CN105667721A - 超低频海洋探测器隔振浮标 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低频海洋探测器隔振浮标，包括姿态保持器和隔振平台。姿态保持器由球状外壳、中环、内壳、中环力矩器、内壳力矩器构成。隔振平台安装于内壳，由导向座、导向柱、正刚度弹簧、正刚度调节螺母，承载台、活页、负刚度传递杆、负刚度弹簧、负刚度调节螺母，负刚度弹簧导向座，向心关节轴承构成。本发明将正刚度弹簧与负刚度弹簧机构并联，使隔振平台具有高静刚度、低动刚度的特性，并且正负刚度均可调节。本发明适用于有外部激励的环境，尤其是超低频激励环境，可以给海洋探测器提供多自由度的隔振保护，并能实现姿态自持。

Description

超低频海洋探测器隔振浮标

技术领域

本发明属于非线性隔振技术领域，具体涉及一种超低频海洋探测器隔振浮标。

背景技术

当今，开发海洋蓝色国土，拓展生存和发展空间，已上升为世界沿海各国的国家战略，海洋资源探测开发刻不容缓。各类海洋探测器是智慧海洋建设的有利工具，但由于工作环境的特殊性，海洋探测器经常受到来自海洋环境的振动冲击干扰，其中低频振动冲击问题尤为严重。需要设计一种可自行保持姿态的超低频非线性隔振器，用于搭载各种海洋探测器，为我国进行海洋开发打下坚实基础，提高我国海洋竞争力。

线性隔振技术是应用广泛的传统隔振技术，但其低频隔振效果取决于隔振系统固有频率，降低系统固有频率可得到较好的低频隔振性能，但系统的静态位移必然增大，这在有限空间中是需要避免的。鉴于线性隔振技术的不足，国内外针对低频非线性隔振技术开展了广泛研究，主要包括被动非线性隔振技术、主动隔振技术、半主动隔振技术等。主动隔振与半主动隔振对低频激励的隔振效果比较理想，但成本高，机构复杂且需要外界能量。相比之下被动非线性隔振技术成本低，在不需要外界能量输入的前提下能实现超低频隔振，目前应用中有空气弹簧技术和正负刚度弹簧并联技术。

空气弹簧具有动态刚度低、静态位移小的优点，但其隔振频率很难降低至2赫兹以下，对于更低的超低频激励起不到隔振作用。现代高精密度的生产设备和科学仪器对振动、冲击控制的要求越来越高，采用含有正、负刚度并联弹性元件的隔振器和缓冲器进行振动、冲击的控制就是为满足这一要求而发展起来的一项新技术。正负刚度弹簧并联技术虽已研究多年，但应用并不广泛，主要集中在例如光学平台、一些高精度检测设备的隔振系统中。相比于陆上的各类平台，海洋环境更恶劣，低频海水水平波动与垂直波动同时存在，且力学冲击、波动幅度更大。海水运动直接影响着海洋探测器的工作稳定性，为了保证海洋探测器的高精度探测能力，隔振系统需要在姿态保持、隔振行程、抗冲击强度等方面对海洋探测器提供更好的隔振保护，已有平台隔振研究成果不再适用。

综上所述，现有隔振技术在海洋探测器隔振系统上的应用有以下不足：

1、线性隔振技术的低频隔振效果取决于隔振系统固有频率，但线性系统在降低系统固有频率的同时，系统的静态位移必然增大，这不利于海洋探测器隔振系统的隔振行程设计。

2、主动隔振与半主动隔振对低频激励的隔振效果比较理想，但成本高，机构复杂且需要外界能量。

3、空气弹簧具有动态刚度低、静态位移小的优点，但其隔振频率很难降低至2Hz以下，对于更低的超低频激励起不到隔振作用。

4、相比于陆上平台，海水水平、垂直方向的低频波动同时存在，且力学冲击、波动幅度更大，海洋探测器隔振系统需要有良好的姿态保持能力和高强度抗冲击能力，在水平和垂直方向均需要保证较大的隔振行程，已有工作平台上的正负刚度弹簧并联技术隔振研究成果不再适用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷和不足，提出一种超低频海洋探测器隔振浮标，该隔振浮标机构结构简单，不需要外界能量输入，具有非线性刚度特性和超低频隔振能力，且隔振行程大，同时具有姿态保持功能，可以为海洋探测器在海洋多风多浪的环境下进行隔振保护。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

超低频海洋探测器隔振浮标包括姿态保持器和隔振系统。

所述姿态保持器由外壳、内壳、中环、中环力矩器、内壳力矩器构成，外壳为球壳结构，内壳为球壳或者半球壳结构，中环为一环形结构，中环通过一对中环力矩器与外壳相连，可以绕中环力矩器自由转动，内壳通过一对内壳力矩器装设于中环内，可绕内壳力矩器自由转动。

所述隔振系统安装于内壳内部，由正刚度弹簧机构、承载台、活页和多组负刚度弹簧机构组成。

所述正刚度弹簧机构由导向座、导向柱、正刚度弹簧和正刚度调节螺母组成。导向座为中部有孔径的底座，固定于内壳底部正中；导向柱为长杆结构，可以沿着导向座孔径自由滑动，为隔振系统竖直方向的减振起导向作用；正刚度弹簧套设在导向柱外，下端面定位在导向座的凹槽内，上方是安装在导向柱上的正刚度调节螺母。

所述承载台为台座结构，在导向柱正上方与导向柱相连，边缘安装有活页。

所述多组负刚度弹簧机构均匀分布在同一平面内，每一组由负刚度导向座、负刚度弹簧、负刚度调节螺母、向心关节轴和传递杆组成。负刚度导向座固定安装在内壳内侧，其上开有导向槽；负刚度弹簧套设在负刚度导向座外，一端通过向心关节轴承与传递杆相连；向心关节轴承可以沿着负刚度导向座的导向槽自由滑动；传递杆与向心关节轴承连接处还设有负刚度调节螺母，用于调节负刚度弹簧的压缩量，传递杆另一端通过活页铰接于承载台上。

进一步的优选方案，所述超低频海洋探测器隔振浮标，其特征在于：一对中环力矩器对称安装在外壳内径的两端，一对内壳力矩器对称安装在内壳外径的两端，内壳力矩器所处的内壳外径与中环力矩器所处的外壳内径共面且互相垂直。

进一步的优选方案，所述超低频海洋探测器隔振浮标，其特征在于：紧邻正刚度调节螺母和负刚度调节螺母，安装防松螺母。

有益效果

与原有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明利用二轴稳定器的原理，实现了海洋探测器隔振系统平台的姿态保持功能，使探测器能够在海洋多风多浪的复杂环境中平稳工作。

2、本发明在互相垂直的两个方向上分别设有正、负刚度弹簧机构，一方面采用正负刚度弹簧并联的方式，具有高静刚度、低静态刚度隔振性能，实现了超低频隔振效果；另一方面，海洋中波浪沿水平、垂直方向均有波动，本发明可以给海洋探测器提供多自由度的隔振保护。

3、正刚度弹簧机构的正刚度调节螺母和正刚度弹簧配合，实现正刚度可调。负刚度弹簧机构的负刚度调节螺母和负刚度弹簧配合，实现负刚度可调。本发明正负刚度均具有可调节性，可以使得隔振行程最优化，增加了隔振系统的实用性。

4、本发明为无源隔振系统，无需外界输入能量，使用成本低。

5、本发明可以为海洋探测器提供水密保护，延长电子仪器的使用寿命，降低海洋探测成本。

附图说明

图1是超低频海洋探测器隔振浮标的横截面视图；

图2是沿图1中A-A线截取的隔振浮标的横截面视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参阅图1和图2所示，超低频海洋探测器隔振浮标由隔振系统和姿态保持器组成。

隔振系统安装于内壳13内部，由导向座1、导向柱2、正刚度弹簧3、正刚度调节螺母4、防松螺母5、活页6、承载台7、负刚度导向座8、负刚度弹簧9、负刚度调节螺母10、向心关节轴承11和传递杆12构成。其中，导向座1、导向柱2、正刚度弹簧3、正刚度调节螺母4和防松螺母5构成了正刚度弹簧机构；负刚度导向座8、负刚度弹簧9、负刚度调节螺母10、向心关节轴承11和传递杆12构成了负刚度弹簧机构。

姿态保持器由内壳13、外壳14、中环15、中环力矩器16和内壳力矩器17构成，内壳13为球壳或者半球壳结构(本实施例中为半球壳结构)，外壳14为球壳结构，中环15为一环形结构，一对中环力矩器16对称安装在外壳14一条内径的两端，一对内壳力矩器17对称安装在内壳13一条外径的两端，内壳力矩器17所处的内壳外径与中环力矩器16所处的外壳内径共面且互相垂直；中环15通过中环力矩器16与外壳14相连，可以绕中环力矩器16自由转动；内壳13通过内壳力矩器17装设于中环15内，可绕内壳力矩器17自由转动，可实现内壳13姿态的保持。

如图1和图2所示，所述的正刚度弹簧机构中，导向座1为中部有孔径的盘状底座，固定于内壳13底部正中，本实施例中孔径为圆形通孔。导向柱2为长杆结构，可以沿着导向座1孔径自由滑动，为隔振系统竖直方向的减振起导向作用。正刚度弹簧3套设在导向柱2外，下端面定位在导向座1的凹槽内，上方是安装在导向柱2上的正刚度调节螺母4，可以实现正刚度调节功能。进一步优选方案，紧邻正刚度调节螺母安装防松螺母5，协助正刚度调节。

如图2所示，承载台7为台座结构，在本实施案例中是正六边形结构，在导向柱2正上方与导向柱2相连，且承载台7各边缘中心均安装有活页6。

如图1和图2所示，所述的负刚度弹簧机构具有多组，本实施例中为六组。每一组的负刚度导向座8固定安装在内壳13内侧，其上开有导向槽。负刚度弹簧9套设在导向座外，一端通过向心关节轴承11与传递杆12相连。向心关节轴承11连接负刚度弹簧9与传递杆12，且可以沿着负刚度导向座8的导向槽自由滑动。传递杆12与向心关节轴连接处还设有负刚度调节螺母10，用于调节负刚度弹簧9的压缩量，传递杆12另一端通过活页6与承载台7铰接。调节负刚度调节螺母10可以实现负刚度可调。六组负刚度弹簧机构均匀分布在同一平面内，一端安装在内壳13上，另一端通过活页6与承载台7相连。

当受到外界激励时，承载台7与内壳13之间相对运动，正刚度弹簧3压缩量发生变化，同时负刚度弹簧9压缩量也发生变化，内壳13与承载台7之间力位移曲线具有高静刚度、低动刚度的非线性特性，且动态刚度理论上可低至零。一般地，频率的平方与刚度成正比，当动态刚度降至很低时隔振频率也很低，从而实现超低频隔振。海洋环境低频问题显著，借助本发明可以为海洋探测器提供超低频隔振保护。

隔振系统处于零动态刚度处时，低频隔振效果最好。当隔振对象的质量改变时，根据现有技术只调节正刚度弹簧机构可以使隔振系统回到零刚度状态，但当隔振对象质量增加时，只调节正刚度弹簧机构会使隔振行程减小；当隔振对象质量减小时，只调节正刚度弹簧机构会使隔振系统容易失稳。而本发明正、负刚度弹簧机构可以同时调节，当隔振对象质量增加时，通过调节螺母同时增大正、负刚度弹簧的初始压缩量，或当隔振对象质量减小时，通过调节螺母同时减小正、负刚度弹簧的初始压缩量，这样即使隔振对象质量改变，也能保证隔振行程不变，满足海洋环境多自由度激励的隔振需求。

Claims (3)

1.超低频海洋探测器隔振浮标，其特征在于：包括姿态保持器和隔振系统；

所述姿态保持器由外壳、内壳、中环、中环力矩器、内壳力矩器构成，外壳为球壳结构，内壳为球壳或者半球壳结构，中环为一环形结构，中环通过一对中环力矩器与外壳相连，可以绕中环力矩器自由转动，内壳通过一对内壳力矩器装设于中环内，可绕内壳力矩器自由转动；

所述隔振系统安装于内壳内部，由正刚度弹簧机构、承载台、活页和多组负刚度弹簧机构组成；

所述正刚度弹簧机构由导向座、导向柱、正刚度弹簧和正刚度调节螺母组成；导向座为中部有孔径的底座，固定于内壳底部正中；导向柱为长杆结构，可以沿着导向座孔径自由滑动，为隔振系统竖直方向的减振起导向作用；正刚度弹簧套设在导向柱外，下端面定位在导向座的凹槽内，上方是安装在导向柱上的正刚度调节螺母；

所述承载台为台座结构，在导向柱正上方与导向柱相连，边缘安装有活页；

所述多组负刚度弹簧机构均匀分布在同一平面内，每一组由负刚度导向座、负刚度弹簧、负刚度调节螺母、向心关节轴和传递杆组成；负刚度导向座固定安装在内壳内侧，其上开有导向槽；负刚度弹簧套设在负刚度导向座外，一端通过向心关节轴承与传递杆相连；向心关节轴承可以沿着负刚度导向座的导向槽自由滑动；传递杆与向心关节轴承连接处还设有负刚度调节螺母，用于调节负刚度弹簧的压缩量，传递杆另一端通过活页铰接于承载台上。

2.根据权利要求1所述的超低频海洋探测器隔振浮标，其特征在于：一对中环力矩器对称安装在外壳内径的两端，一对内壳力矩器对称安装在内壳外径的两端，内壳力矩器所处的内壳外径与中环力矩器所处的外壳内径共面且互相垂直。

3.根据权利要求1所述的超低频海洋探测器隔振浮标，其特征在于：紧邻正刚度调节螺母和负刚度调节螺母，安装防松螺母。