Защита чувствительного оборудования от вредных вибраций может быть выполнена с помощью любого пассивной или активной системы изоляции, при этом выбор часто делается в зависимости от цены, простоты и требуемого уровня защиты. Хотя пассивные системы, как правило, проще и дешевле, большинство пассивных конструкций не могут защитить от низкочастотных вибраций, вызванных структурными резонансами. А активные системы используют приводы и датчики, которым требуется внешнее питание, для противодействия вибрациям, что означает, что они более дорогие, более сложные и более подвержены отказам.

Но один тип пассивной системы, известный как виброизолятор с отрицательной жесткостью, может защитить даже самое чувствительное оборудование, используемое в нанотехнологиях, микроскопии, оптике и полупроводниковых приложениях, от широкого диапазона частот вибрации, включая очень низкие вибрационные помехи, вызванные строительными конструкциями, близлежащим движением и другими факторами окружающей среды.

Виброизоляторы с отрицательной жесткостью классифицируются как пассивные системы, поскольку они являются чисто механическими, использующими комбинацию пружин и балки-колонны для обеспечения изоляции как от вертикальных, так и от горизонтальных перемещений, вызванных вибрациями.

Q: Что такое механизм отрицательной жесткости (NSM)?

A: В типичной конструкции увеличение усилия приводит к увеличению смещения. Механизмы отрицательной жесткости — это те, которые могут в течение некоторой области их соотношения сила-смещение проявлять свойство увеличения смещения при уменьшающейся силе.

Примером механизма отрицательной жесткости является конструкция из двух стержней при сжатии, как показано ниже.

Обратите внимание, что между точками A и B смещение увеличивается, в то время как сила уменьшается. Таким образом, жесткость конструкции в этой области отрицательная.

Виброизоляторы с отрицательной жесткостью состоят из горизонтального изолятора и вертикального изолятора, соединенных последовательно. Для противодействия движениям, связанным с вращением (тангаж и крен), наклон также может быть соединен последовательно с горизонтальным и вертикальным изоляторами.

Горизонтальный изолятор состоит из двух неподвижных вертикальных балок (колонн), поддерживающих груз. Вес создает как эксцентричную (внеосевую) осевую сжимающую нагрузку, так и поперечную изгибающую нагрузку. Это явление называется ”эффектом балки-колонны» и приводит к уменьшению поперечной жесткости балок на изгиб. По сути, изолятор действует как горизонтальная пружина с механизмом отрицательной жесткости.

Вертикальное движение регулируется с помощью двух горизонтальных изгибов, нагруженных при сжатии, которые образуют механизм отрицательной жесткости. Изгибы поддерживаются на их внешних концах и соединены с жесткой пружиной на их внутренних концах. Жесткость изолятора определяется конструкцией изгибов и их сжимающей нагрузкой.

Производительность изолятора количественно определяется его пропускаемостью, которая является мерой того, сколько вибрации передается через изолятор на оборудование по сравнению с величиной входной вибрации. (Обратная величина допустимости передачи — это эффективность изоляции.) Виброизоляторы с отрицательной жесткостью обладают гораздо лучшей пропускаемостью, чем у других пассивных систем, таких как методы изоляции на основе пневматики, и их пропускаемость даже превышает пропускаемость большинства активных методов изоляции.

Виброизоляторы с отрицательной жесткостью обычно выбирают из-за их эффективности на очень низких частотах, но они обладают и другими преимуществами. Поскольку в их основе лежат изгибы и пружины, они не подвержены износу и могут быть изготовлены из различных металлов для использования в суровых условиях, таких как чистые помещения и вакуумные камеры. И в отличие от других пассивных виброизоляторов, конструкции с отрицательной жесткостью не выделяют тепла, которое может иметь пагубные последствия для чувствительного оборудования и окружающей среды.