一种带水平阻尼的准零刚度隔振器的制作方法

本发明涉及一种低频或超低频非线性隔振装置，其在力激励、位移激励方面均有良好的隔振效果，可广泛应用于环境振动、精密仪器、大型动力机组、船舶、潜艇、航天航空以及柔性结构等的低频隔振系统中。

背景技术：

工程领域中，振动是引发故障的重要因素之一，传统的线性刚度隔振器对中、高频振动的隔离效果良好，但对低频振动的隔离效果不理想。只有当激励频率大于系统固有频率的倍时才具有隔振效果。因此，隔振系统需降低自身固有频率才具有低频隔振性能，通常的方法是减小系统刚度，但刚度过小会降低承载能力，导致静位移过大、系统稳定性不足，线性隔振系统不能兼顾高承载能力与低频隔振性能。为了提高隔振器的低频隔振效果，研究者们提出了大量新颖的隔振装置。一些相关研究如下：

公开号为cn104455181b，题为“一种采用环形永磁体产生负刚度的准零刚度隔振器”的发明专利，提出了一种采用环形永磁体产生负刚度的准零刚度隔振器，在振动过程中，所设置的内永磁体与外永磁体相对，产生负刚度来降低系统的总刚度，该发明具有高静态刚度和低动态刚度的特点，能隔离较大幅值的基础激励，非线性效应较弱，且结构简单，拆装方便。然而，该发明只分析了系统的刚度特性，并未对系统的隔振性能进行分析说明，且该隔振系统易受实际应用场合中存在的外部磁场干扰。

公开号为cn204852123u，题为“一种可灵活调节的准零刚度减振平台”的实用新型专利，该实用新型由定平台、动平台、减振组件和推力组件构成，减振组件与动平台和定平台连接，推力组件设置在定平台上，用于对动平台施加推力，推力组件在动平台周围设置多个。该实用新型可解决传统线性隔振系统隔离低频或超低频振动时的难题。

公开号为cn205824020u，题为“一种剪式准零刚度隔振器”的实用新型专利，公开了一种剪式准零刚度隔振器，该隔振器基于正负刚度结构并联的原理，具有高静刚度低动刚度特性，结构简单、有效行程大，可隔离激励幅值较小的低频或超低频振动，但对于幅值较大的基础激励，系统的在共振区的位移传递率幅值较大，共振现象较明显。

本发明是基于正负刚度并联的原理，提出了一种带水平阻尼的准零刚度隔振器，旨在保证系统兼有高承载能力与低频隔振性能，水平阻尼的增加可进一步抑制甚至消除系统共振现象，增强系统的低频或超低频隔振效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对线性隔振器无法兼有高承载能力与优良低频隔振性能的缺点，提出一种带水平阻尼的准零刚度隔振器。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种带水平阻尼的准零刚度隔振器，包括支撑平台，支撑平台中部安装有竖直方向的用来提供支撑力的竖直弹簧，竖直弹簧的底端固定在基座的上表面，在支撑平台下设置有吊杆，在吊杆的底端固定有带直线导轨的水平板；直线导轨靠近支撑平台的一侧设置固定块，直线导轨靠近竖直弹簧的一端装有可沿直线导轨水平移动的滑动块，直线导轨的底面与滑动块的顶面接触；水平弹簧的两端分别与固定块及滑动块通过弹簧连接件连接，且固定块与滑动块之间设有水平阻尼器；滑动块靠近竖直弹簧的一侧安装有连杆，在连杆的另一端装有滚轮；竖直弹簧左右两侧安装挡板，挡板的下表面固定在基座上表面；挡板远离竖直弹簧的一侧设有竖直直线导轨，在竖直直线导轨上安装可上下滑动的带凸轮的竖直滑板结构；在挡板上下两端共设置四个竖直调节轴；凸轮的外表面与滚轮接触；竖直弹簧左右两侧的结构对称布置。

所述固定块与滑动块上各固定有一个位置相对的弹簧连接件，水平弹簧两端分别与两个弹簧连接件连接，从而将固定块与滑动块连接起来。

所述支撑平台正对着固定块中心的位置处安装水平调节轴，水平调节轴的右端与固定块接触；所述水平导轨上安装固定块和滑动块。

所述隔振平台的中间位置放置有被隔振体；所述凸轮上下两侧设有竖直调节轴，两个竖直调节轴都固定在挡板上，且与竖直滑板的上下端面接触。

与现有技术相比，本发明的优势为：一种带水平阻尼的准零刚度隔振器具有足够大的静承载刚度来支撑被隔振体，同时，系统在静平衡位置附近具有非常低的动刚度，另外，水平阻尼的增值可有效地抑制系统共振。本发明具有高静低动刚度特性，并可抑制系统共振，且结构简单、维护方便，应用广泛。因此，本发明适用于低频、甚至超低频隔振。

附图说明

图1为本发明-实施例组成结构示意图；

图2为隔振系统受载后的原理结构示意图；

图3为本发明-实施例水平弹簧预压缩量不同时准零刚度系统无量纲刚度与位移的关系曲线；

图4为本发明-实施例不同水平阻尼比下准零刚度系统力传递率与频率比的关系曲线；

图5为针对位移激励的本发明隔振器和等效线性系统的位移传递率比较图；

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一实施例包括支撑平台1，支撑平台1是由基座19通过竖直弹簧20支撑，支撑平台1与竖直弹簧20上端连接，竖直弹簧20的下端固定在基座16的上表面；在基座16与支撑平台1之间设置有竖直阻尼器21；在支撑平台1下设置有吊杆2，在吊杆2的底端固定有带直线导轨4的水平板3；直线导轨4离支撑平台1较近的一端设置固定块10；直线导轨4靠近竖直弹簧20的一端装有可沿直线导轨4水平移动的滑动块5；固定块10与滑动块5之间通过水平弹簧7和阻尼器11连接；滑动块5的右侧装有连杆12；连杆12靠近竖直弹簧20的一侧安装有滚轮13；在竖直弹簧20的左侧安装挡板17，挡板17的下表面固定在基座19上表面；挡板17左侧设有竖直直线导轨16，在竖直直线导轨16左侧安装竖直滑动板15；竖直滑动板15左侧固定有凸轮14；在挡板17上下两端分别设置竖直调节轴18和竖直调节轴23；左右两侧的结构对称布置。

水平导轨4上设置固定块10和滑动块5；滑动块5与固定块10上分别固定有一个弹簧连接件6和弹簧连接件8，弹簧连接件6与弹簧连接件8位置相对，分别与水平弹簧7两端连接。

支撑平台1正对着固定块10中心的位置处安装水平调节轴9，水平调节轴9的右端与固定块10接触；挡板17上对称设置了两个竖直调节轴18和23，竖直调节轴固定在挡板17上，且与竖直滑板15的端面接触。

本实施例中，左右两侧共有两个水平阻尼器11，其参数完全相同；共有二根参数相同的水平弹簧7。

本实施例中，凸轮14的位置与水平弹簧7的压缩量都可以调节，确保系统在平衡位置附近振动，使其具有高静低动刚度特性。

竖直弹簧20的刚度是kv，凸轮14曲面上设置的弧形槽半径为r1，滚轮13半径为r2，滚轮13固定在滑动块5上，凸轮14安装在竖直滑板15上，凸轮14与滚轮13中心在初始时要调节到同一水平线上。当被隔振体22放置于支撑平台1上时，竖直弹簧20被压缩，压缩量为δx＝mg/kv，支撑平台推动滚轮13与滑动块5向水平直线导轨4两边滑动。使用竖直调节轴18，调节竖直滑动板15在竖直直线导轨16上下移动，使凸轮14与滚轮13的中心在同一水平线上，该位置正是隔振系统的静平衡位置，此时，负刚度结构对系统的合力为零，被隔振体22的重量完全由竖直弹簧20提供，如图2所示。

当承载不同的重量时，竖直弹簧20的压缩量也不相同，凸轮14和滚轮13的中心不在同一水平线上，这时需要通过调整竖直调节轴18使凸轮上升或下降，保证凸轮14和滚轮13的中心在水平方向上平齐。

被隔振体22的放置在隔振平台的中心时，竖直弹簧20受被隔振体22的重力作用被压缩到一定长度，支撑平台1也随之下降，滚轮13在下降的过程中是沿着凸轮14的曲面的弧形槽滚动，推动滑动块5靠近固定块10，水平弹簧7进一步被压缩。这时，需要将系统调节到平衡位置：首先，调节竖直调节轴18，使凸轮14与滚轮13的中心在同一水平线上；其次，在系统处于平衡位置时，被隔振体22的重量全由竖直弹簧20支撑，只要系统中弹簧参数选择合适，可通过调节水平调节轴9获取所需水平弹簧的预压缩量，使得在此位置处的系统总刚度为零。

当被隔振体22位移x满足时，滚轮13在凸轮14始终保持接触，系统受力激励或位移激励时，被隔振体22与整个隔振平台1发生被迫振动响应，凸轮14由竖直调节轴18固定在竖直直线导轨16上不动，滑动块5只能在直线导轨4上沿水平方向左右运动，水平弹簧7在水平方向发生伸缩运动，带动滚轮13在凸轮14曲面圆弧槽内上下滚动。凸轮与滚轮的相互作用力在水平方向相互抵消，只对系统竖直方向有力作用，起到降低系统总刚度的作用。被隔振体22在平衡位置附近振动，系统固有频率低，兼有高承载能力与低频隔振性能，所以能达到低频隔振的目的；在已有竖直阻尼的基础上，增设水平阻尼，能够进一步降低系统共振峰值，抑制系统共振，改善系统的低频隔振效果。

令所述水平弹簧7与所述竖直弹簧20的刚度比为α，当α取定值时，可通过调节水平弹簧7的预压缩量δ(δ＝δ0/(r1+r2))，改变系统总刚度；当α和δ满足一定条件时，系统在平衡位置处具有零刚度特性。

如图3，当α一定时，随着水平弹簧7预压缩量δ的增大，系统的刚度逐渐减小；当预压缩量较小时，正刚度弹簧20起主导作用，系统总刚度为正；反之，负刚度结构起主导作用，系统的刚度为负。

被隔振体22置于隔振平台1上时，竖直弹簧20产生静变形，要使系统处于平衡位置，可以通过调节凸轮14位置与水平弹簧7的压缩量来实现。因此，对于任意质量的被隔振体22，均可合理设计系统参数，使系统具有准零刚度的特性，从而实现低频隔振。

隔振的目的是减少振动机械对基础的作用或减小基础振动所引起的被隔振物体的振动响应。隔振效果的评价指标包括力传递率与位移传递率。力传递率的定义是传递到基座的力与激励力的比值；而位移传递率是被隔振体的响应位移幅值与激励位移幅值的比值。

当简谐激励力(幅值为f0)作用在被隔振体22时，质量块承受竖直弹簧弹性力、阻尼力、负刚度结构以及激励力的共同作用，在平衡位置做上下运动。

令激励幅值为f＝f0/kv(r1+r2)，竖直阻尼比ξ1＝c1/(2mω0)，水平阻尼比为ξ2＝c2/(2mω0)，c1，c2分别为竖直阻尼系数及水平阻尼系数。

图4为本实施例力传递率与等效线性系统的力传递率对比图。参数选择为：竖直阻尼比为ξ1＝0.1，激振力幅值为f＝0.03，刚度比为α＝1。

从图4可知，水平弹簧与竖直弹簧的刚度比选取合适，调节水平弹簧压缩量使系统具有准零刚度。在一定的激振力下，本发明起始隔振频率比线性弹簧要低得多，ξ2越大时隔振效果越好，而且传递率的幅值也比等效的线性系统低得多。此外，水平阻尼比可抑制系统共振，且对非共振区的力传递率影响甚微；水平阻尼比越大，共振区的力传递率越小，准零刚度系统隔振效果越优良。

类似地，在简谐基础激励(幅值为b)作用下，该隔振器的作用是减小被隔振体的振动幅值。

当竖直阻尼比ξ1＝0.1，位移激励幅值为刚度比为α＝1，该隔振系统的位移传递率与线性隔振系统的对比图如图5所示

从图5中可以看出，对于基础激励，位移传递率无峰值，系统无共振现象；本发明可实现低频隔振，而且位移传递率比相应的线性系统要低得多，达到了运动隔离的目的，效果优越。

上述内容是结合附图对本发明进行的示例性描述，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是采用本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进、或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。