本装置革新隔振技术,采用4n层等截面磁环(n≥1,n为自然数),实现大型精密设备的自适应主被动复合空间电磁阵列阻尼调控。
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平台逐渐成为精密工程领域抑制环境微振动的主要技术手段。阻尼是决定隔振效果的核心参数之一,直接影响隔振平台对不同频率振动的作用效果。具体而言,高阻尼有助于降低隔振平台在低频至谐振频率区间内的振动增益,相反,低阻尼则能有效促进隔振平台对高频振动的快速衰减。这意味着,针对不同频率的振动,实现有效衰减所需的阻尼值是不同的。然而,现有隔振平台的阻尼系数在幅频特性上保持恒定,这限制了其在多样频率振动环境下的适应性和有效性。因此,如何有效调控隔振平台的阻尼系数,成为了提升隔振性能亟待解决的关键问题。
现有阻尼调控装置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阻尼调控需求时,这些装置难以提供足够高的阻尼力来有效调节阻尼系数,致使大型平台的阻尼系数趋于固定不变。另外,现有阻尼调控装置的阻尼系数在幅频特性上同样展现出恒定不变的特点,仅能略微提升大型精密隔微振平台的阻尼系数,而无法根据激励频率的变化动态调整阻尼,从而无法在多频振动环境中实现高性能隔振。
专利号CN202210957290.3公开了一种齿形流道的磁流变阻尼器,齿形活塞采用仿齿轮设计,励磁线圈均布三组缠绕在活塞缸内层以增大磁通利用率。专利号CN202210441343.6公开了多励磁多盘片式磁流变宽频隔振器,将基于无纺布的复合基体磁流变材料替换流动工作模式下的液体环境,以拓展阻尼力可调范围、降低中高频激励下的硬化效应。为了调节阻尼力大小,专利号CN202111522940.3公开了一种多级激励双筒磁流变阻尼器及其控制方法,通过在内筒轴向依次交替阵列N个磁轭与(N-1)个线圈,与外筒同轴嵌套构建(2N-1)个磁流变液的流通路径;并通过调控磁场,动态改变流动间隙的数量,确保阻尼可调。磁流变阻尼器应用于大型精密隔微振领域时存在局限性: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;通过增加励磁线圈数量、励磁电压/电流、磁场有效区域、节流通道长度等途径增大阻尼的方式,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。
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(1.“基于电磁负刚度结构的空气弹簧隔振器”,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、轴向同向磁化或垂直磁化的内磁环与外磁环实现负刚度特性,并利用节流孔及内、外磁环相对运动产生的电涡流实现阻尼效果。在上述方案中,内、外磁环均为沿某一方向均匀磁化的永磁体,其励磁磁场具有对称性。实际应用中,仅一侧磁场实现阻尼特性,而另一侧磁场处于闲置状态,磁场利用率较低。
广西科技大学提出了一种电磁馈能与磁流变液复合的阻尼器(1.“一种电磁馈能式阶梯型磁流变阻尼器”,CN202310051772.7;2.“一种双筒嵌入式混合电磁馈能阻尼器”,CN202210120495.6;3.“一种混合式馈能电磁阻尼器”,CN202210120558.8;4.“一种混合式电磁馈能阻尼器”,CN202210120502.2),通过在缸体内侧与活塞头间设置阶梯形磁流变液阻尼间隙,增加了有效阻尼通道长度;同时复合由哈尔伯奇永磁阵列与线圈构成的电磁馈能阻尼结构,提升阻尼幅值,并实现对阻尼的调节。北京理工大学提出了一种阻尼旋转定位弹簧(1.“一种基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧”,CN201610855716.9;2.“一种电涡流阻尼磁力弹簧”,CN201610857360.2),利用多个同轴嵌套的哈尔伯奇永磁阵列面对面产生的磁场及其背面的漏磁,实现了磁性弹簧的高定位刚度与高速切换。该技术方案的特点在于:1)对于构成阻尼旋转定位弹簧的哈尔伯奇永磁阵列,其产生的励磁磁场具有显著不均衡性,可显著提升磁场利用率。2)利用halbach永磁阵列构建电涡流阻尼件,仅对旋转运动具有阻尼效果,而无法隔离大型精密仪器设备所处环境中的低频微幅振动干扰。3)阻尼无法根据外部激励频率的动态变化实时调整,限制了其在不同工况下提供最佳隔振效果的能力。
综上,如何通过结构与原理创新,开发自适应激励频率变化的大型精密隔微振阻尼调控装置,在不改变其大承载的条件下,对低频微振动激励产生高阻尼特性,高频微振动激励产生低阻尼特性,有效消除或衰减环境中各类频率的微振动干扰,保证精密仪器设备工作环境最优。这一创新不仅标志着精密仪器设备工作环境优化技术的新飞跃,更将直接推动其工作精度迈向新高度,满足当今乃至未来科研与工业领域对高精度、高稳定性设备的迫切需求。
实现思路