一种参数可调的高静低动刚度电磁隔振器

1.本发明属于低频隔振结构技术领域，尤其涉及一种参数可调的高静低动刚度电磁隔振器。


背景技术：

2.一般而言，高静低动刚度隔振器是将正刚度机构与负刚度机构并联，正刚度机构决定了隔振器承载力大小，负刚度机构用于降低隔振器动刚度。因此，高静低动刚度隔振器具有较高的静刚度和较低的动刚度，能够承受较大设备负载质量，同时使设备在静平衡位置振动时具有较低的动刚度。但目前所研究的高静低动刚度隔振器主要是针对特定工况来设计其结构参数，而实际工程中由于工况的变化、外部激励的变化以及弹性元件的老化，都将使得隔振器的隔振性能急剧下降，此时传统高静低动刚度隔振器不能发挥其优良的隔振性能。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种参数可调的电磁隔振器，以解决实际工程中工况的变化、外部激励的变化以及弹性元件的老化导致高静低动刚度隔振器隔振性能降低的问题。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
5.一种参数可调的高静低动刚度电磁隔振器，包括隔振基座1以及设置于隔振基座1上的电磁正刚度装置2、负刚度组件3；
6.隔振基座1包括：负载安装板1a、基座连接板1b、导向轴1c和压缩弹簧1d；
7.基座连接板1b固定设置，导向轴1c竖向设置在基座连接板1b上；负载安装板1a水平设置在基座连接板1b上侧，负载安装板1a上设置有可套设在导向轴1c上的通孔；压缩弹簧1d套设在导向轴1c上，且两端分别抵住负载安装板1a和基座连接板1b；电磁正刚度装置2和负刚度组件3设置在负载安装板1a和基座连接板1b之间；
8.所述电磁正刚度装置2包括：衔铁连接件2a、悬浮支架2b、第一电磁铁2c、衔铁2d；悬浮支架2b固定在基座连接板1b上，第一电磁铁2c固定设置在悬浮支架2b上；衔铁连接件2a上端固定在负载安装板1a上，下端向下延伸并靠近悬浮支架2b；衔铁2d固定设置在衔铁连接件2a下端且朝第一电磁铁2c一侧延伸，第一电磁铁2c产生通电产生磁力以使衔铁连接件2a具有向上下移动的力；
9.所述负刚度组件3包括：第二电磁铁3a、磁体导向机构3b、永磁体3c、限位机构3d；
10.第二电磁铁3a固定设置在基座连接板1b上，第二电磁铁3a的磁芯沿左右方向水平设置；
11.磁体导向机构3b包括：对称设置在第二电磁铁3a左右侧的两个直线导轨3e、设置在直线导轨3e上的两个永磁体支撑座3f；
12.永磁体支撑座3f可在直线导轨3e上左右运动；永磁体3c有两个且分别设置在两个
永磁体支撑座3f上；
13.限位机构3d包括：两个连接在永磁体支撑座3f上的水平推杆3g、两个连接在负载安装板1a上的限位臂3j；
14.水平推杆3g向背离第二电磁铁3a沿水平方向伸出形成挤压球头30g；限位臂3j下端设置有半圆形导向部3k，挤压球头30g抵住半圆形导向部3k，并沿其外圆面在竖向运动。
15.对前述参数可调的高静低动刚度电磁隔振器的进一步改进或者优选实施方案还包括，所述负载安装板1a为平板，负载安装板1a水平设置；所述通孔均匀设置于负载安装板1a边缘；所述基座连接板1b在对应位置设置有过孔；通孔和过孔内设置有滑动轴承1e，所述导向轴1c套设在滑动轴承1e中。
16.对前述参数可调的高静低动刚度电磁隔振器的进一步改进或者优选实施方案还包括，负载安装板1a为水平设置的矩形平板，所述通孔设置于负载安装板1a四角处；还包括设置在导向轴1c之间的导向杆1g，导向杆1g固定设置在基座连接板1b上，导向杆1g上套设有压缩弹簧，负载安装板1a上设置有供导向杆1g穿过的孔。
17.对前述参数可调的高静低动刚度电磁隔振器的进一步改进或者优选实施方案还包括，所述负刚度组件3设置于基座连接板1b中心位置，所述电磁正刚度装置2设置于负刚度组件3前侧或者后侧；
18.所述衔铁连接件2a呈l形结构，包括竖向设置在负刚度组件3前侧或者后侧的竖向连接臂20a，以及连接在竖向连接臂20a顶端并延伸至基座连接板1b中心位置的横向连接臂20b，横向连接臂20b的末端上侧设置有连接板20c，连接板20c可拆卸地连接在负载安装板1a下端面中心位置。
19.对前述参数可调的高静低动刚度电磁隔振器的进一步改进或者优选实施方案还包括，所述悬浮支架2b设置于负刚度组件3前侧或者后侧；悬浮支架2b呈匚形结构；
20.所述第一电磁铁2c包括：分别设置在匚形的悬浮支架2b两个横臂上的e形硅钢片组20d，绕制在e形硅钢片组20d上的差动线圈20e；两个e形硅钢片组20d开口正对设置；衔铁2d水平伸入两个e形硅钢片组20d之间。
21.对前述参数可调的高静低动刚度电磁隔振器的进一步改进或者优选实施方案还包括，所述负刚度组件3还包括电磁铁支撑座，电磁铁支撑座由支撑杆30a以及设置有支撑杆30a顶端的电磁铁安装架30b组成；支撑杆30a垂直于基座连接板1b且下端固定在基座连接板1b上端面中心位置；第二电磁铁3a固定安装在电磁铁安装架30b上。
22.对前述参数可调的高静低动刚度电磁隔振器的进一步改进或者优选实施方案还包括，所述第二电磁铁3a包括柱状永磁体30c和螺旋线圈30d；
23.所述负刚度组件3还包括导轨安装座30e，导轨安装座30e分别安装在电磁铁支撑座左右两侧；直线导轨3e安装在导轨安装座30e顶部；永磁体支撑座3f的下端设置有可与直线导轨3e配合的滑块30f。
24.对前述参数可调的高静低动刚度电磁隔振器的进一步改进或者优选实施方案还包括，在结构参数的具体计算时：
25.所述第一电磁铁(2c)的电磁力f
p
的采用如下方式计算：
[0026][0027]
其中，μ0表示真空磁导率；a表示磁极面积；n表示线圈匝数；h表示气隙初始值，x表示气隙的变化量；i1为第一电磁铁(2c)中线圈通电电流；
[0028]
第二电磁铁(3a)的电磁力fm的采用如下方式计算：
[0029]
其中，w1＝123.6，w2＝12.8，w3＝20.5，d为两端可移动永磁体与螺旋线圈端面之间的距离，i2为第二电磁铁(3a)线圈中的电流；
[0030]
隔振隔振器的回复力f(z)采用如下方式计算：
[0031][0032]
其中，z0为压缩弹簧在平衡位置时的压缩量；k为压缩直弹簧刚度，半圆形半圆形导向部半径为r1，圆球挤压球头半径为r2，z为从静平衡位置开始在竖直方向上的位移，β为压缩弹簧的个数；
[0033]
隔振器达到准零刚度时应满足的条件为：
[0034][0035]
其中，d0为隔振器处于静平衡位置时负刚度组件两侧永磁体与螺旋线圈之间的距离。
[0036]
其有益效果在于：
[0037]
本发明用于解决实际工程中，当工况、外部激励变化以及弹性元件的老化时，隔振器隔振性能降低或者与原有隔振特性不匹配的问题，其利用两处附带有电磁铁的刚度装置对隔振器的动静态参数进行调整，以使其能够应对工况或隔振器结构变化对原有隔振器造成的影响，使高静低动刚度隔振器始终保持需要的隔振性能。
[0038]
在使用时当压缩弹簧老化或者承载质量变化时，也可通过调节电磁正刚度装置和负刚度组件中的线圈电流，使得隔振器恢复满足低频隔振特性的条件。
[0039]
本发明中两处刚度机构采用磁悬浮支撑传力技术，结构动作时无需润滑、机构基本无磨损、可在恶劣环境下工作、适应性强，通过控制电磁铁工作参数可以在运动过程中实现刚度可调可控，使用灵活，寿命长，控制方式简单。
附图说明
[0040]
图1是参数可调的高静低动刚度电磁隔振器的主视图；
[0041]
图2是参数可调的高静低动刚度电磁隔振器的斜视图；
[0042]
图3是参数可调的高静低动刚度电磁隔振器的侧视图；
[0043]
图4是电磁正刚度装置的结构示意图一；
[0044]
图5是电磁正刚度装置的结构示意图二；
[0045]
图6是负刚度组件的结构示意图一；
[0046]
图7是负刚度组件的结构示意图二；
[0047]
图8是电磁正刚度装置电磁控制部分结构原理图；
[0048]
图9是电流为0a、1a和2a时拟合曲线与有限元计算值对比图；
[0049]
图10是电流为3a、4a和5a时拟合曲线与有限元计算值对比图；
[0050]
图11是负刚度组件工作时原理示意图；
[0051]
图12是隔振器的力、电流与位移的关系图；
[0052]
图13是隔振器的力、电流与位移的关系曲线；
[0053]
图14是隔振器的刚度、电流与位移的关系的关系图；
[0054]
图15是隔振器的刚度、电流与位移的关系的关系曲线；
[0055]
图16是隔振器在不同电流下隔振器的力传递率曲线对比；
[0056]
其中附图标记包括：
[0057]
隔振基座1、负载安装板1a、基座连接板1b、多个导向轴1c、压缩弹簧1d、滑动轴承1e、导向杆1g、电磁正刚度装置2、衔铁连接件2a、连接臂20a、连接臂20b、连接板20c、e形硅钢片组20d、差动线圈20e、悬浮支架2b、第一电磁铁2c、衔铁2d、负刚度组件3、第二电磁铁3a、磁体导向机构3b、永磁体3c、限位机构3d、直线导轨3e、永磁体支撑座3f、水平推杆3g、支撑杆30a、电磁铁安装架30b、柱状永磁体30c、螺旋线圈30d、导轨安装座30e、滑块30f、挤压球头30g、限位臂3j、半圆形导向部3k、弧形导向面30k。
具体实施方式
[0058]
以下结合具体实施例对本发明作详细说明。
[0059]
本发明的一种参数可调的高静低动刚度电磁隔振器，包括隔振基座1以及设置于隔振基座1上的电磁正刚度装置2、负刚度组件3；
[0060]
如图1、图2所示，隔振基座1包括：负载安装板1a、基座连接板1b以及多个导向轴1c和压缩弹簧1d；
[0061]
基座连接板1b固定设置，导向轴1c竖向设置在基座连接板1b上；负载安装板1a水平设置在基座连接板1b上侧，负载安装板1a上设置有可套设在导向轴1c上的通孔；压缩弹簧1d套设在导向轴1c上，且两端分别抵住负载安装板1a和基座连接板1b；电磁正刚度装置2和负刚度组件3设置在负载安装板1a和基座连接板1b之间；
[0062]
其中隔振基座用于整体支撑和连接，同时作为刚度机构与支撑结构和待隔振设备或物品之间的连接固定结构，基座连接板1a与地面或基础支撑结构连接，或者由支撑结构的部分直接形成，负载安装板1a可上下活动，用于支撑需要个真的设备或结构，实际使用时，负载安装板和基座连接板不一定是标准的平板结构，根据需要还可能是盒状或各类便于固定和支撑的平台固定结构。
[0063]
作为一种通用且简洁的结构方案，一般负载安装板1a可设计为平板，为保证上侧装置的稳定性，负载安装板1a水平设置；负载安装板1a上可设置各类孔槽和柱等结构以用于定位、固定和支撑，负载安装板由底部弹簧进行支撑，为保证受力均衡，用于控制弹簧分布位置的通孔均匀设置于负载安装板1a边缘；基座连接板1b在对应位置设置有过孔；通孔和过孔内设置有滑动轴承1e，导向轴1c套设在滑动轴承1e中。滑动轴承有利于提高负载安
装板上下移动的顺畅性，减少磨损，使隔振隔振器更加灵活。
[0064]
为便于加工装配，本实施例中，负载安装板1a为矩形平板，通孔设置于负载安装板1a四角处；
[0065]
为了提高装置稳定性，保证负载安装板1a能够稳定支撑，防止倾斜卡死，在必要时还可以在导向轴1c之间设置导向杆1g，导向杆1g固定设置在基座连接板1b上，导向杆1g上套设有压缩弹簧，负载安装板1a上设置有供导向杆1g穿过的孔。导向杆1g用于支撑，同时辅助导向轴进行限位、引导以及装配对正。
[0066]
如图3、图4所示，电磁正刚度装置2包括：衔铁连接件2a、悬浮支架2b、第一电磁铁2c、衔铁2d；
[0067]
悬浮支架2b固定在基座连接板1b上，第一电磁铁2c固定设置在悬浮支架2b上；衔铁连接件2a上端固定在负载安装板1a上，下端向下延伸并靠近悬浮支架2b；衔铁2d固定设置在衔铁连接件2a下端且朝第一电磁铁2c一侧延伸，第一电磁铁2c产生通电产生磁力以使衔铁连接件2a具有向上下移动的力；
[0068]
具体用过程中，衔铁受电磁力作用下可受力并上下移动，最终带动衔铁连接件以及上侧负载安装板1a受力和运动，进而控制正刚度隔振器参数，电磁铁固定在基座连接板1b上，是基座连接板和负载安装板之间相互作用。
[0069]
其中，悬浮支架2b设置于负刚度组件3前侧或者后侧；为便于安装电磁铁上的硅钢片组，悬浮支架2b采用匚形结构；
[0070]
第一电磁铁2c包括：分别设置在匚形的悬浮支架2b两个横臂上的e形硅钢片组20d，绕制在e形硅钢片组20d上的差动线圈20e；两个e形硅钢片组20d开口正对设置；衔铁2d水平伸入两个e形硅钢片组20d之间。
[0071]
如图6、图7所示，与正刚度隔振器的结构原理相近，负刚度组件3包括：第二电磁铁3a、磁体导向机构3b、永磁体3c、限位机构3d；
[0072]
第二电磁铁3a固定设置在基座连接板1b上，第二电磁铁3a的磁芯沿左右方向水平设置；
[0073]
磁体导向机构3b包括：对称设置在第二电磁铁3a左右侧的两个直线导轨3e、设置在直线导轨3e上的两个永磁体支撑座3f；
[0074]
永磁体支撑座3f可在直线导轨3e上左右运动；永磁体3c有两个且分别设置在两个永磁体支撑座3f上；
[0075]
限位机构3d包括：两个连接在永磁体支撑座3f上的水平推杆3g、两个连接在负载安装板1a上的限位臂3j；
[0076]
水平推杆3g向背离第二电磁铁3a沿水平方向伸出形成挤压球头30g；限位臂3j下端设置有半圆形导向部3k，挤压球头30g抵住半圆形导向部3k，并沿其外圆面在竖向运动。
[0077]
特别的，半圆形导向部3k的外面上设置有可与挤压球头30g对接的导向槽30k；挤压球头30g沿向槽30k运动，为保证两者相对运动稳定。
[0078]
为便于整体结构，便于调节和恢复隔振器刚度特性，作为优选方案，本实施例中，负刚度组件3设置于基座连接板1b中心位置，电磁正刚度装置2设置于负刚度组件3前侧或者后侧；
[0079]
为保证受力点位置的平衡，衔铁连接件2a呈l形结构，包括竖向设置在负刚度组件
3前侧或者后侧的竖向连接臂20a，以及连接在竖向连接臂20a顶端并延伸至基座连接板1b中心位置的横向连接臂20b，横向连接臂20b的末端上侧设置有连接板20c，连接板20c可拆卸地连接在负载安装板1a下端面中心位置。
[0080]
负刚度组件3还包括电磁铁支撑座，电磁铁支撑座由支撑杆30a以及设置有支撑杆30a顶端的电磁铁安装架30b组成；支撑杆30a垂直于基座连接板1b且下端固定在基座连接板1b上端面中心位置；第二电磁铁3a固定安装在电磁铁安装架30b上。
[0081]
第二电磁铁3a包括柱状永磁体30c和螺旋线圈30d；
[0082]
负刚度组件3还包括导轨安装座30e，导轨安装座30e分别安装在电磁铁支撑座左右两侧；直线导轨3e安装在导轨安装座30e顶部；永磁体支撑座3f的下端设置有可与直线导轨3e配合的滑块30f。
[0083]
如图8所示，电磁正刚度装置中电磁力是与线圈电流及气隙相关的函数，正方向规定为向下，利用简化磁路方法可得电磁力的表达式为：
[0084][0085]
其中，μ0表示真空磁导率；a表示磁极面积；n表示线圈匝数；h表示气隙初始值，x表示气隙的变化量；i1是指线圈通电电流。
[0086]
如图9所示，根据负刚度组件3结构的有限元仿真，利用软件进行曲线拟合，可以该结构电磁力的计算公式为：
[0087]
其中，w1＝123.6，w2＝12.8，w3＝20.5，d为两端可移动永磁体与螺旋线圈端面之间的距离，i2为线圈中的电流，变化曲线如图9(电流为0a、1a和2a时拟合曲线与有限元计算值对比)和图10(电流为3a、4a和5a时拟合曲线与有限元计算值对比)所示，该计算公式与有限元仿真数据之间的误差小，能够用来描述负刚度组件电磁力的变化规律。
[0088]
如图11所示，当参数可调式高静低动刚度隔振器开始工作时，挤压球头30g沿半圆形导向部3k上下滑动，压缩弹簧刚度为k，半圆形导向部半径为r1，挤压球头半径为r2，定义坐标z为从静平衡位置开始在竖直方向上的位移，向下为正；则隔振隔振器的回复力可表示为：
[0089][0090]
式中，z0为竖直弹簧在平衡位置时的压缩量；i1为电磁正刚度装置中线圈通电电流；i2为负刚度组件中线圈的通电电流；α为半圆形导向部与挤压球头中心连线与水平方向之间的夹角，将代入上式中，可得：
[0091][0092]
式中，d0为隔振器处于静平衡位置时负刚度组件两侧永磁体与螺旋线圈之间的距离，对上式微分，可得隔振器的刚度表达式为：
[0093][0094]
令z＝0和k＝0，可得隔振器达到准零刚度时应满足的条件为：
[0095]
如果i1＝i2＝0且隔振器参数满足式上式，则隔振器可视为被动式准零刚度隔振器，假设当隔振器额定承载为m时，半圆形导向部与挤压球头中心连线恰好处于水平状态即mg＝4kz0，电磁正刚度装置衔铁位于初始位置，隔振器达到静力平衡，此时电磁正刚度装置通电电流i1＝0。若承载发生变化时，可通过调节电磁正刚度装置电流，使得隔振器的工作点恢复至原平衡位置。额定载荷下，隔振器的回复力和刚度为：
[0096][0097]
具体实例：
[0098]
设计隔振器参数k＝1500n/m，d0＝0.005m，r1＝0.045m，r2＝0.006m；
[0099]
计算得到隔振器达到准零刚度时，负刚度组件中的电流为i
2qzs
＝3.56a。
[0100]
图12、图13展示了隔振器力、电流与位移的关系曲线，由图可知，随着通电电流的增大，隔振器的非线性越来越强。
[0101]
图14、图15展示了隔振器刚度、电流与位移的关系曲线。从图中可得，当电流较小时，隔振器始终表现为正刚度；当电流增大达到i
2qzs
时，隔振器在静平衡位置刚度为零，其他区间内，刚度始终为正；当电流过大时，负刚度组件在隔振器中起主导作用，导致隔振器在一定的区间内为负刚度。
[0102]
为了验证可调式高静低动刚度隔振器的隔振性能，搭建试验平台进行额定载荷下单自由度隔振器力传递率测试试验。负刚度组件不同电流下可调式高静低动刚度隔振隔振器与等效线性隔振器力传递率曲线如图16所示。由图可知，等效线性隔振器的共振频率为7.8hz，力传递率峰值为54.32db；当通入电流为4a时，高静低动刚度隔振隔振器的共振频率为3.6hz，力传递率峰值为33.57db；通入电流为5a时，共振频率为2.8hz，力传递率峰值为26.43db。说明所设计的负刚度组件原理正确，能够有效地降低隔振器固有频率，拓宽了隔振器隔振频率范围，相对于等效线性隔振器而言，隔振效果相对更好。
[0103]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。