CN111237372A - 一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器 - Google Patents

一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，包括底板，其中部向上延伸有立板，立板上安装有倒摆，倒摆相对于底板前后摆动，位于倒摆前方和后方的底板上对称安装有复位机构，沿着底板的边缘安装有围板；倒摆顶部设置为齿轮结构，与齿轮结构配合安装有顶板，顶板与围板前后滑动连接，顶板上用于安装待隔振的设备；设备振动带动顶板沿导向槽相对于围板运动，顶板通过齿条‑齿轮啮合带动倒摆摆动并偏离平衡位置，复位机构中的扭簧施力于复位板，提供倒摆复位力。本发明能够满足大振幅的低频振动隔离要求，隔振器准零刚度范围宽，具有较好的低频隔振性能，对设备的水平方向振动能够起到良好的减振效果。

Description

一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器
技术领域
本发明涉及隔振装置技术领域，尤其是一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器。
背景技术
隔振是将机械或仪器安装在弹性装置上以隔离振动，是振动控制中一种常用的措施，但隔振器仅在激励频率高于
Figure BDA0002359510200000011
倍的系统固有频率时才有效，因此，降低隔振系统的固有频率成为振动控制的关键问题。
降低隔振器刚度能够降低起始隔振频率，但又不能起到支撑作用。最理想的情况是，隔振器具有较高的静刚度而同时又具有较低的动刚度，这在传统的隔振系统中是矛盾的。为解决这一问题，有学者提出了准零刚度结构，该结构恰恰能够满足高静刚度、低动刚度的要求。
现有技术中，常见的准零刚度结构多为水平预压缩弹簧构成的负刚度结构与正刚度弹簧并联的形式，但弹簧式准零刚度结构其准零刚度区间较小，当振动幅度较大偏离平衡位置后，刚度值迅速升高，故对大振幅振动不能发挥准零刚度隔振的优势。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的装置，从而实现对大振幅低频振动的有效隔离，准零刚度范围宽，具有较好的低频隔振性能，对设备的水平方向振动起到有效的减振效果。
本发明所采用的技术方案如下：
一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，包括底板，所述底板中部向上延伸有立板，所述立板上安装有倒摆，倒摆相对于底板前后摆动，位于倒摆前方和后方的底板上对称安装有复位机构，沿着底板的边缘安装有围板；所述倒摆顶部设置为齿轮结构，与齿轮结构配合安装有顶板，顶板与围板前后滑动连接。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述倒摆的结构为：包括扇形的齿轮结构，齿轮结构的圆弧面上设置有与顶板配合的轮齿，齿轮结构的扇形角处向外延伸有对称的挂耳，两个挂耳分列于立板的两侧，依次贯穿挂耳和立板安装有螺柱。
所述顶板为“∏”字型结构，在其两侧壁相对的内侧面上对称开有导向槽；所述围板顶部的两侧向外延伸有凸缘，所述凸缘卡装至导向槽内，凸缘沿着导向槽运动。
两侧凸缘的边缘对称开有多个槽口，单个槽口的底面均垂直安装有轴销，所述轴销上套装有轴承，所述轴承的外圆周面与导向槽的顶面和底面相切。
所述顶板底面的中间位置延伸有齿条结构，所述齿条结构与齿轮结构相互啮合。
所述复位机构的结构为：包括复位板，复位板侧面向外延伸有凸块，所述凸块正对着立板；所述复位板底部左右对称开有凹口一，位于两个凹口一之间的复位板底部向下延伸有环形件，贯穿环形件安装有转轴；所述转轴上还安装有扭簧，扭簧将复位板与底板连接。
所述扭簧两端头分别卡装至凹口一内，所述扭簧中部向外延伸有卡接部，所述卡接部与底板卡装。
所述转轴的两端头与底板转动连接。
所述底板的结构为：包括板本体，板本体中部向上延伸有立板，位于立板前方和后方的板本体上延伸有扭簧座，所述扭簧座的内侧面均开有凹口二；位于扭簧座两端头外部的底板上对称安装有轴座，相对称的轴座共同转动安装复位机构。
所述倒摆的重心位于上方的齿轮结构上；所述顶板上用于安装被隔振设备。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，将倒摆倒立安装，竖直位置为平衡位置，受到激励时倒摆偏离平衡位置，由于重力的作用产生负刚度；倒摆前后两侧均安装有复位机构，复位机构中的扭簧经复位板为倒摆提供回复到平衡位置的正刚度；负刚度与正刚度共同作用，得到准零刚度特性，降低隔振器起始隔振频率，有效隔离低频振动。准零刚度范围宽，倒摆倾斜角度越大，重力力矩越大，即负向作用力矩越大，因此可在大振幅振动中保持较低的刚度，满足大振幅振动的隔振需求，尤其适用于船舶、潜艇、汽车、机械制造等领域水平方向低频振动的隔离。
本发明还包括如下优点：
围板上部的凸缘卡装至顶板的导向槽中，振动时，顶板相对于围板运动，导向槽对顶板的前后运动起到导向作用，同时围板承受施加在顶板上的隔振设备的重量，以避免设备重量加载至倒摆上而引起不稳定；围板与顶板导向槽配合处的轴承，以保障顶板运动的顺滑性；
底板中部向上延伸有立板，复位机构位于立板的前后两侧，复位板在扭簧正刚度作用下推动倒摆复位至平衡位置时，立板对复位板的运动起到限位的作用，防止复位板越过竖直的平衡位置。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的爆炸图。
图3为图2中A部的局部放大图。
图4为本发明底板、倒摆及顶板的安装示意图(剖视图)。
图5为本发明底板与倒摆、复位机构的安装示意图。
图6为本发明复位机构的爆炸图。
图7为本发明底板的结构示意图。
图8为本发明倒摆在受扰动后摆动时的受力分析图。
图9为本发明隔振器无量纲化刚度-位移特性图。
图10为本发明隔振器隔振效果图。
其中：1、底板；2、复位机构；3、轴承；4、围板；41、凸缘；42、槽口；43、轴销；5、螺柱；6、倒摆；61、齿轮结构；62、挂耳；7、顶板；71、导向槽；72、齿条结构；
11、板本体；12、立板；13、扭簧座；131、凹口二；14、轴座；21、复位板；211、凸块；212、凹口一；213、环形件；22、扭簧；221、卡接部；23、转轴。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，本实施例的一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，包括底板1，底板1中部向上延伸有立板12，立板12上安装有倒摆6，倒摆6相对于底板1前后摆动，位于倒摆6前方和后方的底板1上对称安装有复位机构2，沿着底板1的边缘安装有围板4；倒摆6顶部设置为齿轮结构61，与齿轮结构61配合安装有顶板7，顶板7与围板4前后滑动连接。
倒立安装的倒摆6，其竖直位置为平衡位置，受到激励时倒摆6偏离平衡位置，由于其重力的作用产生负刚度；倒摆6前后两侧均安装有复位机构2，复位机构2中的扭簧22经复位板21为倒摆6提供回复到平衡位置的正刚度作用力；负刚度与正刚度共同作用，得到准零刚度特性，降低隔振装置起始隔振频率，对低频振动进行有效隔离，且准零刚度范围宽，满足大振幅振动的隔离需求，尤其适用于船舶、潜艇、汽车、机械制造等领域水平方向振动的隔离。
倒摆6的结构为：包括扇形的齿轮结构61，齿轮结构61的圆弧面上设置有与顶板7的齿条结构72配合的轮齿，齿轮结构61的扇形角处向外延伸有对称的挂耳62，两个挂耳62分列于立板12的左右两侧，依次贯穿挂耳62和立板12安装有螺柱5；倒摆6底部通过螺柱5与立板12转动连接，使得倒摆6在振动时能够以螺柱5为中心相对于底板1摆动。
顶板7为“∏”字型结构，在其两侧壁相对的内侧面上对称开有导向槽71；围板4顶部的两侧向外延伸有凸缘41，凸缘41卡装至导向槽71内，凸缘41沿着导向槽71运动。
如图3所示，两侧凸缘41的边缘对称开有多个槽口42，单个槽口42的底面垂直安装有轴销43，轴销43上套装有轴承3，轴承3的外圆周面与导向槽71的顶面和底面相切，轴承3在导向槽71内滚动。
围板4上部的凸缘41卡装至顶板7的导向槽71中，围板4与底板1固装，振动时，围板4对顶板7的前后运动起到导向作用，同时围板4承受施加在顶板7上的隔振设备的重量，以避免设备重量加载至倒摆6上而引起不稳定；围板4与顶板7导向槽71配合处的轴承3，则进一步保障顶板7运动的顺滑性。
如图4和图5所示，顶板7底面的中间位置延伸有齿条结构72，齿条结构72与齿轮结构61相互啮合；倒摆6顶部通过齿轮结构61-齿条结构72的啮合与顶板7配合，使得倒摆6随顶板7的运动而摆动。
如图6所示，复位机构2的结构为：包括复位板21，复位板21侧面向外延伸有凸块211，凸块211正对着立板12；复位板21底部左右对称开有凹口一212，位于两个凹口一212之间的复位板21底部向下延伸有环形件213，贯穿环形件213安装有转轴23；转轴23上还安装有扭簧22，扭簧22将复位板21与底板1连接。
扭簧22两端头分别卡装至凹口一212内，扭簧22中部向外延伸有卡接部221，卡接部221与底板1扭簧座13内侧面的凹口二131卡装。
转轴23的两端头与底板1转动连接。
如图7所示，底板1的结构为：包括板本体11，板本体11中部向上延伸有立板12，位于立板12前方和后方的板本体11上延伸有扭簧座13，扭簧座13的内侧面均开有凹口二131；位于扭簧座13两端头外部的底板1上对称安装有轴座14，相对称的轴座14共同转动安装复位机构2。
底板1中部向上延伸有立板12，复位机构2位于立板12的前后两侧，立板12的存在，使得复位板21在扭簧22正刚度作用力下推动倒摆6复位至平衡位置时，立板12对复位板21的运动起到限位的作用，防止了复位板21越过竖直的平衡位置。
倒摆6的重心位于上方的齿轮结构61上，即倒摆6重心位于头部，从而在振动摆动时重力的作用使得倒摆6具有负刚度，倒摆6倾斜角度越大，重力力矩越大，即负向作用力矩越大，因此可在大振幅振动中保持较低的动刚度，从而适用于隔离大振幅低频振动；顶板7上用于安装被隔振设备。
如图8所示，为倒摆6在受到扰动后摆动时的受力分析示意图。
设倒摆6的重心与螺柱5之间的距离为R，倒摆的重力为G，倒摆6向一侧偏转的角度为θ，则重心水平方向偏移的距离d为：
d＝R×sin(θ)， (1)
此时重力产生的力矩M2的大小为：
M2＝d·G＝R·sin(θ)·G， (2)
设扭簧22的刚度为M1，在转角为θ时系统的受力为：
T＝M1·θ-R·G·sin(θ) (3)
倒摆6转动而产生的弧长与顶板7振动产生的位移x相等，又由于转角θ与弧长x之间存在关系：
x＝R·θ，即
Figure BDA0002359510200000051
将(4)式代入(3)式，则：
Figure BDA0002359510200000052
对上式(5)进行无量纲化，令
Figure BDA0002359510200000053
则可得到：
Figure BDA0002359510200000054
上式(6)中，将
Figure BDA0002359510200000055
对
Figure BDA0002359510200000056
求导，得到刚度特性：
Figure BDA0002359510200000057
存在微小振动时，在平衡位置处令刚度K＝0，而当处于平衡位置时弧长x为0，即
Figure BDA0002359510200000061
则有：
Figure BDA0002359510200000062
即当满足条件
Figure BDA0002359510200000063
时，在平衡位置左右振动时存在零刚度。
图9为本发明倒摆式准零刚度隔振器的无量纲化“刚度-位移”特性曲线，其中无量纲位移范围取为
Figure BDA0002359510200000064
对应的转角为±57.3°。可以发现该装置在平衡位置附近存在准零刚度区间，当偏离平衡位置后随着位移的增加，刚度仍保持较低数值。因此本发明隔振器在隔离大振幅振动时，同样能够较好的发挥准零刚度特性的优势。
图10为本发明隔振器在水平振动方向上的仿真隔振效果，其对比的工况“添加负刚度前”是假设倒摆6的重心在底部螺柱5的轴心处，这时倒摆6不具有负刚度特征。从图10中可以看出，本发明减振器可以大大的降低起始隔振频率，从21.9Hz降低至6.5Hz，因此，可以证明本发明隔振装置的隔振效果和技术优势。
本发明结构简单巧妙，通过隔振器的准零刚度特性，降低起始隔振频率，对低频振动进行有效隔离，且准零刚度范围宽，实用性强，适用性广。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，其特征在于：包括底板(1)，所述底板(1)中部向上延伸有立板(12)，所述立板(12)上安装有倒摆(6)，倒摆(6)相对于底板(1)前后摆动，位于倒摆(6)前方和后方的底板(1)上对称安装有复位机构(2)，沿着底板(1)的边缘安装有围板(4)；所述倒摆(6)顶部设置为齿轮结构(61)，与齿轮结构(61)配合安装有顶板(7)，顶板(7)与围板(4)前后滑动连接。
2.如权利要求1所述的一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，其特征在于：所述倒摆(6)的结构为：包括扇形的齿轮结构(61)，齿轮结构(61)的圆弧面上设置有与顶板(7)配合的轮齿，齿轮结构(61)的扇形角处向外延伸有对称的挂耳(62)，两个挂耳(62)分列于立板(12)的两侧，依次贯穿挂耳(62)和立板(12)安装有螺柱(5)。
3.如权利要求1所述的一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，其特征在于：所述顶板(7)为“∏”字型结构，在其两侧壁相对的内侧面上对称开有导向槽(71)；所述围板(4)顶部的两侧向外延伸有凸缘(41)，所述凸缘(41)卡装至导向槽(71)内，凸缘(41)沿着导向槽(71)运动。
4.如权利要求3所述的一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，其特征在于：两侧凸缘(41)的边缘对称开有多个槽口(42)，单个槽口(42)的底面均垂直安装有轴销(43)，所述轴销(43)上套装有轴承(3)，所述轴承(3)的外圆周面与导向槽(71)的顶面和底面相切。
5.如权利要求1所述的一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，其特征在于：所述顶板(7)底面的中间位置延伸有齿条结构(72)，所述齿条结构(72)与齿轮结构(61)相互啮合。
6.如权利要求1所述的一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，其特征在于：所述复位机构(2)的结构为：包括复位板(21)，复位板(21)侧面向外延伸有凸块(211)，所述凸块(211)正对着立板(12)；所述复位板(21)底部左右对称开有凹口一(212)，位于两个凹口一(212)之间的复位板(21)底部向下延伸有环形件(213)，贯穿环形件(213)安装有转轴(23)；所述转轴(23)上还安装有扭簧(22)，扭簧(22)将复位板(21)与底板(1)连接。
7.如权利要求6所述的一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，其特征在于：所述扭簧(22)两端头分别卡装至凹口一(212)内，所述扭簧(22)中部向外延伸有卡接部(221)，所述卡接部(221)与底板(1)卡装。
8.如权利要求6所述的一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，其特征在于：所述转轴(23)的两端头与底板(1)转动连接。
9.如权利要求1所述的一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，其特征在于：所述底板(1)的结构为：包括板本体(11)，板本体(11)中部向上延伸有立板(12)，位于立板(12)前方和后方的板本体(11)上延伸有扭簧座(13)，所述扭簧座(13)的内侧面均开有凹口二(131)；位于扭簧座(13)两端头外部的底板(1)上对称安装有轴座(14)，相对称的轴座(14)共同转动安装复位机构(2)。
10.如权利要求1所述的一种可隔离大振幅低频振动的倒摆式准零刚度隔振器，其特征在于：所述倒摆(6)的重心位于上方的齿轮结构(61)上；所述顶板(7)上用于安装被隔振设备。
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