本发明涉及减振隔振技术领域，具体涉及一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器。
背景技术：
目前，城市轨道交通作为缓解城市交通压力的最有效方式之一，得到了迅猛发展。然而，其诱发的环境振动却日益严重：列车运行时对轨道重力加载产生的冲击，将造成轨道结构振动，振动沿轨枕、道床、地基等传到建筑物、仪器设备等，将导致严重的环境振动。这些环境振动中，低频振动是环境振动治理的难点。
另一方面，随着动力机械大型化、轻量化的发展，零部件的柔度不断加大，柔弹性体导致的低频振动问题日益严重。而传统线性刚度隔振技术只有在
为了提高低频隔振能力就必须降低系统的固有频率，这又将导致系统刚度的降低，必然会引起系统的承载能力下降。因此传统线性隔振器在隔离低频、超低频振动时，面临着低刚度与大静变形两方面的矛盾。为了减少低频振动在工程中的危害，人们研究了各种减振方法，并产生了相应的各种振动控制装置，相关文献如下：
《振动与冲击》2011年第30卷第1期文章“新型超低频非线性被动隔振系统的设计”，根据正负刚度并联隔振的刚度表达式及平衡位置处零刚度条件，设计了非线性刚度的超低频被动隔振系统。然而，该方案的正负刚度并联机构的铰接连杆只能隔离竖直向下方向的激励，具有负刚度结构设计和实现单一、不灵活的缺陷。
公开号为cn101871505a的中国专利文献公开了一种正负刚度并联的三平移振动与冲击隔离平台，具有承载能力大、稳定性高、体积小、固有频率低、阻尼可控，制作和维护成本低等特点。然而其适应性、灵活性较差。
公开号为cn202520846u的中国专利文献公开了一种利用四个倾斜线性弹簧以及一个垂直线性弹簧提供恢复力的低频隔振器，通过合理设计垂直弹簧和倾斜弹簧的刚度系数及几何参数，使得系统在静平衡位置处的刚度为零，达到系统动态小刚度的目的。然而，目前超低频隔振要求复杂，系统组成复杂且状态多变，此种结构单一依据原理扩展出来的低频隔振系统，显得结构过于简单，其适应性、灵活性及可扩展性都较弱。
公开号为cn202520848u的中国专利文献公开了一种基于正负刚度弹簧并联的超低频隔振器，由导向柱、套盖、滑块、负刚度弹簧、下盖、导向座、滚珠和主弹簧构成，该隔振器可实现高静刚度、低动态刚度的特性，实现零赫兹超低频隔振，并且隔振性能可调；采用滚珠实现滚动摩擦，减小摩擦阻力；其可作为一个部件配备使用，适用于承受振动激励的环境，尤其是低频振动激励的环境，如车辆座椅、悬架，精密仪器隔振、减振抗震等。但是该隔振器的负刚度特性频率范围取决于套盖处开设的负刚度弹簧的安装孔的深度，不能自由进行负刚度的调节，具有非常大的限制性，只能隔离特定频率或频率段的低频振动。
公开号为cn203641365u的中国专利文献公开了一种准零刚度隔振器，利用四个水平弹簧以及一个竖直弹簧提供恢复力，利用滚轮-凸轮装置连接水平移动装置与竖直移动装置，组成一个非线性几何机构；通过设计竖直弹簧和水平弹簧的刚度系数及调节水平弹簧的压缩量，使系统在静平衡位置处的刚度为零，从而实现低频或超低频隔振。
公开号为cn102678804b的中国专利文献公开了一种由负刚度滑动弹性梁及正刚度弹簧组成的非线性超低频隔振器，本发明整体系统具有近似动态准零刚度特性，可以对实现超低频率的振动隔离并兼有抗冲效果。然而，此发明的隔振器在实际工程中对于滑动弹性梁的材料特性及安装精度有非常严格的要求，不利于工程推广。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有低频隔振器安装不方便、结构复杂、工况适应性差等问题，提出一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器。该低频隔振器应用正负刚度并联原理，使用正刚度元件和负刚度元件并联，结合加装的阻尼装置抑制系统共振及针对过激情况提供保护；正、负刚度调节装置来实现正、负刚度范围的有效及准确调节，以满足不同承载质量与隔振要求。
为实现上述目的，本发明提供了一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器，所述低频隔振器包括承载装置、负刚度弹簧连接圆柱滚子、承载台连接凸轮、竖直方向正刚度弹簧、正刚度弹簧定位调节装置、水平方向负刚度弹簧结构、负刚度弹簧定位装置，负刚度弹簧底板固定装置，水平方向负刚度弹簧压缩量调节装置，以及底板固定支撑装置；其中，
承载装置中心下端与承载台连接凸轮连接，在承载台连接凸轮两侧为负刚度弹簧连接圆柱滚子，其中承载台连接凸轮和负刚度弹簧连接圆柱滚子之间为高副连接，在承载台连接凸轮的下方连接安装竖直方向正刚度弹簧及正刚度弹簧定位调节装置；负刚度弹簧连接圆柱滚子与水平方向负刚度弹簧结构连接，水平方向负刚度弹簧结构与负刚度弹簧定位装置以及负刚度弹簧底板固定装置连接，在水平方向负刚度弹簧结构外侧，安装有水平方向负刚度弹簧压缩量调节装置；其中负刚度弹簧压缩量调节装置、负刚度弹簧底板固定装置和正刚度弹簧定位调节装置均与底板固定支撑装置连接。
进一步的，所述承载装置可以为承载台，用来承载质量，受到激励作用。
进一步的，所述竖直方向正刚度弹簧可以为竖直弹簧，随承载台受到激励作用产生竖直方向运动。
进一步的，所述正刚度弹簧定位调节装置可以由中心轴固定连接块、竖直弹簧中心轴、竖直弹簧压缩量调节旋钮、竖直弹簧端部固定压板、竖直弹簧底部固定块和竖直弹簧直线轴承组成；其中，
承载台下方连接中心轴固定连接块，竖直弹簧中心轴与中心轴固定连接块可以通过螺纹方式连接，在竖直弹簧中心轴上安装竖直弹簧压缩量调节旋钮，竖直弹簧压缩量调节旋钮与竖直弹簧底部固定块之间通过竖直弹簧端部固定压板连接固定竖直弹簧，竖直弹簧中心轴在竖直弹簧轴向方向上内部穿过竖直弹簧，竖直弹簧通过竖直弹簧中心轴实现导向，竖直弹簧端部固定压板与竖直弹簧底部固定块之间通过螺栓连接，竖直弹簧底部固定块与竖直弹簧直线轴承之间通过螺栓连接。直线轴承为竖直弹簧中心轴提供竖直方向定位。
进一步的，所述水平方向负刚度弹簧结构可以由水平弹簧、水平弹簧端部连接块、水平弹簧端部固定压板组成；其中，
在两个水平弹簧端部连接块之间连接水平弹簧，水平弹簧与水平弹簧端部连接块之间通过水平弹簧端部固定压板固定连接。
进一步的，所述负刚度弹簧连接圆柱滚子可以由水平弹簧连接圆柱滚子、圆柱滚子铰接支撑块和圆柱滚子铰接支撑块连接杆组成；其中，
在水平弹簧端部连接块与承载台连接凸轮相对一侧连接圆柱滚子铰接支撑块连接杆，在圆柱滚子铰接支撑块连接杆末端依次连接圆柱滚子铰接支撑块及水平弹簧连接圆柱滚子，其中水平弹簧连接圆柱滚子与圆柱滚子铰接支撑块之间通过铰接方式连接安装。
水平弹簧连接圆柱滚子与竖直方向的承载台连接凸轮可以通过高副接触，通过两侧水平弹簧的预压缩量产生的压紧力，将水平弹簧连接圆柱滚子与承载台连接凸轮压紧。
进一步的，所述负刚度弹簧定位装置可以由水平弹簧定位连接板、水平弹簧直线滑轨组成；其中，
在水平弹簧端部连接块下方固定连接水平弹簧定位连接板，水平弹簧定位连接板下方连接水平弹簧直线滑轨。水平弹簧直线滑轨为水平弹簧提供水平方向的定位导向。
进一步的，所述水平方向负刚度弹簧压缩量调节装置可以由水平弹簧压缩量调节旋钮和水平弹簧调节旋钮固定块组成；其中，
水平弹簧压缩量调节旋钮与水平弹簧调节旋钮固定块连接，水平弹簧端部连接块通过水平弹簧压缩量调节旋钮调节水平弹簧的安装压缩量。
进一步的，所述负刚度弹簧底板固定装置可以为水平弹簧底板连接块。水平弹簧调节旋钮固定块、水平弹簧直线滑轨通过螺栓连接固定到水平弹簧底板连接块上。
进一步的，所述底板固定支撑装置可以由模型底板和模型垫脚组成。其中，模型底板下方固定有模型垫脚，增强了本隔振器的工况适应性；模型底板上方通过螺栓方式固定有两个水平弹簧底板连接块及竖直弹簧直线轴承，两个水平弹簧底板连接块位于竖直弹簧直线轴承两侧。
进一步的，在两侧两个水平弹簧端部连接块之间分别还连接有水平放置的阻尼器。在一个实施方案中，所述阻尼器为多个。
本发明的凸轮滚子负刚度结构低频隔振器其各组成部分的连接与安装以所述凸轮滚子负刚度结构低频隔振器各组成部分的连接与安装以竖直方向正刚度弹簧(竖直弹簧)的中心轴所在的且与底板固定支撑装置垂直的平面为中心面对称分布。具体为：
模型底板下方固定有模型垫脚，增强了本隔振器的工况适应性；模型底板上方通过螺栓方式固定有水平弹簧底板连接块及竖直弹簧直线轴承。在水平弹簧底板连接块上方通过螺栓固定连接水平弹簧直线滑轨，水平弹簧直线滑轨为水平弹簧提供水平方向的定位导向。在两个滑轨上方连接水平弹簧定位连接板，在水平弹簧定位连接板上方固定水平弹簧端部连接块，在两个水平弹簧端部连接块之间连接水平弹簧，水平弹簧与水平弹簧端部连接块之间通过水平弹簧端部固定压板固定连接。此外，在两个水平弹簧端部连接块之间连接有水平放置的阻尼器。水平弹簧端部连接块通过水平弹簧压缩量调节旋钮调节水平弹簧的安装压缩量，水平弹簧压缩量调节旋钮与水平弹簧调节旋钮固定块连接，水平弹簧旋钮固定块通过螺栓连接固定到模型底板上。在水平弹簧端部连接块另一侧连接圆柱滚子铰接支撑块连接杆，在连接杆末端连接圆柱滚子铰接支撑块及水平弹簧连接圆柱滚子，其中水平弹簧连接圆柱滚子与圆柱滚子铰接支撑块之间通过铰接方式连接安装。水平弹簧连接圆柱滚子与竖直方向的承载台连接凸轮高副接触，通过水平弹簧的预压缩量产生的压紧力，将圆柱滚子与凸轮压紧。承载台连接凸轮通过螺栓方式与承载台连接，承载台下方连接中心轴固定连接块，竖直弹簧中心轴与中心轴固定连接块通过螺纹方式连接，在竖直弹簧中心轴上安装竖直弹簧压缩量调节旋钮，竖直弹簧压缩量调节旋钮与竖直弹簧底部固定块之间通过竖直弹簧端部固定压板连接固定竖直弹簧，竖直弹簧通过竖直弹簧中心轴实现导向，竖直弹簧端部固定压板与竖直弹簧底部固定块以及竖直弹簧直线轴承之间通过螺栓连接。直线轴承为竖直弹簧中心轴提供竖直方向定位。
本发明凸轮滚子负刚度结构低频隔振器具有如下优点：
1.通过调整正负刚度值可实现隔振器在静平衡位置上下范围内刚度降低，从而使得该隔振器具有高静刚度和低动刚度的特性，可应用于汽车座椅，轮船甲板等的隔振；
2.本发明的正刚度元件调节装置及垂直弹簧主体、负刚度元件装置及阻尼装置均设置了定位装置，使整体结构保持严格的限位运动，减少了系统不平衡造成的冲击等影响；
3.本发明隔振器的底部垫脚为产品提供了更多的使用场景；
4.本发明水平弹簧压缩量的调节通过水平弹簧端部的水平弹簧压缩量调节旋钮控制，在实际操作中，可以通过旋进旋出螺纹的圈数来控制两端水平弹簧压缩量一致；
5.本发明的水平弹簧和水平布置阻尼器公用一个水平滑轨，有效保证了二者运动的同步性，此外，本设计的水平滑轨已预留一定滑动距离，可以适用于不同规格水平弹簧和阻尼器，提高整体设计的适用性。
6.本发明的竖直弹簧可以根据不同承载情况及隔振要求，选择满足工况需求的弹簧规格，具有更好的经济性；
7.本发明的水平弹簧个数可以根据不同的隔振要求及正负刚度关系进行调整；
8.本发明的阻尼器型号及数量可以改变，可抑制系统共振情况，并对过载激励情况进行保护，即具有自我保护性强的优点。
附图说明
图1是本发明一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的系统组成结构框图；
图2是本发明及实施例2中的一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的结构示意图；
图3是本发明及实施例2中的一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器中负刚度结构的结构示意图；
图4是本发明及实施例3中的一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的结构示意图；
图5是本发明及实施例3中的一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器不同初始水平弹簧压缩量情况下的刚度特性曲线；
图6是本发明及实施例4中的一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的结构示意图；
图7是本发明及实施例4中的一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器在不同初始静平衡位置情况下的有效隔振位移区间示意图；
图8是本发明及实施例5中的一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的结构示意图；
图9是本发明及实施例5中的一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的水平阻尼力位移曲线。
其中附图标记为：
a为承载装置，b为负刚度弹簧连接圆柱滚子，c为承载台连接凸轮，d为竖直方向正刚度弹簧，e为正刚度弹簧定位调节装置，f水平方向负刚度弹簧结构，g为负刚度弹簧定位装置，h为负刚度弹簧底板固定装置，i为水平方向负刚度弹簧压缩量调节装置，j为底板固定支撑装置；
1为承载台、2为中心轴固定连接块、3为承载台连接凸轮、4为水平弹簧连接圆柱滚子、5为圆柱滚子铰接支撑块、6为圆柱滚子铰接支撑块连接杆、7为水平弹簧端部连接块、8为水平弹簧、9为水平安装阻尼器、10为水平弹簧端部固定压板、11为水平弹簧压缩量调节旋钮、12为水平弹簧调节旋钮固定块、13为竖直弹簧中心轴、14为竖直弹簧压缩量调节旋钮、15为竖直弹簧端部固定压板、16为竖直弹簧、17为竖直弹簧底部固定块、18为竖直弹簧直线轴承、19为水平弹簧定位连接板、20为水平弹簧直线滑轨、21为水平弹簧底板连接块、22为模型底板、23为模型垫脚。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。应理解，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，是本发明一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的系统组成结构框图。其中，各组成模块的连接关系如下：
承载装置a中心下端与承载台连接凸轮c连接，在承载台连接凸轮c两侧为负刚度弹簧连接圆柱滚子b，其中凸轮c和圆柱滚子b之间通过高副连接，在凸轮c的下方连接安装竖直方向正刚度弹簧d及正刚度弹簧定位调节装置e；负刚度弹簧连接圆柱滚子b与水平方向负刚度弹簧结构f连接，负刚度弹簧结构f与负刚度弹簧定位装置g以及负刚度弹簧底板固定装置h连接，在水平方向负刚度弹簧结构f外侧，安装有水平方向负刚度弹簧压缩量调节装置i；其中负刚度弹簧压缩量调节装置i，负刚度弹簧底板固定装置h和正刚度弹簧定位调节装置e均与底板固定支撑装置j连接，底板固定支撑装置j固定在平面基础上。
实施例2
如图2-5所示；其中，图2是本发明一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的结构示意图；图3是本发明一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器中负刚度结构的结构示意图；图4是本发明一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器中水平弹簧底板连接块的结构示意图；图5是本发明一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器中模型底板的结构示意图。
参照图2和图3，本实施例中提出的一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器包括模型底板22，模型底板22下方固定有模型垫脚23，增强了本隔振器的工况适应性；模型底板22上方通过螺栓方式固定有两个水平弹簧底板连接块21及竖直弹簧直线轴承18，两个水平弹簧底板连接块21位于竖直弹簧直线轴承18两侧。在一侧水平弹簧底板连接块21上方通过螺栓固定连接两个水平弹簧直线滑轨20，水平弹簧直线滑轨20为水平弹簧8提供水平方向的定位导向。在两个直线滑轨20上方分别连接水平弹簧定位连接板19，在水平弹簧定位连接板19上方固定水平弹簧端部连接块7，在两个水平弹簧端部连接块7之间连接水平弹簧8，水平弹簧8与水平弹簧端部连接块7之间通过水平弹簧端部固定压板10固定连接。此外，在一侧两个水平弹簧端部连接块7之间连接有水平放置的阻尼器9。水平弹簧端部连接块7通过水平弹簧压缩量调节旋钮11调节水平弹簧8的安装压缩量，水平弹簧压缩量调节旋钮11与水平弹簧调节旋钮固定块12连接，水平弹簧调节旋钮固定块12通过螺栓连接固定到水平弹簧底板连接块21上。在水平弹簧端部连接块7另一侧连接圆柱滚子铰接支撑块连接杆6，在连接杆6末端连接圆柱滚子铰接支撑块5及水平弹簧连接圆柱滚子4，其中水平弹簧连接圆柱滚子4与圆柱滚子铰接支撑块5之间通过铰接方式连接安装。水平弹簧连接圆柱滚子4与竖直方向的承载台连接凸轮3高副接触，通过两侧水平弹簧8的预压缩量产生的压紧力，将圆柱滚子4与凸轮3压紧。承载台连接凸轮3通过螺栓方式与承载台1连接，承载台1下方连接中心轴固定连接块2，竖直弹簧中心轴13与中心轴固定连接块2通过螺纹方式连接，在竖直弹簧中心轴13上安装竖直弹簧压缩量调节旋钮14，竖直弹簧压缩量调节旋钮14与竖直弹簧底部固定块17之间通过竖直弹簧端部固定压板15连接固定竖直弹簧16，竖直弹簧16通过竖直弹簧中心轴13实现导向，竖直弹簧端部固定压板15与竖直弹簧底部固定块17之间通过螺栓连接，竖直弹簧底部固定块17与竖直弹簧直线轴承18之间通过螺栓连接。直线轴承18为竖直弹簧中心轴13提供竖直方向定位。
本实施例中的凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的工作过程及原理如下：
在承载台1受到激励作用下，连接在承载台1上的竖直弹簧16产生运动，同时承载台连接凸轮3与水平弹簧连接圆柱滚子4产生相对运动，则水平弹簧8和水平阻尼器9产生运动，且严格按照水平方向直线运动，从而构成整体的正负刚度并联装置，并有非线性阻尼产生，从而使隔振器产生低频隔振效果。本实施例通过正负刚度元件并联，以及通过选择各类别弹簧的刚度值以及水平弹簧连接圆柱滚子4和承载台连接凸轮3的半径，实现本隔振器在静平衡位置的准零刚度。
水平弹簧8通过端部固定压板10与水平弹簧端部连接块7连接，水平阻尼器9通过螺栓连接的方式与水平弹簧端部连接块7连接，于此同时，水平弹簧端部连接块7底部通过水平弹簧定位连接板19与水平弹簧直线滑轨20连接，严格保证水平弹簧8和水平阻尼器9在水平方向的运动。竖直方向的竖直弹簧中心轴13为竖直弹簧16提供导向，而竖直弹簧中心轴13又通过竖直弹簧直线轴承18实现竖直方向的定位，这就保证了竖直弹簧16的运动严格按照竖直方向进行。
实施例3
图4所示为本实施例的一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的结构示意图。与实施例2不同之处在于对水平弹簧压缩量调节旋钮11进行了调节。调节水平弹簧压缩量调节旋钮可以实现初始状态下水平弹簧压缩量的调节，可以改变隔振器的负刚度值，增强了隔振器的工况适应性。
图5为本发明一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器不同初始水平弹簧压缩量情况下的刚度特性曲线。图中的参数δ为水平弹簧压缩量与凸轮和圆柱滚子半径之和的比值；x表示初始状态的位移；k表示整体结构的刚度。从曲线中可以看出，水平弹簧压缩量变大刚度特性曲线下移，即，随着水平弹簧压缩量的增加，隔振器的负刚度结构的负刚度值增加。
实施例4
图6所示为本实施例的一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的结构示意图。图7所示为本实例的一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器在不同初始静平衡位置情况下的有效隔振位移区间示意图。
本实施例与实施例3不同之处在于通过调节竖直弹簧调节装置调节初始状态下隔振器竖直弹簧的初始位置，从而改变隔振器的隔振位移区间。从图7中可以看出，改变隔振器初始的静平衡位置，当静平衡位置凸轮和圆柱滚子的圆心在同一直线上时，隔振器具有最大的有效隔振位移区间，并且，隔振器的力学特性呈对称特性，会提升隔振器的整体稳定性。
实施例5
图8所示为本实施例中一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的结构示意图。图9所示为本实施例中一种凸轮滚子负刚度结构低频隔振器的水平阻尼力位移曲线。
本实施例与实施例4不同之处在于改变了水平阻尼器的安装，水平阻尼器会给系统提供非线性阻尼力。对于隔振器的水平方向阻尼力为：
其中c为阻尼器的阻尼系数，r1为凸轮半径，r2为圆柱滚子半径，x为竖直位移。
对应的曲线如图9所示。从曲线中可以看出，随着阻尼系数的增加对应产生的阻尼力越大，且阻尼力随位移变化率越大。对于不同的工况，可以选择具有不同阻尼系数的阻尼器安装。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。