CN110848313B - 一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，通过在正刚度机构上的连杆组件上竖直的设置第一弹簧来提供正刚度，再通过将正刚度机构上的承载平台通过正负刚度连杆与负刚度机构连接，进而使正刚度机构连接在下框架的内壁上，其中，负刚度机构通过正负刚度连杆和第二弹簧之间形成的旋转副与正刚度机构并联，使本发明在平衡位置处的动刚度为零，且具有极低的共振频率，提高对低频振动的隔振性能，同时，通过选择适当的第一弹簧和第二弹簧的刚度，可使力传递率曲线左移，降低起始隔振频率和扩大隔振频带宽，使隔振器的低频隔振性能得以改善，总之，本发明提供的隔振器具有高静刚度低动刚度特性和较大的隔振带宽，可推广应用于低频振动控制。

Description

一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器

技术领域

本发明属于隔振器技术领域，尤其涉及一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器。

背景技术

在实际工程生产中，普遍存在着物理状态的循环变化或物体的往复运动现象即振动现象，而多数情况下振动是无益的，如，噪声、地震、共振造成桥梁毁坏、火车轮轨碰撞振动对速度的影响等，这些振动都会对科学研究、生产活动和日常生活造成一定的危害和不便。目前，在线性隔振***中，一般是通过最大限度地降低***中的固有频率的方式，来获得更好的隔振性能，但是这种方式会使得隔振***总刚度减小或者被隔振质量增大，进而会影响隔振***的承载能力，使隔振***出现静变形过大或失稳的问题。

发明内容

针对以上现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，能够降低其起始隔振频率和扩大隔振频带宽，进而使其低频隔振性能得到进一步改善。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，包括：

框架，其内设有将其分为上框架和下框架的固定平台；

正刚度机构，其包括设在所述上框架内的承载平台、连杆组件和第一弹簧，所述连杆组件分别与所述固定平台和承载平台连接；所述第一弹簧竖直的设在所述连杆组件内，所述连杆组件的竖直长度随所述第一弹簧的伸缩而变化；

负刚度机构，其包括设在所述下框架内的正负刚度连杆、第二弹簧和半圆形滑轨，所述第二弹簧的固定端与所述下框架的内壁连接；所述正负刚度连杆的一端分别与所述承载平台铰接，另一端与所述第二弹簧的自由端铰接后还与所述半圆形滑轨滑动连接。

进一步的，所述连杆组件包括第一菱形连杆、第二菱形连杆、第一弹簧连杆和第二弹簧连杆，所述第一菱形连杆和第二菱形连杆均四条边铰接的菱形连杆，所述第一弹簧连杆的两端分别与所述第一菱形连杆和第二菱形连杆的上铰接点连接，所述第二弹簧连杆的两端分别与所述第一菱形连杆和第二菱形连杆的下铰接点连接，所述第一弹簧的两端分别与所述第一弹簧连杆和第二弹簧连杆连接。

进一步的，所述第一弹簧的两端分别位于所述第一弹簧连杆和所述第二弹簧连杆的中间位置。

进一步的，所述连杆组件还包括第一竖杆和第二竖杆，所述第一竖杆的两端分别与所述承载平台和第一菱形连杆或第二菱形连杆的上铰接点固定连接，所述第二竖杆的两端分别与所述固定平台和第一菱形连杆或第二菱形连杆的下铰接点固定连接。

进一步的，所述连杆组件还包括横杆，所述横杆的两端与所述第一菱形连杆和第二菱形连杆相对于的两个侧铰接点分别铰接。

进一步的，所述正刚度机构还包括阻尼器，所述阻尼器的两端与两个所述横杆连接。

进一步的，所述半圆形滑轨竖直的固定在所述下框架内，所述半圆形滑轨的两端分别与所述固定平台和下框架连接，且所述半圆形滑轨与其圆心所在竖直线的最远的一点靠近所述第二弹簧的固定端。

进一步的，所述第二弹簧的自由端上设有连接架，所述连接架包括弹簧连接板和连杆连接板，所述弹簧连接板与所述第二弹簧固定连接，所述弹簧连接板上设有两个所述连杆连接板；两个所述连杆连接板与所述正负刚度连杆通过轴承铰接后，所述轴承在半圆形滑轨内滑动。

进一步的，所述负刚度机构的个数为四组。

进一步的，多个所述负刚度机构对称的设置在所述框架的内部。

本发明提供了一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，通过在正刚度机构上的连杆组件上竖直的设置第一弹簧来提供正刚度，再通过将正刚度机构上的承载平台通过正负刚度连杆与负刚度机构连接，进而使正刚度机构连接在下框架的内壁上，其中，负刚度机构通过正负刚度连杆和第二弹簧之间形成的旋转副与正刚度机构并联，使本发明在平衡位置处的动刚度为零，且具有极低的共振频率，提高对低频振动的隔振性能，同时，通过选择适当的第一弹簧和第二弹簧的刚度，可使力传递率曲线左移，降低起始隔振频率和扩大隔振频带宽，使隔振器的低频隔振性能得以改善，总之，本发明提供的隔振器具有高静刚度低动刚度特性和较大的隔振带宽，可推广应用于低频振动控制。

附图说明

图1为本发明示例性实施例的一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器的剖视图；

图2为本发明示例性实施例的框架的等轴侧示意图；

图3为本发明示例性实施例的框架的俯视图；

图4为本发明示例性实施例的连杆组件的结构示意图；

图5为本发明示例性实施例的半圆形滑轨的结构示意图；

图6为本发明示例性实施例的第二弹簧和半圆形滑轨的连接示意图；

图7为本发明示例性实施例的连接架的示意图；

图8为本发明示例性实施例的固定平台的结构示意图；

图9为本发明示例性实施例的固定平台的俯视图；

图10为本发明示例性实施例的一圆形滑轨变形示意图；

图11为本发明示例性实施例的无量纲刚度关于K₁、

和

的图像；

图12为本发明示例性实施例的准零刚度特性曲线；

图13为本发明示例性实施例的半圆形滑轨式准零刚度隔振器的力传递率对比图。

图中：1-框架，101-上框架，102-下框架，103-固定平台，1031-固定板，1032-固定平台框架；

2-正刚度机构，201-承载平台，202-连杆组件，203-第一弹簧，204-阻尼器，2021-第一菱形连杆，2022-第二菱形连杆，2023-第一弹簧连杆，2024-第二弹簧连杆，2025-第一竖杆，2026-第二竖杆，2027-横杆；

3-负刚度机构，301-正负刚度连杆，302-第二弹簧，303-半圆形滑轨，304-连接架，305-轴承，3041-弹簧连接板，3042-连杆连接板；

a-铰接点Ⅰ，b-上铰接点Ⅱ，c-下铰接点Ⅰ，d-下铰接点Ⅱ，e-侧铰接点。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

参见图1至3，一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，包括框架1、正刚度机构2和负刚度机构3，框架1内设有将其分为上框架101和下框架102的固定平台103；正刚度机构2包括设在上框架101内的承载平台201、连杆组件202和第一弹簧203，连杆组件202分别与固定平台103和承载平台201连接；第一弹簧203竖直的设在连杆组件202内，连杆组件202的竖直长度随第一弹簧203的伸缩而变化，进而使与连杆组件202连接的承载平台201随第一弹簧203的伸缩而在上框架101内上移动；负刚度机构3包括设在下框架102内的正负刚度连杆301、第二弹簧302和半圆形滑轨303，第二弹簧302的固定端与下框架102的内壁连接；正负刚度连杆301的一端分别与承载平台201铰接，正负刚度连杆301的另一端与第二弹簧302的自由端铰接后还与半圆形滑轨303滑动连接，在承载平台201随第一弹簧203的伸缩而在上框架101内上移动时，正负刚度连杆301与第二弹簧302的连接位置沿半圆形滑轨303滑动。其中，在本实施例的隔振器上安装有效载荷后，第二弹簧302处于水平状态且有预压缩量。

本实施例通过在正刚度机构2上的连杆组件202上竖直的设置第一弹簧203提供正刚度，再通过将正刚度机构2上的承载平台201通过正负刚度连杆301与负刚度机构3连接，进而使正刚度机构2连接在下框架102的内壁上，其中，负刚度机构3通过正负刚度连杆301和第二弹簧302之间形成的旋转副与正刚度机构1并联，使本实施例在平衡位置处的动刚度为零，且具有极低的共振频率，提高对低频振动的隔振性能，同时，通过选择适当的第一弹簧302和第二弹簧302的刚度，可使力传递率曲线左移，降低起始隔振频率和扩大隔振频带宽，使隔振器的低频隔振性能得以改善；由于本实施例提供的准零刚度隔振器是一个独立的隔振装置，使用时，只需要将该隔振器的框架1下表面放于被隔振物体，将该隔振器的承载平台201与振动体通过螺纹连接，就可以通过隔振器，可实现高负载下良好隔振效果。总之，该隔振器具有高静刚度低动刚度特性和较大的隔振带宽，可推广应用于低频振动控制。

作为一优选实施方式，参见图4，连杆组件202包括第一菱形连杆2021、第二菱形连杆2022、第一弹簧连杆2023和第二弹簧连杆2024，第一菱形连杆2021和第二菱形连杆2022均四条边铰接的菱形连杆，第一弹簧连杆2023的两端分别与第一菱形连杆2021的上交接点Ⅰa和第二菱形连杆2022的上铰接点Ⅱb连接，第二弹簧连杆2024的两端分别与第一菱形连杆2021和第二菱形连杆2022的下铰接点c连接，第一弹簧203的两端分别与第一弹簧连杆2023和第二弹簧连杆2024连接，本实施方式将第一菱形连杆2021和第二菱形连杆2022均采用四条边铰接的菱形连杆，能够使连杆组件202的竖直长度随第一弹簧203的伸缩而变化，进而为连杆组件202中的第一弹簧203提供正刚度，以及能够为与框架1内壁连接的第二弹簧302提供负刚度。

作为一优选实施方式，第一弹簧203的两端分别位于第一弹簧连杆2023和第二弹簧连杆2024的中间位置。

作为一优选实施方式，连杆组件202还包括第一竖杆2025和第二竖杆2026，一第一竖杆2025的两端分别与承载平台201和第一菱形连杆2021的上铰接点Ⅰa固定连接，另一第一竖杆2025的两端分别与第二菱形连杆2022的上铰接点Ⅱb固定连接，一第二竖杆2026的两端分别与固定平台103和第一菱形连杆2021的下铰接点Ⅰc固定连接，另一第二竖杆2026的两端分别与第二菱形连杆2022的下铰接点Ⅱd固定连接。本实施方式中的第一竖杆2025和第二竖杆2026均通过螺栓或连接销与承载平台201和第一菱形连杆2021或第二菱形连杆2022连接。

作为一优选实施方式，连杆组件202还包括横杆2027，横杆2027的两端与第一菱形连杆2021和第二菱形连杆2022相对于的两个侧铰接点e分别铰接，本实施方式中的横杆2027通过螺栓或连接销与第一菱形连杆2021和第二菱形连杆2022连接。

作为一优选实施方式，正刚度机构2还包括阻尼器204，阻尼器204的两端与两个横杆2027连接，本实施方式中的阻尼器204通过两端的导向螺纹配合连接在横杆2027上面，阻尼器204利用阻尼特性来减缓正刚度机构2上的机械振动及消耗动能，同时，通过选择适当的阻尼，可使力传递率曲线左移，降低起始隔振频率和扩大隔振频带宽，使***的低频隔振性能得以改善。

作为一优选实施方式，参见图5，半圆形滑轨303竖直的固定在下框架102内，半圆形滑轨303的两端分别与固定平台103和下框架102连接，且半圆形滑轨303与其圆心所在竖直线的最远的一点靠近第二弹簧302的固定端，且第二弹簧302在半圆形滑轨303上处于水平时，第二弹簧302具有准零刚度特性，本实施例采用将半圆形滑轨303的上方的螺纹孔与固定平台103通过螺栓固定连接，半圆形滑轨303的下方的螺纹孔与下框架102底部通过螺栓固定连接。

作为一优选实施方式，参见图6，第二弹簧302的自由端上设有连接架304，参见图7，连接架304包括弹簧连接板3041和连杆连接板3042，弹簧连接板3041与第二弹簧302固定连接，弹簧连接板3041上设有两个连杆连接板3042；两个连杆连接板3042与正负刚度连杆301通过轴承305铰接后，轴承305在半圆形滑轨303内滑动，本实施例采用将正负刚度连杆301与两个连杆连接板3042连接，再通过轴承15两个连杆连接板3042分别置于半圆形滑轨303的两侧，其中，弹簧连接板3041与第二弹簧302通过焊接连接，第二弹簧302通过焊接与固定在下框架102内壁的弹簧座连接，且弹簧座是通过螺栓固定在下框架102内壁上。

作为一优选实施方式，负刚度机构3的个数为四组。

作为一优选实施方式，多个负刚度机构3对称的设置在框架1的内部，本实施例采用4个负刚度机构3对称的设置在框架1的内部，参见图8和9，固定平台103包括十字固定板1031和固定平台框架1032，十字固定板103与固定平台框架1032通过焊接为一体。

本发明的工作原理为：

本发明提供的隔振器中的第一弹簧203的刚度为K_v，第二弹簧302的刚度为K_h，第二弹簧302的预压缩量为h，半圆形滑轨303的回转半径为R，半圆形滑轨303的回转中心与框架1的水平距离为e，正负刚度连杆301的长度为L。当承载平台201向上产生竖直位移x，以一侧半圆形滑轨303进行动态分析，如图10所示。

第二弹簧302变形后的长度为：

第二弹簧302的形变长度为：

则所有弹簧产生的恢复力为：

令

将式(8)对x微分，由于在x＝0处的总刚度也为零，得到***的准零刚度的条件：

经无量纲即式(9)两侧同时除以eK_v：

式中：e＝2R，K₁为第一弹簧203和第二弹簧302的刚度比，

为第二弹簧302无量纲预压缩长度，

为无量纲半径，

是无量纲刚度。

如图11所示，曲面上的三维坐标值都满足***的总刚度为零，曲面上方的三维坐标值都能够使***的总刚度为正，曲面下方的三维坐标值都能够使***的总刚度为负，可是***的总刚度为负，在工程中是不允许出现的。

当

K₁＝1时，***在x＝0总刚度为零，即实现准零刚度特性，***的总刚度曲线如图12

如图12所示，在x＝0时***的总刚度为零，曲线不是关于x＝0对称的，当承载平台产生向上的位移x时刚度变化率要小于承载平台产生向下的位移x。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明采用连杆组件、正负刚度连杆与半圆形滑轨构成空间的准零刚度隔振器，属于被动隔振***，结构简单，维护成本低，不需要外界提供能量，稳定性较好，在相对较小的尺寸下能够提供更大的承载能力；

2、本发明提供的准零刚度隔振器采用多个半圆形滑轨构成本发明所需要的轨道，并为该隔振器提供负刚度，且第二弹簧处于水平工作位置具有准零刚度特性，从而降低该准零刚度隔振器在平衡位置的刚度，进而拓宽隔振频带，实现低频隔振；

3、本发明提供的准零刚度隔振器是一个独立的隔振装置，使用时，只需要将该隔振器的框架下表面放于被隔振物体，将该隔振器的承载平台与振动体通过螺纹连接，就可以通过隔振器，可实现高负载下良好隔振效果；

4、本发明的力传递率图像如图13所示，本发明对比于线性***具有较低的共振频率和更宽的隔振频带，可见本发明提供的隔振器具有良好的隔振效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，其特征在于，包括：

框架，其内设有将其分为上框架和下框架的固定平台；

正刚度机构，其包括设在所述上框架内的承载平台、连杆组件和第一弹簧，所述连杆组件分别与所述固定平台和承载平台连接；所述第一弹簧竖直的设在所述连杆组件内，所述连杆组件的竖直长度随所述第一弹簧的伸缩而变化；

负刚度机构，其包括设在所述下框架内的正负刚度连杆、第二弹簧和半圆形滑轨，所述第二弹簧的固定端与所述下框架的内壁连接；所述正负刚度连杆的一端分别与所述承载平台铰接，另一端与所述第二弹簧的自由端铰接后还与所述半圆形滑轨滑动连接；所述半圆形滑轨竖直的固定在所述下框架内，所述半圆形滑轨的两端分别与所述固定平台和下框架连接，且所述半圆形滑轨与其圆心所在竖直线的最远的一点靠近所述第二弹簧的固定端。

2.根据权利要求1所述的一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，其特征在于，所述连杆组件包括第一菱形连杆、第二菱形连杆、第一弹簧连杆和第二弹簧连杆，所述第一菱形连杆和第二菱形连杆均四条边铰接的菱形连杆，所述第一弹簧连杆的两端分别与所述第一菱形连杆和第二菱形连杆的上铰接点连接，所述第二弹簧连杆的两端分别与所述第一菱形连杆和第二菱形连杆的下铰接点连接，所述第一弹簧的两端分别与所述第一弹簧连杆和第二弹簧连杆连接。

3.根据权利要求2所述的一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，其特征在于，所述第一弹簧的两端分别位于所述第一弹簧连杆和所述第二弹簧连杆的中间位置。

4.根据权利要求2所述的一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，其特征在于，所述连杆组件还包括第一竖杆和第二竖杆，所述第一竖杆的两端分别与所述承载平台和第一菱形连杆或第二菱形连杆的上铰接点固定连接，所述第二竖杆的两端分别与所述固定平台和第一菱形连杆或第二菱形连杆的下铰接点固定连接。

5.根据权利要求2所述的一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，其特征在于，所述连杆组件还包括横杆，所述横杆的两端与所述第一菱形连杆和第二菱形连杆相对于的两个侧铰接点分别铰接。

6.根据权利要求5所述的一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，其特征在于，所述正刚度机构还包括阻尼器，所述阻尼器的两端与两个所述横杆连接。

7.根据权利要求1所述的一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，其特征在于，所述第二弹簧的自由端上设有连接架，所述连接架包括弹簧连接板和连杆连接板，所述弹簧连接板与所述第二弹簧固定连接，所述弹簧连接板上设有两个所述连杆连接板；两个所述连杆连接板与所述正负刚度连杆通过轴承铰接后，所述轴承在半圆形滑轨内滑动。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，其特征在于，所述负刚度机构的个数为四组。

9.根据权利要求8所述的一种半圆形滑轨式准零刚度隔振器，其特征在于，多个所述负刚度机构对称的设置在所述框架的内部。

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