一种刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座.pdf

本发明涉及一种刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座，由磁流变隔振器和升降台串联构成，属于结构振动控制领域。磁流变隔振器由上盖板、内套筒、磁流变弹性体、上永磁体、下永磁体、胶囊和磁流变胶构成；升降台由手柄、移动板、上固定块、上导轨组、滑块组一、X型剪式机构一、下固定块、固定板、双旋向丝杠、滑块组二、X型剪式机构二、轴承、下连接基座、上连接基座和下导轨组构成。上永磁体、磁流变弹性体和下永磁体构成刚度调节单元；上永磁体、磁流变胶和下永磁体构成阻尼调节单元。利用升降台改变上下永磁体间距，产生强度大小可调的磁场，进而实现隔振支座刚度和阻尼连续调节。本发明能够满足不同振动激励对隔振支座刚度和阻尼参数的要求，环境适应性强，具有结构紧凑、安装方便、成本低、参数调节连续、无需外部电源供电等优点。

权利要求书
1.  一种刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座，所述支座由磁流变隔振器和升降台串联构成；其特征在于：
所述磁流变隔振器包括上盖板（1）、内套筒（2）、磁流变弹性体（6）、上永磁体（7）、下永磁体（8）、胶囊（9）和磁流变胶（10）；所述上永磁体（7）和下永磁体（8）为规格相同的柱体，上永磁体（7）装在上盖板（1）底面，下永磁体（8）装在升降台移动板（11）上；所述磁流变弹性体（6）为筒状结构，粘接在内套筒（2）、上永磁体（7）和下永磁体（8）围成的腔体中；所述胶囊（9）位于磁流变弹性体（6）、上永磁体（7）和下永磁体（8）围成的腔体中，内装磁流变胶（10）；所述磁流变弹性体（6）、胶囊（9）和磁流变胶（10）均具有可压缩性；
所述升降台包括手柄（5）、移动板（11）、上固定块（12）、上导轨组（13）、滑块组一（14）、X型剪式机构一（15）、下固定块（16）、固定板（17）、双旋向丝杠（18）、滑块组二（19）、X型剪式机构二（20）、轴承（21）、下连接基座（22）、上连接基座（23）和下导轨组（24）；所述滑块组一（14）由上下两个长方形滑块组成，上滑块长方形侧面开设有两个通孔，下滑块长方形侧面开设有两个通孔和一个螺纹孔，滑块组二（19）结构类似，但螺纹孔旋向相反；所述双旋向丝杠（18）由两段旋向相反的螺纹丝杠组成，第一段螺纹丝杠穿过滑块组一（14）下滑块螺纹孔，第二段螺纹丝杠穿过滑块组二（19）下滑块螺纹孔，顶端穿过外套筒（3）上的通孔与手柄（5）连接，末端和中部通过下固定块（16）和轴承（21）安装在固定板（17）上；所述上导轨组（13）和下导轨组（24）均由两根圆柱导轨组成，上导轨组（13）依次穿过滑块组一（14）上滑块通孔和滑块组二（19）上滑块通孔，两端通过上固定块（12）安装在移动板（11）上，下导轨组（24）依次穿过滑块组一（14）下滑块通孔和滑块组二（19）下滑块通孔，两端通过下固定块（16）安装在固定板（17）上；所述上连接基座（23）和下连接基座（22）分别通过螺栓安装在移动板（11）和固定板（17）上；所述X型剪式机构一（15）的一侧两个端点分别与上连接基座（23）和下连接基座（22）铰接，另一侧两个端点分别与滑块组一（14）上滑块和下滑块铰接；所述X型剪式机构二（20）的一侧两个端点分别与上连接基座（23）和下连接基座（22）铰接，另一侧两个端点分别与滑块组二（19）上滑块和下滑块铰接；利用手柄（5）转动双旋向丝杠（18）可带动滑块组一（14）和滑块组二（19）向相反方向移动，进而升降移动板（11）；所述固定板（17）通过螺栓安装在下底板（4）上；
所述内套筒（2）和外套筒（3）一端内外相套，另一端分别通过螺栓与上盖板（1）和下底板（4）连接；
所述隔振支座分别通过上盖板（1）和下底板（4）上的螺纹孔与隔振对象和基础连接。

2.  根据权利要求1所述的刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座，其特征在于所述磁流变弹性体（6）和磁流变胶（10）均为磁流变材料，磁流变弹性体（6）的剪切储能模量和磁流变胶（10）的损耗因子通过外加磁场的强度实时控制；所述上盖板（1）、内套筒（2）和移动板（11）均为软磁性材料。

3.  根据权利要求1所述的刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座，其特征在于，所述磁流变弹性体（6）为圆筒状结构，所述上永磁体（7）和下永磁体（8）为圆柱体。

4.  根据权利要求1所述的刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座，其特征在于，所述上永磁体（7）吸附在上盖板（1）底面的中央凹槽处，下永磁体（8）吸附在升降台移动板（11）上。

说明书一种刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座
技术领域
本发明涉及一种刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座，属于结构振动控制领域。
背景技术
航天器中的精密仪器设备在发射和着陆过程中会受到剧烈冲击，可能导致设备损坏；在轨运行过程中会受到微幅低频扰动的作用，影响设备精度和可靠性。实验室光学面包板的振动会影响光电仪器成像效果，导致测量结果不稳定、甚至测量失败。曝光机镜头和工件台的振动限制光刻机的最小光刻线宽，造成其分辨率无法提高。随着科技的进步，对结构振动环境的要求越来越高。
隔振支座安装在隔振对象和基础之间，用于减小或消除基础传递到隔振对象上的振动，其性能主要由刚度和阻尼等参数表征。负载质量一定时，隔振支座的刚度决定了其共振频率；阻尼体现了隔振支座的振动能量耗散能力。以橡胶隔振器为代表的被动隔振支座结构简单、性能可靠、成本低，但由于刚度和阻尼参数不可调节，无法对外界激励或结构的变化做出响应，环境适应性差。设计刚度和阻尼参数可调的隔振支座可提高其环境适应能力。中国专利CN 2335175 Y提出了一种变阻尼、变刚度控制装置，但该装置只能在变刚度和变阻尼两种工作模式间切换，无法同时调节刚度阻尼参数。中国专利CN 102628486 A和CN 2628802 Y分别通过更换节流阀片和改变弹性材料装填量等零部件替换方式调节隔振支座的刚度阻尼，操作复杂。中国专利CN 102678808 A和CN 1670399 A采用空气弹簧设计了刚度阻尼可调的减振系统，但需要附加空气压缩机。空气压缩机功耗大，工作时将引入额外噪声。中国专利CN 103047363 A、CN103398138 A和CN 103406251 A 分别采用压电陶瓷、刚度线圈和阻尼线圈作为执行器设计了刚度阻尼可调的主动隔振系统。然而，压电陶瓷工作需要上百伏高压，刚度线圈和阻尼线圈需要功率放大器驱动，不适用于对隔振支座功耗、体积和重量有限制的场合。
磁流变弹性体和磁流变胶等磁流变材料为隔振技术提供了新途径。磁流变弹性体由铁磁性颗粒和高分子聚合物组成，其剪切模量可以通过外加磁场的强度实时控制，具有响应迅速、可逆性好、刚度变化连续等优点，常用于隔振器、吸振器等变刚度移频器件中；磁流变胶将铁磁性颗粒分散到非导磁的凝胶或酯类基体中，解决了磁流变液沉降问题，在外加磁场作用下具有响应迅速、损耗因子可以发生显著变化等特点，可用于设计阻尼器。如果将两种材料结合起来，可有效调节相关器件的刚度和阻尼，在结构振动控制领域有着广泛的应用前景。中国专利CN 101126430 A、CN 1664402 A、CN 102829121 A和CN 104015582 A分别利用磁流变弹性体和磁流变液阻尼器设计了变刚度变阻尼隔振缓冲系统，但上述系统均需要外加电源驱动励磁线圈以提供控制磁场，结构复杂，功耗较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构紧凑、安装方便、无需外部电源供电的刚度和阻尼同时可调的隔振支座，以克服被动隔振支座环境适应性差、刚度阻尼参数调节困难、半主动和主动隔振支座结构复杂、功耗高、安装不便的不足。
为实现上述目的，本发明提出了一种刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座。
对不同磁场强度下磁流变弹性体和磁流变胶的剪切模量进行测试，测试结果如附图1所示。磁流变弹性体和磁流变胶的剪切模量均随着磁场强度增大而逐渐增大，但磁流变胶剪切模量远小于磁流变弹性体，故磁流变弹性体适合用于调节隔振器刚度。
对不同磁场强度下磁流变弹性体和磁流变胶的损耗因子进行测试，测试结果如附图2所示。磁流变弹性体损耗因子随磁场强度变化不大，磁流变胶损耗因子随磁场强度增大而逐渐下降，但其幅值始终大于磁流变弹性体，故磁流变胶适合用于调节隔振器阻尼。
基于上述材料特性，本发明的技术方案如下：
刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座由磁流变隔振器和升降台串联构成。
所述磁流变隔振器由上盖板、内套筒、磁流变弹性体、上永磁体、下永磁体、胶囊和磁流变胶构成。上永磁体和下永磁体为规格相同的柱体，上永磁体装在上盖板底面，下永磁体装在升降台移动板上。磁流变弹性体为筒状结构，粘接在内套筒、上永磁体和下永磁体围成的腔体中。胶囊位于磁流变弹性体、上永磁体和下永磁体围成的腔体中，内装磁流变胶。磁流变弹性体、胶囊和磁流变胶均具有可压缩性。
所述升降台由手柄、移动板、上固定块、上导轨组、滑块组一、X型剪式机构一、下固定块、固定板、双旋向丝杠、滑块组二、X型剪式机构二、轴承、下连接基座、上连接基座和下导轨组构成。滑块组一由上下两个滑块组成，上滑块长方形侧面开设有两个通孔，下滑块长方形侧面开设有两个通孔和一个螺纹孔，滑块组二规格类似，但螺纹孔旋向相反。双旋向丝杠由两段旋向相反的螺纹丝杠组成，第一段螺纹丝杠穿过滑块组一下滑块螺纹孔，第二段螺纹丝杠穿过滑块组二下滑块螺纹孔，顶端穿过外套筒上的通孔与手柄连接，末端和中部通过下固定块和轴承安装在固定板上。上导轨组和下导轨组均由两根圆柱导轨组成，上导轨组依次穿过滑块组一上滑块通孔和滑块组二上滑块通孔，两端通过上固定块安装在移动板上，下导轨组依次穿过滑块组一下滑块通孔和滑块组二下滑块通孔，两端通过下固定块安装在固定板上。上连接基座和下连接基座分别通过螺栓安装在移动板和固定板上。X型剪式机构一的一侧两个端点分别与上连接基座和下连接基座铰接，另一侧两个端点分别与滑块组一上滑块和下滑块铰接，X型剪式机构二的一侧两个端点分别与上连接基座和下连接基座铰接，另一侧两个端点分别与滑块组二上滑块和下滑块铰接。利用手柄转动双旋向丝杠可带动滑块组一和滑块组二向相反方向移动，进而升降移动板。固定板通过螺栓安装在下底板上。
所述内套筒和外套筒一端内外相套，另一端分别通过螺栓与上盖板和下底板连接。隔振支座分别通过上盖板和下底板上的螺纹孔与隔振对象和基础连接。
所述上盖板、内套筒和移动板均为软磁性材料。上盖板、内套筒、磁流变弹性体、上永磁体、下永磁体和移动板构成闭合磁路，其中磁流变弹性体、上永磁体和下永磁体构成刚度调节单元；上盖板、内套筒、上永磁体、下永磁体、磁流变胶和移动板构成闭合磁路，其中上永磁体、下永磁体和磁流变胶构成阻尼调节单元；上永磁体、下永磁体和升降台构成磁场强度调节单元。
当外界振动激励变化时，利用手柄转动双旋向丝杠升降移动板，改变上永磁体和下永磁体的间距，增大或减小穿过磁流变弹性体和磁流变胶的磁场强度，控制磁流变弹性体的剪切储能模量和磁流变胶的损耗因子大小，进而调节隔振支座的刚度和阻尼参数，达到隔振缓冲的目的。
本发明的优点如下：
1.通过升降台改变上永磁体和下永磁体的间距可以控制穿过磁流变弹性体的磁场，改变磁流变弹性体的剪切模量，从而可以根据环境激振频率调节隔振支座的共振频率，提高隔振支座的环境适应能力。
2.通过升降台改变上永磁体和下永磁体的间距可以控制穿过磁流变胶的磁场，改变磁流变胶的损耗因子，从而对振动能量进行迅速耗散，衰减振动幅值。
3.通过磁流变弹性体和磁流变胶并联的连接方式使两种材料优势互补，达到隔振支座刚度和阻尼均能连续调节的目的。
4.利用永磁体作为磁流变材料励磁装置，无需外部电源供电，结构紧凑，体积小，成本低。
本发明能够实现隔振支座刚度和阻尼参数的连续调节，充分发挥磁流变弹性体和磁流变胶各自的特点，在较宽的频带下，衰减来自底部的冲击和振动，适用于航天器精密仪器设备、实验室光学面包板和微纳加工平台的减振隔振。
附图说明
图1为磁流变弹性体和磁流变胶剪切模量测试曲线；
图2为磁流变弹性体和磁流变胶损耗因子测试曲线；
图3为刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座示意图；
图4为刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座剖面图；
图5为升降台正视图；
图6为升降台右视图；
图7为X型剪式机构示意图；
图8为双旋向丝杠正视图；
图9显示了上固定块、上导轨组、滑块组一上滑块和滑块组二上滑块之间的相对位置和装配关系；
图10显示了手柄、滑块组一下滑块、下固定块、双旋向丝杠、滑块组二下滑块、轴承和下导轨组之间的相对位置和装配关系。
图中，1—上盖板，2—内套筒，3—外套筒，4—下底板，5—手柄，6—磁流变弹性体，7—上永磁体，8—下永磁体，9—胶囊，10—磁流变胶，11—移动板，12—上固定块，13—上导轨组，14—滑块组一，15—X型剪式机构一，16—下固定块，17—固定板，18—双旋向丝杠，19—滑块组二，20—X型剪式机构二，21—轴承，22—下连接基座，23—上连接基座，24—下导轨组。

具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述：
本发明所涉及的刚度阻尼可调的永磁式磁流变隔振支座由磁流变隔振器和升降台串联构成。
如图3、图4所示，磁流变隔振器由上盖板1、内套筒2、磁流变弹性体6、上永磁体7、下永磁体8、胶囊9和磁流变胶10构成。上永磁体7和下永磁体8为规格相同的柱体，其外径与内套筒2内径大小相同，上永磁体7装在上盖板1底面，下永磁体8装在升降台移动板11上。磁流变弹性体6为圆筒状结构，其外径与内套筒2内径大小相同，内径与胶囊9外径大小相同，粘接在内套筒2、上永磁体7和下永磁体8围成的腔体中。胶囊9位于磁流变弹性体6、上永磁体7和下永磁体8围成的腔体中，内装磁流变胶10。
如图4、图5所示，升降台由手柄5、移动板11、上固定块12、上导轨组13、滑块组一14、X型剪式机构一15、下固定块16、固定板17、双旋向丝杠18、滑块组二19、X型剪式机构二20、轴承21、下连接基座22、上连接基座23和下导轨组24构成。如图4、图5、图9、图10所示，滑块组一14由上下两个长方形滑块组成，上滑块长方形侧面开设有两个通孔，下滑块长方形侧面开设有两个通孔和一个螺纹孔，滑块组二19规格类似，但螺纹孔旋向相反。如图4、图5、图8和图10所示，双旋向丝杠18由两段旋向相反的螺纹丝杠组成，第一段螺纹丝杠穿过滑块组一14下滑块螺纹孔，第二段螺纹丝杠穿过滑块组二19下滑块螺纹孔，顶端穿过外套筒3上的通孔与手柄5连接，末端和中部通过下固定块16和轴承21安装在固定板17上。如图6、图9、图10所示，上导轨组13和下导轨组24均由两根圆柱导轨组成，上导轨组13依次穿过滑块组一14上滑块通孔和滑块组二19上滑块通孔，两端通过上固定块12安装在移动板11上，下导轨组24依次穿过滑块组一14下滑块通孔和滑块组二19下滑块通孔，两端通过下固定块16安装在固定板17上。上连接基座23和下连接基座22分别通过螺栓安装在移动板11和固定板17上。如图5、图6、图7所示，X型剪式机构一15的一侧两个端点分别与上连接基座23和下连接基座22铰接，另一侧两个端点分别与滑块组一14上滑块和下滑块铰接。X型剪式机构二20的一侧两个端点分别与上连接基座23和下连接基座22铰接，另一侧两个端点分别与滑块组二19上滑块和下滑块铰接。利用手柄5转动双旋向丝杠18可带动滑块组一14和滑块组二19向相反方向移动，进而升降移动板11。固定板17通过螺栓安装在下底板4上。
内套筒2和外套筒3一端内外相套，另一端分别通过螺栓与上盖板1和下底板4连接；隔振支座分别通过上盖板1和下底板4上的螺纹孔与隔振对象和基础连接。
本发明的磁流变弹性体6、胶囊9和磁流变胶10均具有可压缩性。上盖板1、内套筒2和移动板11均为软磁性材料。上盖板1、内套筒2、磁流变弹性体6、上永磁体7、下永磁体8和移动板11构成闭合磁路，其中磁流变弹性体6、上永磁体7和下永磁体8构成刚度调节单元；上盖板1、内套筒2、上永磁体7、下永磁体8、磁流变胶10和移动板11构成闭合磁路，其中上永磁体7、下永磁体8和磁流变胶10构成阻尼调节单元；上永磁体7、下永磁体8和升降台构成磁场强度调节单元。
将隔振支座安装在隔振对象和基础之间，当传递到下底板4上的基础振动发生变化时，利用手柄5转动双旋向丝杠18升降移动板11，改变上永磁体7和下永磁体8的间距，控制穿过磁流变弹性体6和磁流变胶10的磁场强度。通过可调永磁磁场改变磁流变弹性体6的剪切储能模量，实现隔振支座刚度参数调节；通过可调永磁磁场改变磁流变胶10的损耗因子，实现隔振支座阻尼参数调节。
本发明能够在无外部电源供电的条件下依靠手动旋转手柄实现隔振支座刚度和阻尼参数的连续调节，结构紧凑，安装方便，成本低，适用于航天器精密仪器设备、实验室光学面包板和微纳加工平台的减振隔振。本发明应用于航天器精密仪器设备隔振时的具体工作方式如下：
当航天器处于发射和着陆过程中，精密仪器设备面临强烈冲击，基础激励为高频大幅值振动，转动手柄5降低移动板11，增大上永磁体7和下永磁体8的间距，减小磁流变弹性体6和磁流变胶10处的磁场强度，磁流变弹性体6的剪切储能模量随之降低，磁流变胶10的损耗因子随之增大，隔振支座的刚度减小、阻尼增大；当航天器处于在轨运行过程中，基础激励为低频微幅振动，转动手柄5升高移动板11，减小上永磁体7和下永磁体8的间距，增大磁流变弹性体6和磁流变胶10处的磁场强度，磁流变弹性体6的剪切储能模量随之增大，磁流变胶10的损耗因子随之减小，隔振支座的刚度增大、阻尼减小，达到隔振缓冲的目的。