[发明专利]一种超低频隔振器及其设计方法

说明书

本发明公开了一种超低频隔振器及设计方法，包括隔振承载台板、上部壳体、下部壳体、承载杆以及正刚度弹簧、负刚度磁弹簧，承载杆和上部壳体、下部壳体同轴，隔振承载台板设在承载杆顶端上。该超低频隔振器及设计方法既可以满足隔振器对承载力和超低固有频率的要求，同时能够使得隔振器在工作点附近保持线性刚度特性，从而能消除对振幅对隔振器性能的制约，从而实现优异的低频隔振性能。

技术领域

本发明涉及到超低频减振隔振领域，特别涉及一种超低频隔振器及其设计方法。

背景技术

随着超精密磨削、半导体加工、微纳制造以及表面形貌测量等为代表的一系列超精密加工和测量技术不断发展，其加工与测量精度也越来越接近物理极限，因此微小的环境振动都有可能导致其加工或检测失效。为了保证加工、测量精度，该类加工测量装备对环境振动提出了极高的要求。通常来说，环境振动一般分布在低频超低频范围，并且分布在一定的频带区间。因此，低频超低频振动已经成为了制约加工、测量精度实现的关键因素。传统的隔振器一般采用刚弹簧或橡胶弹性结构，但其固有频率很难低于4Hz，因而无法有效隔离超低频振动。虽然，采用空气弹簧可以实现较大的承载力和对较低频振动的抑制，但是要实现超低频的振动抑制，必将导致空气弹簧体积极其庞大，制造和使用均存在困难。降低固有频率可以通过降低系统的刚度和增加负载的质量来实现，但会导致隔振器的静态变形位移显著增加，甚至超过其有效的工作行程，从而使得隔振器无法正常工作。

为了进一步降低隔振器的固有频率并保证其承载能力，负刚度特性被引入到隔振器的设计中。通过将负刚度机构引入隔振器的结构设计能够在不改变其静态承载力的情况下，显著地降低隔振器的固有频率，并显著提升其低频隔振性能。

一种名称为″正负刚度弹性元件并联的减振装置″(申请号：CN85109107)的发明专利提出了基于欧拉压杆的负刚度机构，以降低减振系统的固有频率。一种名称为″一种负刚度磁弹簧″(CN201210284870.7)的发明专利提出了一种排斥型负刚度磁弹簧，如将其应用到隔振器将能有效地降低系统的固有频率。一种专利名称为″一种三自由度超低频减振器″(申请号：CN201310187711.X)的发明专利提出了垂向基于磁正刚度和磁负刚度并联，水平向基于正刚度片簧和磁负刚度并联的三自由度低频减振器。一种名称为″一种正负刚度并联减振器″(申请号为CN201310142491.9)的发明专利提出了一种基于正刚度空气弹簧和负刚度磁弹簧并联的减振器，正刚度空气弹簧和负刚度磁弹簧并联布置，负刚度磁弹簧安装在空气弹簧腔室内，其存在的问题是其负刚度机构由多块径向磁化瓦状永磁体构成，径向磁化永磁体工艺成本高、难度大，同时负刚度磁弹簧采用数量众多的永磁体构成，因此加工复杂、装配成本极高。

虽然上述发明专利以及现阶段提出的负刚度机构都能够在一定程度降低隔振器的固有频率，实现对低频振动的隔离和抑制。然而不可忽略的是其构成的低频隔振器，在工作点附近都表现出了显著的强非线性刚度特性。从而使得隔振器的性能显著依赖于振源振幅：在弱激励(振幅较小)的情况下，隔振器近似线性系统，可以获得优异的隔振性能。然而当激励幅值(振幅较大)变大时，隔振器刚度特性将表现出强烈的非线性特性使得隔振器出现如超谐共振、亚谐共振、类周期共振等非线性共振，从而导致隔振器性能迅速恶化，显然其应用场合受到了极大的制约。因此，如何实现隔振器的超低固有频率，并确保隔振器在工作点附近具有线性低刚度特性，消除隔振器性能对振幅的依赖性，同时要考虑便于加工和制造，这在隔振器的设计中显得至关重要。

发明内容

本发明为解决上述缺陷，提供一种超低频隔振器。该隔振器结构紧凑、制造简单、成本低，采用正负刚度并联的原理，具有极低的固有频率，能显著扩展减振带宽，提升隔振性能，尤其是在对低频和超低频振动也有良好的抑制效果，同时可以保证在不同振源振幅情况下的隔振性能的稳定性。同时，本发明提供的隔振器能够根据隔振负载进行工作点调整，防止负载变化带来的隔振器性能的退化。

本发明所要解决的问题通过以下技术方案来实现：