面向大型精密隔微振的永磁式电涡流阻尼技术研究

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随着大型的尖端仪器及超精密加工装备的精度水平以及测量领域需求的逐步提高,对环境中微振动干扰的隔离提出了更高要求。阻尼调控是提升系统隔微振性能的关键技术,本论文针对大型精密隔微振的阻尼调控技术难以兼顾大承载、低频稳定性与隔振带宽的问题,提出了一种非接触式、高线性度、高阻尼力密度、大阻尼的层叠式永磁阵列电涡流阻尼结构方案。电涡流阻尼结构是一种基于感应涡流效应进行耗能减振的电磁装置。相较于其他阻尼器,永磁式电涡流阻尼器不需要外部的能量供应,具有更高的可靠性;其非接触式阻尼的特点使得阻尼结构不会引入附加刚度,充分保证系统隔振带宽,非常契合大型精密隔振平台阻尼调控的性能需求。本论文主要完成了以下几部分工作:首先,针对国内外现有阻尼结构力密度较小的问题,提出了层叠式永磁阵列电涡流阻尼结构方案;应用矢量磁位分层解析法对单层永磁阵列电涡流阻尼结构进行了理论建模分析;根据端部效应的影响结果对建立的二维解析模型进行了修正;通过线性累加获得层叠式结构的解析模型;并用有限元仿真的方法对解析模型进行仿真验证,理论建模分析结果与仿真结果之间的差值小于5%,满足实际工程设计需要。针对多点支撑大型精密气浮隔振平台的实际结构参数和隔振性能指标,提出了层叠式电涡流阻尼结构的设计需求和指标要求,在建立的解析模型基础上分析了电涡流阻尼结构中永磁体宽度和厚度、导体板厚度、磁轭的厚度及气隙高度等结构参数对阻尼特性和机械动力学特性的影响,用控制变量法在约束条件下对结构参数进行了设计与优化。对层叠式永磁阵列电涡流阻尼结构的电磁特性和阻尼特性进行了理论、仿真分析,证明该结构的阻尼特性在微米量级振动环境中具有高度的线性度;然后通过与不同永磁排布的阻尼结构的对比分析证明永磁阵列具有更高的气隙磁感应强度、更低的漏磁、更大的阻尼力密度;最后针对大型气浮隔振平台中空气弹簧和电涡流阻尼结构并联的隔振方案进行了分析,通过数值解析的方法分析了加入电涡流阻尼装置前后系统的隔振性能的改善程度;使用有限元仿真的方法对系统中存在的机械形变、铜板和永磁阵列之间的不完全啮合、材料参数误差、环境温度会对阻尼器性能产生的影响进行了分析。制作了层叠式永磁阵列电涡流阻尼装置工程样机,并以此搭建了多点支撑的载重约60吨的大型气浮隔振平台实验系统,对阻尼器的力学特性、电磁特性以及系统隔微振性能进行了验证实验。实验结果表明,本文所设计的阻尼器的阻尼系数为50035N·s/m,阻尼力密度可达2×10~6N·s/m~4,设计指标相差6.7%;并联电涡流阻尼结构可在系统固有频率不变的前提下将系统的阻尼比提高了2.5倍,系统振动传递率共振峰值下降了66.4%,并联电涡流阻尼结构后隔微振平台的台面振动速度幅值降低了53.2%,系统的隔振等级从VC-D提升到优于VC-E的标准。通过实验验证了层叠式永磁阵列电涡流阻尼结构的有效性,为解决了隔微振系统难以兼顾大承载、低频稳定性与隔振带宽的问题提供了新的解决思路。
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