CN107606038B - 一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统，包括液压缸(2)和滚球滑道承载体(1)，其中，所述的滚球滑道承载体(1)的侧面设置有沿其中心轴对称分布的至少一对滚球滑道，每个液压缸(2)分别对应抵住一个滚球滑道，并对滚球滑道承载体(1)施加恒定液压力，使得所述液压缸(2)和滚球滑道承载体(1)组成提供垂向负刚度的液压负刚度机构，所述的滚球滑道承载体(1)的底端还安装有对其施加垂直力的垂向正刚度弹簧(4)。与现有技术相比，本发明可以根据所需刚度曲线实现非线性刚度，包括准零刚度、分段线性刚度等。

Description

一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统

技术领域

本发明涉及一种非线性刚度设计系统，尤其是涉及一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统。

背景技术

钢弹簧、橡胶弹簧、碟形弹簧等是目前常用的隔振部件，而这些弹簧的刚度特性曲线的特点都是固定的，如钢弹簧与橡胶弹簧通常提供线性正刚度，碟形弹簧虽可提供非线性刚度，但其非线性特性由既有公式决定，以上几种弹簧均难以实现任意非线性刚度。

中国专利ZL201620957512.1公开了一种基于仿腿型结构的非线性刚度阻尼装置，包括长、短连杆机构、水平和垂直弹性件；长连杆机构包括与隔振对象连接的和用于与振动源连接的长连杆组；短连杆机构包括连接于顶端长连杆组的短连杆组、连接于顶端长连杆组和底端长连杆组之间的短连杆组以及连接于底端长连杆组的短连杆组；水平弹性件和垂直弹性件分别连接于短连杆机构与短连杆机构之间。该专利虽然也能实现一定程度的非线性刚度，但是结构承载性相对较差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统，包括液压缸和滚球滑道承载体，其中，所述的滚球滑道承载体的侧面设置有沿其中心轴对称分布的至少一对滚球滑道，每个液压缸分别对应抵住一个滚球滑道，并对滚球滑道承载体施加恒定液压力，使得所述液压缸和滚球滑道承载体组成提供垂向负刚度的液压负刚度机构，所述的滚球滑道承载体的底端还安装有对其施加垂直力的垂向正刚度弹簧。

优选的，所述的滚球滑道为沿竖直面的曲线滑道。

优选的，所述的液压缸的活塞顶杆铰接滚球，该滚球抵住所述滚球滑道并沿其滑动。

优选的，所述的垂向正刚度弹簧为线性弹簧。

更优选的，所述的线性弹簧为螺旋弹簧。

优选的，所述的液压缸水平固定设置在安装座上，并输出恒定的水平液压力。

优选的，所述的滚球滑道承载体的顶面刚性连接被隔振物体。

本发明在设计时，利用液压缸对滚球滑道承载体施加恒定的液压力，这样，液压缸与滚球和滚球滑道承载体即可配合组成液压负刚度机构，该机构可在垂向提供负刚度，同时，配合提供垂直力的垂向正刚度弹簧，两者的刚度之和即可对滚球滑道承载体上的被隔振物体的提供的支撑刚度。此外，根据需要滚球滑道可以设计不同的刚度曲线。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可实现任意非线性刚度，如准零刚度、分段线性刚度等。

(2)采用液压缸提供横向力，使其横向力恒定，利用刚度曲线设计。

(3)采用滑道引导滚轮滚动，使液压负刚度机构实现所需负刚度。

(4)垂向弹簧为线性正刚度弹簧，如螺旋弹簧，其结构简单，成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例1的受力示意图；

图3为本发明实施例1所设计的滚球滑道承载体两侧的滚球滑道的曲线设计；

图中，1-滚球滑道承载体，2-液压缸，3-滚球，4-垂向正刚度弹簧，5-被隔振物体，6-安装座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统，其结构参见图1所示，包括液压缸2和滚球滑道承载体1，其中，滚球滑道承载体1的侧面设置有沿其中心轴对称分布的至少一对滚球滑道，每个液压缸2分别对应抵住一个滚球滑道，并对滚球滑道承载体1施加恒定液压力，使得液压缸2和滚球滑道承载体1组成提供垂向负刚度的液压负刚度机构，滚球滑道承载体1的底端还安装有对其施加垂直力的垂向正刚度弹簧4。

作为一种优选的实施方式，滚球滑道为沿竖直面的曲线滑道。

优选的，液压缸2的活塞顶杆铰接滚球3，该滚球3抵住滚球滑道并沿其滑动。

作为一种优选的实施方式，垂向正刚度弹簧4为线性弹簧。更优选的，线性弹簧为螺旋弹簧。

作为一种优选的实施方式，液压缸2水平固定设置在安装座6上，并输出恒定的水平液压力。

作为一种优选的实施方式，滚球滑道承载体1的顶面刚性连接被隔振物体5。

实施例1

如图1所示，一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统，包括液压缸2、滚球3和滚球滑道承载体1组成的液压负刚度机构，其中，滚球滑道承载体1的侧面设置有沿其中心轴对称分布的一对滚球滑道，液压缸2的活塞顶杆与滚球3铰接，滚球3还抵住滚球滑道，并可在滚球滑道上滚动，液压缸2与安装座6固接，并通过滚球滑道对滚球滑道承载体1施加横向恒定液压力。滚球滑道承载体1的底端还安装有对其施加垂直力的垂向正刚度弹簧4(本实施例1中，垂向正刚度弹簧4选择线性弹簧中的螺旋弹簧)。当刚性安装在滚球滑道承载体1上的被隔振物体5在垂向产生位移时，液压缸2负刚度机构提供负刚度，与垂向正刚度弹簧4并联，使被隔振物体5的支撑刚度等于二者刚度相加。然后，通过对滑道承载体两侧的滚球滑道进行曲线设计，使被隔振物体5的支撑刚度与所需支撑刚度相等。滚轮半径设计为很小，不考虑其对系统的影响。液压缸2压力保持恒定，则横向力恒定，为F_h＝PA，其中P为液压缸2压力，A为左右截面总面积。设滚球滑道承左右两边滑道曲线为g(x)，受力分析如图2所示。

以图2(a)为例，当系统偏离平衡位置x时，接触点为(x，g(x))，此时接触点斜率为g(x)′＝tanθ，据受力分析，可得：

F_v(x)＝k_vx+F_h·g(x)′ (1)

式中，F_v(x)＝f(x)，k_v为垂向正刚度弹簧4，整理可得

f(x)dx＝F_hdg(x)+k_vxdx (2)

解得

式中，C为常数。可以发现，以图2(b)为例推导所得结果相同。根据平衡位置处，垂向力为0，且滑道曲线也为0可得式(3)边界条件为：f(0)＝g(0)＝0。计算可得，当f(x)取为线性函数时，如f(x)＝k_vx，可得g(x)＝0，此时一对横向弹簧回复力大小等，方向相反，正好抵消，不产生垂向力，仅垂向正刚度弹簧4起作用。当f(x)＝k_vx³时，可解得此时g(x)曲线如图3所示。

实施例2

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了液压负刚度机构可以设置两个或更多，即滚球滑道在滚球滑道承载体1的侧面设有对应的两组或多组，每组滚球滑道的滑道曲线相同，每条滑道曲线配置一个液压缸2。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统，其特征在于，包括液压缸(2)和滚球滑道承载体(1)，其中，所述的滚球滑道承载体(1)的侧面设置有沿其中心轴对称分布的至少一对滚球滑道，每个所述液压缸(2)分别对应抵住一个滚球滑道，并对所述滚球滑道承载体(1)施加恒定液压力，使得所述液压缸(2)和所述滚球滑道承载体(1)组成提供垂向负刚度的液压负刚度机构，所述的滚球滑道承载体(1)的底端还安装有对其施加垂直力的垂向正刚度弹簧(4)；

所述的滚球滑道为沿竖直面的曲线滑道，所述滚球滑道可以设计不同的刚度曲线，所述滚球滑道的曲线为g(x)，满足如下关系式：

k_v为垂直正刚度弹簧；

f(x)为垂向力；

F_h为横向力；

C为常数；

利用所述滚球滑道引导滚动，使所述液压负刚度机构实现所需负刚度，所述液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统能够实现任意非线性刚度。

2.根据权利要求1所述的一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统，其特征在于，所述的液压缸(2)的活塞顶杆铰接滚球(3)，该滚球(3)抵住所述滚球滑道并沿其滑动。

3.根据权利要求1所述的一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统，其特征在于，所述的垂向正刚度弹簧(4)为线性弹簧。

4.根据权利要求3所述的一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统，其特征在于，所述的线性弹簧为螺旋弹簧。

5.根据权利要求1所述的一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统，其特征在于，所述的液压缸(2)水平固定设置在安装座(6)上，并输出恒定的水平液压力。

6.根据权利要求1所述的一种基于液压负刚度机构的非线性刚度隔振系统，其特征在于，所述的滚球滑道承载体(1)的顶面刚性连接被隔振物体(5)。