CN1104782A - 一种隔离机械振动的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种隔离机械振动的方法及装置，属机 械领域。通过适当选取由重物，基座和装在它们之间 的“机械悬浮机构”组成机械系统的结构参数，使该系 统的力学特性，在重物与基座之间的相对铅垂位移在 △范围内，具有刚度为零，固有频率为零的特性，重物 好似处于一种“悬浮”状态，切断了振动传递途径，隔 振效果显著，可应用于一切需要隔离机械振动的领 域，结构简单，便于推广应用。

Description

本发明属机械领域。涉及一种可以在极宽的频率范围内有效地隔离机械振动的方法和装置。

现有的隔振技术，其原理上都是采用具有一定刚度和阻尼系数的弹性装置的“隔振”系统，因此系统的固有频率不为零，存在有共振区。由于“隔振”效果与振源的频率有关，当振源的频率在很宽的范围内变化时，很难实现有效的“隔振”。因此，现有的隔振措施，从理论上讲只是不同程度地降低振动的传递率，并未真正切断振动传递途径，其隔振效果有很大的局限性。现代的振动控制技术，虽可以对振源实现有效的控制，但由于技术复杂，成本昂贵，未能应用于一般工程技术领域。

本发明的目的是为了减少以至消除机械振动对人员及机器、结构或仪器设备的有害影响，实现一种在理论上完全切断振动传递途径的隔振方法和装置，对工程中大量存在的频率变化范围很宽的机械振动，达到理想的隔振效果，且结构简单，易于推广应用。

本发明的目的是通过下述的方法和设备来实现的：通过适当选取由重物、基座和装在它们之间的“机械悬浮机构”所组成的机械系统的结构参数，使该系统的力学特性，在重物与基座之间可能产生的相对铅垂位移在△范围内，具有刚度为零，固有频率为零的特性，这样，在重物和基座互为任意频率的振源和被隔振物时，重物与基座之间都能实现理想的“完全隔振”。所说的“机械悬浮机构”（如图1）是由能绕基座上的A轴转动的弹簧，为压缩弹簧用的弹簧杆和一端与弹簧杆铰接，并能绕基座上的B轴转动的摆杆所构成，所说的适当选取该系统结构参数的方法是同时满足下列条件：

（1）使弹簧的刚度与重物的重量成正比，与弹簧转轴A到摆杆转轴B之间的距离成反比;

（2）使摆杆处于摆角α＝0°的初始安装角时，保证弹簧力的作用线通过摆杆转轴B;

（3）使弹簧的初始压缩量与弹簧转轴A到弹簧杆-摆杆铰接点初始位置C′之间的距离成正比。

通过适当修改其同时满足的系统结构参数的条件之一，可达到使系统具有适应重物的重量在一定范围内变化和使重物保持在一个相对稳定的平衡位置的能力，修改系统结构参数的方法是：

（1）.改变弹簧的初始压缩量;

（2）.使摆杆的初始安装角α≠0;

（3）.在弹簧转轴A和摆杆转轴B处加装刚度远小于（＜1/10）系统弹簧的辅助扭力弹簧。

实现上述方法的装置是（如图1），由基座（108），承重台（101），支座轴（109），和两组弹簧筒-摆杆机构（107）（103）所组成;支座轴（109）安装在基座（108）上，两组弹簧筒-摆杆机构（107）（103）对称交叉地套装在支座轴（109）上，承重台（101）平架在弹簧筒-摆杆机构的上面。承重台（101）与基座（108）之间可以自由地产生沿铅垂方向的相对位移，该相对位移的最大值△可根据需要于结构设计时确定。弹簧筒-摆杆机构是由摆杆（103），滚子（102），弹簧（106），活塞（105），弹簧杆（104）所组成，装配关系是：在弹簧筒内具有一定初始压缩量的弹簧（106）一端被压在活塞（105）的端面上，另一端压在弹簧筒盖的内侧，可沿弹簧筒的轴线方向滑动的活塞（105）与弹簧杆（104）的一端螺纹连接，弹簧杆（104）的另一端与摆杆（103）的短臂端点铰接，摆杆（103）的长臂端点处装有可以转动的滚子（102），滚子（102）与承重台底面滑动接触，摆杆（103）的支点在支座轴（109）上，当承重台（101）与基座（108）之间产生相对运动时，在摆杆（103）绕支座轴（109）转动的同时，滚子（102）可沿承重台内侧表面滚动。在机构许可的承重台与基座间的最大相对位移△范围之内，经滚子（102）作用到承重台（101）上的力始终与重物的重量Q相等，这一力学特性可见图2所示，图中横座标δ表示承重台与基座之间的相对位移，纵座标P表示作用在承重台上的外力，Q是重物的重量，△是机构许可的承重台与基座之间的最大相对位移。由于在△范围内系统刚度为零，固有频率也为零，重物Q处于“悬浮”状态，从而达到理想的隔振效果。这同样也适用于在以Q作为主动振动的情况下，实现基座不会发生振动，而处于“完全隔振”状态。

本发明可应用于一切需要隔离机械振动的技术领域，包括被动隔振和主动隔振。优点是：隔振效果好，可以实现理想的完全隔振，适用频率范围宽，且结构简单，易于加工制造，使用中不需维护，成本低廉，便于推广应用。

附图说明：

图1：隔离机械振动装置的原理结构图。

图中：Q-重物的重量

△-承重台与基座间的最大相对位移

101-承重台  106-弹簧

102-滚子  107-弹簧筒

103-摆杆  108-基座

104-弹簧杆  109-支座轴

105-活塞

图2：隔离机械振动系统的力学特性。

图中：O-坐标系原点

δ-横坐标，表示承重台与基座之间的相对位移

P-纵坐标，表示作用在承重台上的外力

△-承重台与基座间的最大相对位移

Q-重物的重量

图3：隔振平台。

图中：301-承重台总成  308-基座  315-台面

302-滚子  309-支座轴  316-压板

303-摆杆长臂  310-摆杆总成  317-导向杆

304-弹簧杆  311-弹簧筒总成  318-限位杆

305-活塞  312-园盘  319-导轮

306-弹簧  313-连接杆

307-弹簧筒  314-销轴

图4：隔振拖车。

图中：401-车轮  405-辅助扭力弹簧  409-地面

402-摆杆总成  406-弹簧筒旋转轴支座  410-摆杆转轴

403-弹簧杆  407-摆杆旋转轴支座

404-弹簧筒总成  408-车架底板

图5：隔振座椅。

图中：501-座椅板  506-弹簧杆

502-滚子  507-摆杆旋转轴支座

503-辅助悬挂弹簧  508-摆杆总成

504-弹簧筒总成  509-平行运动机构

505-弹簧筒旋转轴支座  510-底板

图6：在行程的两端加装辅助扭力弹簧后系统的力学特性。

图中：O-坐标系原点

δ-横坐标，表示承重台与基座之间的相对位移

P-纵坐标，表示作用在承重台上的外力

△-结构上许可的承重台与基座之间的最大相对位移

Q-重物的重量

图7：在全行程上叠加一个小刚度弹簧后系统的力学特性。

图中：O-坐标系原点

δ-横坐标，表示承重台与基座之间的相对位移

P-纵坐标，表示作用在承重台上的外力

△-结构上许可的承重台与基座之间的最大相对位移

Q-重物的重量

图8：改变弹簧初始压缩量后系统的力学特性。

图中：O-坐标系原点

α-横坐标，表示运动中摆杆与铅垂轴线的夹角

η-纵坐标，表示比值Q′/Q

Q-弹簧初始安装长度改变之前，滚子作用于承重台的力

Q′-弹簧初始安装长度改变之后，滚子作用于承重台的力

图9：改变摆杆初始安装角度后系统的力学特性。

图中：O-坐标系原点

α-横坐标，表示运动中摆杆与铅垂轴线的夹角

η-纵坐标，表示比值Q′/Q

Q-摆杆初始安装角度改变之前，滚子作用于承重台的力

Q′-摆杆初始安装角度改变之后，滚子作用于承重台的力

下面结合附图详细描述本发明的几个实施方案：

实施例一是图3所示的隔振平台，它是由基座（308），固定安装在基座上的支座轴（309）套装在支座轴（309）上的弹簧筒-摆杆机构（311）（310）和平架在弹簧筒-摆杆机构中摆杆长臂端点滚子（302）上的承重台（301）所组成。支座轴（309）是4个半轴，分别固定安装在基座（308）的侧壁上，两套对称地分别套装在4个半轴上的弹簧筒-摆杆机构，每套弹簧筒-摆杆机构又是由摆杆总成（310）和弹簧筒总成（311）所组成，其中，摆杆总成是由套装在半轴上的两个园盘（312），用螺栓固定在园盘半径上的摆杆长臂（303），两个园盘之间的连接杆（313）和固定于园盘半径远端的销轴（314），摆杆长臂与销轴所在的园盘半径以园盘中心的半轴为支点形成L形摆杆总成，弹簧筒总成中的弹簧筒的侧壁是套装在两个半轴上的，弹簧杆的一端套装在销轴上，转动处都可安装轴承，承重台是由台面（315）、压板（316）、导向杆（317）、限位杆（318）组成，它是平架在四个摆杆长臂一端的滚子（302）上的，导向杆（317）与装在基座四角侧壁上的导轮（319）滑动接触。

实施例二是图4所示的隔振拖车，是隔离机械振动装置的一种变型结构，它是由车架底板（408），弹簧筒-摆杆机构（404）（402），和固定安装在车架底板（408）上的摆杆悬转轴支座（407）及弹簧筒悬转轴支座（406）组成，两组弹簧筒-摆杆机构（404）（402）对称交叉地套装在弹簧筒旋转轴支座（406）和摆杆旋转轴支座（407）上，其内部结构与图1相同。车轮（401）是由图1中的滚子演变而来，两侧各有一对，共4只。摆杆总成（402）由摆杆长臂与摆杆短臂组成为L形，其长臂端点处装有直接作用于地面（409）的车轮（401），短臂与弹簧杆（403）铰接，转动处都可安装轴承。在摆杆转轴（410）处装有刚度远小于（如＜1/10）弹簧筒中弹簧刚度的辅助扭力弹簧（405），使该系统的力学特性如图6所示的曲线，可以避免因支承振动振幅过大而可能引起的撞击。

实施例三是图5所示的隔振座椅，是隔离机械振动装置的另一种变型结构。它是由底板（510），座椅板（501），弹簧筒-摆杆机构（504）（508），和固定安装于底板（510）上的弹簧筒旋转轴支座（505）及摆杆旋转轴支座（507）所组成。弹簧筒-摆杆机构的装配关系、动作原理与图1相同。为了简化结构，减小尺寸，只采用了一套弹簧筒-摆杆机构，其中摆杆总成（508）由摆杆长臂和摆杆短臂组成为L形，摆杆长臂端点处装有直接作用于座椅板（501）底面的滚子（502），摆杆短臂端点处与弹簧杆（506）铰接，转动处都可安装轴承，座椅板（501）与底板（510）之间装有平行运动机构（509），在座椅板（501）底部加装有刚度远小于（如＜1/10）弹簧筒中弹簧刚度的辅助悬挂弹簧（503），使该系统的力学特性如图7所示曲线。

在实施例二和三中都加装了辅助弹簧，可以适应除隔振之外的其它性能要求，保持良好的悬挂特性和为避免因支承振动振幅过大可能引起的撞击。还可以使被隔振物保持一个相对稳定的平衡位置，同时也可适应重物的重量在一定范围内的变化。通过对该装置上加装的辅助弹簧，达到调整系统力学特性的作用。

适当改变实施例一至三中机构的几何参数可以调整系统的力学特性，适应不同需要。例如改变弹簧初始压缩量后可使系统的力学特性成为图8所示的曲线。又如改变摆杆初始安装角度后可使系统的力学特性为图9所示的曲线。

总之综合考虑被隔振物的隔振要求和具体的悬挂特性的要求，可以实现隔振的最佳效果。

Claims (6)

1、一种隔离机械振动的方法，其特征是：通过适当选取由重物、基座和装在它们之间的“机械悬浮机构”所组成的一个机械系统的结构参数，使该系统的力学特性，在重物与基座之间可能产生的相对铅垂位移Δ范围之内，具有刚度为零、固有频率为零的特性，这样，在重物和基座互为任意频率的振源和被隔振物时，重物与基座之间都能实现理想的“完全隔离”，所说的“机械悬浮机构”是由能绕基座上A轴转动的弹簧、为压缩弹簧用的弹簧杆和一端与弹簧杆铰接的、并能绕基座上的B轴转动的摆杆所构成，所说的适当选取该系统结构参数的方法是同时满足下列条件：

(1)使弹簧的刚度与重物的重量成正比，与弹簧转轴A到摆杆转轴B之间的距离成反比；

(2)使摆杆处于摆角α=0°的初始安装角时，保证弹簧力的作用线通过摆杆转轴B；

(3)使弹簧的初始压缩量与弹簧转轴A到弹簧杆-摆杆铰接点初始位置C′之间的距离成正比。

2、如权利要求1所述的隔离机械振动的方法，其特征是：通过适当地修改其同时满足的系统结构参数的条件之一，达到使系统具有适应重物的重量在一定范围内变化和使重物保持在一个相对稳定的平衡位置的能力，修改系统结构参数的方法是：

（1）.改变弹簧的初始压缩量;

（2）.使摆杆的初始安装角α≠0°;

（3）.在弹簧转轴A和摆杆转轴B处加装刚度远小于（＜1/10）系统弹簧的辅助扭力弹簧。

3、一种隔离机械振动的装置，其特征在于：它是由基座（108），承重台（101），支座轴（109）和两组弹簧筒-摆杆机构（107）（103）所组成，支座轴（109）安装在基座（108）上，两组弹簧筒-摆杆机构（107）（103）对称交叉地套装在支座轴（109）上，承重台（101）平架在弹簧筒-摆杆机构的上面;其中弹簧筒-摆杆机构是由摆杆（103），滚子（102），弹簧（106），活塞（105），弹簧杆（104）所组成，其装配关系为：在弹簧筒内具有一定初始压缩量的弹簧（106）一端被压在活塞（105）的端面上，另一端压在弹簧筒盖的内侧，可沿弹簧筒的轴线方向滑动的活塞（105）与弹簧杆（104）的一端螺纹连接，弹簧杆（104）的另一端与摆杆（103）的短臂端点铰接，摆杆（103）的长臂端点处装有可以转动的滚子（102），滚子（102）与承重台底面滑动接触，摆杆（103）的支点在支座轴（109）上。

4、根据权利要求3所述的隔离机械振动的装置，其特征在于：它的支座轴（309）是4个半轴，分别固定安装在基座（308）的侧壁上;它有两套对称地分别套装在4个半轴上的弹簧筒-摆杆机构，每套弹簧筒-摆杆机构又是由摆杆总成（310）和弹簧筒总成（311）所组成，其中，摆杆总成是由套装在半轴上的两个园盘（312），用螺栓固定在园盘半径上的摆杆长臂（303），两个园盘之间的连接杆（313）和固定于园盘半径远端的销轴（314），摆杆长臂与销轴所在的园盘半径以园盘中心的半轴为支点形成L型摆杆总成;弹簧筒总成中的弹簧筒的侧壁是套装在两个半轴上的，弹簧杆的一端套装在销轴上;转动处都可安装轴承;承重台是由台面（315）、压板（316）、导向杆（317），限位杆（318）组成，它是平架在4个摆杆长臂一端的滚子（302）上的，导向杆与装在基座4角侧壁上的导轮（319）滑动接触。

5、根据权力要求3所述的隔离机械振动的装置，其特征是：它是由车架底板（408），两组弹簧筒-摆杆机构（404）（402），和固定安装在车架底板（408）上的摆杆旋转轴支座（407）及弹簧筒旋转轴支座（406）组成;两组弹簧筒-摆杆机构（404）（402）对称交叉地套装在弹簧筒旋转轴支座（406）和摆杆旋转轴支座（407）上，摆杆总成（402）由摆杆长臂与摆杆短臂组成为L形，其长臂端点处装有直接作用于地面（409）的车轮（401），短臂与弹簧杆（403）铰接，转动处都可安装轴承，在摆杆转轴（410）处装有刚度远小于（如＜1/10）弹簧筒中弹簧刚度的辅助扭力弹簧。

6、根据权力要求3所述的隔离机械振动的装置，其特征是：它是由底板（510），座椅板（501），一组弹簧筒-摆杆机构（504）（508）和固定安装于底板（510）上的弹簧筒旋转轴支座（505）及摆杆旋转轴支座（507）所组成;其中摆杆总成（508）由摆杆长臂和摆杆短臂组成为L形，摆杆长臂端点处装有直接作用于座椅板（501）底面的滚子（502），摆杆短臂端点处与弹簧杆（506）铰接，转动处都可安装轴承，在座椅板（501）与底板（510）之间装有平行运动机构（509）和辅助悬挂弹簧（503）。

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