CN108757799A - 一种柔性准零刚度隔振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供了一种柔性准零刚度隔振装置，包括自上至下顺次同轴心布置的负载盘单元、负刚度单元、转接器、正刚度单元和位移调节单元，转接器将负刚度单元和正刚度单元并联连接，负刚度单元和正刚度单元组合后的整体刚度理论上达到零值，正刚度单元的底部与位移调节单元的上端连接。本发明创造的负刚度系统和正刚度系统均为柔性梁结构，无间隙和摩擦，因此可免于磨损、减少噪声并提高寿命。

Description

一种柔性准零刚度隔振装置
技术领域
本发明创造属于准零刚度隔振设备领域，尤其是涉及一种柔性准零刚度隔振装置。
背景技术
在工业生产、海陆运输以及精密实验等场合普遍存在低频、超低频隔振难题，通常的被动线性隔振器难以在保证安全的前提下对此类振动进行隔离。准零刚度隔振器由于其高静刚度-低动刚度特性，可以在保证隔振系统静承载能力不变的前提下实现低频、超低频隔振。
目前应用较多的准零刚度隔振器主要是机械式准零刚度机构，由于铰间摩擦、间隙等因素，在振动位移幅值较小时，其准零刚度特性难以体现，隔振效果欠佳。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种柔性准零刚度隔振装置，以克服现有隔振技术中针对低频、超低频振动隔离难题。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种柔性准零刚度隔振装置，包括自上至下顺次同轴心布置的负载盘单元、负刚度单元、转接器、正刚度单元和位移调节单元，转接器将负刚度单元和正刚度单元并联连接，负刚度单元和正刚度单元组合后的整体刚度理论上达到零值，正刚度单元的底部与位移调节单元的上端连接。
进一步的，负刚度单元包括组梁结构，组梁结构的每一个梁的自由端均置于负刚度单元的下压板的梁卡槽中，同时负刚度单元的上压板的上压板压块也卡入梁卡槽中，组梁结构的每一个梁的自由端分别位于上压板和下压板之间，上压板和下压板将组梁结构的梁锁紧。
进一步的，组梁结构的梁为屈曲梁，屈曲梁围绕着负刚度单元的中心成辐射状分布，屈曲梁的中部向下突出。
进一步的，正刚度单元包括U形柔性梁弹簧，U形柔性梁弹簧的上端卡入正刚度单元的上连接板的上连接板卡槽中并固定，U形柔性梁弹簧的下端卡入正刚度单元的下连接板的下连接板卡槽中并固定。
进一步的，U形柔性梁弹簧围绕着正刚度单元的中心成辐射状分布。
进一步的，位移调节单元包括上部承载盘，上部承载盘的下端面通过四个铰接副与四根连杆铰接，四根连杆分为两组，呈对称布置，每一组两个连杆在中点处铰接，形成一个X形机构，X形机构底端包含两个铰接副，两个铰接副分别位于位移调节单元底盘和滑块的端部，滑块的端部位于导轨上，滑块能够在驱动单元的带动下沿着导轨滑动。
进一步的，滑块和导轨之间包含一个移动副，驱动单元包括滑块的中部设置的滚珠丝杠副，滚珠丝杠副与丝杠相连，丝杠通过两个固定在位移调节单元底盘上的丝杠轴承支座进行支撑，丝杠的外部设置有位移调节旋钮。
进一步的，负载盘单元中的负载盘的下端面通过橡胶阻尼环和柔性铰链与负刚度单元中的上压板连接，柔性铰链与橡胶阻尼环同轴心设置，柔性铰链位于橡胶阻尼环的中部。
进一步的，还包括负载盘单元下方的橡胶密封圈，橡胶密封圈下方设置隔振装置外框，隔振装置外框的下方设置隔振装置底板，负刚度单元、转接器、正刚度单元和位移调节单元位于隔振装置外框内部。
进一步的，橡胶密封圈为波纹管状，负载盘单元的负载盘为圆形板，位移调节单元的上下板为圆形板，隔振装置外框为圆柱形结构。
相对于现有技术，本发明创造所述的一种柔性准零刚度隔振装置具有以下优势：
(1)本发明创造的负刚度系统和正刚度系统均为柔性梁结构，无间隙和摩擦，因此可免于磨损、减少噪声并提高寿命；
(2)本发明创造的正负刚度系统无需润滑，避免污染；
(3)本发明创造在设计行程内，可通过位移调节机构使不同重量的负载位于平衡点位置，从而拓展该隔振器的有效承载范围；
(4)本发明创造通过使用柔性铰链，部分释放负载的摇摆自由度，进一步拓展了该隔振器的应用场合。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本例实施所述的柔性准零刚度隔振器外观示意图；
图2为本例实施所述的柔性准零刚度隔振器内部结构示意图；
图3为本例实施所述的负载盘单元结构示意图；
图4为本例实施所述的柔性铰链结构示意图；
图5为本例实施所述的橡胶阻尼环结构示意图；
图6为本例实施所述的负刚度单元结构示意图；
图7为本例实施所述的上压板结构示意图；
图8为本例实施所述的组梁结构变形前形状示意图；
图9为本例实施所述的下压板结构示意图；
图10为本例实施所述的正刚度单元结构示意图；
图11为本例实施所述的转接器结构示意图；
图12为本例实施所述的上连接板结构示意图；
图13为本例实施所述的下连接板结构示意图；
图14为本例实施所述的U形柔性梁弹簧结构示意图；
图15为本例实施所述的位移调节单元示意图；
图16为本例实施所述的橡胶密封圈结构示意图；
图17为本例实施所述的隔振器外框架结构示意；
图18为本例实施所述的隔振器底板结构示意；
图19为本例实施所述的屈曲梁负刚度原理示意图；
图20为本例实施所述的负刚度单元组装示意图。
附图标记说明：
1、负载盘单元；11、负载盘；12、橡胶阻尼环；13、柔性铰链；131、柔性铰链沉头孔；2、橡胶密封圈；3、隔振装置外框；4、隔振装置底板；5、位移调节旋钮；6、负刚度单元；61、上压板；611、上压板沉头孔；612、上压板螺纹孔；613、上压板压块；62、组梁结构；621、组梁结构连接孔；63、下压板；631、下压板沉头孔；632、下压板螺纹孔；633、梁卡槽；7、转接器；71、连接器螺纹孔；72、导柱；73、连接器沉头孔；8、正刚度单元；81、上连接板；811、上连接板沉头孔；812、上连接板螺纹孔；813、上连接板卡槽；82、U形柔性梁弹簧；821、U形柔性梁弹簧螺纹孔；83、下连接板；831、下连接板卡槽；832、下连接板连接孔；9、位移调节单元；91、导套；92-承载盘；921、承载盘螺纹孔；93、连杆；94、导轨；95、丝杠；96、滑块；97、丝杠轴承支架；98、位移调节单元底盘。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
如图1、2所示，一种柔性准零刚度隔振装置，外部包括由上至下顺次布置的负载盘单元1、橡胶密封圈2、隔振装置外框3和隔振装置底板4，内部包括有自上至下顺次同轴心布置的负载盘单元1、负刚度单元6、转接器7、正刚度单元8和位移调节单元9。
本实施例中，负载盘单元1中的负载盘11的下端面通过橡胶阻尼环12和柔性铰链13与负刚度单元6中的上压板61连接，如图3所示，柔性铰链13与橡胶阻尼环12同轴心设置，柔性铰链13位于橡胶阻尼环12的中部。柔性铰链13和橡胶阻尼环12的结构分别如图4和图5所示。其中柔性铰链13上部利用螺栓通过沉头孔131与负载盘11相固连，同时，柔性铰链13下部利用螺栓通过沉头孔131和上压板61上的螺纹孔612与上压板61相固连。
本实施例中，如图6-9所示，在负刚度单元6中组梁结构62的每一个梁自由端均置于下压板63的梁卡槽633中，同时上压板61的压块613也卡入屈曲梁卡槽633中，组梁结构62的每一个梁的自由端分别位于上压板61和下压板63之间，并利用螺栓通过上压板沉头孔611和下压板螺纹孔632将上压板61和下压板63锁紧。组梁结构62的屈曲梁围绕着负刚度单元6的中心成辐射状分布，屈曲梁的中部向下突出。屈曲梁的另外一端固定在组梁结构62的外圈上，组梁结构62的外圈通过连接孔621使用螺栓与隔振装置外框3相连，从而实现负刚度单元6边缘的固定。
下压板63上的沉头孔631与连接器7上的螺纹孔71相对应，两者通过螺栓将下压板63与连接器7固连。连接器7通过沉头孔73和螺纹孔812使用螺栓实现与正刚度单元8中上连接板81的固连，连接器7结构如图11所示。
本实施例中，如图10所示，正刚度单元8中U形柔性梁弹簧82(图12)上端卡入上连接板81(图13)的上连接板卡槽813中，并使用螺栓通过沉头孔811和U形柔性梁弹簧螺纹孔821将U形柔性梁弹簧82上端和上连接板81固连；同时，U形柔性梁弹簧82下端卡入下连接板83(图14)的下连接板卡槽831中，并通过螺栓固连。U形柔性梁弹簧82围绕着正刚度单元8的中心成辐射状分布。
本实施例中，使用螺栓通过下连接板连接孔832和位移调节单元9(图15)的承载盘螺纹孔921将下连接板与位移调整单元9中的承载盘92固连。
本实施例中，连接器7中的导杆72与位移调节单元9中的导套91相匹配，导杆72插入导套91内，限制导杆72及与导杆72向固连的活动部件仅沿单自由度运动。
本实施例中，如图15所示，位移调节单元9上部承载盘92下端面通过四个铰接副与四根连杆93铰接，四根连杆93分为两组，呈对称布置，每一组两个连杆93在中点处通过一个铰接副连接，形成一个X形机构；X形机构底端包含两个铰接副，分别位于位移调节机构底盘98和滑块96的端部。滑块96和导轨94之间包含一个移动副，滑块96能够在导轨94上滑动。滑块96的中部通过一个滚珠丝杠副与丝杠95相连，丝杠95通过两个固定在位移调节单元底盘98上的丝杠轴承支座97进行支撑。通过旋转位移调节旋钮5驱动丝杠95转动，进而驱动滑块96沿导轨94运动，从而实现承载盘92盘面的上升或下降调节。
本实施例中，橡胶密封圈2为波纹管状，如图16所示，其位于负载盘11和隔振装置外框3(图17)之间，起防尘作用。
优选的，柔性准零刚度隔振装置中负载盘11优选圆形板，位移调节单元9的上下板均优先选择圆形板，隔振装置外框3优先选择圆柱形结构。
本实施例中，准零刚度隔振实现原理为负刚度单元6和正刚度单元8并联，负刚度由负刚度单元6的屈曲梁结构产生，正刚度由U形柔性梁弹簧82提供。屈曲梁由普通直梁经轴向施压使其产生屈曲，如图19所示，屈曲梁在Y向产生的刚度为：
其中，E为梁材料的弹性模量，I为梁截面惯性矩，L为梁长度。本实施例中共包含16根屈曲梁，共8组，因此负刚度单元6产生的负刚度为：
本实施例中，负刚度单元6在组装时按图20所示流程，首先固定组梁结构62的外端，然后按图20第①步移动下压板63，将组梁结构62中全部屈曲梁的自由端卡入梁卡槽633中，然后按第②步移动上压板61将屈曲梁自由端压入卡槽633底部并用螺栓锁紧；在第③步中将上压板61、下压板63和组梁结构62中部统一移至平衡位置，得到第④步所示的负刚度单元结构。图20所示仅为一种组装过程，实际实施中整个装置的安装具有较大灵活性，可根据实际情况完成负刚度单元6的组装。
本实施例中，正刚度单元8中U形柔性梁弹簧82提供正刚度，单个U形柔性梁弹簧82可提供的正刚度为：
其中，E为U形柔性梁的弹性模量，I为U形柔性梁重单层梁的截面转动惯量，l为U形柔性梁的有效长度。本实施例中，包含16个U形柔性梁弹簧82，正刚度单元8的刚度值为：
本实施例中，通过合理选择梁结构参数可以使负刚度单元6和正刚度单元8组合后的整体刚度理论上达到零值；由于实际中结构参数存在偏差，实际刚度只能是接近零，达到准零刚度状态，并且该准零刚度状态仅在设计行程内有效；当该隔振装置承载的负载由于过重或过轻导致负载盘超出设计行程时，须通过位移调节单元9将其移至准零刚度范围内。
本实施例中，准零刚度隔振装置仅在垂向具备准零刚度特性，因此，在垂向能够实现低频、超低频隔振；为兼顾扭转方向的隔振需求，在负载盘单元1中安装橡胶阻尼环12和柔性铰链13，保证该隔振装置对水平方向的摇摆振动具有一定的隔振能力。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性准零刚度隔振装置，其特征在于：包括自上至下顺次同轴心布置的负载盘单元(1)、负刚度单元(6)、转接器(7)、正刚度单元(8)和位移调节单元(9)，转接器(7)将负刚度单元(6)和正刚度单元(8)并联连接，负刚度单元(6)和正刚度单元(8)组合后的整体刚度理论上达到零值，正刚度单元(8)的底部与位移调节单元(9)的上端连接，位移调节单元(9)能够升降。
2.根据权利要求1所述的柔性准零刚度隔振装置，其特征在于：负刚度单元(6)包括组梁结构(62)，组梁结构(62)的每一个梁的自由端均置于负刚度单元(6)的下压板(63)的梁卡槽(633)中，同时负刚度单元(6)的上压板(61)的上压板压块(613)也卡入梁卡槽(633)中，组梁结构(62)的每一个梁的自由端分别位于上压板和下压板(63)之间，上压板(61)和下压板(63)将组梁结构(62)的梁锁紧。
3.根据权利要求2所述的柔性准零刚度隔振装置，其特征在于：组梁结构(62)的梁为屈曲梁，屈曲梁围绕着负刚度单元(6)的中心成辐射状分布，屈曲梁的中部向下突出。
4.根据权利要求1所述的柔性准零刚度隔振装置，其特征在于：正刚度单元(8)包括U形柔性梁弹簧(82)，U形柔性梁弹簧(82)的上端卡入正刚度单元(8)的上连接板(81)的上连接板卡槽(813)中并固定，U形柔性梁弹簧(82)的下端卡入正刚度单元(8)的下连接板(83)的下连接板卡槽(831)中并固定。
5.根据权利要求4所述的柔性准零刚度隔振装置，其特征在于：U形柔性梁弹簧(82)围绕着正刚度单元(8)的中心成辐射状分布。
6.根据权利要求1所述的柔性准零刚度隔振装置，其特征在于：位移调节单元(9)包括上部承载盘(92)，上部承载盘(92)的下端面通过四个铰接副与四根连杆(93)铰接，四根连杆(93)分为两组，呈对称布置，每一组两个连杆(93)在中点处铰接，形成一个X形机构，X形机构底端包含两个铰接副，两个铰接副分别位于位移调节单元底盘(98)和滑块(96)的端部，滑块(96)的端部位于导轨(94)上，滑块(96)能够在驱动单元的带动下沿着导轨(94)滑动。
7.根据权利要求6所述的柔性准零刚度隔振装置，其特征在于：滑块(96)和导轨(94)之间包含一个移动副，驱动单元包括滑块(96)的中部设置的滚珠丝杠副，滚珠丝杠副与丝杠(95)相连，丝杠(95)通过两个固定在位移调节单元底盘(98)上的丝杠轴承支座进行支撑，丝杠(95)的外部设置有位移调节旋钮(5)。
8.根据权利要求1所述的柔性准零刚度隔振装置，其特征在于：负载盘单元(1)中的负载盘(11)的下端面通过橡胶阻尼环(12)和柔性铰链(13)与负刚度单元(6)中的上压板(61)连接，柔性铰链(13)与橡胶阻尼环(12)同轴心设置，柔性铰链(13)位于橡胶阻尼环(12)的中部。
9.根据权利要求1所述的柔性准零刚度隔振装置，其特征在于：还包括负载盘单元(1)下方的橡胶密封圈(2)，橡胶密封圈(2)下方设置隔振装置外框(3)，隔振装置外框(3)的下方设置隔振装置底板(4)，负刚度单元(6)、转接器(7)、正刚度单元(8)和位移调节单元(9)位于隔振装置外框(3)内部。
10.根据权利要求9所述的柔性准零刚度隔振装置，其特征在于：橡胶密封圈(2)为波纹管状，负载盘单元(1)的负载盘(11)为圆形板，位移调节单元(9)的上下板为圆形板，隔振装置外框(3)为圆柱形结构。
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