔振物体10的上端经由焊接形成空间摆机构；所述的第一球铰链8、第二球铰链11、第三球铰链13能在空间范围实现旋转运动；所述的第一高静‐低动刚度隔振器(4)和第二高静‐低动刚度隔振器(5)能够分别沿第一支撑杆4.1和第二支撑杆5.1作轴向往复运动，使得被隔振物体10相对支撑框架1实现三个平移方向自由度的运动。

所述的第一高静‐低动刚度隔振器4包括由第一环形永磁体4.18、第二环形永磁体4.19和第三环形永磁体4.20构成的第一磁性负刚度弹簧以及起承载作用的第一螺旋弹簧片4.9，所述的第一环形永磁铁4.18由第一套筒4.4和第二套筒4.6夹持，并通过第三螺栓4.7和第三螺母4.5连接紧固；第二螺栓4.3穿过第一直线法兰轴承4.2的周向通孔4.2‐1与第一套筒4.4的螺纹通孔4.4‐1连接紧固；第一直线法兰轴承4.2约束第一支撑杆4.1使其沿轴向运动；所述第二环形永磁体4.19安装在第一螺旋弹簧片4.9的中心腔4.9‐2内，并由第一支撑杆4.1通过其第一凸台4.1‐2、第一端盖4.17和第六螺母4.16将第二环形永磁体4.19固定在第一螺旋弹簧片4.9的中心腔4.9‐2内，使第二环形永磁体4.19能随着第一支撑杆4.1沿轴向作往复运动；第一螺旋弹簧片4.9的外圆周边界由第二套筒4.6和第三套筒4.10夹持固定，并由第四螺栓4.11和第四螺母4.8紧固；第三环形永磁体4.20由第三套筒4.10和第四套筒4.15夹持，并由第五螺栓4.14和第五螺母4.13紧固连接；所述第三环形永磁体4.20由第七螺栓4.12沿轴向紧固。

所述的第二高静‐低动刚度隔振器5包括由第四环形永磁体5.18、第五环形永磁体5.19和第六环形永磁体5.20构成的第二磁性负刚度弹簧以及起承载作用的第二螺旋弹簧片5.9，所述第四环形永磁铁5.18由第五套筒5.4和第六套筒5.6夹持，并通过第十螺栓5.7和第十螺母5.5连接紧固；第九螺钉5.3穿过第二直线法兰轴承5.2的周向通孔5.2‐1与第五套筒5.4的螺纹通孔5.4‐1连接紧固；第二直线法兰轴承5.2约束第二支撑杆5.1使其沿轴向运动；所述的第五环形永磁体5.19安装在第二螺旋弹簧片5.9的中心腔5.9‐2内，并由第二支撑杆5.1通过其第二凸台5.1‐2、第二端盖5.17和第十三螺母5.16将第五环形永磁体5.19固定在第二螺旋弹簧片5.9的中心腔5.9‐2内，使第五环形永磁体5.19能随着第二支撑杆5.1沿轴向作往复运动；第二螺旋弹簧片5.9的外圆周边界由第六套筒5.6和第七套筒5.10夹持固定，并由第十一螺栓5.11和第十一螺母5.8紧固；第六环形永磁体5.20由第七套筒5.10和第八套筒5.15夹持，并由第十二螺栓5.14和第十二螺母5.13紧固连接；所述第六环形永磁体5.20由第十四螺钉5.12沿轴向紧固。

所述的被隔振物体10上端与第一刚性杆9的下端焊接相连，同时，被隔振物体10下端与第二球铰链11相连。

所述第一刚性杆9的上端通过第一球铰链8与第一高静‐低动刚度隔振器4的第一支撑杆4.1相连。

所述第二刚性杆12的下端通过第三球铰链13与第二高静‐低动刚度隔振器5的第二支撑杆5.1相连。

所述的第一环形永磁体4.18、第二环形永磁体4.19和第三环形永磁体4.20、第四环形永磁体5.18、第五环形永磁体5.19、第六环形永磁体5.20均采用剩磁强度大的钕铁硼磁体，其充磁方向均为轴向。

所述本发明装置除了所有环形永磁体和被隔振物体10外，其结构零部件均采用非导磁的硬铝合金材料制备。

所述第一环形磁体4.18、第二环形磁体4.19和第三环形永磁体4.20构成第一磁性负刚度弹簧，为本发明沿竖直方向提供负刚度特性。

所述第四环形磁体5.18、第五环形磁体5.19和第六环形磁体5.20构成第二磁性负刚度弹簧，为本发明沿竖直方向提供负刚度特性。

本发明和现有的技术相比，具有如下优点：

1、本发明装置为被动式多自由度低频隔振系统，无需外部供能，具有稳定性好、可靠性高的特点。

2、通过上、下分别布置两个高静态‐低动态刚度隔振器，使得竖直方向具有高承载能力，降低了竖向固有频率，拓宽了竖向的隔振频带。

3、本发明装置在竖直方向上具有高静态刚度(承载能力强)和低动态刚度(固有频率低)的特点，在水平方向上具有准零刚度特性，能够对被隔振物体在三个平移方向上的低频振动进行有效隔离。

4、通过采用两个球铰将上、下布置的两个高静态‐低动态刚度隔振器与空间摆机构相连，将高静态‐低动态刚度隔振器的竖向振动模态与空间摆的摆模态耦合起来，以实现多自由度低频隔振的目的。

5、球铰装置的引入，可为水平方向的低频振动提供几何非线性阻尼特性。

6、本发明中采用永磁材料(如钕铁硼)来设计上、下高静‐低动刚度隔振器的负刚度机构；由于永磁材料具有响应快，非接触，空间占比小，对微位移敏感等特点，使得本发明装置适用于多种工作场合。

7、本发明所有零部件均采用非导磁材料(如硬铝合金)，可避免对永磁体的磁场造成干扰和对本发明的低频隔振性能造成影响。

附图说明

图1为本发明多自由度低频隔振器剖视图。

图2为本发明的支撑框架1零件图。

图3为第一高静‐低动刚度隔振器4示意图，其中：图3a为第一高静‐低动刚度隔振器4剖视图，图3b为第一支撑杆4.1零件图，图3c为第一直线法兰轴承4.2零件图，图3d为第二套筒4.6零件图，图3e为第三套筒4.10零件图，图3f为第一套筒4.4零件图，图3g为第四套筒4.15零件图，图3h为第一螺旋弹簧片4.9零件图。

图4为第二高静‐低动刚度隔振器5示意图，其中：图4a为第二高静‐低动刚度隔振器5的剖视图，图4b为第二支撑杆5.1零件图，图4c为第二直线法兰轴承5.2零件图，图4d为第六套筒5.6零件图，图4e为第七套筒5.10零件图，图4f为第五套筒5.4零件图，图4g为第八套筒5.15零件图，图4h为第二螺旋弹簧片5.9零件图。

图5为球铰链剖视图，其中：图5a为第一球铰链8视图，图5b为第二球铰链11视图，图5c为第三球铰链13视图。

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、图3、图4和图5所示，本发明一种基于振动模态和摆模态耦合的多自由度低频隔振器，包括支撑框架1、支撑框架1上下对称安装的第一高静‐低动刚度隔振器4和第二高静‐低动刚度隔振器5；所述的第一高静‐低动刚度隔振器4通过第一螺栓2穿过第一底孔4.15‐1和支撑杆框架1的上端通孔1.1与第一螺母3连接紧固；所述的第二高静‐低动刚度隔振器5通过第八螺栓6穿过第二底孔5.15‐1和支撑杆框架1的下端通孔1.2与第八螺母7连接紧固；分别通过第一球铰链8、第二球铰链11、第三球铰链13和第一刚性杆9、第二刚性杆12将被隔振物体10与所述的第一高静‐低动刚度隔振器4和第二高静‐低动刚度隔振器5的第一支撑杆4.1和第二支撑杆5.1相连；所述第一刚性杆9的下端和被隔振物体10的上端经由焊接形成空间摆机构；第一刚性杆9的上端与第一球铰链8的第一球销8.2焊接；第一球铰链8的第一螺纹杆8.1与第一支撑杆4.1的内螺纹4.1‐1紧固；所述第二球铰链11的第二螺纹杆11.1与被隔振物体的下端内螺纹紧固相连；第二球铰链11的第二球销11.2与第二刚性杆12的上端进行焊接；第二刚性杆12的下端与第三球铰链的第三球销13.2焊接相连；第三球铰链13的第三螺纹杆13.1与第二支撑杆5.1的内螺纹5.1‐1紧固相连；所述的第一球铰链8、第二球铰链11、第三球铰链13可在空间范围实现旋转运动；所述的第一高静‐低动刚度隔振器4和第二高静‐低动刚度隔振器5可沿轴向作往复运动，通过耦合由第一刚性杆9与被隔振物体10形成空间摆机构可本发明装置可实现三个平移方向自由度的运动。

如图3中图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f、图3g和图3h所示，所述的第一高静‐低动刚度隔振器4包括由第一环形永磁体4.18、第二环形永磁体4.19和第三环形永磁体4.20构成的第一磁性负刚度弹簧以及起承载作用的第一螺旋弹簧片4.9，第一环形永磁铁4.18由第一套筒4.4和第二套筒4.6的第一内凸台4.6‐2夹持，并由第三螺栓4.7分别穿过第一套筒4.4的第一通孔4.4‐2和第二套筒4.6的第二通孔4.6‐1与第三螺母4.5紧固；第二螺栓4.3穿过第一直线法兰轴承4.2的第一周向通孔4.2‐1与第一套筒4.4的第一螺纹通孔4.4‐1紧固相连；第一直线法兰轴承4.2与第一支撑杆4.1间隙配合，并约束第一支撑杆4.1使其沿轴向运动；所述第二环形永磁体4.19由第一支撑杆4.1通过其第一凸台4.1‐2、第一下螺纹端4.1‐3、第一端盖4.17，并穿过第一螺旋弹簧片4.9的第一中心通孔4.9‐1与第六螺母4.16将第二环形永磁体4.19固定在第一螺旋弹簧片4.9的第一中心腔4.9‐2内，使第二环形永磁体4.19能随着第一支撑杆4.1沿轴向作往复运动；第一螺旋弹簧片4.9的外圆周边界由第二套筒4.6和第三套筒4.10夹持固定，并由第四螺栓4.11穿过第二套筒4.6的第三通孔4.6‐3、第三套筒4.10的第四通孔4.10‐1和第一螺旋弹簧片4.9的第二周向通孔4.9‐3与第四螺母4.8连接紧固；第三环形永磁体4.20由第三套筒4.10的第二内凸台4.10‐2和第四套筒4.15夹持，并由第五螺栓4.14分别穿过第三套筒4.10的第五通孔4.10‐4和第四套筒4.15的第六通孔4.15‐2与第五螺母4.13紧固连接；所述第三环形永磁体4.20由第七螺栓4.12穿过第三套筒4.10的第二螺纹通孔4.10‐3沿轴向紧固。

如图4中图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图4f、图4g和图4h所示，所述的第二高静‐低动刚度隔振器5包括由第四环形永磁体5.18、第五环形永磁体5.19和第六环形永磁体5.20构成的第二磁性负刚度弹簧和起承载作用的第二螺旋弹簧片5.9，第四环形永磁铁5.18由第五套筒5.4和第六套筒5.6的第三内凸台5.6‐2夹持，并由第十螺栓5.7分别穿过第五套筒5.4的第七通孔5.4‐2和第六套筒5.6的第八通孔5.6‐1与第十螺母5.5紧固；第九螺栓5.3穿过第二直线法兰轴承5.2的第二周向通孔5.2‐1与第五套筒5.4的第三螺纹通孔5.4‐1紧固相连；第二直线法兰轴承4.2与第二支撑杆5.1间隙配合，并约束第二支撑杆5.1使其沿轴向运动；所述第五环形永磁体5.19由第二支撑杆5.1通过其第二凸台5.1‐2、第二下螺纹端5.1‐3、第二端盖5.17并穿过第二螺旋弹簧片5.9的第二中心通孔5.9‐1与第十三螺母5.16将第五环形永磁体5.19固定在第二螺旋弹簧片4.9的中心腔5.9‐2内，使第五环形永磁体5.19能随着第二支撑杆5.1沿轴向作往复运动；第二螺旋弹簧片5.9的外圆周边界由第六套筒5.6和第七套筒5.10夹持固定，并由第十一螺栓5.11分别穿过第六套筒5.6的第九通孔5.6‐3、第七套筒5.10的第十通孔5.10‐1和第二螺旋弹簧片5.9的第二周向通孔5.9‐3与十一螺母5.8紧固；第六环形永磁体5.20由第七套筒5.10的第四内凸台5.10‐2和第八套筒5.15夹持，并由第十二螺栓5.14分别穿过第七套筒5.10的第十一通孔5.10‐4和第八套筒5.15的第十二通孔5.15‐2与和第十二螺母5.13紧固；所述第六环形永磁体5.20由第十四螺栓5.12穿过第七套筒5.10的第四螺纹通孔5.10‐3沿轴向紧固。

所述的第一环形永磁体4.18、第二环形永磁体4.19和第三环形永磁体4.20、第四环形永磁体5.18、第五环形永磁体5.19、第六环形永磁体5.20均采用剩磁强度大的钕铁硼磁体，其充磁方向均为轴向。

所述本发明装置除了所有环形永磁体和被隔振物体10外，其结构零部件均采用非导磁的硬铝合金材料制备。

所述第一环形磁体4.18、第二环形磁体4.19和第三环形永磁体4.20构成第一磁性负刚度弹簧，为本发明沿竖直方向提供负刚度特性。

所述第四环形磁体5.18、第五环形磁体5.19和第六环形磁体5.20构成第二磁性负刚度弹簧，为本发明沿竖直方向提供负刚度特性。

本发明的工作原理是：当无外部激励作用时，被隔振物体10位于第一高静‐低动刚度隔振器4和第二高静‐低动刚度隔振器5轴线的中心处，并由第一高静‐低动刚度隔振器4和第二高静‐低动刚度隔振器5沿竖直方向为被隔振物体10提供支撑；当外界激励作用于支撑框架1时，第一高静‐低动刚度隔振器4和第二高静‐低动刚度隔振器5的第二环形永磁体4.19和第五环形永磁体5.19分别相对第一环形永磁体4.18、第三环形永磁体4.20和第四环形永磁体5.18、第六环形永磁体5.20产生相对运动而形成第一、二磁性负刚度弹簧；两个磁性负刚度弹簧为竖直承重方向提供负刚度，使得本发明在竖直方向具有高承载能力和低共振频率的特性；通过采用第一球铰链8、第二球铰链11、第三球铰链13和第一刚性杆9、第二刚性杆12将被隔振物体10将被隔振物体10与第一高静‐低动刚度隔振器4和第二高静‐低动刚度隔振器5相连，实现被隔振物体10在水平方向的两自由度低频隔振性能，并具有准零刚度和几何非线性阻尼特性。