本装置应用于精密隔振技术,通过多层轴向排列的等截面磁环阵列和垂直磁化技术,构建高磁密励磁磁场,实现负刚度阻尼一体化调控。
背景技术
在精密仪器设备的装调、测试和实验过程中,环境中的低频微幅振动干扰成为影响研究效果的重点问题之一,为精密仪器设备配备低频隔振器逐渐成为精密工程领域抑制环境微振动的主要技术手段。刚度和阻尼是决定隔振带宽与隔振效果的核心参数,直接关乎隔微振平台对不同频率振动的作用效果,如何对其进行有效调控是提升隔振性能的关键。然而,现有的研究主要集中在小型光学隔微振平台和器件上,这些平台和器件的质量通常在千克至百千克以内,鲜超过吨级;当面向百吨级及以上大型精密隔微振平台的刚度与阻尼调控需求时,产生足够高的负刚度与阻尼十分困难。此外,当前的研究大多聚焦于刚度或阻尼单一参数的调控,难以实现刚度与阻尼的协同一体化调控效果。这种局限性导致调控策略在复杂振动环境中难以发挥最佳性能,无法充分满足大型精密仪器系统对微振动隔离的高要求。
专利号为CN201810625715.4(重庆大学,“阻尼与负刚度可控的磁流变阻尼器”)公开了一种由磁流变液、设置于缸筒组件内的转动活塞和与转动活塞配合的滚珠丝杠副构成的阻尼与负刚度可控装置,通过控制励磁线圈的电流改变磁流变液的剪切屈服力,在实现可控阻尼力的同时,利用转动惯量实现阻尼器的可控负刚度,改善隔振效果。专利号为CN201911144675.2(中国人民解放军92578部队,“一种多功能复合隔振器”)公开了一种由电磁隔振器与磁流变阻尼器并联构成的多功能复合隔振器,电磁隔振器与磁流变阻尼器依据控制算法各自独立通入特定电流。电磁隔振器采用的是磁齿结构,通过改变励磁电流可实现电磁刚度的在线调节,从而降低隔振固有频率。变阻尼技术采用的是磁流变阻尼器,同样是通过输入电流的改变实现变阻尼特性。专利号为CN202311509326.2(重庆大学,磁流变多向宽频吸振器)结合了磁流变阻尼器与颗粒阻尼器的优点,将六个磁流变阻尼器按照Stewart平台方式布置在上平台和下平台之间,以在多个方向上提供刚度与阻尼,拓宽了传统调谐质量阻尼器的减振频段,并有效解决了传统颗粒阻尼器。
上述磁流变阻尼器应用于大型精密隔微振领域时存在以下问题:1)磁流变阻尼器的剪切屈服强度较低,难以产生足以调控百吨级及以上大型精密隔微振的阻尼;通过增大励磁电压增大阻尼值的方式,会增加能源消耗与成本;2)磁流变液体的性质不稳定,易受到温度、湿度等外界环境因素的影响,在高温或低温环境下,其阻尼性能可能会发生变化,甚至可能无法正常工作;3)长时间使用或不当使用可能导致磁流变阻尼器内部产生渣滓,影响阻尼效果和使用寿命。
专利号为CN201721249979.1(同济大学,“一种电磁阻尼负刚度支座”)公开了一种电磁阻尼负刚度支座,该支座利用两个同向磁化同轴磁环相对运动产生的电磁力实现负刚度特性,利用磁环与导体板相对运动时切割磁感线产生的电涡流提供阻尼。该技术方案的特征在于:1)负刚度与阻尼特性采用分体结构实现,结构相对复杂,不仅增加材料与制造成本,且安装和维护困难;2)负刚度结构与阻尼结构均由沿单一方向磁化的磁环构成,此类磁环内外两侧的励磁磁场对称。然而,在实际应用中,仅一侧磁场被利用,另一侧闲置,导致电磁阻尼负刚度支座的磁场利用率低,产生的负刚度与阻尼值较低,对调控百吨级及以上大型精密隔微振平台刚度与阻尼的效果甚微;3)结构设计完成后,所能产生的负刚度与阻尼值恒定,不可随负载质量、激励频率及隔振需求的变化而自适应调整。
哈尔滨工业大学崔俊宁教授提出了一种超低频空气弹簧隔振器(哈尔滨工业大学,“基于电磁负刚度结构的空气弹簧隔振器”,中国专利号:ZL202010605223.6;2.基于垂直磁化磁环负刚度结构的超低频隔振器,ZL202010605241.4;3.基于轴向磁化磁环负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器,ZL202010606309.0;4.基于负刚度磁弹簧的大承载超低频空气弹簧隔振器,ZL202010605236.3),该装置可利用径向反向磁化、轴向同向磁化或内磁环与外磁环垂直磁化的磁环实现负刚度特性,并利用内、外磁环相对运动产生的电涡流与节流孔实现阻尼效果。但上述装置设计完成后,负刚度与阻尼值不可调整,仅能实现恒定承载下的特定隔振频率与振动衰减效果,无法自适应负载质量、激励频率及隔振需求的变化。
综上,如何通过结构与原理创新,提供一种能够实现大型精密隔微振刚度与阻尼一体化调控的装置,以匹配实现近全频带高性能隔振的刚度与阻尼参数,对降低环境微振动对精密仪器设备的干扰,保证精密仪器设备工作环境最优、进而提升精密仪器设备的精度具有重大意义。这一创新不仅有助于保证精密仪器设备工作环境的最优化,还能进一步提升其精度,从而满足日益严苛的科研与工业应用需求。
实现思路