CN111927912A - 一种可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器，包括承载平台、基座、正刚度弹簧、负刚度机构、传动模块和控制模块，承载平台与基座通过圆柱体与圆柱孔配合，实现滑动连接，正刚度弹簧套设在圆柱孔和圆柱体外侧，负刚度机构由倾斜导杆和负刚度弹簧组成，倾斜导杆一端与承载平台底部的凸台铰接，另一端安装在支撑板上部的滑槽内部，传动模块包括滚珠丝杠、滑块螺母和推杆，推杆一端穿过倾斜导杆安装在支撑板滑槽内部的一端，另一端与滑块螺母销连接，滑块螺母与滚珠丝杠配合。当承载平台承载的重物质量发生变化时，本发明的传动模块和控制模块配合，使得隔振器仍能够处于准零刚度状态，具有较低的动态刚度，可有效地隔离低频振动。

Description

一种可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器
技术领域
本发明涉及隔振器技术领域，具体涉及一种可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器。
背景技术
随着科学技术的不断发展，隔振技术在工业生产中的地位越来越重要，尤其是对于低频隔振。线性隔振***的起始隔振频率是隔振***固有频率的
Figure BDA0002584966950000011
倍，只有降低隔振***的固有频率，才能降低起始隔振频率，提高低频隔振性能。然而降低线性隔振***的固有频率需减小***的刚度，刚度过低会导致静位移过大，从而降低***的承载能力。由于线性隔振***存在以上的局限性，非线性隔振***应用于低频隔振已经成为现在研究的热点。准零刚度隔振器通过正负刚度并联的形式使得平衡位置附近的动态刚度趋近于零，达到了隔振器高静态刚度、低动态刚度的理想要求。在实际应用中，隔振器的承载质量会发生变化，当承载质量发生变化时，隔振器仍旧保证较低的动态刚度是隔振器在设计中需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器，在隔振器承载质量变化的情况下仍能使隔振器处于准零刚度隔振状态，最大程度地隔离低频振动带来的负面影响。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器，包括承载平台、基座、正刚度弹簧、负刚度机构、传动模块和控制模块；
所述承载平台底部对称设有圆柱体，圆柱体与基座上端的圆柱孔配合，实现滑动连接；所述正刚度弹簧套设在圆柱孔和圆柱体外侧；基座上固定有支撑板；
所述负刚度机构由倾斜导杆和套设在倾斜导杆上的负刚度弹簧组成，倾斜导杆一端与承载平台底部的凸台铰接，另一端安装在支撑板上部的滑槽内部；
所述传动模块包括滚珠丝杠、滑块螺母和推杆，推杆一端穿过倾斜导杆安装在支撑板滑槽内部的一端，推杆另一端与滑块螺母销连接，形成转动副；滑块螺母与滚珠丝杠配合；
所述控制模块包括电机、控制器和重量传感器，重量传感器设置在承载平台上，重量传感器和电机均与控制器连接，电机输出轴与滚珠丝杠连接。
进一步的技术方案，所述正刚度弹簧、负刚度弹簧满足
Figure BDA0002584966950000012
其中k1为正刚度弹簧的刚度，k2为负刚度弹簧的刚度，a为负刚度弹簧末端与隔振器中心轴线的距离，θ0为负刚度弹簧的初始位置与水平面的夹角。
进一步的技术方案，当承载平台上重物的质量发生变化时，控制模块和传动模块调节隔振器平衡点的位置，重新实现准零刚度。
进一步的技术方案，所述隔振器平衡点位置的调节是通过控制电机转角实现。
进一步的技术方案，所述过电机转角
Figure BDA0002584966950000021
其中δm为重物的变化量，p为滚珠丝杠螺距，g为重力加速度，k1为正刚度弹簧的刚度。
进一步的技术方案，所述倾斜导杆由一组圆柱插销滑动连接而成，形状为工字形。
进一步的技术方案，所述重量传感器、控制器和电机均由外部电源供电。
进一步的技术方案，所述正刚度弹簧两端分别与承载平台、基座连接。
与现有隔振技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明在隔振器中引入了控制模块和传动模块，当承载平台承载的重物质量发生变化时，隔振器仍能够处于准零刚度状态，具有较低的动态刚度，可有效地隔离低频振动；
(2)本发明支撑板相对于隔振器中心轴线的距离可以调节，当隔振器应用场所不同，需要更换不同正负刚度弹簧时，调节支撑板与隔振器中心轴线的距离，实现隔振器处于准零刚度状态；
(3)本发明通过正负刚度弹簧并联的方式，降低了隔振器的固有频率，平衡点位置的动态刚度接近于零，提高隔振器的低频隔振性能。
附图说明
图1为本发明所述准零刚度垂直隔振器非平衡位置示意图；
图2为本发明所述准零刚度垂直隔振器平衡位置示意图；
图3为本发明所述基座结构示意图；
图4为本发明所述支撑板结构示意图；
图5为本发明所述负刚度机构示意图；
图6为本发明所述滑块螺母三维图；
图7为本发明所述准零刚度垂直隔振器负刚度受力示意图；
图8为本发明所述准零刚度垂直隔振器初始工作状态示意简图；
图9为本发明所述准零刚度垂直隔振器第一次平衡位置示意简图；
图10为本发明所述准零刚度垂直隔振器非平衡位置示意简图；
图11为本发明所述准零刚度垂直隔振器第二次平衡位置示意简图；
其中：1.基座，2.正刚度弹簧，3.支撑板，4.推杆，5.负刚度弹簧，6.倾斜导杆，7.承载平台，8.重量传感器，9.控制器，10.滑块螺母，11.滚珠丝杠，12.电机。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、2所示，本发明提供了一种可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器，包括承载平台7、支撑模块、正刚度机构、负刚度机构、传动模块和控制模块。
承载平台7底部对称设有四个圆柱体，如图3所示，基座1上端设有四个供圆柱体***的圆柱孔，圆柱体与圆柱孔实现滑动连接。
正刚度机构由四个正刚度弹簧2组成，正刚度弹簧2套设在圆柱孔和圆柱体外侧，正刚度弹簧2两端分别与承载平台7、基座1连接，提供正刚度。
支撑模块由基座1和支撑板3组成，支撑板3对称分布在基座1上端，位于圆柱孔之间；图4所示为支撑板3示意图，其上部设有滑槽，下部通过T型螺栓固定在基座1上。
承载平台7底部中心位置设有一凸台，用于和倾斜导杆6的一端连接，连接方式为转动副连接。
如图5所示，负刚度机构由倾斜导杆6和套设在倾斜导杆上的负刚度弹簧5组成，倾斜导杆6由一组圆柱插销滑动连接而成，形状为工字形，可以随着承载平台7的上下运动而伸长或缩短，倾斜导杆6一端与承载平台7底部的凸台相铰接，另一端安装在支撑板3的滑槽内部。
传动模块由滚珠丝杠11、滑块螺母10和推杆4组成，推杆4一端穿过倾斜导杆6安装在支撑板3滑槽内部的一端，推杆4另一端与滑块螺母10销连接，形成转动副；图6为本发明的滑块螺母10结构示意图，滑块螺母10与滚珠丝杠11相配合，随着滚珠丝杠11的转动发生上下位移，滑块螺母10发生上下位移时，带动推杆4运动，使倾斜导杆6的另一端在支撑板3的滑槽内上下运动，调节负刚度机构的位置，进而调节隔振器的平衡位置。
控制模块由电机12、控制器9和重量传感器8组成，重量传感器8设置在承载平台7上，电机12设置在基座1上的方形凹槽内，重量传感器8和电机12均通过导线与控制器9连接，重量传感器8、控制器9和电机12均由外部电源供电。电机12输出轴与滚珠丝杠11连接。
如图7所示，本发明准零刚度垂直隔振器负刚度受力示意图，图中AB和AC表示工字形倾斜导杆6，A点是倾斜导杆6与承载平台7底部凸台的连接位置，B、C点是倾斜导杆6与支撑板3滑槽的连接位置，A点为转动副连接，B、C点为滑动副连接。负刚度弹簧5的初始长度为L0、刚度为k2，其初始位置与水平面的夹角为θ0。A点与BC中点O的距离为h0，B、C点与O点的距离为a。
当承载平台7承载一定质量的重物后，竖直向下的力F使承载平台7产生位移x，使得负刚度弹簧5被压缩，产生一个竖直向上的回复力。依据上述几何关系以及正负刚度弹簧的受力关系，建立本发明准零刚度垂直隔振器的回复力方程为：
Figure BDA0002584966950000041
其中：k1为正刚度弹簧2的刚度，k2为负刚度弹簧5的刚度，负刚度弹簧末端与O点的距离为a，点A到点O的距离为h0，负刚度弹簧的初始长度为L0，负刚度弹簧的初始位置与水平面的夹角为θ0，x为承载平台7竖直方向的位移。
回复力关于x求导，得到准零刚度垂直隔振器的刚度方程为：
Figure BDA0002584966950000042
为了使准零刚度垂直隔振器在平衡位置处动刚度为零(平衡位置为倾斜弹簧压缩量最大时，负刚度机构水平的位置，此时x＝0)，将x＝0代入刚度方程，令K＝0，得到：
Figure BDA0002584966950000043
当正刚度弹簧的刚度k1、负刚度弹簧的刚度k2、负刚度弹簧末端与O点的距离a、负刚度弹簧5的初始长度L0满足上述关系式时，使得隔振器实现准零刚度隔振。
当隔振器应用场所不同，需要更换不同的正负刚度弹簧时，调节支撑板3与隔振器中心轴线的距离(即调整距离a)，使得式(3)始终成立，由控制模块实现隔振器处于准零刚度状态。
当承载平台7上重物的质量发生变化时，设变化量为δm，此时正刚度弹簧2得到一定恢复或者进一步压缩，负刚度机构不再水平，打破了原有的准零刚度隔振状态。通过控制模块和传动模块的作用来调节隔振器平衡点的位置，重新实现准零刚度。隔振器平衡点位置的调节是通过电机转角实现的，承载平台的高度变化量可以通过两种方式表示，一种是由重量传感器8传感器获取承载平台上重物质量变化量，控制器结合正刚度弹簧刚度，计算得到，具体公式为：
Figure BDA0002584966950000051
第二种是通过滚珠丝杠原理得到，具体公式为：
Figure BDA0002584966950000052
联立公式(4)、(5)，可得：
Figure BDA0002584966950000053
式中：θ为电机的转角，p为滚珠丝杠螺距，δh为承载平台的高度变化量，g为重力加速度。
本发明可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器的实现方法，包括以下步骤：
步骤一：如图8所示，初始状态下，准零刚度垂直隔振器空载，承载平台7的自重由正刚度弹簧2承担，负刚度弹簧5处于自由状态；
步骤二：如图9所示，将质量为m1的重物置于承载平台7上，正负刚度弹簧均被压缩；重量传感器8测量承载平台7上重物质量变化量δm1，将质量变化量传递到控制器9，控制器9计算出电机12的转角
Figure BDA0002584966950000054
控制电机12转动，带动滚珠丝杠11转动，从而带动滑块螺母10在滚珠丝杠11上滑动，进而带动推杆4运动，最终使负刚度机构的一端在支撑板3的滑槽内上下移动，使得负刚度机构处于水平状态，实现准零刚度；
步骤三：如图10、11所示，承载平台7上重物的质量发生变化，不妨设质量增加为δm2，此时正刚度弹簧2进一步被压缩，负刚度弹簧5不再处于水平状态，即隔振器不再处于准零刚度状态，隔振效果变差；重量传感器8测量承载平台7上重物质量变量δm2，将质量变化量信号传递到控制器9，控制器9计算电机的转角
Figure BDA0002584966950000061
并控制电机转动，带动滚珠丝杠11转动，从而带动滑块螺母10在滚珠丝杠11上滑动，进而带动推杆4运动，最终使负刚度机构的一端在支撑板3的滑槽内上下移动，使得负刚度机构处于水平状态，实现准零刚度；承载平台7上重物的质量减小时，实现方法与上述过程类似；
步骤四：如图8所示，当卸下承载平台7上的重物，即隔振器空载时，控制器控制电机反转角度θ3＝θ1+θ2，使得隔振器恢复到初始状态。
综上所述，本实施例中的隔振器能够根据不同的承载质量，调节准零刚度平衡点的位置，使得隔振器工作在准零刚度状态，提高了低频隔振性能。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器，其特征在于，包括承载平台(7)、基座(1)、正刚度弹簧(2)、负刚度机构、传动模块和控制模块；
所述承载平台(7)底部对称设有圆柱体，圆柱体与基座(1)上端的圆柱孔配合，实现滑动连接；所述正刚度弹簧(2)套设在圆柱孔和圆柱体外侧；基座(1)上固定有支撑板(3)；
所述负刚度机构由倾斜导杆(6)和套设在倾斜导杆上的负刚度弹簧(5)组成，倾斜导杆(6)一端与承载平台(7)底部的凸台铰接，另一端安装在支撑板(3)上部的滑槽内部；
所述传动模块包括滚珠丝杠(11)、滑块螺母(10)和推杆(4)，推杆(4)一端穿过倾斜导杆(6)安装在支撑板(3)滑槽内部的一端，推杆(4)另一端与滑块螺母(10)销连接，形成转动副；滑块螺母(10)与滚珠丝杠(11)配合；
所述控制模块包括电机(12)、控制器(9)和重量传感器(8)，重量传感器(8)设置在承载平台(7)上，重量传感器(8)和电机(12)均与控制器(9)连接，电机(12)输出轴与滚珠丝杠(11)连接。
2.根据权利要求1所述的可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器，其特征在于，所述正刚度弹簧、负刚度弹簧满足
Figure FDA0002584966940000011
其中k1为正刚度弹簧的刚度，k2为负刚度弹簧的刚度，a为负刚度弹簧末端与隔振器中心轴线的距离，θ0为负刚度弹簧的初始位置与水平面的夹角。
3.根据权利要求1所述的可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器，其特征在于，当承载平台(7)上重物的质量发生变化时，控制模块和传动模块调节隔振器平衡点的位置，重新实现准零刚度。
4.根据权利要求3所述的可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器，其特征在于，所述隔振器平衡点位置的调节是通过控制电机转角实现。
5.根据权利要求4所述的可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器，其特征在于，所述过电机转角
Figure FDA0002584966940000012
其中δm为重物的变化量，p为滚珠丝杠螺距，g为重力加速度，k1为正刚度弹簧的刚度。
6.根据权利要求1所述的可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器，其特征在于，所述倾斜导杆(6)由一组圆柱插销滑动连接而成，形状为工字形。
7.根据权利要求1所述的可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器，其特征在于，所述重量传感器(8)、控制器(9)和电机(12)均由外部电源供电。
8.根据权利要求1所述的可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器，其特征在于，所述正刚度弹簧(2)两端分别与承载平台(7)、基座(1)连接。
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