CN108916283B - 准零刚度金属橡胶复合隔振器 - Google Patents

准零刚度金属橡胶复合隔振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种准零刚度金属橡胶复合隔振器，包括上连接钢板、金属橡胶复合圆环柱、圆柱螺旋弹簧和下连接钢板；所述金属橡胶复合圆环柱包括相连接的橡胶圆环柱和金属骨架；所述上连接钢板的下表面设有圆环状凸台A，所述圆环状凸台A位于橡胶圆环柱内部；所述圆柱螺旋弹簧的一端伸入到金属骨架内部，圆柱螺旋弹簧另一端与设置在下连接钢板上表面的圆环状凸台B相连接；本发明公开的隔振器，静刚度高，动刚度低，能够解决低频、小幅振动对设备干扰的问题，且成本低，模具加工简单，适用于批量化生产。

Description

准零刚度金属橡胶复合隔振器
技术领域
本发明涉及机械振动技术领域，具体涉及一种准零刚度金属橡胶复合隔振器。
背景技术
精密仪器设备的应用十分广泛，但低频隔振问题随之而来。目前国内外最新采用准零刚度理论解决低频振动，此类问题研究者不多，大致采用两种方法：一种是负压空气与橡胶并联，将负压空气与橡胶曲囊相结合；另一种是弹性元件与弹簧并联，用两根斜置弹簧和一根竖直弹簧并联。此外还有利用几何非线性机构、磁负机构来提供负刚度。这些结构虽能一定程度上降低系统的固有频率，但大多都处于理论研究成面，实验样品承载力不高，结构复杂，试验成本高，不利于在实际工程中广泛应用。
发明内容
为解决现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种准零刚度金属橡胶复合隔振器，静刚度高，动刚度低，能够解决低频、小幅振动对设备干扰的问题，且成本低，模具加工简单，适用于批量化生产。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种准零刚度金属橡胶复合隔振器，包括上连接钢板、金属橡胶复合圆环柱、圆柱螺旋弹簧和下连接钢板；所述金属橡胶复合圆环柱包括相连接的橡胶圆环柱和金属骨架，橡胶圆环柱由金属骨架上浇筑硫化橡胶而形成；所述上连接钢板的下表面设有圆环状凸台A，所述圆环状凸台A位于橡胶圆环柱内部；所述圆柱螺旋弹簧的一端伸入到金属骨架内部，圆柱螺旋弹簧另一端与设置在下连接钢板上表面的圆环状凸台B相连接。
所述的准零刚度金属橡胶复合隔振器力的传递率计算方法，包括以下步骤：
S1:使用MATLAB三次多项式拟合ABAQUS对金属橡胶复合圆环柱进行仿真得到载荷位移曲线，只保留三次项，得平衡位置外激励力与系统位移关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中：
Figure 104966DEST_PATH_IMAGE002
为外激励力，
Figure 712850DEST_PATH_IMAGE002
为系统位移，初始位置为平衡位置;
S2：将系统阻尼近似为线性阻尼，在平衡位置处建立系统动力学响应近似方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
式中：m为质量块质量，y为质量块位移，c为系统阻尼，k为系统刚度，F为激励幅值，为外界激励力频率，t为系统响应时间；
S3：通过谐波平衡法解步骤S2中所述系统动力学响应近似方程，得出准零刚度幅频特性方程：
式中：A为系统响应幅值，为系统阻尼比，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为系统固有频率，
Figure 960085DEST_PATH_IMAGE010
为外激励频率，K1为隔振器系统刚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为圆柱螺旋弹簧（4）刚度;
S4：当向上、向下跳跃频率相等时有：
Figure 851949DEST_PATH_IMAGE012
按步骤S2中公式调整刚度系数
Figure 349926DEST_PATH_IMAGE014
、系统阻尼比及外激励幅值，使系统跳跃现象消失，将步骤S1中公式改写得传递到基础的力为：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
得到力的传递率为：
Figure 17034DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为相位角。
进一步的，所述金属骨架由对称分布的四个竖直压杆以及设置在四个竖直压杆上下两端的固定圆环组成。
进一步的，所述橡胶圆环柱上设有多个哑铃型通孔，所述哑铃型通孔分别位于相邻的两个竖直压杆中间处对应的位置。
进一步的，所述竖直压杆为具有向外弯曲弧度的结构。
进一步的，所述橡胶圆环柱、金属骨架和圆柱螺旋弹簧三者高度相同且同轴设置。
进一步的，所述金属骨架由60Si2MnA高弹性钢材料制成。
本发明的有益效果是：（1）利用压杆失稳原理设计出金属橡胶复合圆环柱作为负刚度元件，配合圆柱螺旋弹簧提供的正刚度，具有低动刚度、高静刚度的优点，实现准零刚度；
（2）60Si2MnA高弹性钢金属骨架、橡胶圆环柱以及圆柱螺旋弹簧均有较高塑性优势，不易损坏、寿命长、工作性能稳定；
（3）成本低、模具加工简单，适用于批量化生产；
（4）借助ABAQUS有限元分析和MATLAB数值分析，通过动力学特性分析得出力传递率表达式，据此可为不同工况下优化隔振器结构参数提供参考。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图中附图标记如下：1、上连接钢板，2、橡胶圆环柱，3、金属骨架，4、圆柱螺旋弹簧，5、下连接钢板，6、哑铃型通孔，7、竖直压杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种准零刚度金属橡胶复合隔振器，包括上连接钢板1、金属橡胶复合圆环柱、圆柱螺旋弹簧4和下连接钢板5；金属橡胶复合圆环柱由橡胶圆环柱2和金属骨架3连接构成，二者直径相同，且橡胶圆环柱2由金属骨架3上浇筑硫化橡胶而形成；上连接钢板1承载被隔振物，下连接钢板5与基础相连；为保证隔振效果，隔振器应处于被隔振物底部中心位置或使被隔振物均布对称放置，且被隔振物重量不得超过隔振器额定载荷，防止隔振器加载时偏心或损坏，也可改变上连接钢板1顶部形状，便于与不同设备底部相连，但要保证隔振器加载时不出现偏心情况；下连接钢板5应与基础固定连接，放止滑移。金属骨架3中四个均布对称的竖直压杆7，向外做弯曲预处理，且上下端部用同材料固定圆环固定连接，保证金属骨架3刚度要求；橡胶圆环柱2上设置的多个哑铃型通孔6，加工时必须保证均布对称、竖直且处于相邻的两个竖直压杆7中间处对应的位置，以便保证金属橡胶复合圆环柱屈曲方向。
上连接钢板1和下连接钢板5上均设置有圆环状凸台，圆环状凸台直径根据金属橡胶复合圆环柱直径大小设计；上连接钢板1与橡胶圆环柱2连接，且其上设置的圆环状凸台置于橡胶圆环柱2内部；橡胶圆环柱2下端连接有金属骨架3；圆柱螺旋弹簧4的一端伸入到金属骨架3内部中心，另一端与下连接钢板5上设置的的圆环状凸台相连接。橡胶圆环柱2、金属骨架3和圆柱螺旋弹簧4三者高度相同且同轴设置，以便加载均匀。
本申请的结构参数计算方法为：
S1:使用MATLAB三次多项式拟合ABAQUS对金属橡胶复合圆环柱进行仿真得到载荷位移曲线，只保留三次项，得平衡位置外激励力与系统位移关系：
Figure 182567DEST_PATH_IMAGE001
式中：
Figure 125116DEST_PATH_IMAGE002
为外激励力，
Figure 515907DEST_PATH_IMAGE002
为系统位移，初始位置为平衡位置;
S2：将系统阻尼近似为线性阻尼，在平衡位置处建立系统动力学响应近似方程：
Figure 45984DEST_PATH_IMAGE005
式中：m为质量块质量，y为质量块位移，c为系统阻尼，k为系统刚度，F为激励幅值，
Figure 338369DEST_PATH_IMAGE004
为外界激励力频率，t为系统响应时间；
S3：通过谐波平衡法解步骤S2中所述系统动力学响应近似方程，得出准零刚度幅频特性方程：
Figure 632003DEST_PATH_IMAGE007
式中：A为系统响应幅值，
Figure 370283DEST_PATH_IMAGE008
为系统阻尼比，
Figure 594591DEST_PATH_IMAGE009
为系统固有频率，
Figure 656088DEST_PATH_IMAGE010
为外激励频率，K1为隔振器系统刚度，
Figure 940439DEST_PATH_IMAGE011
为圆柱螺旋弹簧（4）刚度;
S4：当向上、向下跳跃频率相等时有：
Figure 415283DEST_PATH_IMAGE012
按步骤S2中公式调整刚度系数
Figure 443281DEST_PATH_IMAGE014
、系统阻尼比及外激励幅值
Figure 814537DEST_PATH_IMAGE018
，使系统跳跃现象消失，将步骤S1中公式改写得传递到基础的力为：
Figure 524479DEST_PATH_IMAGE019
得到力的传递率为：
Figure 90590DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 392258DEST_PATH_IMAGE021
为相位角。影响本发明隔振系统传递率的主要参数为系统响应幅值A、激励幅值F、系统阻尼比
Figure 815149DEST_PATH_IMAGE016
、外激励频率
Figure DEST_PATH_IMAGE023
及刚度系数
Figure DEST_PATH_IMAGE025
。在工程应用中，当外界激励力载荷已知的情况下，通过适当增加金属骨架3厚度、宽度、高度，来降低系统刚度、增加系统阻尼比，能有效提升隔振器隔振性能，便于本发明适用于不同工况。
本发明隔振机理：被隔振物通过上连接钢板1压迫金属橡胶复合圆环柱，金属橡胶复合圆环柱受压屈曲产生负刚度，与提供正刚度的圆柱螺旋弹簧4并联，当达到平衡位置时，隔振器获得低动刚度、高静刚度，其中动刚度趋近于零且大于零，进而能够获得很低的固有频率，实现低频隔振。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种准零刚度金属橡胶复合隔振器，其特征在于，包括上连接钢板（1）、金属橡胶复合圆环柱、圆柱螺旋弹簧（4）和下连接钢板（5）；所述金属橡胶复合圆环柱包括相连接的橡胶圆环柱（2）和金属骨架（3），橡胶圆环柱（2）由金属骨架（3）上浇筑硫化橡胶而形成；所述上连接钢板（1）的下表面设有圆环状凸台A，所述圆环状凸台A位于橡胶圆环柱（2）内部；所述圆柱螺旋弹簧（4）的一端伸入到金属骨架（3）内部，圆柱螺旋弹簧（4）另一端与设置在下连接钢板（5）上表面的圆环状凸台B相连接；
所述的准零刚度金属橡胶复合隔振器力的传递率计算方法，包括以下步骤：
S1:使用MATLAB三次多项式拟合ABAQUS对金属橡胶复合圆环柱进行仿真得到载荷位移曲线，只保留三次项，得平衡位置外激励力与系统位移关系：
Figure 274101DEST_PATH_IMAGE001
式中：
Figure 111607DEST_PATH_IMAGE002
为外激励力，为系统位移，初始位置为平衡位置；
S2：将系统阻尼近似为线性阻尼，在平衡位置处建立系统动力学响应近似方程：
式中：m为质量块质量，y为质量块位移，c为系统阻尼，k为系统刚度，F为激励幅值，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为外界激励力频率，t为系统响应时间；
S3：通过谐波平衡法解步骤S2中所述系统动力学响应近似方程，得出准零刚度幅频特性方程：
Figure 914030DEST_PATH_IMAGE006
式中：A为系统响应幅值,
Figure 283831DEST_PATH_IMAGE007
为系统阻尼比，
Figure 174427DEST_PATH_IMAGE008
为系统固有频率，为外激励频率，K1为隔振器系统刚度，
Figure 518001DEST_PATH_IMAGE010
为圆柱螺旋弹簧（4）刚度；
S4：当向上、向下跳跃频率相等时有：
Figure 691493DEST_PATH_IMAGE011
按步骤S2中公式调整刚度系数、系统阻尼比及外激励幅值
Figure 451748DEST_PATH_IMAGE014
，使系统跳跃现象消失，将步骤S1中公式改写得传递到基础的力为：
得到力的传递率为：
Figure 966223DEST_PATH_IMAGE016
其中，为相位角。
2.根据权利要求1所述的准零刚度金属橡胶复合隔振器，其特征在于，所述金属骨架（3）由对称分布的四个竖直压杆（7）以及设置在四个竖直压杆（7）上下两端的固定圆环组成。
3.根据权利要求2所述的准零刚度金属橡胶复合隔振器，其特征在于，所述橡胶圆环柱（2）上设有多个哑铃型通孔（6），所述哑铃型通孔（6）分别位于相邻的两个竖直压杆（7）中间处对应的位置。
4.根据权利要求2所述的准零刚度金属橡胶复合隔振器，其特征在于，所述竖直压杆（7）为具有向外弯曲弧度的结构。
5.根据权利要求1所述的准零刚度金属橡胶复合隔振器，其特征在于，所述橡胶圆环柱（2）、金属骨架（3）和圆柱螺旋弹簧（4）三者高度相同且同轴设置。
6.根据权利要求1所述的准零刚度金属橡胶复合隔振器，其特征在于，所述金属骨架（3）由60Si2MnA高弹性钢材料制成。
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