CN108953482A - 一种偏心式准零刚度隔振系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种偏心式准零刚度隔振系统，包括中心承力机构及准零刚度执行机构，多个准零刚度执行机构均匀布置于中心承力机构周围，并与中心承力机构连接；中心承力机构包括依次连接的底部支撑座、承力弹性元件、顶部支撑平台及对外转接平台，底部支撑座用于与基础连接，对外转接平台用于与隔振对象刚性连接；准零刚度执行机构包括侧向支杆、侧向弹性元件、转动连杆及支撑架，侧向支杆一端与顶部支撑平台活动连接，另一端与侧向弹性元件及转动连杆的一端活动连接，侧向弹性元件另一端与支撑架活动连接，转动连杆另一端与支撑架顶端活动连接。本发明可以很好适用于振动位移大且隔振器安装空间有限的机构，对低频和高频振动均有很好的隔离作用。

Description

一种偏心式准零刚度隔振系统

技术领域

本发明属于振动控制领域，尤其涉及一种偏心式准零刚度隔振系统。

背景技术

在众多领域的发展过程中，振动带来的危害越来越受到人们的关注。如车辆在路面行进过程中产生的振动、高速列车的振动以及机械运动带来的有害振动。特别在一些高尖端科技领域，如航空、航天领域，有关结构动力学及振动水平的要求已形成诸多重要指标列入设计和运行的考核之中。航空或航天飞行器设计是一项复杂的系统工程，其中动力学特性是反应飞行器先进性能的重要指标，而高速运动带来的振动问题是需要重点关注的因素，通常在结构设计阶段就需要考虑振动抑制及各种隔振、吸振措施的应用。

振动抑制主要分为主动和被动两大类，其中主动减振需要提供外部能源和动力驱动装置，所涉及的结构和设备相对复杂且可靠性难以保证；被动减振措施因其稳定性好、可靠性高而受到广泛应用。但是被动减振存在的主要缺点是适应性差，特别是现有的隔振设备或装置对系统低频振动的抑制效果较差，所以在一些对振动有特别要求的领域难以推广应用。准零刚度系统相比其它隔振方式具有更好的频率适应范围。

纵观已有的隔振器以及准零刚度隔振系统，具有同一的特性，即表现为以静平衡位置为中心的振动形式，这种形式的隔振器难以在有限的安装空间内产生大幅度的相对振动位移，限制了准零刚度隔振系统性能的发挥。

发明内容

本发明的目的是提供一种偏心式准零刚度隔振系统，以解决传统准零刚度隔振系统在安装空间有限和大位移振动之间的矛盾。

本发明提供了一种偏心式准零刚度隔振系统，包括中心承力机构及准零刚度执行机构，多个准零刚度执行机构均匀布置于中心承力机构周围，并与中心承力机构连接；

中心承力机构包括依次连接的底部支撑座、承力弹性元件、顶部支撑平台及对外转接平台，底部支撑座用于与基础连接，对外转接平台用于与隔振对象刚性连接；

准零刚度执行机构包括侧向支杆、侧向弹性元件、转动连杆及支撑架，侧向支杆一端与顶部支撑平台活动连接，另一端与侧向弹性元件及转动连杆的一端活动连接，侧向弹性元件另一端与支撑架活动连接，转动连杆另一端与支撑架顶端活动连接；

准零刚度执行机构用于通过侧向弹性元件的变形，借由侧向支杆对中心承力机构产生弹性作用力，并通过转动连杆限制侧向支杆的运动轨迹，调节侧向支杆对中心承力机构的作用力方向和大小，使准零刚度执行机构对中心承力机构产生的水平合力为零，垂直方向的合力随着中心承力机构的运动不断变化，其合力的变化使系统在平衡点附近产生非对称振动特征。

进一步地，转动连杆及侧向支杆的长度根据中心承力机构的运动特征确定，承力弹性元件及侧向弹性元件的刚度根据中心承力机构的运动特征确定，当中心承力机构处于静平衡状态时，侧向支杆处于水平状态，转动连杆处于竖直状态。

进一步地，支撑架为由两个梯形侧板构成的框架结构，梯形侧板具有一斜边，斜边的对边形成支撑面，斜边的顶端相比底端更靠近顶部支撑平台。

进一步地，两个梯形侧板斜边顶端之间通过转动轴与转动连杆连接，两个梯形侧板斜边底端之间通过转动轴与侧向弹性元件连接。

进一步地，梯形侧板设有镂空的圆孔。

进一步地，侧向支杆通过转动轴与顶部支撑平台、侧向弹性元件及转动连杆连接。

进一步地，承力弹性元件及侧向弹性元件为弹簧、金属波纹管或橡胶弹性元件。

借由上述方案，通过偏心式准零刚度隔振系统，能够实现以静平衡位置为基准的偏心式运动轨线，可以很好适用于振动位移大且隔振器安装空间有限的机构，其优良的动力学性能使其具有宽广的适用频带范围，对低频和高频振动均有很好的隔离作用，特别适合应用于对振动隔离要求较高的领域。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一种偏心式准零刚度隔振系统的结构示意图；

图2为本发明一种偏心式准零刚度隔振系统顶部支撑平台处于静平衡位置上方的状态示意图；

图3为本发明一种偏心式准零刚度隔振系统顶部支撑平台处于静平衡位置下方的状态示意图；

图4为本发明位移-刚度曲线。

图中标号：

1-底部支撑座；2-承力弹性元件；3-顶部支撑平台；4-对外转接平台；5-侧向支杆；6-侧向弹性元件；7-转动连杆；8-支撑架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参图1所示，本实施例提供了一种偏心式准零刚度隔振系统，用于阻断基础和隔振对象之间的力学传递路径，使基础或隔振对象的振动能量尽量少的传递给对方。

该隔振系统包括中心承力机构及准零刚度执行机构，多个(本实施例为四个)准零刚度执行机构均匀布置于中心承力机构周围，并与中心承力机构连接，中心承力机构用来支撑隔振对象，将基础和隔振对象进行动力学隔离，准零刚度执行机构用于消除系统静平衡位置附近的刚度，以达到近似零刚度的动力学特性。

中心承力机构包括依次连接的底部支撑座1、承力弹性元件2、顶部支撑平台3及对外转接平台4，底部支撑座1用于与基础连接，对外转接平台4用于与隔振对象刚性连接；

准零刚度执行机构包括侧向支杆5、侧向弹性元件6、转动连杆7及支撑架8，侧向支杆5一端与顶部支撑平台3活动连接，另一端与侧向弹性元件6及转动连杆7的一端活动连接，侧向弹性元件6另一端与支撑架8活动连接，转动连杆7另一端与支撑架8顶端活动连接；

准零刚度执行机构用于通过侧向弹性元件6的变形，借由侧向支杆5对中心承力机构产生弹性作用力，并通过转动连杆7限制侧向支杆5的运动轨迹，调节侧向支杆5对中心承力机构的作用力方向和大小，使(多个)准零刚度执行机构对中心承力机构产生的水平合力为零，垂直方向的合力随着中心承力机构的运动不断变化，其合力的变化使系统在平衡点附近产生非对称振动特征。

侧向支杆5、转动连杆7和顶部支撑平台3形成相对运动机构，在侧向支杆5和转动连杆7的联动作用下，使顶部支撑平台3与底部支撑座1产生相对周期运动，顶部支撑平台3相对于底部支撑座1的运动过程以静平衡位置为基准向远端运动位移幅值大于向近端运动位移幅值，在平衡点附近具有非对称振动特征。

通过该偏心式准零刚度隔振系统，能够扩大被动隔振系统的适用频带范围，提高隔振效果；实现平衡点附近的非对称振动，满足工程中隔振对象运动范围受限的应用场合。

在本实施例中，转动连杆7与侧向支杆5的长度相同，均为0.2m，承力弹性元件2和侧向弹性元件6的刚度相同，均为100kN/m，当中心承力机构处于静平衡状态时，侧向支杆5处于水平状态，转动连杆7处于竖直状态。

在本实施例中，支撑架8为由两个梯形侧板构成的框架结构，梯形侧板具有一斜边，斜边的对边形成支撑面，斜边的顶端相比底端更靠近顶部支撑平台3，结构简单，节约空间。

在本实施例中，两个梯形侧板斜边顶端之间通过转动轴与转动连杆7连接，两个梯形侧板斜边底端之间通过转动轴与侧向弹性元件6连接，结构简单、易于实现。

在本实施例中，梯形侧板设有镂空的圆孔，减轻自重。

在本实施例中，侧向支杆5通过转动轴与顶部支撑平台3、侧向弹性元件6及转动连杆7连接具有弹性的元件。

在本实施例中，承力弹性元件2及侧向弹性元件6具有一定的侧向刚度，可采用弹簧、金属波纹管、橡胶弹性元件或其他具有弹性的元件。

参图2至图4所示，以底部支撑座1和支撑架8为基准，研究顶部支撑平台3和弹性元件总刚度之间的关系，以静平衡位置的位移为零，静平衡位置以上为正，以下为负，图2和图3分别为顶部支撑平台3处于静平衡位置上方和下方的状态。通过动力学计算获得位移-刚度曲线如图4所示。由图可知，当顶部支撑平台3处于静平衡位置附近时，系统刚度接近零；当顶部支撑平台3靠近底部支撑座1时刚度显著增加，能够有效限制顶部支撑平台3运动过程中太过靠近底部支撑座1；当顶部支撑平台3远离底部支撑座1运动时，系统刚度也会逐渐增加，但增加趋势小于靠近底部支撑座1时的情形，由此说明该隔振系统在远离底部支撑座1的运动过程中可以产生更大的位移，从而形成非对称的振动特性，有利于扩大系统的适用范围，提高隔振性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种偏心式准零刚度隔振系统，其特征在于，包括中心承力机构及准零刚度执行机构，多个所述准零刚度执行机构均匀布置于所述中心承力机构周围，并与所述中心承力机构连接；

所述中心承力机构包括依次连接的底部支撑座、承力弹性元件、顶部支撑平台及对外转接平台，所述底部支撑座用于与基础连接，所述对外转接平台用于与隔振对象刚性连接；

所述准零刚度执行机构包括侧向支杆、侧向弹性元件、转动连杆及支撑架，所述侧向支杆一端与所述顶部支撑平台活动连接，另一端与所述侧向弹性元件及转动连杆的一端活动连接，所述侧向弹性元件另一端与所述支撑架活动连接，所述转动连杆另一端与所述支撑架顶端活动连接；

所述准零刚度执行机构用于通过所述侧向弹性元件的变形，借由所述侧向支杆对所述中心承力机构产生弹性作用力，并通过所述转动连杆限制所述侧向支杆的运动轨迹，调节所述侧向支杆对所述中心承力机构的作用力方向和大小，使准零刚度执行机构对所述中心承力机构产生的水平合力为零，垂直方向的合力随着中心承力机构的运动不断变化，其合力的变化使系统在平衡点附近产生非对称振动特征。

2.根据权利要求1所述的一种偏心式准零刚度隔振系统，其特征在于，所述转动连杆及侧向支杆的长度根据所述中心承力机构的运动特征确定，所述承力弹性元件及侧向弹性元件的刚度根据所述中心承力机构的运动特征确定，当所述中心承力机构处于静平衡状态时，所述侧向支杆处于水平状态，所述转动连杆处于竖直状态。

3.根据权利要求2所述的一种偏心式准零刚度隔振系统，其特征在于，所述支撑架为由两个梯形侧板构成的框架结构，所述梯形侧板具有一斜边，所述斜边的对边形成支撑面，所述斜边的顶端相比底端更靠近所述顶部支撑平台。

4.根据权利要求3所述的一种偏心式准零刚度隔振系统，其特征在于，两个所述梯形侧板斜边顶端之间通过转动轴与所述转动连杆连接，两个所述梯形侧板斜边底端之间通过转动轴与所述侧向弹性元件连接。

5.根据权利要求4所述的一种偏心式准零刚度隔振系统，其特征在于，所述梯形侧板设有镂空的圆孔。

6.根据权利要求5所述的一种偏心式准零刚度隔振系统，其特征在于，所述侧向支杆通过转动轴与所述顶部支撑平台、侧向弹性元件及转动连杆连接。

7.根据权利要求6所述的一种偏心式准零刚度隔振系统，其特征在于，所述承力弹性元件及侧向弹性元件为弹簧、金属波纹管或橡胶弹性元件。