CN103244596B - 模块化参数可调动力减振器及其参数给定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种参数可调节型动力减振装置,该动力减振器主要由底座、联接座、铰支座、杠杆下臂、杠杆上臂、微调弹簧、导轨,质量块、托盘、主弹簧、微调阻尼、主阻尼、并联孔组成;底座与联接座用螺栓连接,铰支座用螺栓连接在联接座上;弹簧和阻尼具有模块化结构,杠杆下臂和杠杆上臂通过连接轴相连,托盘经连接块通过连接轴铰接在杠杆上臂上;质量块通过锁紧螺栓固定在托盘上,托盘上设有滑道,能与导轨组成滑动副,托盘与主阻尼和主弹簧联接;联接座与主阻尼和主弹簧联接,托盘开有并联销。本发明的目的在于克服现有的动力减振器可移植性差、参数不可变等方面存在的缺点和不足。
Description
技术领域:
本发明涉及一种参数可调节型动力减振装置,可适用于不同减振器类型、不同安装表面、不同参数情况下的减振需求,属于机械振动力学领域。
背景技术:
目前,动力减振器主要为有阻尼动力减振器和无阻尼动力减振器两种类型。无阻尼动力减振器主要应用于频率成分固定、波动较小的减振场合;而有阻尼动力减振器主要应用于某一频带内的减振场合。但是无论哪种减振器,都是针对个别设备而设计的,应用在固定场合,自身参数改变较困难,一旦设计完成,其自身参数便确定,不可改变,可移植性差。即使应用于同一类对象,对不同个体时,由于振动频率差异、安装表面差异等等因素,都需重新设计、制造、装备减振装置,给人们带来很大不便。
发明内容:
发明目的:本发明提出一种模块化动力减振器及其参数给定方法,其目的在于克服现有的动力减振器可移植性差、参数不可变等方面存在的缺点和不足。
本发明是通过以下技术方案来实现的:
一种模块化参数可调动力减振器,其特征在于:该动力减振器主要由底座、联接座、铰支座、杠杆下臂、杠杆上臂、微调弹簧、导轨,质量块、托盘、主弹簧、微调阻尼、主阻尼、并联孔组成;底座与联接座用螺栓连接,以实现不同表面情况的安装需求;铰支座用螺栓连接在联接座上;弹簧和阻尼具有模块化结构,杠杆下臂和杠杆上臂通过连接轴相连,固定在铰支座上,以实现阻尼和弹簧参数微调;托盘经连接块通过连接轴铰接在杠杆上臂上;质量块中有尺寸固定的孔,与托盘相互配合,通过锁紧螺栓固定在托盘上,对质量参数进行调节;托盘上设有滑道,能与导轨组成滑动副,使托盘沿固定方向滑动;托盘上还设有主阻尼和主弹簧联接装置,与主阻尼和主弹簧联接;联接座同样设有联接装置,与主阻尼和主弹簧联接;托盘开有并联销,实现动力减振器的并联连接。
底座与联接座和铰支座设有尺寸和位置固定的联接孔,通过螺栓紧固,以在不同表面上安装。
弹簧和阻尼具有模块化结构,可以选择不同类型连接在铰支座上;杠杆下臂、旋转弹簧臂或旋转阻尼臂上设有与联接座上联接孔形状、位置、尺寸相同的螺栓连接孔,通过螺栓紧固。
主阻尼和微调阻尼模块可拆卸,有阻尼动力减振器安装主阻尼和微调阻尼模块,而无阻尼动力减振器上无主阻尼和微调阻尼模块。
弹簧、阻尼的微调结构设置在杠杆下臂、杠杆上臂之间,杠杆下臂和杠杆上臂设有滑动槽,弹簧、阻尼的微调结构通过锁紧轮和锁紧销固定和在滑动槽中滑动;旋转弹簧或阻尼结构设置在旋转弹簧臂、旋转阻尼臂上。
质量可调结构由托盘、定位销和质量块组成;托盘上设有定位销,其位置和形状尺寸固定;质量块具有同样位置和形状尺寸的连接孔。
一种如上所述模块化参数可调动力减振器的参数给定方法,其特征在于:该动力减振器微调结构采用杠杆原理,参数c是时刻变化的,需要根据力臂的不同来调节弹簧和阻尼的参数;动力减振器在工作时,对于弹簧竖直放置时,弹簧、阻尼微调结构的等效参数给定方法要满足:对于弹簧竖直放置时,弹簧、阻尼微调结构的等效参数给定方法要满足公式(13)~(22).
优点及效果:该动力减振器将联接座尺寸参数化,在不同安装条件下,只需要提供与联接座相同形位公差的底座即可,大大提高了减振器的可移植性。并且该减振器将各功能模块化,根据不同情况选择不同的模块,不仅能实现有阻尼—无阻尼减振器类型的转换,而且将质量、阻尼和弹簧参化,满足在不同条件下调节减振器本身的参数的需求。应用杠杆原理,动力减振器具有弹簧、阻尼微调结构,可以配合主弹簧、主阻尼对整个动力减振器参数进行调节,满足实际工程需要,达到减振效果。质量调节采用质量块叠加原理,在一定步长范围内,可以满足质量连续可调需求。
附图说明:
图1为无阻尼动力减振器数学模型;
图2为无阻尼动力减振器幅值响应曲线;
图3为有阻尼动力减振器数学模型;
图4为有阻尼动力减振对不同阻尼比器幅值响应曲线;
图5为有阻尼动力减振器对给定设计方法幅值响应曲线对比图;
图6为弹簧、阻尼等效质量算法图;
图7为动力减振器的主视图;
图8为动力减振器等轴测图;
图9为动力减振器微调结构,在弹簧(阻尼)竖直时示意图;
图10为动力减振器微调结构,在弹簧(阻尼)倾斜时的示意图;
图11为采用旋转弹簧、阻尼动力减振器主视图;
图12为联接座主视图;
图13为动力减振器在应用在管道上的连接图;
图14为动力减振器并联连接图。
附图中,各标号对应的零件或结构名称如下:
1、底座;2、联接座;3、铰支座;4、杠杆下臂;5、连接轴;6、杠杆上臂;7、锁紧轮;8、微调弹簧;9、连接块;10、定位销;11、锁紧螺丝;12、导轨;13、质量块;14、托盘;15、主弹簧;16、滑动槽;17、微调阻尼;18、主阻尼;19、锁紧销;20、旋转弹簧臂;21、传力块;22、旋转阻尼器;23、旋转阻尼臂;24、并联孔;25、联接孔;26、挂载块;27、锁紧带;28、管道;29、并联销。
实施方式:
一种动力减振器,主要由底座1、联接座2、铰支座3、杠杆下臂4、杠杆上臂6、微调弹簧8、导轨12,质量块13、托盘14、主弹簧15、微调阻尼17、主阻尼18、并联孔24组成。
无阻尼动力减振器的模型可以简化成图1。原系统简化成k1、m1,减振器简化成k2、m2,系统振动频率为ω。则原有单自由度系统变成了两自由度系统。
此时根据系统结构可得运动方程为:
根据方程(1),用复变函数得到其解为:
其中:
m1——原振动质体质量 k1——原振动系统刚度
m2——减振器参振质量 k2——减振器参振刚度
c——减振器参振阻尼(考虑阻尼时) x1——原振动质体位移
x2——减振器参振质体位移 F1——原振动质体激振力
ω——振动质体激振频率 ——主系统固有频率;
X0=Fk1——主系统的等效静位移; ——减振器固有频率;
μ=m2m1——减振器质量与主系统质量比。
根据如上方程,当ω=ω2±Δω时,主系统质量振幅接近为零,其振幅曲线如图2所示。
有阻尼动力减振器简化模型如图3。原系统简化成k1、m1,减振器简化成k2、m2、c2,系统振动频率为ω。此时根据系统结构可得运动方程为:
方程解为:
(4)
式中,a=(k1-ω2m1)(k2-ω2m2)-ω2k2m2,b=ωc(k1-ω2m1-ω2m2)
引入下列符号:
把系统振幅写成无量纲形式,有:
根据上式,绘出有阻尼动力减振器振幅曲线如图4。在图中我们看到所有的响应曲线都交于S和T点。S和T点对应的r值可由两个不同阻尼值的响应曲线求得。最方便的就是当ζ=0和ζ=∞时的振幅值相等得到,即:
(6)取正号,有μr4=0,r=0,这不是我们想要的结果;取负号,有:
由(7)求得S、T点对应的rS、rT表达式。将其带入阻尼值响应方程,得到:
(8)
对于工程问题,只要使X1在允许值范围就可以了,不一定要达到零。所以将X1设计成某个响应曲线最大值,并且使X1T=X1S即可。由X1T=X1S得:
带入式(7),得:
从而有:
这样就确定了μ值,进而确定了减振器质量m2。将μ带入(9)即得到δ值,从而确定了ω2值,从而确定了弹簧常数k2。最后确定c。为了使X1T和X1S为响应曲线最大值,使其有水平切线,从而得到ζ值,但X1T和X1S的ζ值并不相等,故取平均值,得:
根据以上方法即可确定减振器m2、k2、c的参数。图5即为不同参数有阻尼动力减振器对系统幅值影响,我们看到,给定设计方法(虚线所示)的计算值将振幅控制在期望值以下,符合实际要求。
动力减振器底座1与联接座2和铰支座3用螺栓连接,根据不同的安装条件,实现在不同表面情况的安装需求。在不同工况下,只需制作相应要求的底座1,并在底座1上加工和并联座2相同的形状与位置的螺栓联接孔25即可。底座1与联接座2和铰支座3通过螺栓紧固联接,大大提高了动力减振器的可移植性。在更换安装条件情况下,不需要重新设计结构,只需提供响应的底座1即可,节约了成本和时间。
弹簧和阻尼设计成模块化结构,铰支座3、旋转弹簧臂20或旋转阻尼臂23设有与联接座2上联接孔25相同位置和形状尺寸的螺栓连接孔,选择好相应的模块和参数后,只需要和底座1和联接座2一起锁紧即可。这样的结构,不仅能在不同情况下根据具体情况更换模块,实现不同类型弹簧、阻尼模块的切换;也使减振器的设计简化,缩短了整体开发到实用的时间。通过这样的结构,还可以实现有阻尼动力减振器和无阻尼动力减振器之间的切换。有阻尼动力减振器要安装主阻尼18和微调阻尼17结构,而无阻尼动力减振器不安装上述模块即可。同样,主阻尼18也是通过销轴或是连接轴与联接座2与托盘14相连,方便安装和拆卸。
动力减振器弹簧、阻尼微调结构,是由杠杆下臂4、杠杆上臂6和微调阻尼17和微调弹簧组8成。杠杆下臂4、杠杆上臂6设有滑动槽16,锁紧销19可以再其中滑动;杠杆力臂的长短可由锁紧销19在滑动槽16中的位置决定;确定位置后,将锁紧轮7旋转锁紧,即完成了锁紧销19在滑动槽16中的定位;对于旋转弹簧、阻尼结构,滑动槽16设置在旋转弹簧臂20、旋转阻尼臂23和托盘14上,同上调节锁紧销19的位置,这样也可以实现上述功能。
图9为弹簧、阻尼微调结构等效参数的给定方法示意图,微调结构的给定方法如式(13)—(20),图10所示旋转弹簧、阻尼微调结构等效参数的给定方法,只要坐标x,v替换成角度θ和ω角加速度即可。对于其它类似结构,只要采取广义坐标系,如式(13)—(20)即可得到响应的等效参数。
动力减振器微调结构采用杠杆原理,根据力臂的不同来调节弹簧和阻尼的参数。如图7所示结构,弹簧等效刚度和阻尼等效参数给定方法如下。如图9,动力减振器在工作时,参数c是时刻变化的,这里取在平衡位置即弹簧或阻尼竖直时的情况作为受力分析。若弹簧竖直放置,计算方法较为简单。设杠杆(4)、(6)臂长度为l,锁紧销(19)到杠杆连接轴(5)的长度为a,与连接块(9)相连的连接轴(5)位移为x,速度为v,锁紧销(19)位移为x’,速度为v’,弹簧刚度为k,阻尼大小c,等效弹簧刚度为k’,等效c’。
对于弹簧:
即
对于阻尼:
即
若处在平衡位置时,弹簧、阻尼倾斜放置,如图10,那么有对于弹簧:
弹簧作用点位移为:
弹簧实际位移为:
x''=x'·sinθ(19)由力学方程式,得:
(k'·x)·l=(k·x'')·sinθ·(l-a)
等效刚度为:
同理等效阻尼为:
直线弹簧和阻尼的等效质量算法如图6:
弹簧的质量为m,建立如图坐标系,在坐标为x处的质点速度为x’,设整个弹簧能量没有耗散,那么弹簧具有的最大动能为:
显然,弹簧的等效质量为
阻尼质量为m’,建立如图坐标系,在t时刻,坐标为x处的质点速度为x’,那么阻尼具有的能为:
显然,弹簧的等效质量为
如上所述,我们可以通过改变参数a,b,d,l来调节微调结构的等效弹簧刚度和阻尼大小来改变整个系统的参数。
动力减振器的质量具有可调结构,托盘14上设有定位销10,其形状和位置尺寸固定;质量块13具有同样的结构;质量块13如天平砝码,设计成不同大小,在一定步长情况下,质量连续可调,这样可以根据如上等效参数给定方法调节质量大小,满足工况需要。
如果实际情况相对所选的动力减振器来说需要的参数过大,直接选用单个动力减振器不能满足要求或是使减振器性能下降,可以通过动力减振器并联联接来实现需求,并联时要保证动力减振器的模块和响应的参数选择相同。托盘14上开有并联孔24,不同托盘14间可以通过并联销29联接。由于两个动力减振运动情况相同,并联销29主要起保持减振器振幅相位一致的作用,这样即达到上述要求。
无阻尼动力减振器具有参数调节特功能,当不装载阻尼模块,只装有主弹簧15和微调弹簧8模块时即为无阻尼减振器。实际情况下,根据参数要求,选择小于并且最接近计算弹簧刚度的主弹簧15;微调弹簧8选择参数要略大于计算刚度和主弹簧15差值,用以上算法计算出锁紧销19在滑动槽16中的位置,通过锁紧轮将锁紧销19锁紧即可;质量的计算同样,如上方法,考虑将减振器给系统附加质量,再根据以上算法计算出减振器质量块13的计算质量,减掉减振器给系统带来的附加质量,通过调节安装在做盘14上质量块13的大小,满足质量要求。
有阻尼动力减振器同样具有整体参数调节功能,主弹簧15、主阻尼18可根据参数需求,选择参数值要小于计算值并且最接近计算值大小的阻尼和弹簧安装在托盘14和并联接座2之间;微调结构阻尼17和微调弹簧8选择数值略大于计算值和主弹簧15和主阻尼18之差的弹簧和阻尼器,用以上等效参数给定方法得出各锁紧销19在滑动槽16中的位置,通过锁紧轮将锁紧销19锁紧即可;同无阻尼减振器设计相同,不赘述。
Claims (6)
1.一种模块化参数可调动力减振器,其特征在于:该动力减振器主要由底座(1)、联接座(2)、铰支座(3)、杠杆下臂(4)、杠杆上臂(6)、微调弹簧(8)、导轨(12),质量块(13)、托盘(14)、主弹簧(15)、微调阻尼(17)、主阻尼(18)、并联孔(24)组成;底座(1)与联接座(2)用螺栓连接,以实现不同表面情况的安装需求;铰支座(3)用螺栓连接在联接座(2)上;弹簧和阻尼具有模块化结构,杠杆下臂(4)和杠杆上臂(6)通过连接轴(5)相连,固定在铰支座(3)上,以实现阻尼和弹簧参数微调;托盘(14)经连接块(9)通过连接轴(5)铰接在杠杆上臂(6)上;质量块(13)中有尺寸固定的孔,与托盘(14)相互配合,通过锁紧螺栓固定在托盘(14)上,对质量参数进行调节;托盘(14)上设有滑道,能与导轨(12)组成滑动副,使托盘(14)沿固定方向滑动;托盘(14)上还设有主阻尼(18)和主弹簧(15)联接装置,与主阻尼(18)和主弹簧(15)联接;联接座(2)同样设有联接装置,与主阻尼(18)和主弹簧(15)联接;托盘(14)开有并联销(29),实现动力减振器的并联连接。
2.根据权利要求1所述的模块化参数可调动力减振器,其特征在于:底座(1)与联接座(2)和铰支座(3)设有尺寸和位置固定的联接孔(25),通过螺栓紧固,以在不同表面上安装。
3. 根据权利要求1所述的模块化参数可调动力减振器,其特征在于:弹簧和阻尼具有模块化结构,可以选择不同类型连接在铰支座(3)上;杠杆下臂(4)、旋转弹簧臂(20)或旋转阻尼臂(23)上设有与联接座(2)上联接孔(25)形状、位置、尺寸相同的螺栓连接孔,通过螺栓紧固。
4. 根据权利要求1所述的模块化参数可调动力减振器,其特征在于:主阻尼(18)和微调阻尼(17)模块可拆卸,有阻尼动力减振器安装主阻尼(18)和微调阻尼(17)模块,而无阻尼动力减振器上无主阻尼(18)和微调阻尼(17)模块。
5. 根据权利要求3所述的模块化参数可调动力减振器,其特征在于:弹簧、阻尼的微调结构设置在杠杆下臂(4)、杠杆上臂(6)之间,杠杆下臂(4)和杠杆上臂(6)设有滑动槽(16),弹簧、阻尼的微调结构通过锁紧轮(7)和锁紧销(19)固定和在滑动槽(16)中滑动;旋转弹簧或阻尼结构设置在旋转弹簧臂(20)、旋转阻尼臂(23)上。
6. 根据权利要求1所述的模块化参数可调动力减振器,其特征在于:质量可调结构由托盘(14)、定位销(10)和质量块(13)组成;托盘(14)上设有定位销(10),其位置和形状尺寸固定;质量块(13)具有同样位置和形状尺寸的连接孔。
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