CN103363004A

CN103363004A - 滚球型准零刚度隔振器

Info

Publication number: CN103363004A
Application number: CN2013103303590A
Authority: CN
Inventors: 徐道临; 朱石坚; 王毅; 周加喜; 楼京俊; 杨庆超
Original assignee: Hunan University; Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Hunan University; Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-08-01
Also published as: CN103363004B

Abstract

本发明涉低频隔振器领域，具体涉及一种滚球型准零刚度隔振器。为解决对被隔振设备毫米级范围内的微幅振动隔振比较困难的问题，本发明提供了一种滚球型准零刚度隔振器，包括底座、上盖和连接件，核心结构包括具有负刚度的水平弹性件、具有正刚度的竖直弹性件及始终以水平中心面对齐的方式保持接触的滚球接触副，滚球接触副包括外滚球和内滚球结构，水平弹性件设置在一水平调节机构内，外滚球连接水平调节机构，内滚球结构连接一水平振动台，水平振动台由竖直弹性件支撑，竖直弹性件连接一竖直调节机构，竖直调节结构连接所述底座，外滚球和内滚球结构的直径均小于1厘米。本发明对被隔振设备的微幅振动的隔振效果好，且结构紧凑、重量轻。

Description

滚球型准零刚度隔振器

技术领域

本发明涉低频或超低频隔振器领域，具体涉及一种滚球型准零刚度隔振器。

背景技术

隔振是指通过采用附加系统隔离开振源与受控对象以达到对受控对象的振动抑制的目的。现代社会中，人们对振动环境、产品与结构振动特性的要求进一步提高，比如测量时光学隔振平台对高精密光学仪器的隔振保护、水下航行潜艇的减振降噪等，都对隔振技术的要求越来越严格。然而，传统线性隔振器逐渐暴露出一些局限性，例如线性隔振系统只有在外扰频率大于隔振器固有频率的倍时才能有隔振效果，处理局部、低频外扰时振动控制效果受到结构空间和保证稳定性等限制。从隔振原理来说，隔振器的固有频率越低，隔振效果越好；要降低隔振器额固有频率，一方面可以降低隔振器等效刚度，但是这通常要受到隔振器材料、成本等因素的制约；另一方面可以增大隔振器质量，这样一来势必造成机组功率增大，随之而来的即为机组振动量增大，形成一个恶性循环，因此增大隔振器的质量不是提高隔振性能的根本方法。近年来研究表明，准零刚度隔振系统具有高静态、低动态刚度等优良特性，可以有效降低系统的固有频率，能在低频段有效隔振又能承受较大载荷。

目前现有的准零刚度隔振器，对大位移振动有良好的隔振效果，其缺陷是当调节到平衡位置后，如果被隔振设备产生微幅振动，如1mm甚至0.1mm的振动，则达不到预期的隔振效果。例如，申请号为201210145254.3的中国发明专利申请公开了一种名称为“滑动梁和弹簧组合非线性超低频隔振器”的发明专利申请，该申请的提供的技术方案是：主要由具有负刚度的滑动弹性梁和连接在其下方的具有正刚度的弹簧组成，并设有用于滑动弹性梁连接的连接部件和用于滑动弹性梁支撑的支撑结构，滑动弹性梁在变形时具有负刚度，弹簧为正刚度，两种弹性元件的组合使用使整个隔振器具有接近零刚度的特征。该隔振器具有较大的静刚度、却具有较小的动刚度, 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，从而拥有良好的低频隔振效果；并且较大的地扩展了隔振器的有效隔振范围，可实现大的衰减。但是该专利申请的提供的隔振器仍然不能解决上述问题。

发明内容

为解决对被隔振设备的微幅振动，尤其是在毫米级范围内进行隔振比较困难的技术问题，本发明提供了一种滚球型准零刚度隔振器。

本发明所采用的具体技术方案为：

一种滚球型准零刚度隔振器，包括底座、上盖和连接件，包括具有负刚度的水平弹性件、具有正刚度的竖直弹性件及始终以水平中心面对齐的方式保持接触的滚球接触副，所述滚球接触副包括外滚球和内滚球结构，所述水平弹性件设置在一水平调节机构内，所述外滚球连接所述水平调节机构，所述内滚球结构连接一水平振动台，所述水平振动台由所述竖直弹性件支撑，所述竖直弹性件连接一竖直调节机构，所述竖直调节结构连接所述底座，所述外滚球和内滚球结构的直径均小于1厘米。

进一步的，所述水平调节机构具有一调节螺栓，所述调节螺栓内端连接一调节块，所述调节块与所述水平弹性件连接，所述水平弹性件与所述调节块设置在一燕尾槽滑块上，所述燕尾槽滑块设置在燕尾槽基座上，所述燕尾槽基座设置在所述底座上，所述外滚球通过滚球保持架固定在所述燕尾槽滑块的支架上；所述水平调节机构具有一升降齿轮，所述升降齿轮连接一过轮，所述过轮连接一手柄轴，所述升降齿轮套接在一导向套上，所述导向套固定在所述底座上，所述升降齿轮承载一推力球轴承，所述推力球轴承承载所述竖直弹性件。

进一步的，还包括一气囊，所述气囊放置在所述水平振动台上并被所述上盖容纳，所述连接件连接所述气囊与被隔振设备。

进一步的，所述内滚球结构固定在所述水平振动台下表面的一垂直板上，所述外滚球与所述内滚球结构的直径尺寸小于5毫米，并且所述内滚球结构的直径小于所述外滚球的直径。

进一步的，所述调节螺栓以螺纹连接的方式连接在所述底座的侧壁上，所述调节螺栓位于所述调节块内的部分还设有辅助块，所述辅助块助于所述调节块实现向外的移动。

进一步的，所述升降齿轮与所述导向套之间采用螺纹连接方式连接，所述过轮通过一连接键固定在一中心轴上，所述中心轴通过一深沟球轴承固定在所述底座上。

进一步的，所述水平振动台下表面中心处设有导向杆，通过所述导向杆与所述导向套的定位导向滑动保证所述水平振动台在竖直方向上移动的准确性。

进一步的，所述水平振动台上还设有指针，所述指针的安装基面与所述内滚球结构的安装基面平行。

进一步的，所述水平弹性件与所述竖直弹性件的材料为橡胶弹簧，水平弹性件与竖直弹性件的刚度比为1/1.8，以保证系统的准零刚度条件。

下面对本发明的技术原理进行分析。

对滚球型准零刚度隔振器建立数学模型并进行静力分析，如图4：竖直弹性件的刚度为k _v，水平弹性件的刚度为k _h，两个滚球的半径分别为r ₁，r ₂。静平衡位置，竖直弹性件的压缩量为Δx=Mg/k _v，水平弹性件处于水平时的压缩量为δ。在竖直向上的力f(x)的作用下，质量向上位移x，f(x)与x的关系为

Figure 2013103303590100002DEST_PATH_IMAGE002

系统刚度为

准零刚度条件

Figure 2013103303590100002DEST_PATH_IMAGE004

即

其中

Figure 2013103303590100002DEST_PATH_IMAGE006

。

满足准零刚度条件的力与位移关系

令

Figure 2013103303590100002DEST_PATH_IMAGE008

，

，

上式无量纲化得

Figure 2013103303590100002DEST_PATH_IMAGE010

满足准零刚度条件的系统刚度为

令

Figure 2013103303590100002DEST_PATH_IMAGE012

，

上式无量纲化得

Figure 2013103303590100002DEST_PATH_IMAGE014

取不同值时，

取值为

的取值范围为-1<

<1，即-(r ₁ +r ₂ )<x<(r ₁ +r ₂ )。物理意义为：当|x|>(r ₁ +r ₂）时滚球副脱开。无量纲

曲线如图4所示，当时，

越大，

曲线越平坦，小刚度区间越大。

无量纲刚度

仅取决于

，即水平弹性件处于水平位置时的压缩量与两轮半径和的比值

，与轮径的绝对大小无关。系统承载质量上下运动的幅值与轮径有关，轮径越小，对小位移的敏感性越强，最大运动幅值为两轮半径之和。

隔振系统中，水平弹性件产生非线性负刚度（类似于抛物线），竖直弹性件产生非线性正刚度，其刚度曲线与r ₁ 、r ₂和水平、竖直弹性件刚度有关，系统设计好之后，几何尺寸不能改变，可以通过调节弹性件刚度配比来改变刚度值。整个系统的刚度即是两者的合成，如图5所示。

本发明的有益效果是：

与传统的线型隔振器相比，本发明具有高静态、低动态刚度等优良性能，以此有效降低系统的固有频率，达到在低频段进行有效隔振同时又能承受较大载荷。如图6，曲线1是线型隔振器的传递率曲线，其固有频率为13.6Hz，只有当频率超过18Hz以后才有隔振效果；曲线2是本发明的传递率曲线，由图6明显可以看出，频率只要达到5Hz就有隔振效果了。本发明通过滚球副的设计，使水平弹性件作用在振动体的力矢量摆角增大，增加对被隔振设备的微幅（毫米级）振动的负刚度作用敏感性，对被隔振设备的微幅振动具有非常好的隔振效果，可实现宽频带低频隔振；而且结构紧凑、重量轻。

附图说明

图1 为本发明核心结构的简化模型图；

图2 为本发明的整体结构示意图；

图3 为本发明部分结构示意图；

图4 为本发明拟合出的结构尺寸与准零系统无量纲刚度的关系曲线；

图5 为本发明正负刚度曲线合成示意图；

图6 为本发明技术效果对比示意图；

其中：

1-连接件；2-上盖；3-气囊；4-水平振动台；5-滚球保持架；6-辅助块；7-水平弹性件；8-调节螺栓；9-调节块；10-燕尾槽滑块；11-燕尾槽基座；12-底座；13-外滚球；14-内滚球结构；15-竖直弹性件；16-推力球轴承；17-升降齿轮；18-导向套；19-指针；20-连接键；21-中心轴；22-深沟球轴承；23-过轮；24-手柄轴；25-手柄轴盖板；26-导向杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细叙述。

如图1至3所示，一种滚球型准零刚度隔振器，包括底座12、上盖2和连接件1，包括具有负刚度的水平弹性件7、具有正刚度的竖直弹性件15及始终以水平中心面对齐的方式保持接触的滚球接触副，所述滚球接触副包括外滚球13和内滚球结构14，所述水平弹性件7设置在一水平调节机构内，所述外滚球13连接所述水平调节机构，所述内滚球结构14连接一水平振动台4，所述水平振动台4由所述竖直弹性件15支撑，所述竖直弹性件15连接一竖直调节机构，所述竖直调节结构连接所述底座12，所述外滚球13和内滚球结构14的直径均小于1厘米。所述水平调节机构具有一调节螺栓8，所述调节螺栓8内端连接一调节块9，所述调节块9与所述水平弹性件7连接，所述水平弹性件7与所述调节块9设置在一燕尾槽滑块10上，所述燕尾槽滑块10设置在燕尾槽基座11上，所述燕尾槽基座11设置在所述底座12上，所述外滚球13通过滚球保持架5固定在所述燕尾槽滑块10的支架上；所述竖直调节机构具有一升降齿轮17，所述升降齿轮17连接一过轮23，所述过轮23连接一手柄轴24，所述升降齿轮17套接在一导向套18上，所述导向套18固定在所述底座12上，所述升降齿轮17承载一推力球轴承16，所述推力球轴承16承载所述竖直弹性件15。所述隔振器还包括一气囊3，所述气囊3放置在所述水平振动台4上并被所述上盖2容纳，所述连接件1连接所述气囊3与被隔振设备。所述内滚球结构14固定在所述水平振动台4下表面的一垂直板上，所述外滚球13与所述内滚球结构14的直径尺寸小于5毫米，并且所述内滚球结构14的直径小于所述外滚球13的直径。所述调节螺栓8以螺纹连接的方式连接在所述底座12的侧壁上，所述调节螺栓8位于所述调节块9内的部分还设有辅助块6，所述辅助块6助于所述调节块9实现向外的移动。所述升降齿轮17与所述导向套18之间采用螺纹连接方式连接，所述过轮23通过一连接键20固定在一中心轴21上，所述中心轴21通过一深沟球轴承22固定在所述底座12上。所述水平振动台4下表面中心处设有导向杆26，通过所述导向杆26与所述导向套18的定位导向滑动保证所述水平振动台4在竖直方向上移动的准确性。所述水平振动台4上还设有指针19，所述指针19的安装基面与所述内滚球结构14的安装基面平行。所述水平弹性件7与所述竖直弹性件15的材料为橡胶弹簧，水平弹性件与竖直弹性件的刚度比为1/1.8，以保证系统的准零刚度条件。

在使用本发明对被隔振设备进行隔振前，内滚球结构14的中心位于外滚球13球心上方，连接件1放置被隔振设备后，通过气囊3将重量传递到水平振动台4上，水平振动台4压缩竖弹性件15，使其产生一定压缩量，如果此时内滚球结构14的中心与外滚球13中心不在同一水平面，则拧动手柄轴24，通过过轮23，使升降齿轮17转动，升降齿轮17与导向套18螺纹连接，升降齿轮17沿着导向套18上下微小移动，从而使内滚球结构14的中心与外滚球13球心保持在同一水平面上；内滚球结构14与外滚球13始终保持接触，内滚球结构14的中心圆弧直径可取2mm，外滚球13直径可取3mm；水平方向拧动调节螺栓8，通过调节块压9缩水平弹性件15，最终使隔振器达到准零条件。

以上结合了附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，本领域的普通技术人员了解上述方案的内容后还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出种种变化。

Claims

1.一种滚球型准零刚度隔振器，包括底座（12）、上盖（2）和连接件（1），其特征在于，包括具有负刚度的水平弹性件（7）、具有正刚度的竖直弹性件（15）及始终以水平中心面对齐的方式保持接触的滚球接触副，所述滚球接触副包括外滚球（13）和内滚球结构（14），所述水平弹性件（7）设置在一水平调节机构内，所述外滚球（13）连接所述水平调节机构，所述内滚球结构（14）连接一水平振动台（4），所述水平振动台（4）由所述竖直弹性件（15）支撑，所述竖直弹性件（15）连接一竖直调节机构，所述竖直调节结构连接所述底座（12），所述外滚球（13）和内滚球结构（14）的直径均小于1厘米。

2.根据权利要求1所述的滚球型准零刚度隔振器，其特征在于，所述水平调节机构具有一调节螺栓（8），所述调节螺栓（8）内端连接一调节块（9），所述调节块（9）与所述水平弹性件（7）连接，所述水平弹性件（7）与所述调节块（9）设置在一燕尾槽滑块（10）上，所述燕尾槽滑块（10）设置在燕尾槽基座（11）上，所述燕尾槽基座（11）设置在所述底座（12）上，所述外滚球（13）通过滚球保持架（5）固定在所述燕尾槽滑块（10）的支架上；所述竖直调节机构具有一升降齿轮（17），所述升降齿轮（17）连接一过轮（23），所述过轮（23）连接一手柄轴（24），所述升降齿轮（17）套接在一导向套（18）上，所述导向套（18）固定在所述底座（12）上，所述升降齿轮（17）承载一推力球轴承（16），所述推力球轴承（16）承载所述竖直弹性件（15）。

3.根据权利要求2所述的滚球型准零刚度隔振器，其特征在于，还包括一气囊（3），所述气囊（3）放置在所述水平振动台（4）上并被所述上盖（2）容纳，所述连接件（1）连接所述气囊（3）与被隔振设备。

4.根据权利要求3所述的滚球型准零刚度隔振器，其特征在于，所述内滚球结构（14）固定在所述水平振动台（4）下表面的一垂直板上，所述外滚球（13）与所述内滚球结构（14）的直径尺寸小于5毫米，并且所述内滚球结构（14）的直径小于所述外滚球（13）的直径。

5.根据权利要求4所述的滚球型准零刚度隔振器，其特征在于，所述调节螺栓（8）以螺纹连接的方式连接在所述底座（12）的侧壁上，所述调节螺栓（8）位于所述调节块（9）内的部分还设有辅助块（6），所述辅助块（6）助于所述调节块（9）实现向外的移动。

6.根据权利要求5所述的滚球型准零刚度隔振器，其特征在于，所述升降齿轮（17）与所述导向套（18）之间采用螺纹连接方式连接，所述过轮（23）通过一连接键（20）固定在一中心轴（21）上，所述中心轴（21）通过一深沟球轴承（22）固定在所述底座（12）上。

7.根据权利要求2至6任一项所述的滚球型准零刚度隔振器，其特征在于，所述水平振动台（4）下表面中心处设有导向杆（26），通过所述导向杆（26）与所述导向套（18）的定位导向滑动保证所述水平振动台（4）在竖直方向上移动的准确性。

8.根据权利要求7所述的滚球型准零刚度隔振器，其特征在于，所述水平振动台（4）上还设有指针（19），所述指针（19）的安装基面与所述内滚球结构（14）的安装基面平行。

9.根据权利要求8所述的滚球型准零刚度隔振器，其特征在于，所述水平弹性件（7）与所述竖直弹性件（15）的材料为橡胶弹簧，水平弹性件与竖直弹性件的刚度比为1/1.8，以保证系统的准零刚度条件。