一种负刚度可调准零刚度隔振装置及其应用方法与流程

本发明涉及振动控制技术，具体涉及一种负刚度可调准零刚度隔振装置及其应用方法。

背景技术：

传统线性隔振方法仅当激频大于隔振系统固频的√2倍时才有效果，如要隔离低频振动，系统刚度需很低，将影响机械系统的安装稳定性。因此，低频隔振仍是振动工程领域的一大难题。在传统隔振器基础上，引入负刚度机构/结构，构成准零刚度隔振器，不仅能承受设备自重而不产生较大变形，而且在静平衡位置附近动刚度极低，是一种理想的被动隔振器。

在实际使用过程中，确定好准零刚度隔振结构需要承载的质量后，会针对性地通过计算确定该结构内弹性元件的刚度、位置尺寸等参数，一旦确定好之后，如果设计承载质量发生改变，或者安装之后在承载质量上附加了未预先计算到且能改变最终承载力的因素，该准零刚度实现机构的实际静平衡位置会偏离设计时确定的理想静平衡位置，此时水平弹性元件无法保持在接近水平的位置，其压缩后的长度也无法保证等于预设值。通过分析可以知道，当承载的准零刚度机构静平衡位置偏离预设点时，准零刚度机构无法保证动刚度接近零，在偏离严重的情况下，可能使得隔振机构效果急剧恶化，导致准零刚度隔振结构失效，影响设备稳定。因此有必要提出一种能够随时根据承载进行灵活调整的负刚度实现机构，使得准零刚度实现机构在承载后能根据实际情况进行调整，确保现场安装后，在带静载状态下，能够调节准零刚度机构处于动刚度接近零的理想状态。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种负刚度可调准零刚度隔振装置及其应用方法，本发明能够在正刚度机构承载被承载物体后可以沿承载力方向对高度调节机构进行位置调节，从而使得水平弹性元件保持预设的压缩量，灵活调整的负刚度，以便在承载后能根据实际情况进行调整负刚度可调准零刚度隔振装置确保现场安装后在带静载状态下处于动刚度接近零的理想状态，能够避免隔振系统的失效。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种负刚度可调准零刚度隔振装置，包括承载台，所述承载台的下侧设有正刚度机构，所述承载台四周连接有中心对称布置的多个可调负刚度机构，所述正刚度机构包括用于支承承载台的竖直弹性元件，所述可调负刚度机构包括水平弹性元件、保持架以及高度调节机构，所述水平弹性元件一端和高度调节机构铰接连接、另一端和承载台直接或间接相连。

可选地，所述保持架上设有沿竖直方向布置的滑槽，所述高度调节机构包括丝杆和滑块，所述丝杆沿竖直方向安装在保持架上且可自由转动，所述滑块布置在滑槽中且与丝杆螺纹配合，所述水平弹性元件和滑块铰接。

可选地，所述滑槽为燕尾槽，所述滑块的底部嵌设布置在燕尾槽中。

可选地，所述滑槽的一端设有用于取出滑块的缺口。

可选地，所述水平弹性元件一端设有第一连接杆、另一端设有第二连接杆，所述水平弹性元件一端通过第一连接杆和高度调节机构上的第一铰接座铰接连接、另一端通过第二连接杆和承载台铰接连接。

可选地，所述水平弹性元件的外部套设有套筒。

可选地，所述套筒一端封闭且与第一连接杆固定连接，另一端开口且内部设有与套筒内壁滑动配合的活塞柱，所述水平弹性元件一端和套筒的封闭端连接固定，另一端通过活塞柱和第二连接杆相连。

可选地，所述套筒上设有水平刻度仪。

可选地，所述水平弹性元件为弹簧、或者弹性气囊、或磁铁块对。

可选地，所述竖直弹性元件为弹簧、或者弹性气囊、或磁铁块对。

可选地，所述正刚度机构包括底座，所述竖直弹性元件的下端与底座连接固定。

可选地，所述承载台的下部还设有连接座，所述竖直弹性元件的上端和连接座连接固定，所述连接座的四周设有多个第二铰接座，所述多个可调负刚度机构分别与连接座四周的第二铰接座铰接连接。

可选地，所述承载台的四周设有用于安装固定被承载物的通孔。

本发明提供一种前述的负刚度可调准零刚度隔振装置的应用方法，实施步骤包括：在承载台上安装固定被承载物，通过各个可调负刚度机构的高度调节机构将水平弹性元件调节至水平状态，使得各个水平弹性元件保持预设的压缩量；当被承载物在工作平衡位置受到外界的扰动时，各个水平弹性元件内储存的弹性势能得到释放，产生与外界扰动力方向相同的作用力，从而抵消竖直弹性元件产生变形所需的部分能量，最终起到隔绝被承载物的振动往外部传递的作用。

可选地，所述各个水平弹性元件保持预设的压缩量的函数表达式如式(1)所示；

式(1)中，λ为各个水平弹性元件(30)保持预设的压缩量，n为水平弹性元件的个数且n为偶数，l为水平弹性元件和承载台之间的刚性连接部分的长度，k1为竖直弹性元件的刚度，k2为水平弹性元件的刚度。

和现有技术相比，本发明负刚度可调准零刚度隔振装置具有下述优点：

1、本发明承载台的下侧设有正刚度机构，所述承载台四周连接有中心对称布置的多个可调负刚度机构，正刚度机构包括用于支承承载台的竖直弹性元件，所述可调负刚度机构包括水平弹性元件、保持架以及高度调节机构，所述水平弹性元件一端和高度调节机构铰接连接、另一端和承载台直接或间接相连，在正刚度机构承载被承载物体后可以沿承载力方向对高度调节机构进行位置调节，从而使得水平弹性元件保持预设的压缩量，灵活调整的负刚度，以便在承载后能根据实际情况进行调整负刚度可调准零刚度隔振装置确保现场安装后在带静载状态下处于动刚度接近零的理想状态，能够避免隔振系统的失效。

2、本发明负刚度可调准零刚度隔振装置的结构简单，易于加工和现场安装，且成本低廉，适合推广应用。

本发明负刚度可调准零刚度隔振装置的应用方法为本发明前述负刚度可调准零刚度隔振装置的使用方法，因此同样也具有本发明负刚度可调准零刚度隔振装置的前述优点。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图。

图2为本发明实施例中可调负刚度机构和弹性元件的立体结构示意图。

图3为本发明实施例中滑块的立体结构示意图。

图4为本发明实施例的隔振原理示意图。

图例说明：1、承载台；11、连接座；111、第二铰接座；12、通孔；2、正刚度机构；20、竖直弹性元件；21、底座；3、可调负刚度机构；30、水平弹性元件；301、第一连接杆；302、第二连接杆；303、套筒；304、活塞柱；305、水平刻度仪；31、保持架；311、滑槽；312、缺口；32、高度调节机构；321、丝杆；322、滑块；323、第一铰接座。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例提供一种负刚度可调准零刚度隔振装置，包括承载台1，承载台1的下侧设有正刚度机构2，承载台1四周连接有中心对称布置的四个可调负刚度机构3(此外也可以根据需要布置为三个或者四个以上)，正刚度机构2包括用于支承承载台1的竖直弹性元件20，可调负刚度机构3包括水平弹性元件30、保持架31以及高度调节机构32，水平弹性元件30一端和高度调节机构32铰接连接、另一端和承载台1直接或间接相连。本实施例的负刚度可调准零刚度隔振装置能够随时根据承载进行灵活调整高度调节机构32达到负刚度调整的目的，以便在承载后能根据实际情况进行调整负刚度可调准零刚度隔振装置确保现场安装后在带静载状态下处于动刚度接近零的理想状态，能够避免隔振系统的失效，具有结构简单、易于加工、装卸方便、设计合理且易于调整的优点。

如图1所示，承载台1的下部还设有连接座11，竖直弹性元件20的上端和连接座11连接固定，连接座11的四周设有多个第二铰接座111，多个可调负刚度机构3分别与连接座11四周的第二铰接座111铰接连接，通过上述结构便于正刚度机构2和承载台1之间的安装和固定，水平弹性元件30和承载台1间接相连，此外也可以根据需要将承载台1和连接座11采用一体化设计，使得水平弹性元件30和承载台1直接相连。

如图1所示，承载台1的四周设有用于安装固定被承载物的通孔12，方便被承载物通过螺栓与其固定。

正刚度机构2起到主要承载的作用。如图1所示，正刚度机构2包括底座21，竖直弹性元件20的下端与底座21连接固定。通过上述结构，便于正刚度机构2的安装固定，以及竖直弹性元件20的连接安装。

本实施例中，竖直弹性元件20为弹簧(钢制压弹簧)，此外也可以根据需要采用弹性气囊、或磁铁块对(利用磁铁间的吸力或者斥力来实现刚度调整)。

如图1和图2所示，保持架31上设有沿竖直方向布置的滑槽311，高度调节机构32包括丝杆321和滑块322，丝杆321沿竖直方向安装在保持架31上且可自由转动，滑块322布置在滑槽311中且与丝杆321螺纹配合，水平弹性元件30和滑块322铰接。高度调节机构32装配好以后，滑块322可以在保持架31内通过旋动丝杆321进行上下滑动，从而实现了对水平弹性元件30的高度调整以保证水平弹性元件30调节至水平状态。水平弹性元件30具有形变能力，只有当水平弹性元件30处于水平状态下，才能使得现场安装后的负刚度可调准零刚度隔振装置在带静载状态下处于动刚度接近零的理想状态。

如图2所示，丝杆321下端放置在保持架31的盲孔内，上端贯穿保持架31的通孔，且丝杆321的端部设有内六角调节孔，以便通过内六角工具旋转丝杆321可以使得滑块322在保持架31的燕尾槽内进行上下滑动；此外，保持架31的盲孔、通孔可以进一步根据需要安装轴承以减少转动阻力。本实施例中，在丝杆321的螺纹上端设置一个环形卡簧，将丝杆321在保持架31内进行限位以防止脱落。

如图2和图3所示，滑槽311为燕尾槽，滑块322的底部嵌设布置在燕尾槽中。燕尾槽内表面光滑，滑块322的底部横截面为梯形以便燕尾槽进行配合嵌设布置在燕尾槽中，通过燕尾槽的滑动结构，能够确保滑块322滑动且可承受较大的应力，而且受力状态下燕尾槽的斜面产生的分力会使得滑块322在该高度下在水平方向具有较大的摩擦支撑力。

如图2所示，滑槽311的一端设有用于取出滑块322的缺口312，便于滑槽323安装拆卸。如图2所示，水平弹性元件30一端设有第一连接杆301、另一端设有第二连接杆302，水平弹性元件30一端通过第一连接杆301和高度调节机构32上的第一铰接座323铰接连接、另一端通过第二连接杆302和承载台1铰接连接，使得水平弹性元件30两端可自动转动，可确保通过各个可调负刚度机构的高度调节机构将水平弹性元件30调节至水平状态，使得各个水平弹性元件保持预设的压缩量。

如图2所示，水平弹性元件30的外部套设有套筒303。通过套筒303一方面可以对水平弹性元件30起到保护的作用，另一方面还对水平弹性元件30起到限位的作用，确保水平弹性元件30的弹性形变稳定可靠。本实施例中，套筒303为圆筒状，一端封口另一端开口，封口端外侧设置一个铰链，与滑块322进行链接，套筒303可以在一定角度范围内绕铰链旋转。

如图2所示，套筒303一端封闭且与第一连接杆301固定连接，另一端开口且内部设有与套筒303内壁滑动配合的活塞柱304，水平弹性元件30一端和套筒303的封闭端连接固定，另一端通过活塞柱304和第二连接杆302相连。通过活塞柱304能够确保水平弹性元件30和第二连接杆302的连接稳定、且运动沿着套筒303的轴线方向，使得水平弹性元件30的弹性形变稳定可靠。由于套筒303一端封闭且与第一连接杆331固定连接，因此水平弹性元件30发生压缩形变时，第二连接杆302的位置会相对套筒303发生变化，该变化量实际上就可以表征水平弹性元件30的弹性形变量。本实施例中，活塞柱304设置一个铰链和水平弹性元件30铰接，并通过第二连接杆302与连接座23侧面铰链进行链接，水平弹性元件30可以在一定角度范围内绕该铰链旋转。

如图2所示，套筒303上设有水平刻度仪305，可以指示横置状态的套筒303的水平状态。在负刚度可调准零刚度隔振装置承受实际负载需要进行调节时，通过水平刻度仪305可以直观地显示水平弹性元件30的水平状态，极大方便了负刚度可调准零刚度隔振装置现场安装后的调整工作。本实施例中水平刻度仪305嵌设在套筒303的外壁上。

本实施例中，水平弹性元件30为弹簧(钢制压弹簧)，此外也可以根据需要采用弹性气囊、或磁铁块对(利用磁铁间的吸力或者斥力来实现刚度调整)。

本实施例提供一种前述的负刚度可调准零刚度隔振装置的应用方法，实施步骤包括：在承载台1上安装固定被承载物，通过各个可调负刚度机构3的高度调节机构32将水平弹性元件30调节至水平状态，使得各个水平弹性元件30保持预设的压缩量；当被承载物在工作平衡位置受到外界的扰动时，各个水平弹性元件30内储存的弹性势能得到释放，产生与外界扰动力方向相同的作用力，从而抵消竖直弹性元件20产生变形所需的部分能量，最终起到隔绝被承载物的振动往外部传递的作用。

本实施例中，各个水平弹性元件30保持预设的压缩量的函数表达式如式(1)所示；

式(1)中，λ为各个水平弹性元件(30)保持预设的压缩量，n为水平弹性元件30的个数且n为偶数，l为水平弹性元件30和承载台1之间的刚性连接部分的长度，k1为竖直弹性元件20的刚度，k2为水平弹性元件30的刚度。

负刚度可调准零刚度隔振装置装配好在现场应用时，由于实际承载与设计承载往往存在一定误差，而且实际承载与外部其他构件相连接时，不可避免会引入一些预计之外的负载，会造成准零刚度隔振机构内的负刚度部件未能达到预设的理想位置。为此，本实施例提供一种前述的负刚度可调准零刚度隔振装置的应用方法，在承载台1上安装或更换承载物后的调节步骤包括：分别调节与正刚度机构2相连的各个可调负刚度机构3的高度调节机构32，最终使得各个可调负刚度机构3的水平弹性元件30均处于水平状态。其中，调节与正刚度机构2相连的各个可调负刚度机构3的高度调节机构32具体是指调节可调负刚度机构3的丝杆321，并通过水平刻度仪305对其水平位置进行调节，最终使准零刚度机构达到预设的理想状态。本实施例正刚度机构2和四个可调负刚度机构3均安装在同一个基座(图中未绘出)上，四个可调负刚度机构3围绕正刚度机构2中心对称布置，形成相对称的两组负刚度调节机构，在装配好后，水平弹性元件30处于预压缩状态，储存一定的弹性势能。

负刚度可调准零刚度隔振装置承载后系统处于静平衡状态，理想情况下，当可调准零刚度实现机构的承载质量与设计质量相等时，水平弹性元件30应当处于水平位置，水平弹性元件30处于压缩状态。每一组负刚度调节机构的等效结构如图4所示，其中l为水平弹性元件30和正刚度机构2之间的刚性连接部分(本实施例中具体为第二连接杆302)的长度，k1为正刚度机构2的刚度，k2为可调负刚度机构3的刚度，x为承载质量m从静平衡位置开始的位移；外界的激励力为f。当系统处于静平衡位置(各水平弹性元件30处于水平位置)时，水平弹性元件30的压缩量为λ，则有本实施例提出的负刚度可调准零刚度隔振装置的力-位移关系函数可表达为如式(2)所示；

式(2)中，n为水平弹性元件30的个数(n为偶数)，f为外界的激励力，x为承载质量m从静平衡位置开始的位移，l为水平弹性元件30和正刚度机构2之间的刚性连接部分(本实施例中具体为第二连接杆302)的长度，k1为竖直弹性元件20的刚度，k2为水平弹性元件30的刚度，λ为水平弹性元件30的压缩量。根据式(2)可推导出可以推导出本实施例提出的负刚度可调准零刚度隔振装置的等效刚度keff的函数表达式如式(3)所示；

式(3)中，各参量的含义详见式(2)。理想情况下，需要使得本实施例提出的负刚度可调准零刚度隔振装置处于静平衡位置时等效刚度keff为零，此时可以根据式(3)推导得到使得各个可调负刚度机构3的水平弹性元件30均处于水平状态下，各个水平弹性元件30的压缩量的函数表达式如式(1)所示。这意味着为了保证加载后的准零刚度实现机构在静平衡位置保持等效刚度接近于零，必须保证静平衡状态下，两侧水平弹性元件30的长度等于λ。

传统的准零刚度隔振装置在实际使用过程中，在确定好准零刚度隔振装置需要承载的质量后会针对性地通过计算确定该结构内各弹性元件的刚度、位置尺寸等参数，一旦确定好之后，如果设计承载质量发生改变，或者安装之后在承载质量上附加了未预先计算到且能改变最终承载力的因素，该准零刚度隔振装置的实际静平衡位置会偏离设计时确定的理想静平衡位置，此时水平弹性元件无法保持在水平位置，其压缩后的长度也无法保证等于预设值。通过分析可以知道，当承载的准零刚度机构静平衡位置偏离预设点时，准零刚度隔振装置无法保证动刚度接近零，在偏离严重的情况下，可能使得隔振机构效果急剧恶化，导致准零刚度隔振结构失效，影响设备稳定。为此本实施例提出一种能够随时根据承载进行灵活调整的负刚度可调准零刚度隔振装置，使得准零刚度实现机构在承载后能根据实际情况进行调整，确保现场安装后，在带静载状态下能够调节准零刚度机构处于动刚度接近零的理想状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。