CN104763765B - 一种高静低动刚度的分段线性隔振器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高静低动刚度的分段线性隔振器及其工作方法，其中该分段线性隔振器包括上段弹簧、中间段弹簧和下段弹簧三段串联的弹簧；当隔振对象安装在所述分段线性隔振器的上方时，上段弹簧产生静压缩量，中间段弹簧处于预压缩状态产生预压缩量，且预压缩量大于隔振对象重量，下段弹簧处于预拉伸状态产生预拉伸量，且预拉伸量也大于隔振对象重量。该分段线性隔振器能够实现高的静刚度和低的动刚度性能要求，从而达到既保证静平衡位置稳定性，又有效提高低频隔振效果的目的。

Description

一种高静低动刚度的分段线性隔振器及其工作方法

技术领域

本发明属于结构振动噪声控制领域，尤其涉及一种高静低动刚度的分段线性隔振器及其工作方法。

背景技术

振动隔离是具有悠久发展历史和广泛工程应用的减振措施，目前使用最为广泛的是线性隔振器。在振动隔离技术中，减小隔振器刚度是提高隔振效果的一般方法，但隔振器刚度不可以无限制降低，因为过于柔软的隔振器受机器重力作用将出现很大的静变形量，使系统稳定性变差。理想的隔振装置应具有高的静刚度和低的动刚度，高的静刚度是保证系统安装精度和稳定性的必要措施，尽可能低的动刚度才能保证尽可能高的隔振效果。

鉴于低频隔振一直是比较困难的问题，为了提高隔振效果，一些非线性隔振器，如空气弹簧、钢丝绳隔振器等，在工程实际中的应用越来越广泛。一般认为，非线性隔振器可以实现比线性隔振器更低的固有频率。近年来在非线性隔振器技术的一些研究报道中，提及了一种负刚度机制，通过设计正负刚度并联的非线性隔振器，实现高静低动刚度隔振机理。例如，由斜向布置的薄壁梁和竖直弹簧并联组成一种正负刚度并联的弹性机构；或将一个机械弹簧与一对磁性弹簧并联，当隔振对象偏离静平衡位置时，由磁性弹簧提供负刚度机制。这些正负刚度并联隔振器设计可以降低隔振器的基频，从而改善中、低频的隔振效果。但是这种隔振器的缺点是在静平衡位置的稳定性差，外界载荷的变化可能使系统大幅度偏离平衡位置，因而不适用于对稳定性有严格要求的场合，如有发动机轴对中要求的系统。

当前非线性隔振器设计普遍存在一些问题：(1)在静平衡位置的稳定性差，外界载荷的变化可能使系统大幅度偏离平衡位置；(2)在低频阶段的隔振效果不好。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种高静低动刚度的分段线性隔振器及其工作方法，该分段线性隔振器能够实现高的静刚度和低的动刚度性能要求，从而达到既保证静平衡位置稳定性，又有效提高低频隔振效果的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高静低动刚度的分段线性隔振器，包括上段弹簧、中间段弹簧和下段弹簧三段串联的弹簧；

当隔振对象安装在所述分段线性隔振器的上方时，上段弹簧产生静压缩量，中间段弹簧处于预压缩状态产生预压缩量，且预压缩量大于隔振对象重量，下段弹簧处于预拉伸状态产生预拉伸量，且预拉伸量也大于隔振对象重量。

所述上段弹簧、中间段弹簧和下段弹簧均为线性弹簧，其刚度分别为K₁、K₂和K₃。

所述中间段弹簧的刚度K₂与下段弹簧的刚度K₃相等。

所述分段线性隔振器包括三种工作状态：

当隔振对象安装在所述分段线性隔振器的上方，上段弹簧产生静压缩量，此时分段线性隔振器处于静平衡工作状态，其刚度值k₁＝K₁；

当隔振对象产生振动时，向下的交变激励与隔振对象重力之和大于中间段弹簧的预压缩量时，隔振器处于压缩工作状态，其刚度值k₂满足：

且k₂＜k₁；

当隔振对象产生振动时，向上的交变激励与隔振对象重力之差大于下段弹簧的预拉伸量时，隔振器处于拉伸工作状态，其刚度值k₃满足：

且k₃＜k₁。

所述上段弹簧的刚度为K₁满足下列条件：

δ_s≥mg/K₁

其中，δ_s表示分段线性隔振器的最大定静沉降量；m表示隔振对象的质量。

一种高静低动刚度的分段线性隔振器的工作方法，包括：

(1)当隔振对象安装在所述分段线性隔振器的上方，上段弹簧产生静压缩量，此时分段线性隔振器处于静平衡工作状态，分段线性隔振器的刚度值k₁与上段弹簧的刚度K₁相等；

(2)当隔振对象产生振动时，向下的交变激励与隔振对象重力之和大于中间段弹簧的预压缩量时，隔振器处于压缩工作状态，分段线性隔振器的刚度值k₂等于上段弹簧与中间段弹簧串联的刚度值，且k₂＜k₁；

(3)当隔振对象产生振动时，向上的交变激励与隔振对象重力之差大于下段弹簧的预拉伸量时，隔振器处于拉伸工作状态，分段线性隔振器的刚度值k₃等于上段弹簧与下段弹簧串联的刚度值，且k₃＜k₁。

本发明的有益效果为：

(1)本发明可以根据不同的应用场景或者不同的工况以及设备重量的不同情况，对分段线性隔振器的静平衡点σ、上段弹簧的刚度K₁以及中间段弹簧的刚度和下段弹簧的刚度K₂的取值进行合理设计；

(2)本发明还可以使系统的共振频率减小，同时使基频共振峰减小并趋于消失，从而增大隔振频带，可以在保证系统稳定性的前提下，使隔振器的有效隔振频带向低频拓展，从而有效改善低频隔振效果。

附图说明

图1是本发明的分段线性刚度隔振支承力-位移曲线；

图2是本发明的高静低动刚度的分段线性隔振器结构原理图；

图3是本发明的不同静平衡点σ对分段线性隔振器的功率流的曲线；

图4是本发明的不同参数K₂对分段线性隔振器的功率流的曲线。

其中，1、上段弹簧；2、中间段弹簧；3、下段弹簧；4、隔振对象。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图2所示，一种高静低动刚度的分段线性隔振器，包括上段弹簧1、中间段弹簧2和下段弹簧3三段串联的弹簧；

所述上段弹簧1的刚度为K₁，当隔振对象4安装在所述分段线性隔振器的上方，上段弹簧1产生静压缩量；所述中间段弹簧2的刚度为K₂，中间段弹簧2处于预压缩状态，其预压缩量大于隔振对象重量，其中K₂<K₁；所述下段弹簧3的刚度为K₃，K₃的值可以设置与K₂相等，下段弹簧3处于预拉伸状态，其预拉伸量也大于隔振对象重量。

本发明的高静低动刚度的分段线性隔振器包括三种工作状态，如图1所示：

(1)当隔振对象安装在所述分段线性隔振器的上方，上段弹簧产生静压缩量，此时分段线性隔振器处于静平衡工作状态，此时分段线性隔振器的刚度值k₁＝K₁；

(2)当隔振对象产生振动时，向下的交变激励与隔振对象重力之和大于中间段弹簧的预压缩量时，隔振器处于压缩工作状态，此时分段线性隔振器的刚度值k₂为K₁和K₂的串联，即

(3)当隔振对象产生振动时，向上的交变激励与隔振对象重力之差大于下段弹簧的预拉伸量时，隔振器处于拉伸工作状态，此时分段线性隔振器的刚度值k₃为K₁和K₃的串联，即由于K₃＝K₂，所以k₃＝k₂；本发明的高静低动刚度的分段线性隔振器须保证k₂＜k₁且k₃＜k₁。

其中，所述上段弹簧的刚度为K₁满足下列条件：

δ_s≥mg/K₁

其中，δ_s表示分段线性隔振器的最大定静沉降量；m表示隔振对象的质量。

本发明的高静低动刚度的分段线性隔振器的工作原理为：

当隔振器的弹性元件的位移在静平衡点σ邻域内时，隔振器的刚度值k₁相对较大，当位移静平衡点σ邻域之外时，隔振器的刚度值k₂相对较小，且其刚度关于静平衡点对称，这样可以保证系统静变形量小的同时降低隔振器的固有频率。本发明的隔振器的力和位移曲线如图1所示。

其中，分段线性隔振器的静平衡点σ、上段弹簧1的刚度以及中间段弹簧2的刚度和下段弹簧3的刚度的值会影响隔振器的隔振效果。

根据不同的应用场景或者不同的工况以及设备重量的不同情况，对静平衡点σ、k₁和k₂取值进行合理设计，可以使隔振器的共振频率减小，同时使基频共振峰减小并趋于消失，从而增大隔振频带，有效改善低频隔振效果。由于σ和k₁的设计中已包含了隔振器的稳定性要求，因此经过适当设计的这种分段线性隔振器可以达到高静低动刚度要求，实现较现有线性和非线性隔振器更好的隔振效果。

图1中位移等于δ_s的位置，也就是整个隔振器的静沉降量，此时隔振器处于静平衡位置，中间段弹簧2由于有预压缩量而不对δ_s产生贡献。

图3和图4是下段弹簧3的刚度为K₃值设置与中间段弹簧2的刚度K₂相等为例，针对某四支承结构的具有分段线性刚度特性的隔振器的理论功率流频谱分析，此处功率流是评价系统隔振效果的技术指标，功率流越小表明隔振效果越好。从图中可以看出系统的共振频率减小，同时共振峰值减小并趋于消失，隔振频带增大，有效地改善了低频隔振效果。图3和图4中k₂<k₁。与线性隔振器相比，分段线性隔振器的共振峰值减小且前移，隔振频带增大，可有效改善低频隔振效果；在中高频域内隔振效果主要取决于k₁。

图3对σ不同取值进行了比较，在低频段3Hz-60Hz范围内，减小σ可使系统的共振频率减小，并使低频段上的功率流减小，但σ过小也不利于系统的稳定性。较大的σ会减弱k₂取值对系统的影响，当σ取值较大时，即使k₁的值很小，功率流并未减小，所以σ值不能过大。因此在满足静刚度的前提下，应该合理调整σ值。

图4为当σ取值固定时，k₁的变化对功率流的影响。随k₁减小，系统的共振峰值左移，并趋于消失，隔振频带增大，功率流减小，k₁越小系统的隔振效果越好，但是k₁值的变化对系统高频段功率流传递基本没有影响。因此合理控制σ并减小k₁可以有效改善低频阶段的隔振效果。

其中，所述下段弹簧3的刚度为K₃也可以设计成与中间段弹簧2的刚度为K₂不相等的情况，其结构和工作原理以及工作过程均与K₃＝K₁的情况类似，处于静平衡工作状态的分段线性隔振器刚度值k₁、处于压缩工作状态的分段线性隔振器刚度值k₂和处于拉伸工作状态的、的分段线性隔振器刚度值k₃分别满足下列公式：k₁＝K₁；且保证k₂＜k₁和k₃＜k₁。

振动隔离是广泛应用的减振措施，遍布于船舶、车辆、飞机、化工、建筑、工程机械等各个领域。利用如图1所示刚度本构关系的隔振器设计隔振器，可以达到高静低动刚度要求，实现较现有线性和非线性隔振器更好的隔振效果。

(1)车辆在行驶过程中，将不可避免地承受各种振动、冲击、持续动力载荷作用等机械因素的影响，并且汽车运输振动的能量尤其以0～20Hz频带范围更为集中，因此，有效地隔离低频振动尤为重要；本隔振器设计可以有效地改善低频阶段的隔振效果。

(2)精密机械系统中，振动是降低系统性能的一个重要因素，对精密加工和测量生产造成不良影响的振动频率主要是在0.5～70Hz范围的低频微幅振动；本隔振器可以提高系统隔离低频振动的能力。

(3)船舶和海洋平台多处在复杂的海况中，恶劣且复杂的环境载荷的作用以及舰船自身的宽频带振动，给舰载精密仪器仪表的正常使用带来了严峻的挑战；本设计具有高静刚度和低动刚度的特点，使其可以在满足静承载力要求的前提下很好地实现低频宽带隔振。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种高静低动刚度的分段线性隔振器，其特征在于，包括上段弹簧、中间段弹簧和下段弹簧三段串联的弹簧；

当隔振对象安装在所述分段线性隔振器的上方时，上段弹簧产生静压缩量，中间段弹簧处于预压缩状态产生预压缩量，且预压缩量大于隔振对象重量，下段弹簧处于预拉伸状态产生预拉伸量，且预拉伸量也大于隔振对象重量。

2.如权利要求1所述的一种高静低动刚度的分段线性隔振器，其特征在于，所述上段弹簧、中间段弹簧和下段弹簧均为线性弹簧，其刚度分别为K₁、K₂和K₃。

3.如权利要求2所述的一种高静低动刚度的分段线性隔振器，其特征在于，所述中间段弹簧的刚度K₂与下段弹簧的刚度K₃相等。

4.如权利要求1所述的一种高静低动刚度的分段线性隔振器，其特征在于，所述分段线性隔振器包括三种工作状态：

当隔振对象安装在所述分段线性隔振器的上方，上段弹簧产生静压缩量，此时分段线性隔振器处于静平衡工作状态，其刚度值k₁＝K₁；

当隔振对象产生振动时，向下的交变激励与隔振对象重力之和大于中间段弹簧的预压缩量时，隔振器处于压缩工作状态，其刚度值k₂满足：

且k₂＜k₁；

当隔振对象产生振动时，向上的交变激励与隔振对象重力之差大于下段弹簧的预拉伸量时，隔振器处于拉伸工作状态，其刚度值k₃满足：

且k₃＜k₁。

5.如权利要求2或4所述的一种高静低动刚度的分段线性隔振器，其特征在于，所述上段弹簧的刚度为K₁满足下列条件：

δ_s≥mg/K₁

其中，δ_s表示分段线性隔振器的最大定静沉降量；m表示隔振对象的质量。

6.一种如权利要求1所述的高静低动刚度的分段线性隔振器的工作方法，其特征在于，包括：

(1)当隔振对象安装在所述分段线性隔振器的上方，上段弹簧产生静压缩量，此时分段线性隔振器处于静平衡工作状态，分段线性隔振器的刚度值k₁与上段弹簧的刚度K₁相等；

(2)当隔振对象产生振动时，向下的交变激励与隔振对象重力之和大于中间段弹簧的预压缩量时，隔振器处于压缩工作状态，分段线性隔振器的刚度值k₂等于上段弹簧与中间段弹簧串联的刚度值，且k₂＜k₁；

(3)当隔振对象产生振动时，向上的交变激励与隔振对象重力之差大于下段弹簧的预拉伸量时，隔振器处于拉伸工作状态，分段线性隔振器的刚度值k₃等于上段弹簧与下段弹簧串联的刚度值，且k₃＜k₁。

7.如权利要求6所述的一种高静低动刚度的分段线性隔振器的工作方法，其特征在于，所述中间段弹簧的刚度K₂与下段弹簧的刚度K₃相等。

8.如权利要求6所述的一种高静低动刚度的分段线性隔振器的工作方法，其特征在于，所述上段弹簧的刚度为K₁满足下列条件：

δ_s≥mg/K₁

其中，δ_s表示分段线性隔振器的最大定静沉降量；m表示隔振对象的质量。