CN110094445A - 准零刚度隔振系统 - Google Patents

Abstract

本发明机械振动隔离技术领域，公开了一种准零刚度隔振系统，包括一个负刚度模块以及与其并联的多个正刚度模块，所述负刚度模块设置于由多个正刚度模块布置成的几何图形的中心位置。本发明是一种大负载低固频的隔振系统；以单个负刚度模块与多个正刚度模块同时并联使用，不但使隔振系统保持低的垂直固有频率，而且保证了隔振系统的稳定性；其中的负刚度模块设置于多个正刚度模块布置形成的图形几何中心，使得它产生的负刚度的作用效果平均分配到各正刚度模块连接点上，从而降低了隔振系统的竖直刚度；但隔振系统旋转时负刚度模块不影响隔振系统的旋转刚度，使得隔振系统得以保持较高的旋转刚度。

Description

准零刚度隔振系统

技术领域

本发明机械振动隔离技术领域，特别是涉及一种准零刚度隔振系统。

背景技术

一般被动式准零刚度隔振器主要解决的是重力方向的承载能力与隔振效果的矛盾问题，即大承载需要大刚度，但大刚度使得隔振效果变差，因此出现了准零刚度隔振器，即能够有大的承载能力，又能在工作区间内提供较小的支撑刚度。

然而在实际工程应用时，很少出现仅使用一只隔振器就能支撑起被隔振物体的情况，一般都要用3只或者更多隔振器支撑起被隔振物体(或者设备)的多个安装位置来使被隔振物体达到平稳状态。当多个准零刚度隔振器组合应用时，会使得系统整体的竖直方向固有频率降到很低，可低至1Hz以下，而同时系统在沿水平面上的X、Y轴旋转的刚度也会降到很低，造成系统的不稳定。很多情况下，例如运输设备、动力源设备、舰艇设备、飞行设备等领域所需要的隔振器是仅仅降低竖直方向的刚度以降低振动的传递，而对于沿水平X、Y轴旋转方向又要求具有较大刚度(即抗倾翻能力)，以维持设备的稳定。

现有由多个准零刚度隔振器组成的隔振系统，如图7所示，在降低竖直方向的刚度以降低振动的传递方面具有良好效果，但是对于沿水平X、Y轴旋转方向的刚度同样也降到很低，造成无法有效抗衡来自水平方向的力，一旦被施加使被承载物沿XY轴方向旋转的倾翻力，则难以维持设备的稳定，即采用多个准零刚度隔振器组成的隔振系统容易导致设备发生倾翻事故。

由此可见，在实践中根据设备隔振需要，一般在降低竖直方向刚度的情况下，还应解决现有隔振系统如何保留沿X、Y轴旋转方向的刚度的问题，以达到隔振系统的稳定。

发明内容

为了保留隔振系统的沿水平X、Y轴旋转方向的刚度，本发明提供了一种准零刚度隔振系统，包括一个负刚度模块以及与其并联的多个正刚度模块，所述负刚度模块设置于由多个正刚度模块布置成的几何图形的中心位置。

优选地，与负刚度模块并联的正刚度模块不少于3个。所有正刚度模块布置成多边形，负刚度模块位于该多边形的中心点。

优选地，与负刚度模块并联的正刚度模块为4-10个。

优选地，所述正刚度模块布置在成中心对称多边形的每个角上位置。

优选地，所述正刚度模块布置在正多边形或矩形的每个角上位置。

优选地，所述正刚度模块布置成正三角形、正方形、正五边形、正六边形或者正八边形。

优选地，所述准零刚度隔振系统还包括支撑杆，所述支撑杆一端与承载物连接，另一端和负刚度模块连接。进一步地，所述支撑杆成哑铃形状。所述支撑杆与承载物可以采用螺栓连接或者焊接或者铰接；支撑杆和负刚度模块可以采用螺栓连接或者焊接或者铰接。

本发明的准零刚度隔振系统是一种大负载低固频的隔振系统；单个负刚度模块与多个正刚度模块同时并联使用时，不但保持低的垂直固有频率，而且保证了隔振系统的稳定性；其中的负刚度模块设置于多个正刚度模块布置形成的图形的几何中心，使得它产生的负刚度的作用效果平均分配到各正刚度模块连接点上，从而降低了隔振系统的竖直刚度；当隔振系统产生旋转时负刚度模块不产生作用力或者对于各连接点产生同向的作用力，从而不影响隔振系统的旋转刚度，使得隔振系统得以保持较高的旋转刚度。本发明为一种负刚度模块与正刚度模块组合的准零刚度隔振系统，是为克服多个准零刚度隔振器使用时的隔振系统失稳问题而研发的，将单个负刚度模块和多个正刚度模块以上述方式并联作为一个整体的隔振系统使用，替代多个准零刚度隔振器组合而成的隔振系统，不仅降低竖直方向刚度保证良好隔振效果，而且还使得该准零刚度隔振系统保留了与单纯正刚度模块组成的系统相同的旋转刚度，对沿X/Y轴旋转的作用力(既倾翻力)有较强抵抗能力，使隔振系统具有抗倾翻能力，解决了隔振系统因受到倾翻力而易发生失稳问题。

附图说明

图1为本发明的准零刚度隔振系统实施例一立面示意图；

图2为准零刚度隔振系统实施例二示意图；

图3-5为本发明的不同实施例的正、负刚度模块并联的平面布置示意图；

图6为支撑杆示意图；

图7为使用多个准零刚度隔振器进行隔振的示意图。

图中：1-正刚度模块，2-负刚度模块，3-支撑杆，4-承载物，5-准零刚度隔振器。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为解决技术问题所采取的技术手段及功效，以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，需要说明的是所提供的附图是示意性的，相互间并没有完全按照尺寸或者比例绘制，因此附图和具体实施例并不作为本发明要求的保护范围限定。

如图1所示的准零刚度隔振系统可选实施例，包括一个负刚度模块2以及与其并联的多个正刚度模块1，所述负刚度模块2设置于由多个正刚度模块1布置成的几何图形的中心位置。在本实施例中，一个负刚度模块2和多个正刚度模块1均布在承载物4的下面，在多个正刚度模块布置成的图形的中心点位置，设置负刚度模块2，负刚度模块2和多个正刚度模块1并联使用，本实施例中的负刚度模块2通过支撑杆3与承载物4的下端面连接。负刚度模块2所产生的负刚度效果的作用力将被平均分配到各正刚度模块1的连接点上，从而降低了隔振系统整体的竖直刚度；当隔振系统产生旋转时，负刚度模块2不产生作用力或者对于各连接点产生同向的作用力，从而不影响隔振系统的旋转刚度，使得隔振系统得以保持较高的旋转刚度，保证了隔振系统的稳定性。本发明以这种特殊的正、负刚度并联的形式，使得隔振系统既能承受大的承载力，又可以拥有很低的动态刚度，从而产生非线性的准零刚度效果，并且该隔振系统没有改变原来只有正刚度模块支撑时沿X/Y轴旋转时的旋转刚度，从而保证了隔振系统的稳定性。

如图2所示的准零刚度隔振系统可选实施例，以单个负刚度模块2和多个正刚度模块1并联形成的准零刚度隔振系统，具有准零刚度的特点，与单独的准零刚度隔振器不同的是，并不是负刚度模块2与正刚度模块1一对一并联或者多对多并联，而是仅使用一个负刚度模块2，将该单个负刚度模块2设置于由多个正刚度模块1布置所围成的图形的几何中心点，使得负刚度模块2所产生的负刚度效果的作用力平均分配到各正刚度模块1连接点上，从而降低隔振系统的竖直刚度；当隔振系统产生旋转时负刚度模块2不产生作用力，或者对于各连接点产生同向的作用力，从而不影响隔振系统的旋转刚度，使得隔振系统得以保持较高的旋转刚度。

如图3所示的准零刚度隔振系统可选实施例的正、负刚度模块并联的平面布置方式，图中实线空心小三角形表示正刚度模块1，实心黑色倒三角形表示负刚度模块2，虚线为正刚度模块1设置点的相互连线以及确定其所围成的几何图形的中心点的辅助线。本实施例采用3个相同的正刚度模块1，分别布置在正三角形的一个角，正三角形的每个角都设置一个正刚度模块1，然后以一个负刚度模块2设置在正刚度模块1所围成的正三角形的中心点位置，组合成准零刚度隔振系统。

如图4所示的准零刚度隔振系统可选实施例的正、负刚度模块并联的平面布置方式，本实施例采用5个相同的正刚度模块1，分别布置在正五边形的一个角，正五边形的每个角都设置一个正刚度模块1，然后以一个负刚度模块2设置在正刚度模块1所围成的正五边形的中心点位置，组合成准零刚度隔振系统。

如图5所示的准零刚度隔振系统可选实施例的正、负刚度模块并联的平面布置方式，本实施例采用6个相同的正刚度模块1，分别布置在正六边形的一个角，正六边形的每个角都设置一个正刚度模块1，然后以一个负刚度模块2设置在正刚度模块1所围成的正六边形的中心点位置，组合成准零刚度隔振系统。

如图6所示的准零刚度隔振系统的可选实施例使用的支撑杆，本实施例中支撑杆3被设计成哑铃形状，两端较粗，中间较细，用此支撑杆3连接负刚度模块2和承载物4，使得整个负刚度模块2有很好的竖直方向传力能力和水平方向弹性变形能力。

如图7所示采用使用多个准零刚度隔振器进行隔振，是当前常会用到的隔振方式，由多个准零刚度隔振器5共同支撑承载物4，这种方式进行隔振并不稳定，存在倾翻风险。而采用上述图1-6中的本发明的准零刚度隔振系统，则能够很好地解决这个问题。

产生负刚度的元件或者机构作为负刚度模块，产生正刚度的元件或者机构作为正刚度模块，本发明提出将单独的负刚度模块与多个正刚度模块并联成准零刚度隔振系统来使用。将负刚度模块设置于多个正刚度模块的几何中心，使负刚度模块产生的负刚度效果的作用力平均分配到各个正刚度模块的连接点上，从而降低隔振系统的竖直刚度；当系统产生旋转时，负刚度模块不产生作用力或者对于各正刚度模块位置的连接点产生同向的作用力，从而不影响准零刚度隔振系统的旋转刚度，使得准零刚度隔振系统得以保持较高的旋转刚度，保持准零刚度隔振系统的稳定性。

在本发明中的单个负刚度模块与多个刚度模块组合成准零刚度隔振系统方式，经过实验与测试，在准零刚度隔振系统承载范围为200kg的工况下，准零刚度隔振系统竖直固有频率达到2.2Hz，水平固有频率达到6HZ。是一种大负载低固频的隔振系统；实现多个正刚度模块同时使用的功能；负刚度模块与多个正刚度模块并联，不但保持低的垂直固有频率，而且保证了准零刚度隔振系统的稳定性。

上述坐标轴定义：重力方向为Z轴，X、Y轴位于水平面上。上述倾翻力指可造成隔振系统沿X/Y轴旋转产生不稳可能倾翻的作用力，包括不通过旋转中心或者支撑点的水平方向的力和不通过几何中心的竖直方向的力，这种力会形成不平衡力矩，导致倾翻风险。

当然，本发明还可有其它多种实施例，例如还可以设置预紧机构、调节机构、调整装置和/或防倾翻装置，使用时，调整装置可用于调整角度或者水平，防倾翻装置可用于防止该准零刚度隔振系统发生倾翻等。在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种准零刚度隔振系统，其特征在于：包括一个负刚度模块以及与其并联的多个正刚度模块，所述负刚度模块设置于由多个正刚度模块布置成的几何图形的中心位置。

2.根据权利要求1所述的准零刚度隔振系统，其特征在于：与负刚度模块并联的所述正刚度模块不少于3个。

3.根据权利要求1所述的准零刚度隔振系统，其特征在于：与负刚度模块并联的所述正刚度模块为4-10个。

4.根据权利要求1所述的准零刚度隔振系统，其特征在于：所述正刚度模块布置在成中心对称多边形的每个角上位置。

5.根据权利要求1所述的准零刚度隔振系统，其特征在于：所述正刚度模块布置在正多边形或矩形的每个角上位置。

6.根据权利要求1所述的准零刚度隔振系统，其特征在于：所述正刚度模块的布置成正三角形、正方形、正五边形、正六边形或者正八边形。

7.根据权利要求1所述的准零刚度隔振系统，其特征在于：还包括支撑杆，所述支撑杆一端与承载物连接，另一端和负刚度模块连接。

8.根据权利要求7所述的准零刚度隔振系统，其特征在于：所述支撑杆成哑铃形状。

9.根据权利要求7或者8所述的准零刚度隔振系统，其特征在于：所述支撑杆与承载物采用螺栓连接或者焊接或者铰接。

10.根据权利要求7或者8所述的准零刚度隔振系统，其特征在于：所述支撑杆和负刚度模块采用螺栓连接或者焊接或者铰接。