本發明屬于振動與噪聲控制技術領域，涉及一種適用性較強的超低頻振動被動隔離技術，具體涉及一種剛度可調的磁性準零剛度隔振器。

背景技術：

眾所周知，對于一個質量為m，剛度為k的單自由度線性隔振系統，系統的固有頻率為只有激勵頻率大于時，系統才有隔振效果。對于一個被隔振對象固定的隔振系統，為了提高系統的隔振效果，需降低系統剛度k，但剛度k的降低會引起系統的靜變形變大，難以滿足系統的穩定性要求。為解決這一技術問題，學者們提出了具有高靜剛度和低動剛度的準零剛度隔振器，使其同時滿足高承載能力和低動剛度的要求，在滿足一定條件的情況下，能夠有效隔離低頻振動。

準零剛度隔振器是一種正剛度與負剛度進行匹配的組合型隔振器，在靜平衡位置一定區間內具有較小的組合剛度。一方面，若被隔振物體的重量不是設計的理想重量，即被隔振物體放在準零剛度隔振器上，不能夠穩定在理想的靜平衡位置上，準零剛度隔振器的性能將受到影響。針對這一問題，發明專利CN104455181A、CN203641365U、CN202132428U和CN102678804A，均是通過調節套調節正剛度彈簧的壓縮量使系統達到靜平衡位置，但是，正剛度彈簧的預壓量調節量有限，當被隔振物體重量與設計的理想重量有較大偏差時，該方法難以達到理想的效果。另一方面，若隔振器的某一剛度發生變化，通過調節預壓量，將很難達到理想的準零狀態。

技術實現要素：

為解決上述現有技術存在的問題，本發明提供了一種剛度可調的磁性準零剛度隔振器，利用矩形永磁鐵產生負剛度、彈性氣囊提供正剛度設計一種可調式準零剛度隔振器，通過控制彈性氣囊工作位置不變并調節負剛度磁性調節機構的負剛度使其與改變的正剛度相匹配，可適應不同重量的被隔振物體；該具有結構簡單，安裝方便，承載可調等特點，且其隔振起始頻率低，承載能力高，可效解決低頻振動傳遞率與高頻振動衰減率之間的難題，適用于汽車、船舶、飛機、精密儀器等的隔振領域。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種剛度可調的磁性準零剛度隔振器，包括負載平臺、負剛度磁性調節機構、正剛度彈性囊體和機箱；所述負載平臺設置在機箱外部上方，機箱內部設置負剛度磁性調節機構和正剛度彈性囊體；其中，負剛度磁性調節機構的上部通過導桿穿出機箱上部與負載平臺相連接，負剛度磁性調節機構的下部與正剛度彈性囊體的上部相連，正剛度彈性囊體的下部與機箱下部連接固定；所述正剛度彈性囊體包括上蓋板、下蓋板和彈性氣囊，彈性氣囊與氣路位置保持裝置連通，當負載平臺上的負載變化時，通過氣路位置保持裝置保持彈性氣囊的工作位置不變，使隔振器穩定在理想的靜平衡位置上；所述磁性準零剛度隔振器整個裝置沿導桿的中心軸線呈對稱結構。被隔振物體放置在負載平臺上，被隔振物體、導桿、中間磁鐵和彈性氣囊必須保證對中性。

所述負剛度磁性調節機構包括中間磁鐵和對稱設置在中間磁鐵兩側的外部磁鐵，所述中間磁鐵和外部磁鐵均為矩形磁鐵，且中截面的高度保持平齊；外部磁鐵與橫向位移調節裝置連接。

所述中間磁鐵采用上壓板和下壓板進行夾持；上壓板采用第一螺栓與導桿連接，導桿穿出機箱上部與負載平臺連接；下壓板采用第二螺栓與正剛度彈性囊體的上蓋板連接固定；所述橫向位移調節裝置固定在箱體的側部，它包括U型夾體和第三螺栓，U型夾體的開口方向與中間磁鐵相對，外部磁鐵固定在U型夾體的開口處；第三螺栓的一端與U型夾體側部的中部固定，另一端穿出機箱的側部；第三螺栓穿出機箱側部的部位的兩側設置第一螺母和第二螺母，將第三螺栓固定在側板上(實現U型夾體和側板的連接)；所述第三螺栓穿出箱體側部的一端開始平行于軸向方向開設鍵槽，第三螺栓與機箱的側部之間采用鍵進行連接，使擰動調節第三螺栓的第一螺母調節外部磁鐵與中間磁鐵的間距時，外部磁鐵只發生橫向移動而不發生轉動。

所述上壓板和下壓板貼合中間磁鐵一側的中部分別開設凹槽，第一螺栓和第二螺栓分別固定在上壓板和下壓板開設的凹槽內。

所述U型夾體靠近外部磁鐵側部的中部開設凹槽，第三螺栓穿過U型夾體穿過U型夾體側部固定在凹槽內，并在U型夾體和第二螺母之間設置第三螺母，通過調節第三螺母將U行夾體和第三螺栓鎖緊。

所述上壓板和下壓板分別沿第一螺栓兩側對稱開設滑槽，上壓板和下壓板開設的滑槽上下位置對應；采用第四螺栓穿過滑槽固定中間磁鐵的兩側；所述第四螺栓的尺寸與滑槽的尺寸相配合，可沿滑槽方向調節位置并固定，可實現不同尺寸中間磁鐵的固定和更換。

所述U型夾體的上下兩端開設螺紋孔，采用上、下第五螺栓將外部磁鐵固定在U型夾體的開口處；通過調節上、下設置的第五螺栓可保證外部磁鐵與中間磁鐵的中截面重合，并能實現不同尺寸外部磁鐵的更換。

所述彈性氣囊可選用囊式空氣彈簧或膜式空氣彈簧等。

所述氣路位置保持裝置包括位移傳感器、控制器、用于控制氣源充放氣的氣源控制單元、用于對彈性氣囊進行充放氣的充放氣控制單元、氣源、集線器；位移傳感器設置于正剛度彈性囊體的上蓋板上；所述控制器采用集線器分別與位移傳感器、氣源控制單元、充放氣控制單元相連；所述氣源、氣源控制單元、充放氣控制單元和彈性氣囊依次采用氣路進行連通；控制器根據接收到的位移傳感器發射的上蓋板的位移信號，控制氣源控制單元和充放氣控制單元對彈性氣囊進行充氣或放氣，調整彈性氣囊內的壓力，保持彈性氣囊的工作位置不變。

所述下蓋板分別開設通向彈性氣囊的氣孔和線孔，線孔的出口處設有氣密封插座。

所述機箱上部開設中心孔，導桿穿出中心孔部位設置滑動軸承，其尺寸分別與導桿外徑和中心孔的孔徑相配合；利用滑動軸承與導桿的配合，限制了導桿的徑向運動，防止出現卡死現象。

所述導桿與負載平臺采用第六螺栓連接，第六螺栓下部開設鍵槽，與導桿采用鍵連接，防止負載平臺上的被隔振物體相對所述磁性準零剛度隔振器發生轉動。

所述中間磁鐵和外部磁鐵沿橫向充磁，且充磁方向相同；采用釹鐵硼稀土永磁鐵材料。除中間磁鐵、外部磁鐵、彈性囊體和被隔振物體外，其余部件均采用非導磁或弱導磁的金屬材料。所述非導磁或弱導磁的金屬材料優選304不銹鋼。

本發明所述剛度可調的磁性準零剛度隔振器的負剛度技術原理如下：

根據等效磁荷理論，兩塊磁鐵間的磁力由左、右磁鐵的左、右端面相互作用產生，兩塊充磁方向平行的靜磁能為：

其中：左、右磁鐵的尺寸分別為2a×2b×2c和2a′×2b′×2c′，介質極化強度分別為J和J′，所在坐標系分別為O-XYZ和O′-X′Y′Z′，O′的坐標為(x,y,z)。U_ij＝x+(-1)^ja′-(-1)ⁱa，V_lk＝y+(-1)^kb′-(-1)^lb，W_pq＝z+(-1)^qc′-(-1)^pc，經四重積分后可得：

其中

根據虛功原理可得兩磁鐵間的磁力為：

當兩塊磁鐵充磁方向相同時F取正，反之則F取負，省略多重求和為零的項：

對式(4)分別在不同方向求導，并省略多重求和為零的項，可得兩磁鐵間的負剛度為：

當被隔振物體的實際載荷與設計載荷不同時，通過控制彈性氣囊工作位置不變并調節負剛度磁性調節機構的負剛度使其與正剛度匹配，可適應不同重量的被隔振物體。

本發明與現有技術相比，本發明的有益效果為：

1)本發明采用彈性氣囊作為正剛度控制結構，其承載能力強，而且當負載變化時，其工作點不變，保證準零剛度隔振器能穩定在理想的靜平衡位置上。

2)本發明的負剛度機構采用三塊矩形磁鐵，無機械摩損、無需潤滑、壽命長，且剛度容易調節，非線性程度小，能較好地與正剛度匹配。

3)本發明將空氣彈簧(彈性氣囊)與矩形永磁鐵(磁鐵)集成，綜合了空氣彈簧高頻隔振和永磁體低頻線譜隔振的優點，具有較低的隔振起始頻率和較大的振動衰減率。

4)本發明的磁鐵夾持機構可實現不同尺寸磁鐵的更換，增大了負剛度的調節范圍，提高了系統的適用范圍。

5)本發明除中間磁鐵、外部磁鐵、彈性囊體和被隔振物體外，其余部件均采用不導磁或弱導磁的金屬材料，避免對永磁體產生的磁場造成干擾，系統工作時，會在金屬部件中產生渦電流，可改善系統的阻尼特性。

6)本發明可克服現有準零剛度隔振器對正剛度進行調整時，對正剛度部件的預壓量限制問題，通過控制彈性氣囊的工作位置不變并調節負剛度磁性調節機構的負剛度使其與正剛度匹配，可適應不同重量的被隔振物體。

7)本發明具有結構緊湊、裝拆方便、可靠性高、能耗少、適應性好等優點，對較大幅值的激勵和不同重量的物體均具有較好的隔振效果，隔振頻帶寬，幅值衰減率大。

附圖說明

圖1為本發明一個實施例的準零剛度隔振器的剖視圖。

圖2為外部磁鐵的夾持裝配圖。

圖3為中間磁鐵的夾持裝配圖。

圖4為氣路位置保持裝置的硬件連接原理示意圖。

圖5是不同磁鐵間距下負剛度磁性調節機構的負剛度曲線。

圖6是準零剛度隔振器的剛度-位移曲線。

其中：1-負載平臺，2-機箱端蓋，3-機箱側板，4-機箱底座，5-中間磁鐵，6-外部磁鐵，7-上壓板，8-下壓板，9-第一螺栓，10-導桿，11-滑動軸承，12-第二螺栓，13-滑槽，14-第四螺栓，15-U型夾體，16-第三螺栓，17-鍵，18-第一螺母，19-第三螺母，20-第二螺母，21-第五螺栓，22-彈性氣囊，23-上蓋板，24-下蓋板，25-凸臺，26-氣孔，27-線孔，28-氣密封插座，29-第六螺栓，30-方形墊圈，31-被隔振物體，32-控制器，33-位移傳感器，34-充放氣控制單元，35-氣源控制單元氣源，36-氣源，37-集線器，38-電纜，39-氣路。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施對本發明作進一步詳細描述，目的是幫助本領域的技術人員對本發明的構思、技術方案有更完整、準確和深入的理解，并有助于實施。

如圖1、2、3所示，一種剛度可調的磁性準零剛度隔振器，它包括負載平臺1、負剛度磁性調節機構、正剛度彈性囊體和機箱；所述機箱自上而下包括機箱端蓋2、機箱側板3和機箱底座4；所述負載平臺1設置在機箱外部的上方，機箱內部設置負剛度磁性調節機構和正剛度彈性囊體；其中，負剛度磁性調節機構的上部采用導桿10穿出機箱端蓋2(機箱上部)與負載平臺1相連接，負剛度磁性調節機構的下部與正剛度彈性囊體的上部相連，正剛度彈性囊體的下部與機箱底座4(機箱下部)連接固定；所述正剛度彈性囊體包括上蓋板23、下蓋板24和彈性氣囊22(膜式空氣彈簧)，下蓋板24上分別開設通向彈性氣囊的氣孔26和線孔27，氣孔26的出口處設有氣密封插座28，彈性氣囊22采用氣孔26和線孔27與氣路位置保持裝置實現密封連接和連通，當負載變化時彈性氣囊22的工作位置保持不變，能使所述隔振器穩定在理想的靜平衡位置上；所述磁性準零剛度隔振器整個裝置沿導桿的中心軸線呈對稱結構。

所述負剛度調節機構包括中間磁鐵5和對稱設置在中間磁鐵兩側的外部磁鐵6，所述中間磁鐵5和外部磁鐵6均為矩形磁鐵；其中，中間磁鐵5采用上壓板7和下壓板8進行夾持，所述上壓板7和下壓板8貼合中間磁鐵一側的中部分別開設凹槽；第一螺栓9的一端固定于上壓板7的凹槽中，另一端與導桿10連接固定；機箱端蓋2設置中心孔，導桿10穿出設置在中心孔的滑動軸承11與負載平臺1采用第六螺栓29連接固定；第二螺栓12的一端固定于下壓板8的凹槽中，另一端與正剛度彈性囊體的上蓋板23連接固定；所述上壓板7和下壓板8分別沿第一螺栓9的兩側對稱開設滑槽13，上壓板7和下壓板8開設的滑槽13上下位置對應；采用4組第四螺栓14穿過滑槽13對稱固定中間磁鐵5的兩側；所述第四螺栓14的尺寸與滑槽13的尺寸相配合，并可沿滑槽13方向調節位置并固定，可實現不同尺寸中間磁鐵5的固定和更換；外部磁鐵6分別采用U型夾體15通過第三螺栓16固定在機箱側板3上，U型夾體15的開口方向與中間磁鐵5相對，外部磁鐵6固定在U型夾體15的開口處；所述U型夾體15靠近外部磁鐵6側部的中部開設凹槽，第三螺栓16的一端固定于U型夾體15的凹槽中，另一端穿出機箱側板3；第三螺栓16穿出機箱側板3的部位的兩側設置第一螺母18和第二螺母20，將第三螺栓16固定在機箱側板3上，且外部磁鐵6通過調節第三螺栓16使其相對中間磁鐵5沿水平方向的距離可調，通過改變負剛度大小，使其與正剛度彈性囊體的正剛度匹配實現準零；所述第三螺栓16穿出機箱側板3的一端開始平行于軸向方向開設鍵槽，第三螺栓16與機箱側板3之間(接觸面處)用鍵17進行連接，通過擰動第一螺母18和第二螺母20調節中間磁鐵5和外部磁鐵6的間距時，使外部磁鐵6只發生橫向移動而不發生轉動；所述第三螺栓16在U型夾體15和第二螺母20之間設置第三螺母19，將U型夾體15與第三螺栓16夾緊；U型夾體15上下兩端開設螺紋孔，采用上、下第五螺栓21將外部磁鐵6固定在U型夾體15的開口處；通過調節上、下第五螺栓21可保證外部磁鐵6與中間磁鐵5的中截面重合，并能實現不同尺寸外部磁鐵6的更換。

所述氣路位置保持裝置由位移傳感器33、氣源36、控制器32、氣源控制單元35、充放氣控制單元34、集線器37、電纜38和氣路39組成(原理圖見圖4)；位移傳感器33設置在上蓋板23上；所述控制器32通過電纜38與集線器37連接，集線器37分別與位移傳感器33、氣源控制單元35、充放氣控制單元34相連，位移傳感器33、充放氣控制單元34、氣源控制單元35的信號通過電纜38和集線器37、控制器32相互傳遞；充放氣控制單元34通過氣路39分別與氣源控制單元35和彈性氣囊22連接，氣源36中的氣體經氣路39與氣源控制單元35連接；通過控制器32對位移傳感器33的信號進行分析處理控制氣源控制單元35和充放氣控制單元34調整彈性氣囊內的壓力，保持彈性氣囊22的工作位置不變。

所述第六螺栓29下部開設鍵槽，與導桿10采用鍵連接，防止負載平臺上的被隔振物體相對所述磁性準零剛度隔振器發生轉動。

所述第四螺栓14上還設置3組方形墊圈30，用于固定和保護中間磁鐵5。

所述上蓋板23與第二螺栓12相連，下蓋板24固定在機箱底座4上；機箱底座4設置凸臺25，與下蓋板24設置的缺口相配合。

所述外部磁鐵和中間磁鐵均由剩磁強度大的釹鐵硼材料構成，除外部磁鐵、中間磁鐵、彈性囊體和被隔振物體外，其余部件均采用304不銹鋼。所述中間磁鐵和外部磁鐵沿橫向充磁，且充磁方向相同，中間磁鐵和外部磁鐵之間呈相斥狀態。

所述被隔振物體、導桿、中間磁塊和氣囊隔振器必須保證較高的對中性。

本發明的工作原理如下：當被隔振物體31質量發生變化時，正剛度彈性囊體34的工作位置保持不變，而由于內部壓力發生變化導致自身正剛度改變，本發明采用三塊矩形磁鐵(中間磁鐵和外部磁鐵)提供負剛度(負剛度調節機構的負剛度曲線見圖5)使其與正剛度匹配，所述隔振系統在平衡位置附近剛度實現準零(見圖6)。當隔振系統處于靜止時，由于設置的對稱結構，外部磁鐵對中間磁鐵的軸向力為零，因此磁性彈簧(正剛度彈性囊體)不會影響隔振器的承載能力，而且非導磁金屬在磁場中會產生渦電流，能改善本發明的阻尼特性。

綜上，本發明所述準零剛度隔振器具有高靜低動的特性，可在保證承載能力的前提下使共振頻率很低，從而拓寬隔振頻帶、提高隔振效果。

本說明書未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。以上僅為本發明的較佳實施例而已，而非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改，等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。