一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器及其实现方法
【专利摘要】本发明涉及一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器及其实现方法，涉及隔振装置领域，包括基座，所述基座中部设置有弹性升降机构，所述弹性升降机构的上端设置有载物台，所述载物台的两旁侧分别与设置于基座两旁部的负刚度机构相连接。实现方法：将一个具有一定重量的被隔振物体放置在载物台上，使弹簧被压缩，载物台向下移动并带动连杆，连杆推动轴杆在固定架的横槽内水平滑动，剪叉机构向下伸展，复位弹簧被压缩；使连杆运动水平位置，以使隔振器处于平衡位置，当外界的振动激励作用在基座时，振动传递到隔振器上，隔振器开始工作，隔离微幅低频振动。该隔振器不仅保证一定的承载能力和极低的刚度，而且具有行程放大的作用，同时实现方法简便。
【专利说明】
一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器及其实现 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器及其实现方法，涉及 隔振装置领域。
【背景技术】
[0002] 现代科学技术的不断发展，隔振技术在工业生产和工程项目中的地位越来越重 要，特别是对于低频和超低频的隔离。由于线性隔振系统存在的局限性，非线性隔振系统应 用于低频隔振已经成为现在研究的热点。近年来，由具有负刚度特性的元件或机构，与正刚 度弹簧并联后组成的准零刚度隔振器受到许多学者的青睐。准零刚度系统利用正负刚度相 消原理，在不失承载能力的情况下，能够在一定范围内保持很低的系统刚度，大大降低隔振 的起始频率，在低频或者超低频隔振中具有很好的效果。但是目前的实验研究发现，准零刚 度隔振器只有在较大振动幅值状态下，才能表现出很好的隔振性能。当外界振动幅值很小 时，比如1_甚至〇.5_的振幅，则达不到理想的隔振效果。研究人员初步分析的原因是在微 幅振动下，弹簧的变形量很小，负刚度机构介入很少，基本上不工作，导致正负刚度相消的 效果表现不出来。所以，负刚度机构的结构形式需要改进和创新，设计出能够适应于隔离微 幅低频振动的准零刚度隔振器。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器及其实 现方法，不仅保证一定的承载能力和极低的刚度，而且具有行程放大的作用，提高负刚度机 构的介入程度，很好地实现微幅低频振动的隔离，同时实现方法简便。
[0004] 本发明的技术方案在于：一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器，包括 基座，所述基座中部设置有弹性升降机构，所述弹性升降机构的上端设置有载物台，所述载 物台的两旁侧分别与设置于基座两旁部的负刚度机构相连接。
[0005] 进一步地，所述弹性升降机构包括设置于基座中部的轴承座，所述轴承座上纵向 穿设有可活动升降的导杆，所述导杆的上端设置有与载物台固定连接的固定座，导杆上套 置有夹设于固定座与轴承座之间弹簧。
[0006] 进一步地，所述负刚度机构包括与基座旁部固定连接的固定架，所述固定架内设 置有下端经复位弹簧与基座相连接的剪叉机构，所述剪叉机构的上端外侧与固定架相铰 接，剪叉机构的上端内侧设置有轴杆，所述轴杆穿出开设于固定架上的横槽与另一端铰接 于载物台下部侧的连杆相铰接。
[0007] 进一步地，所述固定架由位于前后侧的倒LJ型架体组成，所述倒U型架体下端与 基座固定连接。
[0008] 进一步地，所述固定架内设置有位于前后侧的两剪叉机构，所述剪叉机构的下端 分别铰接有经铰链座与基座相连接的复位弹簧，两剪叉机构的上端外侧经第二轴杆相连接 并与固定架相铰接，两剪叉机构的上端内侧经轴杆相连接，所述轴杆的两侧端分别穿出横 槽，轴杆穿出横槽的端部分别与另一端铰接于载物台前后侧的两连杆相铰接。
[0009] 进一步地，所述剪叉机构包括下端与复位弹簧的上端相铰接的剪叉短臂，所述剪 叉短臂的上端分别铰接有剪叉长臂，两剪叉长臂呈交叉状且中部相铰接。
[0010] -种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器的实现方法，包括以下步骤： 1) 将一个具有一定重量的被隔振物体放置在载物台上，使弹簧被压缩，载物台向下移 动并带动连杆，连杆推动轴杆在固定架的横槽内水平滑动，剪叉机构向下伸展，复位弹簧被 压缩； 2) 使连杆运动水平位置，以使隔振器处于平衡位置，当外界的振动激励作用在基座时， 振动传递到隔振器上，隔振器开始工作，隔离微幅低频振动。
[0011] 与现有技术相比较，本发明具有以下优点：与传统的线性隔振器相比，能够在保证 系统承载能力的同时，大大降低系统的刚度，使得隔振器的固有频率接近于零，从而可以降 低隔振器的隔振起始频率，扩宽隔振频率范围，提高隔振器的性能，并且能实现低频隔振。 与同类其他隔振器相比，负刚度机构是由剪叉机构和弹簧组成，其中剪叉机构不仅具有较 强的非线性，且具有行程放大的作用，能够增加弹簧的变形量，提高负刚度机构的介入程 度，使负刚度机构在微小幅度振动下也能发挥较好的作用，实现微幅低频隔振。并且，可以 承载较大质量的被隔振物体，结构简单，加工制造方便，具有较好的工程应用价值。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明的初始状态结构示意图； 图2为本发明放置被隔振物体后处于平衡位置的结构示意图； 图3为本发明的结构简图； 图4为本发明的力-位移特性曲线； 图5为本发明的刚度-位移特性曲线； 图中：10-基座 20-弹性升降机构21-轴承座22-导杆23-固定座24-弹簧 30-载物台40-负刚度机构41-固定架42-复位弹簧43-剪叉短臂44-剪叉长臂 45-轴杆46-横槽47-连杆48-铰链座49-第二轴杆50-被隔振物体。
【具体实施方式】
[0013] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详 细说明如下，但本发明并不限于此。
[0014] 参考图1至图5 一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器，包括基座10,所述基座中部设置有 弹性升降机构20,所述弹性升降机构的上端设置有载物台30,所述载物台的两旁侧分别与 设置于基座两旁部的负刚度机构40相连接。
[0015] 本实施例中，所述弹性升降机构包括设置于基座中部的轴承座21，所述轴承座上 纵向穿设有可在轴承座内上下移动的导杆22,所述导杆的上端设置有与载物台固定连接的 固定座23,导杆上套置有夹设于固定座与轴承座之间弹簧24。
[0016] 本实施例中，所述负刚度机构包括与基座旁部固定连接的固定架41，所述固定架 内设置有下端经复位弹簧42与基座相连接的剪叉机构，所述剪叉机构的上端外侧与固定架 相铰接，剪叉机构的上端内侧设置有轴杆45,所述轴杆穿出开设于固定架上部的横槽46与 另一端铰接于载物台下部侧的连杆47相铰接。
[0017] 本实施例中，所述固定架由位于前后侧的倒LJ型架体组成，所述倒U型架体下端 与基座固定连接。
[0018] 本实施例中，所述固定架内设置有位于前后侧的两剪叉机构，所述剪叉机构的下 端分别铰接有经铰链座48与基座相连接的复位弹簧42,两剪叉机构的上端外侧经第二轴杆 49相连接，所述第二轴杆的两端分别与固定架相铰接，两剪叉机构的上端内侧经轴杆45相 连接，所述轴杆的两侧端分别穿出横槽46,轴杆可在横槽内左右滑动。轴杆穿出横槽的端部 分别与另一端对应铰接于载物台前后侧的两连杆47相铰接，从而保证两个剪叉机构同步运 动。
[0019] 本实施例中，所述剪叉机构包括下端与复位弹簧的上端相铰接的剪叉短臂43,所 述剪叉短臂的上端分别铰接有剪叉长臂44,两剪叉长臂呈交叉状且中部相铰接。将水平滑 动转变成垂直运动，具有行程放大的功能。可根据实际需要，增加剪叉机构的层数。
[0020] 本实施例中，固定架的横槽内可设置滑块或类似装置，减少与轴杆之间的摩擦。
[0021] 上述一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器的实现方法，包括以下步 骤： 1) 将一个具有一定重量且重量适宜的被隔振物体放置在载物台上，使弹簧被压缩，载 物台向下移动并带动连杆，连杆推动轴杆在固定架的横槽内水平滑动，剪叉机构向下伸展， 复位弹簧被压缩； 2) 使连杆运动水平位置，以使隔振器处于平衡位置，当外界的振动激励作用在基座时， 振动传递到隔振器上，隔振器开始工作，隔离微幅低频振动。
[0022] 在本实施例中，对隔振器进行静力学分析，隔振器结构和系统参数见图3;所述弹 簧的刚度为&，复位弹簧的刚度为&，连杆长度为<2:，剪叉机构的固定端离中心线的距离为 β;连杆与水平线的夹角为多，剪叉长臂与竖直线的夹角为:#，A点偏离平衡位置的距离为 &且向下为正，复位弹簧所产生的作用为^^。当A点作用一个竖直向下的作用力F时，A点向 平衡位置运动，且参数#、，和Μ会随着作用力F的变化而变化。
[0023]其受力如下：
将其代入上式可得如下力F与位移u之间的关系式： = f 5
选定一组系统参数:a=117.73mm，b=33.84 mm，D=179.48 mm，％=30 mm，1>=4·7Ν/ mm， fca=15 N/ mm。代入可得系统的力-位移特性曲线，如图4所示。将作用力F对u求导可得系统 的刚度K与u的关系式，即可得系统的刚度-位移特性曲线，如图5所示。从图中可以看出，隔 振系统在平衡位置处(u=0)的刚度为零，且在平衡位置附近有一段平缓区，刚度很小并接近 于零。说明隔振系统具有准零刚度特性，系统在平衡位置不仅具有较好的承载能力，而且在 该位置附近的一定范围内固有频率很低。所以隔振系统具有很低的隔振起始频率，能够实 现低频隔振。
[0024] 在本实施例中，根据以上分析得到的隔振器的工作原理如下：如图2所示，根据被 隔振物体的重量确定隔振器的各个参数，确保被隔振物体放置载物台后，系统处于平衡位 置，即连杆处于水平位置。弹簧为线性正刚度弹簧，起到支撑重物的作用。负刚度机构在垂 直方向上具有负刚度特性。根据刚度正负相消原理，弹簧与负刚度机构并联后能够使隔振 系统在平衡位置的总体刚度很低，保证系统很低的固有频率。从而大大降低系统的起始隔 振频率，实现低频隔振。
[0025] 本实施例中，负刚度机构采用了剪叉机构，与普通的负刚度机构相比，具有行程放 大的作用。当隔振器的激励振动为微小振幅时，剪叉机构能将微小振幅放大并传至复位弹 簧，复位弹簧的变形量增大，负刚度机构的介入程度提高，使得隔振器正负刚度相消的效果 更明显，发挥出隔振器非线性的隔振效果，实现微幅低频振动的隔离。
[0026] 综上所述，本实例中的一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器能够实现 微幅低频振动的隔离。与传统线性隔振器和同类隔振器相比，本实例中的隔振器在微幅低 频隔振方面有较明显的优势。并且结构简单，无需外界提供能源，适应性能强，在精密仪器、 敏感设备、精密加工、航空航天工程等领域具有一定的工程应用价值。
[0027] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发 明的教导，设计出不同形式的适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器并不需要创造性 的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变 化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
【主权项】
1. 一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器，包括基座，其特征在于，所述基座 中部设置有弹性升降机构，所述弹性升降机构的上端设置有载物台，所述载物台的两旁侧 分别与设置于基座两旁部的负刚度机构相连接。2. 根据权利要求1所述的一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器，其特征在 于，所述弹性升降机构包括设置于基座中部的轴承座，所述轴承座上纵向穿设有可活动升 降的导杆，所述导杆的上端设置有与载物台固定连接的固定座，导杆上套置有夹设于固定 座与轴承座之间弹簧。3. 根据权利要求2所述的一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器，其特征在 于，所述负刚度机构包括与基座旁部固定连接的固定架，所述固定架内设置有下端经复位 弹簧与基座相连接的剪叉机构，所述剪叉机构的上端外侧与固定架相铰接，剪叉机构的上 端内侧设置有轴杆，所述轴杆穿出开设于固定架上的横槽与另一端铰接于载物台下部侧的 连杆相铰接。4. 根据权利要求3所述的一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器，其特征在 于，所述固定架由位于前后侧的倒U型架体组成，所述倒U型架体下端与基座固定连接。5. 根据权利要求3或4所述的一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器，其特征 在于，所述固定架内设置有位于前后侧的两剪叉机构，所述剪叉机构的下端分别铰接有经 铰链座与基座相连接的复位弹簧，两剪叉机构的上端外侧经第二轴杆相连接并与固定架相 铰接，两剪叉机构的上端内侧经轴杆相连接，所述轴杆的两侧端分别穿出横槽，轴杆穿出横 槽的端部分别与另一端铰接于载物台前后侧的两连杆相铰接。6. 根据权利要求3或4所述的一种适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器，其特征 在于，所述剪叉机构包括下端与复位弹簧的上端相铰接的剪叉短臂，所述剪叉短臂的上端 分别铰接有剪叉长臂，两剪叉长臂呈交叉状且中部相铰接。7. -种如权利要求3所述的适用于隔离微幅低频振动的准零刚度隔振器的实现方法， 其特征在于，包括以下步骤： 1) 将一个具有一定重量的被隔振物体放置在载物台上，使弹簧被压缩，载物台向下移 动并带动连杆，连杆推动轴杆在固定架的横槽内水平滑动，剪叉机构向下伸展，复位弹簧被 压缩； 2) 使连杆运动水平位置，以使隔振器处于平衡位置，当外界的振动激励作用在基座时， 振动传递到隔振器上，隔振器开始工作，隔离微幅低频振动。
【文档编号】F16F7/00GK105864339SQ201610381177
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】杨晓翔, 蓝双
【申请人】福州大学