用线性弹簧和磁体设计高静态刚度低动态刚度的隔振器.doc

1、毕业设计(论文)外文资料翻译学 院：机械工程学院 专业班级： 机械设计制造及其自动化 机械091 学生姓名： 学 号： 指导教师： 卢龙（教授） 外文出处：(外文) ScienceDirectmes (Journal of Sound and Vibration 315 (2008)712-720) 附 件：1.外文资料翻译译文； 2.外文原文 指导教师评语：签名： 年 月 日用线性弹簧和磁体设计高静态刚度低动态刚度的隔振器摘要：频率范围在一个线性被动隔振器是有效的往往是有限的刚度要求支持挂载静载荷。这可以改进,通过融合一个负刚度元素在挂载上的动态刚度远小于静态刚度。在这种情况下,它可以被称为

2、一个高静态低动态刚度(HSLDS)挂载。本文涉及的理论和实验研究的一个这样的挂载。它包含两个垂直机械弹簧之间的一个孤立的大规模安装。外缘的每一个弹簧,有一个永久磁铁。在实验工作报告在这里,孤立的质量也是一个磁铁这样安排,它是吸引其他磁铁。因此,结合磁铁作为负刚度抵消正刚度弹簧提供的机械。尽管高静态低动态刚度悬架系统将不可避免地是非线性的,结果表明:对于小振荡挂载认为这里是线性的。1 简介提高隔振器的性能仍然是一个目标的两个工程师和研究人员。如果一个隔离器是线性然后之间有一个孤立和静态偏转1,2。为了克服这个限制,可以设计隔离器,使其刚度是非线性的。一个可取的特点是一个高的静态刚度导致小静挠度,

3、和一个小的动态刚度导致较低的固有频率,因此一个更大的频率范围,有振动隔离3有许多方法来获得这个理想的非线性特性。方程式4视为一个结构由一个高度变形弹性元件达到软化弹簧。Platus5利用了屈曲梁的轴向载荷下在一个特定的配置来实现负刚度结合积极的刚度,因此低动态刚度。别人取得了相同的连接线性弹簧刚度与积极与消极的刚度的元素6 - 8。本文采取了类似的方法,但负刚度元素的实现是通过使用磁铁排列在一个吸引的配置。磁铁被用于隔振系统在过去,但经常被配置,以便他们在排斥,因此行为作为弹簧刚度与积极。这样一个系统的优势在于,对于小振荡,固有频率是独立于孤立的质量。这种系统的例子给出参考文献。9 - 11。

4、一个有趣的示例使用一对磁铁的吸引的配置,这是放置在一个机械弹簧系列,已报道了美津浓。12。该系列组合的一个消极的刚度由于磁铁相同但积极由于机械弹簧刚度,结果在一个系统,它有无限刚度。虽然这样的安排不是很有用的振动隔离,它可以用来获得非常高的自然频率和显著减少运动的大规模悬浮在这样一个系统而不是基础励磁。一个公因子的方法使用并行组合的积极和消极的刚度元素是它可能同时获得一个高静态低动态刚度(HSDLS)隔离器。这些装置有时也称为准零刚度机制由于他们的潜在能力达到零动态刚度3、8。本论文的目的是探索设计一个高静态低动态刚度的隔离器中,积极从线性弹簧刚度是由负刚度中和从吸引磁铁。一个分析模型和推导出

5、的隔离器的重要参数,决定其有效性决心。一个原型隔离器已建成并测试,其性能比预测的分析模型。评估程度的非线性对小振动、非线性元件的刚度力孤立质量静平衡位置时的对比线性元件的刚度力。2 原理这个隔离器被描述在图1。孤立的质量,m,悬浮在两个弹簧的刚度ks,每个连接到一个框架,是结合了一个僵硬的圆条。有三个磁铁在隔离器安排在一个吸引的配置。中央磁铁(在实验报告中第三节作为孤立的质量)一直钻,这样它是自由移动的垂直方向在光滑的圆杆,而其他两个磁铁是固定的和尊重对方。因此安排的磁铁作为负刚度的机械弹簧的反对。磁力,调频,表演吸引磁铁之间的距离,两个d,分开了13, Cm是磁性的常数,磁铁的强度和介质。考

6、虑到公式(1)和放置隔离器显示如图1所示,由于磁铁的力量作用于质量,m,当它是趋于无穷大时,x,从中央位置给出一个作用力,f,和位移的质量的影响之间的关系,包括机械弹簧,因此是这样赋予的这个隔离器刚度可以通过关于x给出不同的值方程式(3)和(4)可写成无因次形式，分别给出如下：和当和时。应该指出的是,参数x的比值大小的刚度由于磁铁时是在中央位置和总刚度的机械弹簧。图2(a)和(b)显示力的无因次和刚度作为函数的无量纲位移几个价值。特别是,从图2(b)可以看到,刚度达到其最大。隔离开关的作用是实现一个低得多的静平衡位置时的刚度比是由机械弹簧单独实现,即让最大容忍刚度。通过设置在方程式（6）中参数

7、和之间的关系,给出这是0当这是要避免的,因为考虑到软化特性的磁铁,平衡位置变得不稳定。相反,一个价值选择的显然存在一个权衡实现低动态刚度附近的平衡位置,并确保稳定对于大型游览这图2(a)和(b)表明,降低所需的刚度(价值越高)位移范围越窄,有积极的刚度。最大位移的值从平衡位置在刚度为零,可以找到设置方程(6)为零和解决对于,它的效率检查最大位移之间的关系参数它有助于简化方程(8)通过一些近似。使用过程膨胀到第三级的小方程5如下：刚度可以通过求导,给从这个近似表达式的刚度,最大位移与静力平衡位置的刚度为零之前可以确定。如下两个方程式。(8)和(11)是在图3中可以看到,近似误差降低为增加(在实验

8、操纵下一节描述一个=0.72,近似给出的方程（11)高估了最大位移约7.5%)。从方程(7),可以看出,增加一个对应于一个较低的最大刚度,直到在=1，变成0。因此,图3说明了最大刚度之间的权衡和可用的偏移没有刚度成为负面。作为第一节所述,该函数的非线性磁刚度是减少整体的动态刚度的隔离器。理想情况下,这应该不会引起不良的非线性动力学行为。一种估算这是否会发生的是检查相对贡献的非线性和线性刚度部队如方程(9)。这些力量的比率给出是划分图4给的数量级，=0.72。 可以看出,非线性元件的刚度小于约5%的线性元件的刚度提供最大偏移质量从静态平衡位置小于0.1 d。如果这个条件成立,则系统可以认为是近似

9、的线性与常数刚度给出这样的比率自然频率的HSLDS隔离器的固有频率的隔离器与机械弹簧单独,给出因此,由于磁铁,隔离发生的频率减少的一个因素有一个额外的效益降低隔离器固有频率如果阻尼是粘性。传递率的大小线性质-弹系统(该系统没有磁铁)给出了谐振频率大约m是孤立的质量和c粘性阻尼系数。因此,巨大的传播能力HSLDS挂载给出的由此可见,如果粘滞阻尼在隔离器是常数,这部分的传播能力是减少的一个因素在3.实验一个实验室规模的实验平台设计和建造来说明在第二章详细介绍了原理。的HSLDS附加到平台的垂直振动器是显示在图5。类似上面描述的模型,它由三个磁铁,两线圈弹簧和一个平滑中央圆条。两个磁铁固定在顶部和底

10、部的棒料在d=3.81cm从中央磁铁的大规模0.04公斤,这是自由移动,滑动在中央垂直棒料。考虑到静态位移的孤立的质量由于重力和确保对称的磁力,垫片约2mm之间插入下弹簧和磁铁,它是连接。实验的主要目的是比较传递曲线的隔离器与传统的质点-弹簧系统,它是意识到仅仅通过更换磁铁的两端与非磁性元素的中央棒料。首先,磁常数Cm被测量测量。为此,弹簧被移除和中央磁铁被逆转,因此,它被极限轴推开。平均距离磁铁的两端各中央酒吧和中央磁铁是3.4cm。在这种情况下,刚度有硬化特性。然而,隔离器是使用加强正弦产生兴奋由惠普分析仪35656A,这样相对振幅之间的基础和悬浮质量很小。因此,它是可能假定刚度是常数。图

11、（6）显示了绝对价值之间的比例的加速度的悬浮质量和加速度的基础(遗传性)。这部分发生在共振频率约为13.25赫兹,考虑到振动质量,给出了刚度是277.23 n / m。设X=0，Ks=0和k=227.23N/m在方程式（4）的结果第二,弹簧的刚度测量了悬浮在两个弹簧和覆盖上，下磁铁(等效线性系统)。相应的遗传性测量显示为一个实线在图6。可以看到,共振峰在13.1赫兹的频率,这意味着组合刚度的弹簧是这样的无因次数能够被计算从方程(13),固有频率的HSLDS系统,因此,预计约7赫兹。已经估计了固有频率的HSLDS隔离器,一个试验,看是否如预期的隔离器执行。这是组装图5所示,然后将其置于垂直振动器

12、。它很兴奋在离散频率从6到10赫兹,和基础位移振幅的3毫米不变的整个测试。加速度的基础和孤立的质量是通过测量一个PCB 352型和一个ENDEVCO c22 2256 - 100模型加速计。在每个频率,一旦系统在稳定状态,15秒的数据被捕获使用镍daqpad - 6020 e采集卡。这个比值的均方根加速度的均方根加速度孤立大规模计算的基础为每个激励频率和这是绘制在图7,贴上遗传性。这是一个激励水平的重复4 mm,这也是绘制在图7。以及这些图表,遗传性的隔离器没有磁铁安装也测算。可以看到,HSLDS刚度系统有一个峰值在7赫兹像预测的那样,这是大约一半的隔离器没有磁铁。应该指出的是,振幅在共振频率

13、也减少了两倍,这是符合与粘性阻尼系统的预期。评估是否HSLDS隔离器表现为一个线性系统,光谱内容的加速度时间历程的孤立的质量是每个励磁频率计算。从一个系统预期与立方非线性、奇怪的高阶谐波进行观察。在图8,之间的比例最大的可察觉的高阶谐波(第三),| A3 |,和振荡频率| A1|,绘制。可以看出,三次谐波的振幅大约30倍低于基本频率| A1|为每个振荡的频率。这证明非线性在隔离器是非常弱的激励使用。4.讨论在静态分析的HSLDS隔离器、磁力模仿使用库仑定律。尽管这是一个非常简单的模型,分析预测和实验结果吻合得很好。它可以看到从图7,峰遗传性是1.5左右,这意味着绝对运动的孤立的质量大约是6毫米

14、为4毫米基地位移,因此相对位移在孤立的质量和基础是约2毫米。这是大约5.25%的中央磁铁之间的距离,最后磁铁,这意味着非线性元件的力是大约1.5%的线性元件,因此非线性可以忽略这个隔离器当受到相当高的基础激励的水平(4毫米)。的主要优点是它的承载能力HSLDS系统。减少自然频率两倍可能通过使用弹簧四次柔和。一个悬浮质量的40克将有一个自然频率的7赫兹如果是挂在弹簧上系数为77.5 n / m。然而,这将意味着一个静态位移的5毫米。与HSLDS挂载静态位移完全取决于线圈弹簧,它有一个组合刚度的271 n / m导致静态位移只有1.5毫米。5.结论静态和动态行为的线性HSLDS隔离器已被研究。这个

15、隔离器由机械弹簧提供一个震荡的刚度和磁铁的吸引配置提供一个负刚度。结合机械刚度和非线性刚度的磁铁的结果在一个装置,该装置有HSLDS特征。一个试验台建成使用现成的磁铁和线圈弹簧来演示的实用性提出了设备和验证数学模型。减少自然频率两倍从14 - 7HZ是通过使用磁铁,并且测量的传递率从位移输入显示设备表现大体上是线性的。作者要感谢泸沽先生的开发、(意大利)技术援助和螺旋弹簧的供应。参考文献1登哈托机械振动,麦格劳-希尔,纽约,1956年。2哈里斯,冲击和振动手册,第五版。麦格劳-希尔,纽约,2002年。3瑞文,被动隔振,ASME,纽约,2001年。4卫津，摘自Plaut、振动隔离使用极端的几何非

16、线性、几何非线性振动Euromech讨论会483的结构,波尔图,葡萄牙2007年7月 。5柏拉图,负刚度机构振动隔离系统,程序的振动控制方法相比,在微电子、光学、和计量学161(1992)44 54。6,乌达德,非线性行为的被动悬架系统,零弹簧刚度指导、控制和动力学14(1991)84 - 89。7阿必唔,a .格瑞斯l . 金姆,迈克 .斯特帕诺夫、振动保护和测量系统与准零刚度,半球体,纽约,1989年。8凯勒,M.J.布伦南,沃特斯,静态分析的一个准零刚度隔振器,声音和震动301杂志(3 - 5)(2007)678 - 689。9普门兄弟、振动隔离与磁铁弹簧、审查的科学仪器73(11)(2002)4034 - 4036。10安哥拉,卡本. 马格南德,非线性振荡在被动磁悬浮,国际期刊的非线性力学41(2006)1039 - 1049。11博司令,a . 魏来临、识别技术应用于被动悬架,机械系统弹塑性磁性和信号加工21(2007)1479 - 1488。12t .美津浓,m,d . 喀斯特 群马县,k 平川隔振系统结合热敏电阻器的磁悬浮与弹簧、控制工程实习15(2007)187 - 196。13m麦凯格,永久磁铁在理论和实践中,作者出版社,普利茅斯,1977。