CN111075882B - 一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器 - Google Patents

Abstract

一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器，其特征在于：该单元包括外部框架、支承机构和负刚度单元三部分；本发明在隔振器中提出了一种具有负刚度平衡位置调节功能的支承单元结构及其调节量计算方法（抛物线型和跑道型的隔振器的平衡位置调节机构不一样，一个是水平旋钮螺母，一个是竖直旋紧螺母。），发明内容可以保证负刚度隔振器在承受载荷范围内任意质量时，都可以将负刚度单元中的中滚子—凸轮结构调节回平衡位置，避免了负刚度单元干扰支承单元的承载能力，从而使隔振效果达到最佳，有利于系统在无外部振动状态下的稳定性。

Description

一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器

技术领域

一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器。

背景技术

近年来，随着高转速机械、精密光学仪器以及绕轨飞船等尖端技术的快速发展，人们对设备运行时的振动环境也提出了更改的要求。传统的线性隔振器在外部激励频率达到隔振系统的

倍固有频率时才能有效隔振。降低系统的固有频率可以使隔振频带变宽，但也会导致静载变形加剧，破坏系统的稳定性；这一矛盾使得线性隔振系统的隔振效果不理想。通过在线性弹簧隔振器上并联负刚度单元，使隔振系统可以同时具有低动态刚度和高静态刚度，从而解决了低频隔振表现和系统承载能力相互制约的难题。在具有负刚度单元的隔振器中，通常采用凸轮与滚子直接接触方式的负刚度单元，其往往需要为隔振器设定一个额定质量，使负刚度单元中滚子—凸轮结构处于平衡位置，该操作可以保证负刚度单元不干扰支承单元的承载能力，从而使隔振效果达到最佳，有利于系统在无外部振动状态下的稳定性。但当隔振器承载质量不等于额定质量时，负刚度单元中滚子—凸轮结构会偏离平衡位置，严重影响隔振器的使用效果。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器，其目的是解决以往负刚度单元所存在的问题。

技术方案：

一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器，其特征在于：该单元包括外部框架、支承机构和负刚度单元三部分；

外部框架包括上顶板(1)、下底板(2)和四组滑道；四组滑道中的两组设置在上顶板(1)底部作为上滑道(3-1)，四组滑道中的另外两组设置在下底板(2)上作为下滑道(3-2)；上滑道与下滑道(两两上下)对应；

支承机构包括拉簧(4)和两组剪型支承杆(也可以叫X形)(5)；剪型支承杆(5)的上端伸入上滑道(3-1)内，剪型支承杆(5)的下端伸入下滑道(3-2)内，(剪型支承杆(5)为通过轴A能做开合动作的结构)拉簧(4)设置在剪型支承杆(5)的上端之间(C、D之间)或设置在剪型支承杆(5)的下端之间(E、F之间)，拉簧(4)为通过剪型支承杆的开合而做拉伸和收缩动作的结构；(也就是说，例如拉簧设置在剪型支承杆的上端之间的情况，上顶板(1)受到压力，剪型支承杆(5)做“开”的动作时，剪型支承杆的上端之间分开，使得拉簧拉开，当压力解除后，弹簧收缩复位，使得剪型支承杆的上端之间靠近，使得上顶板(1)上升。)

负刚度单元包括上承压块(9)、活塞筒(10)、横向拉杆(11)和带有轨道(12)的立板(13)；

活塞筒(10)、横向拉杆(11)和带有轨道(12)的立板(13)均为左右两个；两个活塞筒(10)横向同轴并列设置(中间留有间隙)，两个活塞筒(10)的内端(即如图3所示相互靠近的一端)设置有(带有刻度的)旋钮(14)，旋钮(14)与活塞筒(10)螺纹配合，两个活塞筒(10)的外端为开口端，两个活塞筒(10)内设置有弹簧(15)，弹簧(15)的一端与旋钮(14)连接，弹簧(15)的另一端与横向拉杆(11)的一端连接(横向拉杆(11)上的一端设置有滚轮(16)，另一端设置有连接盘(11-1)，连接盘(11-1)的外壁与活塞筒(10)内壁相适应，连接盘(11-1)的外壁与活塞筒(10)内壁为可移动的接触，调节旋钮14是要给桶内弹簧施加预紧力，横向分区预紧功能，)，横向拉杆(11)的另一端设置有滚轮(16)，横向拉杆(11)的设置有滚轮(16)的一端伸出活塞筒(10)的开口端，滚轮(16)伸进轨道(12)内且能沿着轨道(12)移动；

上承压块(9)的底部连接两个活塞筒(10)的(上端的)侧壁(如图1-4所示，上承压块(9)的底部设置有一个豁口，豁口的两端分别连接两个活塞筒(10)的侧壁)，上承压块(9)为能随着上顶板(1)的上下移动而做上下移动的结构。

上承压块(9)与上顶板(1)之间还设置有调节机构，使用时，上顶板(1)通过调节机构控制上承压块(9)下移。

调节机构包括下底面为斜面的T型块(6)、刻度块(7)和调节螺栓(8)，调节螺栓(8)穿过刻度块(7)后与T型块(6)连接，调节螺栓上设置有调节螺母(8-1)，调节螺母(8-1)与调节螺栓(8)螺纹配合，调节螺母(8-1)与刻度块(7)之间轴向相对位置不变；(即调节螺母(8-1)只能旋转，但是与刻度块(7)之间的(轴向)位移保持相对不变，即调节螺母(8-1)轴向上不动，以便通过旋转控制调节螺栓轴向移动，以控制T型块(6)移动，而调节螺母(8-1)只能旋转的结构属于现有技术，例如，可以在调节螺母的四周外沿设置一圈凸台，然后利用7字形键卡住即可，当然还可以采用其他很多种方式，此处不赘述)

T型块(6)置于上顶板(1)底部的移动槽(1-1)中(T型块(6)一般是由一个横块和一个竖块组成的T形结构，横块置于移动槽(1-1)内)且能在该移动槽(1-1)内移动；刻度块固定于上顶板(1)底部(T型槽(1-1)的下方)；

使用时，通过旋拧调节螺母(8-1)控制T型块沿移动槽(1-1)移动；

上承压块(9)的上表面为斜面(B)，上承压块(9)的顶部斜面(B)与T型块(6)的下底面接触配合(两个面完全接触配合并可相对移动)。(上承压块(9)的顶部斜面(B)与T型块(6)的下底面的倾斜角度和倾斜方向一致，如图2所示)

所述轨道(12)为抛物线形(就像图1-4所示的弧形，也可以叫C字形，其C字形的中部弧形部分向内凸出)或斜向条形(如图5所示，也可以叫跑道形，跑道形就是沿着轨道(12)的四周划线，所划的线呈跑道形)。

轨道(12)为斜向条形时，两个轨道(12)之间呈“V”字形(如图34所示，就是上端向外倾斜)。

调节机构包括连接在上顶板(1)底部的(带有刻度的)竖调节螺母(17)和连接在上承压块(9)的顶部的调节杆(18)，调节杆(18)的上端与竖调节螺母(17)配合，并通过竖调节螺母(17)的旋拧控制调节杆(18)的升降。(调节螺母(17)能旋转，但是轴向上固定不动，调节原理属于现有技术，其原理可以采用前述的调节螺母(8-1)的原理；调节螺母(17)可以使上顶板在负载时，滚子16仍可以处于平衡位置，达到最佳隔振效果，)

轨道(12)为斜向条形时，两个轨道(12)之间呈“八”字形(如图29、30、32、33所示，就是上端向内倾斜)。

所述剪型支承杆(5)的其中一个上端点(C)与上顶板(1)下方的(穿过滑道(3-1)的)连杆轴(19)活动连接(该端点活动的套在连杆轴(19)上能以该连杆轴(19)为轴旋转)，剪型支承杆(5)的上端的另一个端点(D)作为移动端点设置有能在滑道(3-1)内移动移动滚轮(20)；

所述剪型支承杆(5)的其中一个下端点(E)与穿过下滑道(3-2)内的下连杆轴(21)连接(该端点活动的套在下连杆轴(21)上且能以该下连杆轴(21)为轴旋转)，剪型支承杆(5)的另一个下端点作为移动端(F)也设置有能在下滑道(3-2)内移动的移动滚轮(20)。(上述情况中，拉簧(4)的一端勾住连杆轴(19)，另一端勾住上端的滚轮(20)的轴或者拉簧(4)的一端勾住下连杆轴(21)，另一端勾住下端的滚轮(20)的轴，拉簧(4)为两根，同时设置在上端或者下端)。

优点效果：

本发明在隔振器中提出了一种具有负刚度平衡位置调节功能的支承单元结构及其调节量计算方法(抛物线型和跑道型的隔振器的平衡位置调节机构不一样，一个是水平旋钮螺母，一个是竖直旋紧螺母。)，发明内容可以保证负刚度隔振器在承受载荷范围内任意质量时，都可以将负刚度单元中的中滚子—凸轮结构调节回平衡位置，避免了负刚度单元干扰支承单元的承载能力，从而使隔振效果达到最佳，有利于系统在无外部振动状态下的稳定性。

附图说明

图1为具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器一种实施例的立体结构图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1中负刚度单元(活塞筒透明)的结构示意图；

图4为图1中负刚度单元的侧视结构示意图；

图5为支承单元调节量计算方法示意图(也是整个结构的数学模型示意图)；

图6为一种在负刚度中广泛存在的凸轮与滚子直接接触方式(背景技术，也就是目前存在的接触结构，本发明的抛物线型结构和跑道型的结构都是为了比他好设计出来的新结构，后续实验数据对比也能说明)

图7为图1中除负刚度单元以外的结构示意图；

图8为图7的侧视图；

图9为图7的端面示意图；

图10为上顶板和下底板的立体结构示意图；

图11为上顶板和下底板的端面结构示意图；

图12为剪型支承杆的立体结构示意图；

图13为剪型支承杆的侧面结构示意图；

图14为剪型支承杆的俯视结构示意图；

图15为拉簧的结构俯视图；

图16为显示拉簧结构的立体图；

图17为调节机构的立体图；

图18为刻度块的侧面结构示意图；

图19为刻度块的立体结构示意图；

图20为T型块的结构示意图；

图21为T型块的端面结构示意图；

图22为T型块的立体结构示意图；

图23为移动滚轮(长轴)结构示意图；

图24为移动滚轮(短轴)结构示意图；

图25为仰视立体图；

图26为横向拉杆结构示意图；

图27为图26的左视图；

图28为图26的俯视图；

图29为具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器另一种实施例的立体结构图；

图30为图29的侧面结构示意图；

图31为图29的仰视立体图；

图32为图29中负刚度单元(活塞筒透明)的结构示意图；

图33为图29中负刚度单元的结构侧示意图；

图34为具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器再一种实施例的立体结构图；

图35为图34中负刚度单元(活塞筒透明)的结构示意图；

图36为图34中负刚度单元的结构侧示意图；

图37为等量外部激励下圆形负刚度单元和抛物线负刚度单元的刚度曲线；

图38为等量外部激励下三种刚度单元的幅频曲线；

图39为一种具有抛物线负刚度单元隔振器的刚度曲线；

图40为等量外部激励下支承单元的刚度曲线；

图41为等量外部激励下跑道型负刚度单元的刚度曲线；

图42为一种具有跑道型负刚度单元隔振器的刚度曲线；

图43为等量外部激励下三种刚度单元的幅频曲线；

图44为等量外部激励下支承单元的刚度曲线；

图45为等量外部激励下跑道型负刚度单元的刚度曲线；

图46为一种具有跑道型负刚度单元隔振器的刚度曲线；

图47为等量外部激励下三种刚度单元的幅频曲线。

具体实施方式

一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器，其特征在于：该单元包括外部框架、支承机构和负刚度单元四部分；

外部框架包括上顶板(1)、下底板(2)和四组滑道；四组滑道中的两组设置在上顶板(1)底部作为上滑道(3-1)，四组滑道中的另外两组设置在下底板(2)上作为下滑道(3-2)；上滑道与下滑道(两两上下)对应；

支承机构包括拉簧(4)和两组剪型支承杆(也可以叫X形)(5)；剪型支承杆(5)的上端伸入上滑道(3-1)内，剪型支承杆(5)的下端伸入下滑道(3-2)内，(剪型支承杆(5)为通过轴A能做开合动作的结构)拉簧(4)设置在剪型支承杆(5)的上端之间(C、D之间)或设置在剪型支承杆(5)的下端之间(E、F之间)，拉簧(4)为通过剪型支承杆的开合而做拉伸和收缩动作的结构；(也就是说，例如拉簧设置在剪型支承杆的上端之间的情况，上顶板(1)受到压力，剪型支承杆(5)做“开”的动作时，剪型支承杆的上端之间分开，使得拉簧拉开，当压力解除后，弹簧收缩复位，使得剪型支承杆的上端之间靠近，使得上顶板(1)上升。)

负刚度单元包括上承压块(9)、活塞筒(10)、横向拉杆(11)和带有轨道(12)的立板(13)；

活塞筒(10)、横向拉杆(11)和带有轨道(12)的立板(13)均为左右两个；两个活塞筒(10)横向同轴并列设置(中间留有间隙)，两个活塞筒(10)的内端(即如图5所示相互靠近的一端)设置有(带有刻度的)旋钮(14)，旋钮(14)与活塞筒(10)螺纹配合，两个活塞筒(10)的外端为开口端，两个活塞筒(10)内设置有弹簧(15)，弹簧(15)的一端与旋钮(14)连接，弹簧(15)的另一端与横向拉杆(11)的一端连接(横向拉杆(11)上的一端设置有滚轮(16)，另一端设置有连接盘(11-1)，连接盘(11-1)的外壁与活塞筒(10)内壁相适应，连接盘(11-1)的外壁与活塞筒(10)内壁为可移动的接触)，横向拉杆(11)的另一端设置有滚轮(16)，横向拉杆(11)的设置有滚轮(16)的一端伸出活塞筒(10)的开口端，滚轮(16)伸进轨道(12)内且能沿着轨道(12)移动；

上承压块(9)的底部连接两个活塞筒(10)的(上端的)侧壁(如图所示，上承压块(9)的底部设置有一个豁口，豁口的两端分别连接两个活塞筒(10)的侧壁)，上承压块(9)为能随着上顶板(1)的上下移动而做上下移动的结构。

上承压块(9)与上顶板(1)之间还设置有调节机构，使用时，上顶板(1)通过调节机构控制上承压块(9)下移。

本发明有如下实施例：

实施例1：

调节机构包括下底面为斜面的T型块(6)、刻度块(7)和调节螺栓(8)，调节螺栓(8)穿过刻度块(7)后与T型块(6)连接，调节螺栓上设置有调节螺母(8-1)，调节螺母(8-1)与调节螺栓(8)螺纹配合，调节螺母(8-1)与刻度块(7)之间轴向相对位置不变；(即调节螺母(8-1)只能旋转，但是与刻度块(7)之间的(轴向)位移保持相对不变，即调节螺母(8-1)轴向上不动，以便通过旋转控制调节螺栓轴向移动，以控制T型块(6)移动，而调节螺母(8-1)的这种只能旋转，轴向位移不变的方式属于现有技术，例如，可以在调节螺母的四周外沿设置一圈凸台，然后利用7字形键卡住即可，如图所示，当然还可以采用其他很多种方式，此处不赘述)

T型块(6)置于上顶板(1)底部的移动槽(1-1)中(T型块(6)一般是由一个横块和一个竖块组成的T形结构，横块置于移动槽(1-1)内)且能在该移动槽(1-1)内移动；刻度块固定于上顶板(1)底部(T型槽(1-1)的下方)；

使用时，通过旋拧调节螺母(8-1)控制T型块沿移动槽(1-1)移动；

上承压块(9)的上表面为斜面(B)，上承压块(9)的顶部斜面(B)与T型块(6)的下底面接触配合(两个面完全接触配合并可相对移动)。(上承压块(9)的顶部斜面(B)与T型块(6)的下底面的倾斜角度和倾斜方向一致，如图2所示)

而此时，针对轨道(12)有如下两种形式：

第一种形式，如图1-11所示：

所述轨道(12)为抛物线形(就像图1-4所示的弧形，也可以叫C字形，其C字形的中部弧形部分向内凸出)或斜向条形(如图29-36所示，也可以叫跑道形，跑道形就是沿着轨道(12)的四周划线，所划的线呈跑道形)。

针对该方式中：

下底板置于底座上，带有T型槽的上顶板按一定距离置于下底板的上方，并与下底板平行对齐，在上顶板和下底板的4个长边各安装有1组滑道。各组成零件安装位置如下：2对剪型支承杆5的一端由2个长杆连接，2对剪型支承杆另一端的下半部分安装在短滚轴上，上半部分安装于长滚轴上(长、短滚轴结构如图23、24所示)，分别将2个拉簧水平置于2个长滚轴与2个长杆之间(2个长杆说的是连杆轴(19)和下连杆轴(21)，任选其一，拉簧位于上方时，2个拉簧水平置于长滚轴与杆轴(19)中间，置于下方时，则置于长滚轴与下连杆轴(21)之间)，拉簧的一端钩在长滚轴上，另一端钩在长杆(19、21)上；本实施例是拉簧置于上方，最后将支承单元下半部分的下连杆轴(21)和短滚轴分别置于外部框架结构中下底板的2组滑道(3-2)中，将支承单元上半部分的1个长杆和长滚轴分别置于外部框架结构中上顶板的2组滑道(3-1)中，完成了支承机构与外部框架的安装。支承单元的调节机构如图所示，由带有下斜面的T型块、刻度块、调节螺栓组成；各组成零件安装位置如下：调节螺栓的一端与调节螺母间采用螺纹连接，调节螺栓的另一端焊接在T型块的侧壁上；再将T型块置于上顶板的T型槽中，T型块的下斜面与负刚度单元的上承压块(9)的顶部斜面(B)接触，刻度块焊接于上顶板T型槽下方。至此，整个支承单元装配完毕，如图1所示。

另，带有抛物线型轨道的2个凸轮按一定间距被安装在隔振器下底板宽度方向的中间位置，隔振器下底板放置于隔振器底座上；2个滚子(滚轮(16))分别安装于2个凸轮的抛物线轨道12内，滚轮(16)通过其两端螺纹孔由螺栓设置在2个活塞(横向拉杆(11))尖端(如图26-28)；2个活塞另外一端呈扁圆柱形(连接盘(11-1))，安装于连杆件的两个圆筒(活塞筒(10))结构中，两个圆筒内分别放有2个弹簧，弹簧的一端与连接盘(11-1)连接，另一端呈自由调节状态(与旋钮(14)连接，旋钮(14)可以带有刻度)；连两个圆筒靠近中间位置的外壁上均带有公螺纹扣和刻度线，2个带有圆周刻度的预紧螺母(旋钮(14))通过其内部的母螺纹扣旋钮于两个圆筒(活塞筒(10))上。

准零刚度隔振器是一种典型的非线性隔振机构。通过在线性弹簧隔振器上并联负刚度单元，该隔振系统可以同时具有低动态刚度和高静态刚度，从而解决了低频隔振表现和系统承载能力相互制约的难题。负刚度单元作为准零刚度隔振器的关键组成部分，其结构形式及有效性已经得到了广泛研究，倾斜弹簧、水平弹簧-连杆机构、梁结构、双作用气动执行器等结构形式被广泛用于负刚度中。为改善准零刚度隔振器对微幅振动不敏感的问题，构建了凸轮-滚球结构和两端固支屈曲梁的准零刚度系统，使负刚度单元能够充分地参与到隔振过程中；另外，有学者对负刚度产生恢复力的规律进行深入地探讨，并认为从本质上而言，任何形式的负刚度单元都可以通过具有凸轮-滚子结构的通用模型来表示。

由于利用了结构内在的几何非线性特征，负刚度的数学表达式通常较为复杂，目前的研究中多利用Taylor公式将其展开为二次多项式后再进行。这种近似方法在靠近展开点处的小位移范围内是合理的，但随着振动程度的加剧，计算误差也会不断增加，这就影响了参数选取的准确性，不仅为结构设计带来困难，也使得隔振器难以达到预期隔振效果。另外，目前文献中存在的负刚度单元均缺乏弹簧的预紧功能。

具体的说：

在隔振器中加入负刚度单元可以使线性隔振系统具有非线性，这可以降低被隔振设备的共振频率，从而使隔振器在大承载能力下具有更宽的隔振区间。本发明提出的抛物线型负刚度单元，在结构参数设计、共振幅值及隔振区间方面均要优于目前广泛存在的圆形负刚度单元。图37为实验中得到的在隔振器其他结构参数相同时等量外部激励下圆形负刚度单元和抛物线负刚度单元的刚度曲线，由两组实验数据对比可以得出，在隔振器具有小位移时，两者曲线相似，当隔振器位移较大时，两者存在明显区别；原因在于，在结构参数设计计算时，圆形负刚度多被近似成二阶多项式形式，这会导致计算出的结构参数存在较大误差，而抛物线数学表达式为y＝ax²，其本身就是一种最简单的二阶多项式，因此采用抛物线的负刚度单元在结构参数设计时无需近似处理，从而降低结构参数计算难度，提高了结构参数计算质量。另外，图38为实验中得到的在隔振器其他结构参数相同时等量外部激励下三种刚度单元的幅频曲线，由三组实验数据对比可以得出，在隔振器中加入负刚度后使得振幅峰值向左移动，且共振幅值减小，这增强了系统的低频隔振性能，扩大了系统的隔振区间(振幅峰值右侧均为隔振区间)，降低了共振响应对隔振器的影响；相对于圆形负刚度单元而言，抛物线负刚度在整个范围内的隔振效果(共振幅值和隔振区间)提升明显。图39为一种具有抛物线负刚度单元隔振器的刚度曲线，图中给出了抛物线负刚度单元在隔振器中的使用效果，由图可以看出在隔振器中加入抛物线负刚度单元后隔振器刚度可以随振动位移动态变化，在静载荷能力不变的情况下，使总的动态刚度小于线性弹簧提供的刚度，从而具有高静态低动态刚度特性。

本发明结构可以避免当隔振器承受的外部激励增长加速度过快，超出承载能力范围时的脱轨问题，增加了设备使用的安全性，该结构要优于目前广泛存在的凸轮与滚子直接接触的方式(如图6方框内所示)。同时该结构还具有滚子(滚轮16)接触防脱功能(由于滚子都在滑道内)。

本发明还为负刚度单元提供了一种横向分区预紧功能，目的是在隔振器受到外部激励之前，为了增强连接的可靠性和紧密性，以防止受到载荷后弹簧与活塞间出现缝隙或者相对滑移，同时也可以避免负刚度单元在隔振器承受载荷的初期由于弹簧呈松弛状态而出现的空行程，从而保证了负刚度单元在整个隔振周期内的优良表现。另外，当隔振器受多种不同方向，不同大小的外部激励时，负刚度单元中弹簧的实际选用会出现两个弹簧参数不一致的情况，因此需要分区预紧。具体操作如下：在装有负刚度单元的隔振器投入使用之前，通过选用的两个弹簧参数(直径、节距、有效圈数、刚度)，可以分别计算出弹簧需要预紧压缩的长度，再通过各自预紧量分别旋扭预紧螺母即可完成负刚度单元的横向分区预紧。其中，旋扭量可以通过连杆上的线刻度和预紧螺母上的圆周刻度来控制，预紧螺母上圆周刻度相对于连杆上线刻度旋转圈数与预紧螺母螺距相乘，即可求出预紧量(旋转的圈数可以不是整数)。

调节量计算方法：(这个调节两计算方法不是上一段中的分区预紧结构的调节量。而是整个结构受载时滚轮平衡位置的调节量计算方法，即调节螺母8-1的旋钮量。)

本发明不仅给出了一种具有负刚度平衡位置调节功能的支承单元结构，还给出了针对该结构的调节量计算方法。图5为支承单元调节量计算方法示意图，图中M_e为支承刚度承载额定质量(此时负刚度单元处于平衡位置)，M为在承载范围内的任意质量，k_p是拉簧刚度，l为剪型支承杆的二分之一长度，θ为额定质量下(平衡位置)的剪型支承杆的装配角，Δy为隔振器承载任意质量时所需的调节量。调节量的计算过程如下：

当对隔振器加载额定质量M_e时，隔振器中支承单元上顶板移动了y₀，使负刚度单元中滚子—凸轮结构位于平衡位置。此时，根据力平衡原理可得，额定质量M_e与负刚度达到平衡位置时的支承单元移动量y₀间的数学关系式如下：

由式1可以推导出

式1、2中g为重力加速度，其余均为本发明设计的结构参数，可以通过式2求得平衡位置时，支承单元上顶板的移动距离y₀。

假设对隔振器在载荷质量范围内施加任意质量M时，隔振器中支承单元上顶板移动了y，同时负刚度单元中滚子—凸轮结构相对于平衡位置出现了偏移。同理可得，任意质量M与支承单元移动量y间的数学关系式为

由式3可以推导出

通过式3、4可以得到偏离平衡位置时，支承单元上顶板的移动距离y。

为了提高隔振效果，必须将隔振器中支承单元上顶板的移动距离y调整回y₀，才能保证负刚度单元中滚子—凸轮结构位于平衡位置。通过式2和4可以得到调整量Δy为

调节方法：

如图1所示，通过旋扭(调节螺母)来通过调节螺栓(8)来拉拽具有下斜面的T型块，带动负刚度单元中上承压块(9)上下移动，从而控制了负刚度单元中滚子—凸轮结构(滚轮(16)、轨道(12))的相对位置。根据计算出的调节量，旋扭相应圈数的调节螺栓即可完成负刚度单元的平衡位置调节。其中，旋扭量可以通过刻度块上的线刻度和调节螺母上的圆周刻度来控制，调节螺母上圆周刻度相对于承压块(9)上线刻度旋转圈数与螺栓螺距相乘，即可得到求出的调节量(旋转的圈数可以不是整数)。

本发明在隔振器中提出了一种具有负刚度平衡位置调节功能的支承单元结构及其调节量计算方法，发明内容可以保证负刚度隔振器在承受载荷范围内任意质量时，都可以将负刚度单元中的中滚子—凸轮结构调节回平衡位置，避免了负刚度单元干扰支承单元的承载能力，从而使隔振效果达到最佳，有利于系统在无外部振动状态下的稳定性。

第二种方式：

如图34-36所示，轨道(12)为斜向条形时，两个轨道(12)之间呈“V”字形(如图5所示，就是上端向外倾斜)。

随着高转速机械、精密光学仪器以及绕轨飞船等尖端技术的快速发展，人们对设备运行时的振动环境也提出了更改的要求。传统的线性隔振器在外部激励频率达到隔振系统的

倍固有频率时才能有效隔振。降低系统的固有频率可以使隔振频带变宽，但也会导致静载变形加剧，破坏系统的稳定性；这一矛盾使得线性隔振系统的隔振效果不理想。

通过在线性弹簧隔振器上并联负刚度单元，该隔振系统可以同时具有低动态刚度和高静态刚度，从而解决了低频隔振表现和系统承载能力相互制约的难题。关于该问题的研究大多集中在采用何种负刚度单元结构可以产生更好的隔振效果方面，尚缺乏通过改变负刚度单元结构来消除振动不对称性方面的研究，而提高隔振器振动的对称性，可以减少振动的偏移，使振动幅值更易控制。因此，本方式提出了一种具有支承刚度不对称修正功能的准零刚度隔振器。

功能：

1.具有高静态低动态刚度特性的隔振器

本发明提出的跑道型负刚度单元，在消除隔振器振动不对称性方面要优于目前已存在的所有负刚度单元结构。图40为实验中得到的在隔振器其他结构参数相同时等量外部激励下支承单元的刚度曲线，为了提高整个隔振器的振动对称性，取支承单元刚度曲线上的多个数据点，根据镜像互补原理，反求出负刚度单元中滚子圆心运动轨迹的离散数据，再根据B样条曲线插值的方法来拟合这些反求数据，最后将得到的拟合曲线作为负刚度单元结构，即可完成隔振器的振动不对称性消除工作。针对本发明的隔振器结构，按上述反求方法得到的拟合曲线为跑道型(如图34-36所示)，其“两个弯道”(跑道形的端部)为与滚子直径相同的圆，“两个直道”并不是两条直线，而是两条曲率半径较大B样条曲线。在隔振器其他结构参数不变时，对跑道型负刚度单元结构施加等量外部激励，其刚度曲线如图41所示；在隔振器其他结构参数不变时，对装有跑道型负刚度单元结构的隔振器施加等量外部激励，其刚度曲线如图42所示。由图42可以看出：首先，装有跑道型负刚度单元结构隔振器的刚度曲线以x＝0为轴线两侧对称，这说明该负刚度单元结构对具有不对称支承刚度的隔振器的刚度曲线进行了补偿，这是目前已存在的其它负刚度单元结构无法实现的优秀性质；另外，根据镜像反求原理及B样条插值方法得到的跑道型负刚度单元较好地解决了支承单元刚度不对称的问题，提高了整个隔振器的刚度对称性，从而减小了隔振器的振动偏移，使隔振器的振动幅值更容易控制；最后，在隔振器中加入跑道型负刚度单元后隔振器刚度可以随振动位移动态变化，在静载荷能力不变的情况下，使总的动态刚度小于线性弹簧提供的刚度。另外，图43为实验中得到的在隔振器其他结构参数相同时等量外部激励下三种刚度单元的幅频曲线，由三组实验数据对比可以得出，在隔振器中加入负刚度后使得振幅峰值向左移动，且共振幅值减小，这增强了系统的低频隔振性能，扩大了系统的隔振区间(振幅峰值右侧均为隔振区间)，降低了共振响应对隔振器的影响；相对于圆形负刚度单元而言，跑道型负刚度在整个范围内的隔振效果(共振幅值和隔振区间)提升较小，但由于其解决了隔振器的振动不对称问题，其幅频曲线的正负共振幅值相等，使振动更容易得到控制。

隔振器负刚度单元中一种跑道型轨道的凸轮结构

由图可以看出，本发明设计了一种跑道型轨道的凸轮结构，这种结构可以避免当隔振器承受的外部激励增长加速度过快，超出承载能力范围时的脱轨问题，增加了设备使用的安全性，该结构要优于目前广泛存在的凸轮与滚子直接接触的方式(如图12方框内所示)。

具有分区预紧功能的负刚度结构

由图34-36所示，本发明还为负刚度单元提供了一种横向分区预紧功能，目的是在隔振器受到外部激励之前，为了增强连接的可靠性和紧密性，以防止受到载荷后弹簧与活塞间出现缝隙或者相对滑移，同时也可以避免负刚度单元在隔振器承受载荷的初期由于弹簧呈松弛状态而出现的空行程，从而保证了负刚度单元在整个隔振周期内的优良表现。另外，当隔振器受多种不同方向，不同大小的外部激励时，负刚度单元中弹簧的实际选用会出现两个弹簧参数不一致的情况，因此需要分区预紧。具体操作如下：在装有负刚度单元的隔振器投入使用之前，通过选用的两个弹簧参数(直径、节距、有效圈数、刚度)，可以分别计算出弹簧需要预紧压缩的长度，再通过各自预紧量分别旋扭预紧螺母(14)即可完成负刚度单元的横向分区预紧。其中，旋扭量可以通过连杆(图36上的套筒14)上的线刻度(套筒上有一个水平的线，就是刻度线)和预紧螺母上的圆周刻度来控制，预紧螺母上圆周刻度相对于连杆上线刻度旋转圈数与预紧螺母螺距相乘，即可求出预紧量(旋转的圈数可以不是整数)。

具有负刚度平衡位置调节功能的支承单元结构及其计算方法

本发明不仅给出了一种具有负刚度平衡位置调节功能的支承单元结构，还给出了针对该结构的调节量计算方法。图5为支承单元调节量计算方法示意图，图中M_e为支承刚度承载额定质量(此时负刚度单元处于平衡位置)，M为在承载范围内的任意质量，k_p是拉簧刚度，l为剪型支承杆的二分之一长度，θ为额定质量下(平衡位置)的剪型支承杆的装配角，Δy为隔振器承载任意质量时所需的调节量。调节量的计算过程如下：

当对隔振器加载额定质量M_e时，隔振器中支承单元上顶板移动了y₀，使负刚度单元中滚子—凸轮结构位于平衡位置。此时，根据力平衡原理可得，额定质量M_e与负刚度达到平衡位置时的支承单元移动量y₀间的数学关系式如下：

由式1可以推导出

式1、2中g为重力加速度，其余均为本发明设计的结构参数，可以通过式2求得平衡位置时，支承单元上顶板的移动距离y₀。

假设对隔振器在载荷质量范围内施加任意质量M时，隔振器中支承单元上顶板移动了y，同时负刚度单元中滚子—凸轮结构相对于平衡位置出现了偏移。同理可得，任意质量M与支承单元移动量y间的数学关系式为

由式3可以推导出

通过式3、4可以得到偏离平衡位置时，支承单元上顶板的移动距离y。

为了提高隔振效果，必须将隔振器中支承单元上顶板的移动距离y调整回y₀，才能保证负刚度单元中滚子—凸轮结构位于平衡位置。通过式2和4可以得到调整量Δy为

如图34所示，通过旋扭调节螺栓(8-1)来拉拽具有下斜面的T型块，带动负刚度单元中连杆(图34中的上承压块)上下移动，从而控制了负刚度单元中滚子—凸轮结构的相对位置。根据计算出的调节量，旋扭相应圈数的调节螺栓即可完成负刚度单元的平衡位置调节。其中，旋扭量可以通过刻度块上的线刻度和调节螺栓上(8-1)的圆周刻度来控制，调节螺栓上圆周刻度相对于连杆上线刻度旋转圈数与螺栓螺距相乘，即可得到求出的调节量(旋转的圈数可以不是整数)。

实施例2：

如图29-33：

调节机构包括连接在上顶板(1)底部的(带有刻度的)竖调节螺母(17)和连接在上承压块(9)的顶部的调节杆(18)，调节杆(18)的上端与竖调节螺母(17)配合，并通过竖调节螺母(17)的旋拧控制调节杆(18)的升降。(调节螺母(17)能旋转，但是轴向上固定不动，现有技术，其原理可以采用前述的调节螺母(8-1)的原理)

轨道(12)为斜向条形时，两个轨道(12)之间呈“八”字形(如图29、30、32、33所示，就是上端向内倾斜)。

在以上的两种实施例的结构中：

所述剪型支承杆(5)的其中一个上端点(C)与上顶板(1)下方的(穿过滑道(3-1)的)连杆轴(19)活动连接(该端点活动的套在连杆轴(19)上能以该连杆轴(19)为轴旋转)，剪型支承杆(5)的上端的另一个端点(D)作为移动端点设置有能在滑道(3-1)内移动移动滚轮(20)；

所述剪型支承杆(5)的其中一个下端点(E)与穿过下滑道(3-2)内的下连杆轴(21)连接(该端点活动的套在下连杆轴(21)上且能以该下连杆轴(21)为轴旋转)，剪型支承杆(5)的另一个下端点作为移动端(F)也设置有能在下滑道(3-2)内移动的移动滚轮(20)。(上述情况中，拉簧(4)的一端勾住连杆轴(19)，另一端勾住上端的滚轮(20)的轴或者拉簧(4)的一端勾住下连杆轴(21)，另一端勾住下端的滚轮(20)的轴)

准零刚度隔振器是一种典型的非线性隔振机构。通过在线性弹簧隔振器上并联负刚度单元，该隔振系统可以同时具有低动态刚度和高静态刚度，从而解决了低频隔振表现和系统承载能力相互制约的难题。负刚度单元作为准零刚度隔振器的关键组成部分，其结构形式及有效性已经得到了广泛研究，倾斜弹簧、水平弹簧-连杆机构、梁结构、双作用气动执行器等结构形式被广泛用于负刚度中。为改善准零刚度隔振器对微幅振动不敏感的问题，构建了凸轮-滚球结构和两端固支屈曲梁的准零刚度系统，使负刚度单元能够充分地参与到隔振过程中；另外，有学者对负刚度产生恢复力的规律进行深入地探讨，并认为从本质上而言，任何形式的负刚度单元都可以通过具有凸轮-滚子结构的通用模型来表示。

由上文可以看出，目前关于该问题的研究大多集中在采用何种负刚度单元结构可以产生更好的隔振效果方面，尚缺乏通过改变负刚度单元结构来消除振动不对称性方面的研究，而提高隔振器振动的对称性，可以减少振动的偏移，使振动幅值更易控制。另外，目前文献中存在的负刚度单元均缺乏弹簧的预紧功能。

本方式提出了一种具有横向分区预紧功能的跑道型负刚度单元。

本发明提出的跑道型负刚度单元，在消除隔振器振动不对称性方面要优于目前已存在的所有负刚度单元结构。图44为实验中得到的在隔振器其他结构参数相同时等量外部激励下支承单元的刚度曲线，为了提高整个隔振器的振动对称性，取支承单元刚度曲线上的多个数据点，根据镜像互补原理，反求出负刚度单元中滚子圆心运动轨迹的离散数据，再根据B样条曲线插值的方法来拟合这些反求数据，最后将得到的拟合曲线作为负刚度单元结构，即可完成隔振器的振动不对称性消除工作。针对本发明的隔振器结构，按上述反求方法得到的拟合曲线为跑道型(如图29-33所示)，其“两个弯道”为与滚子直径相同的圆，“两个直道”并不是两条直线，而是两条曲率半径较大B样条曲线。在隔振器其他结构参数不变时，对跑道型负刚度单元结构施加等量外部激励，其刚度曲线如图45所示；在隔振器其他结构参数不变时，对装有跑道型负刚度单元结构的隔振器施加等量外部激励，其刚度曲线如图46所示。由图46可以看出：首先，装有跑道型负刚度单元结构隔振器的刚度曲线以x＝0为轴线两侧对称，这说明该负刚度单元结构对具有不对称支承刚度的隔振器的刚度曲线进行了补偿，这是目前已存在的其它负刚度单元结构无法实现的优秀性质；另外，根据镜像反求原理及B样条插值方法得到的跑道型负刚度单元较好地解决了支承单元刚度不对称的问题，提高了整个隔振器的刚度对称性，从而减小了隔振器的振动偏移，使隔振器的振动幅值更容易控制；最后，在隔振器中加入跑道型负刚度单元后隔振器刚度可以随振动位移动态变化，在静载荷能力不变的情况下，使总的动态刚度小于线性弹簧提供的刚度。另外，图47为实验中得到的在隔振器其他结构参数相同时等量外部激励下三种刚度单元的幅频曲线，由三组实验数据对比可以得出，在隔振器中加入负刚度后使得振幅峰值向左移动，且共振幅值减小，这增强了系统的低频隔振性能，扩大了系统的隔振区间(振幅峰值右侧均为隔振区间)，降低了共振响应对隔振器的影响；相对于圆形负刚度单元而言，跑道型负刚度在整个范围内的隔振效果(共振幅值和隔振区间)提升较小，但由于其解决了隔振器的振动不对称问题，其幅频曲线的正负共振幅值相等，使振动更容易得到控制。

由图29-33可以看出，本发明设计了一种跑道型轨道的凸轮结构，这种结构可以避免当隔振器承受的外部激励增长加速度过快，超出承载能力范围时的脱轨问题，增加了设备使用的安全性，该结构要优于目前广泛存在的凸轮与滚子直接接触的方式(如图6方框内所示)。

由图29所示，本发明还为负刚度单元提供了一种横向分区预紧功能，目的是在隔振器受到外部激励之前，为了增强连接的可靠性和紧密性，以防止受到载荷后弹簧与活塞间出现缝隙或者相对滑移，同时也可以避免负刚度单元在隔振器承受载荷的初期由于弹簧呈松弛状态而出现的空行程，从而保证了负刚度单元在整个隔振周期内的优良表现。另外，当隔振器受多种不同方向，不同大小的外部激励时，负刚度单元中弹簧的实际选用会出现两个弹簧参数不一致的情况，因此需要分区预紧。具体操作如下：在装有负刚度单元的隔振器投入使用之前，通过选用的两个弹簧参数(直径、节距、有效圈数、刚度)，可以分别计算出弹簧需要预紧压缩的长度，再通过各自预紧量分别旋扭预紧螺母即可完成负刚度单元的横向分区预紧。其中，旋扭量可以通过连杆上的线刻度和预紧螺母上的圆周刻度来控制，预紧螺母上圆周刻度相对于连杆上线刻度旋转圈数与预紧螺母螺距相乘，即可求出预紧量(旋转的圈数可以不是整数)。

Claims (6)

1.一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器，其特征在于：该隔振器包括外部框架、支承机构和负刚度单元三部分；

外部框架包括上顶板（1）、下底板（2）和四组滑道；四组滑道中的两组设置在上顶板（1）底部作为上滑道（3-1），四组滑道中的另外两组设置在下底板（2）上作为下滑道（3-2）；上滑道与下滑道对应；

支承机构包括拉簧（4）和两组剪型支承杆（5）；剪型支承杆（5）的上端伸入上滑道（3-1）内，剪型支承杆（5）的下端伸入下滑道（3-2）内，拉簧（4）设置在剪型支承杆（5）的上端之间或设置在剪型支承杆（5）的下端之间，拉簧（4）为通过剪型支承杆的开合而做拉伸和收缩动作的结构；

负刚度单元包括上承压块（9）、活塞筒（10）、横向拉杆（11）和带有轨道（12）的立板（13）；

活塞筒（10）、横向拉杆（11）和带有轨道（12）的立板（13）均为左右各一个；两个活塞筒（10）横向同轴并列设置，两个活塞筒（10）的内端设置有旋钮（14），旋钮（14）与活塞筒（10）螺纹配合，两个活塞筒（10）的外端为开口端，两个活塞筒（10）内设置有弹簧（15），弹簧（15）的一端与旋钮（14）连接，弹簧（15）的另一端与横向拉杆（11）的一端连接，横向拉杆（11）的另一端设置有滚轮（16），横向拉杆（11）的设置有滚轮（16）的一端伸出活塞筒（10）的开口端，滚轮（16）伸进轨道（12）内且能沿着轨道（12）移动；

上承压块（9）的底部连接两个活塞筒（10），上承压块（9）为能随着上顶板（1）的上下移动而做上下移动的结构；

上承压块（9）与上顶板（1）之间还设置有调节机构，使用时，上顶板（1）通过调节机构控制上承压块（9）下移；

调节机构包括下底面为斜面的T型块（6）、刻度块（7）和调节螺栓（8），调节螺栓（8）穿过刻度块（7）后与T型块（6）连接，调节螺栓上设置有调节螺母（8-1），调节螺母（8-1）与调节螺栓（8）螺纹配合，调节螺母（8-1）与刻度块（7）之间轴向相对位置不变；

T型块（6）置于上顶板（1）底部的移动槽（1-1）中且能在该移动槽（1-1）内移动；刻度块固定于上顶板（1）底部；

使用时，通过旋拧调节螺母（8-1）控制T型块沿移动槽（1-1）移动；

上承压块（9）的上表面为斜面（B），上承压块（9）的顶部斜面（B）与T型块（6）的下底面接触配合。

2.根据权利要求1所述的一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器，其特征在于：

所述轨道（12）为抛物线形或斜向条形。

3.根据权利要求2所述的一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器，其特征在于：轨道（12）为斜向条形时，两个轨道（12）之间呈“V”字形。

4.根据权利要求1所述的一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器，其特征在于：

调节机构包括连接在上顶板（1）底部的竖调节螺母（17）和连接在上承压块（9）的顶部的调节杆（18），调节杆（18）的上端与竖调节螺母（17）配合，并通过竖调节螺母（17）的旋拧控制调节杆（18）的升降。

5.根据权利要求4所述的一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器，其特征在于：轨道（12）为斜向条形时，两个轨道（12）之间呈“八”字形。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种具有负刚度平衡位置调节功能的隔振器，其特征在于：

所述剪型支承杆（5）的其中一个上端点（C）与上顶板（1）下方的上连杆轴（19）活动连接，剪型支承杆（5）的上端的另一个端点（D）作为移动端点设置有移动滚轮（20）；

所述剪型支承杆（5）的其中一个下端点（E）与穿过下滑道（3-2）内的下连杆轴（21）连接，剪型支承杆（5）的另一个下端点作为移动端（F）也设置有移动滚轮（20）。

Images