正负刚度并联主动减振系统的结构设计与实现

发布时间：2020-04-23 15:57

【摘要】：主动减振系统是提供精密仪器设备减振环境的重要设备之一。实现低频精密减振的关键是结构上实现极低的固有频率并具有较好的承载能力,同时引入主动振动控制。本文围绕主动减振技术中的结构技术,完成了以下研究工作:根据需求指标综述实现低频、主动及六自由度隔振的方法,阐述了正负刚度并联结构实现极低固有频率并能保持较大承载能力的原理,并研究了组合压簧结构和环形永磁结构实现负刚度的原理,提出了由并联压簧结构、立式摆机构和环形永磁结构共同组成的正负刚度并联主动减振系统的总体设计方案。建立了系统力学模型,对减振器进行了受力分析,并分别建立了减振器竖直方向和水平方向正负刚度并联机构的刚度模型,采用控制变量法分析了结构参数对组合压簧结构、摆机构和环形永磁结构刚度特性的影响。分析计算了减振器结构参数,提出了优化组合压簧结构和摆机构参数的方法,降低了竖直方向结构刚度的非线性特性,提高了水平方向结构刚度的集中度。基于DFMA准则设计减振器整机结构,从被动部分和主动部分两个方面分别详细介绍了结构设计的内容,基于ANSYS对存在风险的关键结构件进行了静力学仿真验证。对减振器进行了动力学分析,重点分析了摆杆和支撑杆的模态固有频率及振型对结构的影响。研究了减振器在谐波激励下的振动传递率,结果表明正负刚度并联的减振器结构固有频率在0.5~1Hz之间,低频隔振效果显著,基于ANSYS对减振器进行了谐波响应仿真分析,验证了减振器的低频特性。根据设计初步实现了样机的集成。
【图文】：

主动减振,场景

图 1-1 主动减振技术的应用场景精密减振技术和产品作为众多关键工业应用系统中的重要环节，具有不可或缺的重要地位。得益于国家重大科技专项——极大规模集成电路制造技术及成套工艺专项（02专项）的实施，浙江大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学等先后进行一系列研究，国内关于主动减振技术的学术研究得到较快发展，但还是大大落后于欧美日等发达国家。更迫在眉睫的是国内目前还没有成熟的中高端主动减振产品，主动减振器基本全靠进口在价格及技术方面受制于人，这也使得复杂度、集成度超高的大型成套精密装备的研发受到技术限制。因此，对主动减振技术进行深入研究，将技术应用于实际，研制出新型高性能主动减振产品，打破国外技术封锁和商业垄断，具有重大的实际意义和市场价值。1.2 国内外研究现状1.2.1 主动减振技术概述

刚度,减振器,振动衰减,固有频率

图 1-7 基于剪形结构的准零刚度结构.3.2 商用正负刚度并联减振器(1) Minus K 公司 SM 系列被动减振器美国 Minus K 公司（http://www.minusk.com）的 CM 系列、SM 系列和 BM 系用正负刚度并联的低频被动隔振器。图 1-8 为 Minus K 公司 SM-1 减振器结构[49竖直方向由正刚度承载钢弹簧和负刚度压杆组成正负刚度并联机构，压杆的预压通过调整螺钉进行调节，因此竖直方向具有 0.5Hz 的极低固有频率；其水平方向的受压摆杆提供极低的刚度，水平方向固有频率约为 1Hz。该减振器固有频率极始隔振频率为 0.7Hz，1.8Hz 振动衰减率为 90%，6Hz 振动衰减率为 99%，低频能十分优异。同时，其承载能力较强，最大承载约为 1500~1900Kg，但是不同型器承载区间较小，在 300Kg~400Kg 左右，，且只有竖直方向为并联结构。MinusK 提出了基于压杆效应的双层小型正负刚度并联隔振器[52]，结构上较为新颖。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH703.63

【参考文献】