CN111765189B

CN111765189B - 一种棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器

Info

Publication number: CN111765189B
Application number: CN202010494535.4A
Authority: CN
Inventors: 张立元; 刘龙岳; 徐光魁; 殷旭; 王朋飞
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2040-06-03
Also published as: CN111765189A

Abstract

本发明提供一种棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器，属于振动控制领域，其包括：用于提供正刚度的螺旋弹簧和用于提供负刚度的棱柱状张拉整体结构；其中，棱柱状张拉整体结构包括：承载平台、底座、多根杆构件以及多根绳构件；其中，承载平台位于底座上方，螺旋弹簧沿竖直方向设置在承载平台和底座之间，且螺旋弹簧呈预压缩状态；多根杆构件和多根绳构件分别设置在承载平台和底座之间，用于连接承载平台和底座，且每一杆构件与承载平台及底座之间均为铰接。本发明结构简单，装卸方便、设计合理且易于调整，利用张拉整体结构特殊的力学性质，实现了准零刚度隔振器的设计，可推广用于低频振动控制。

Description

一种棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器

技术领域

本发明涉及振动控制技术领域，特别涉及一种棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器。

背景技术

随着工程技术的发展和人们生活水平的不断提高，对设备振动问题的研究越来越受到人们的重视。根据振动理论可知，传统线性隔振方法仅当激振频率大于隔振系统固有频率的

倍时才具有隔振作用，如要隔离低频振动，系统刚度需很低，这势必要影响机械系统的承载能力。因此，低频隔振仍是振动工程领域的一大难题。

为解决这一难题。一般会采用正负刚度弹簧并联来设计准零刚度隔振器。该隔振器具有高静低动的力学特性，能够实现低频甚至超低频的隔振。但现有的准零刚度隔振器一般只能在特定承载条件下实现准零刚度，限制了其应用的多样性。

发明内容

本发明提供了一种棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器，以解决现有的准零刚度隔振器一般只能在特定承载条件下实现准零刚度的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器，该准零刚度隔振器包括：用于提供正刚度的螺旋弹簧和用于提供负刚度的棱柱状张拉整体结构；其中，

所述棱柱状张拉整体结构包括：承载平台、底座、多根杆构件以及多根绳构件；其中，所述承载平台位于所述底座上方，所述螺旋弹簧沿竖直方向设置在所述承载平台和所述底座之间，且所述螺旋弹簧呈预压缩状态；所述多根杆构件和多根绳构件分别设置在所述承载平台和所述底座之间，用于连接所述承载平台和所述底座，且每一所述杆构件与所述承载平台及所述底座之间均为铰接。

进一步地，所述棱柱状张拉整体结构还包括第一导向管和第二导向管；其中，

所述第一导向管和第二导向管分别沿竖直方向设置在所述承载平台和底座之间；所述第一导向管和第二导向管同轴心设置且间隙配合，所述第一导向管镶嵌在所述承载平台的底面中心，所述第二导向管镶嵌在所述底座的顶面中心；所述螺旋弹簧一端插设在所述第一导向管内，另一端插设在所述第二导向管内。

进一步地，所述多根杆构件环绕所述第一导向管和第二导向管均匀分布。

进一步地，所述杆构件的两端分别采用球铰与所述承载平台及底座连接。

进一步地，沿着环绕所述第一导向管和所述第二导向管的方向，每一所述绳构件分别通过相邻两根杆构件的球铰与所述承载平台及所述底座连接。

进一步地，每一所述绳构件的两端分别和对应的球铰可拆卸连接。

进一步地，所述多根绳构件的材料和长度均相同。

可选地，承载平台的材质为铝合金、不锈钢或多孔泡沫金属中的任意一种。

可选地，杆构件的材质为铝合金、不锈钢或多孔泡沫金属中的任意一种。

可选地，底座的材质为铝合金、不锈钢或多孔泡沫金属中的任意一种。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明的棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器具有结构设计简单可靠、制作成本低和通用化程度较高等优点。可根据实际工况进行连接件的设计，并根据承载条件，主动更换绳构件或其预拉伸状态进行刚度调节，避免了隔振系统的失效。解决了目前对准零刚度隔振器适用性低，以及张拉整体概念在工程实践中的实际应用很少的问题，为控制和消除了各种低频有害振动如汽车在道路上的颠簸，航空器在空中的振动以及机械设备运转产生的振动等提供了新的途径；也为张拉整体结构在工程中的应用提供了一种可行的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器结构示意图；

图2为本发明实施例提供的棱柱状张拉整体结构的轴向刚度和相对扭转角关系曲线趋势图。

附图标记说明：

1、承载平台；2、杆构件；3、绳构件；4、第一导向管；5、第二导向管；6、底座；7、螺旋弹簧。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本实施例提供了一种棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器，该隔振器既具有高静低动的力学特性，又可实现负刚度的可调，结构简单、安装方便，有效扩宽了隔振频率范围，为低频轴向隔振控制提供了一种可靠方法。如图1所示，本实施例的棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器包括：用于提供正刚度的螺旋弹簧7和用于提供负刚度的棱柱状张拉整体结构，由二者并联而成；其中，

棱柱状张拉整体结构包括：承载平台1、底座6、多根杆构件2以及多根绳构件3；其中，承载平台1位于底座6上方，螺旋弹簧7沿竖直方向设置在承载平台1和底座6之间，且螺旋弹簧7呈预压缩状态，用于提供支撑承载平台1以及提供棱柱状张拉整体结构呈负刚度特性的内驱力。多根杆构件2和多根绳构件3分别设置在承载平台1和底座6之间，用于连接承载平台1和底座6，且每一杆构件2与承载平台1及底座6之间均为铰接的连接方式。

进一步地，本实施例的棱柱状张拉整体结构还包括第一导向管4和第二导向管5；其中，第一导向管4和第二导向管5分别沿竖直方向设置在承载平台1和底座6之间；第一导向管4和第二导向管5同轴心设置且二者之间呈间隙配合，第一导向管4镶嵌在承载平台1的底面中心，第二导向管5镶嵌在底座6的顶面中心；螺旋弹簧7一端插设在第一导向管4内，另一端插设在第二导向管5内；第一导向管4和第二导向管5在保护正刚度弹簧7的同时起到导向作用。

上述多根杆构件2环绕第一导向管4和第二导向管5均匀分布。每一杆构件2的两端分别采用球铰与承载平台1及底座6连接。沿着环绕第一导向管4和第二导向管5的方向，杆构件2和绳构件3交错分布，且每一绳构件3分别通过相邻两根杆构件2对应的球铰与承载平台1及底座6连接，如图1所示。多根绳构件3的材料和长度均相同。同时，为便于对绳构件3进行更换，在本实施例中，每一绳构件3的两端分别和对应球铰的连接部件可拆卸。

具体地，在本实施例中，上述杆构件2和绳构件3的数量均为四根；上述承载平台1、杆构件2以及底座6的材质为轻质高强的缓冲吸能材料，例如铝合金、不锈钢或多孔泡沫金属等材料。

上述棱柱状张拉整体结构具有可调的正/负刚度特性。在轴向载荷作用下，其构型会发生转变，实现正刚度到负刚度区间的调节。在满足绳构件3与导向管或杆构件2不相碰的前提下，调节出具有负刚度的结构构型与螺旋弹簧7并联，实现准零刚度，同时结构稳定性由预压缩的螺旋弹簧7提供。并且伴随轴向刚度的变化。结构轴向刚度随承载平台1和底座6的相对扭转角θ的变化曲线如图2所示。对于四棱柱张拉整体结构，定义结构稳定的自平衡构型的相对扭转角为θ＝0，此时结构刚度为正。在变形区间-π/4＜θ＜5π/4内，杆构件2和绳构件3均不会发生干涉。结构受轴向拉伸载荷作用时，结构的相对扭转角逐渐增大，结构轴向刚度分为两个变化区间，且均呈非线性变化。具体为：当0≤θ＜θ_c时，结构的刚度先从正值增加到无穷大；当θ_c＜θ＜5π/4时，结构刚度从无穷小增加到逐渐趋于0，且始终为负值。其中，正负刚度区间转换点θ_c的值与绳构件3的材质和预拉伸状态有关。

实际使用时，可根据实际工况选择合适材质和大小的构件拼接上述的棱柱状张拉整体结构；并根据所需承载力和上述棱柱状张拉整体结构呈负刚度所需的内驱力的大小，选择合适刚度的螺旋弹簧7，配合到第一导向管4和第二导向管5内。在螺旋弹簧7内驱力的作用下，棱柱状张拉整体结构转变为负刚度区间的结构构型，根据正负刚度相消原理，隔振器达到准零刚度。

在工作时，可根据承载条件不同，更换不同材料的绳构件3或调整其预拉伸状态，调节棱柱状张拉整体结构的刚度，确保隔振器在带静载状态下处于动刚度接近零的理想状态，避免隔振系统的失效，同时提高隔振器的低频隔振性能。

本实施例的准零刚度隔振器的工作原理是当被隔振物体置于承载平台1上并到达平衡位置后，螺旋弹簧7在垂直方向产生正刚度，提供较高的静态承载力；棱柱状张拉整体结构在垂直方向产生负刚度，根据正负刚度相消原理，系统此时的刚度为零，即被隔振物体在平衡位置上下振动时，动刚度极低，可认为等于零，使得整个系统具有很低的固有频率，从而达到低频和超低频隔振的目的。

综上所述，本实施例提供了一种棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器，具有结构设计简单可靠、制作成本低和通用化程度较高等优点。可根据实际工况进行连接件的设计，并根据承载条件，主动更换绳构件或其预拉伸状态进行调节，避免了隔振系统的失效。解决了目前对准零刚度隔振器适用性低，以及张拉整体概念在工程实践中的实际应用很少的问题，为控制和消除了各种低频有害振动如汽车在道路上的颠簸，航空器在空中的振动以及机械设备运转产生的振动等提供了新的途径；也为张拉整体结构在工程中的应用提供了一种可行的方法。

此外，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

还需要说明的是，以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims

1.一种棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器，其特征在于，包括：用于提供正刚度的螺旋弹簧和用于提供负刚度的棱柱状张拉整体结构；其中，

所述棱柱状张拉整体结构包括：承载平台、底座、多根杆构件以及多根绳构件；其中，所述承载平台位于所述底座上方，所述螺旋弹簧沿竖直方向设置在所述承载平台和所述底座之间，且所述螺旋弹簧呈预压缩状态；所述多根杆构件和多根绳构件分别设置在所述承载平台和所述底座之间，用于连接所述承载平台和所述底座，且每一所述杆构件与所述承载平台及所述底座之间均为铰接；

所述棱柱状张拉整体结构还包括第一导向管和第二导向管；其中，

所述第一导向管和第二导向管分别沿竖直方向设置在所述承载平台和底座之间；所述第一导向管和第二导向管同轴心设置且间隙配合，所述第一导向管镶嵌在所述承载平台的底面中心，所述第二导向管镶嵌在所述底座的顶面中心；所述螺旋弹簧一端插设在所述第一导向管内，另一端插设在所述第二导向管内；

所述多根杆构件环绕所述第一导向管和所述第二导向管均匀分布；

沿着环绕所述第一导向管和所述第二导向管的方向，所述杆构件和所述绳构件交错分布，每一所述绳构件分别通过相邻两根杆构件的连接部与所述承载平台及所述底座连接；所述多根绳构件的材料和长度均相同；所述杆构件和所述绳构件的数量均为四根。

2.如权利要求1所述的棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器，其特征在于，所述杆构件的两端分别采用球铰与所述承载平台及所述底座连接。

3.如权利要求2所述的棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器，其特征在于，每一所述绳构件的两端分别和对应的球铰可拆卸连接。

4.如权利要求1-3任一项所述的棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器，其特征在于，所述承载平台的材质为铝合金、不锈钢或多孔泡沫金属中的任意一种。

5.如权利要求1-3任一项所述的棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器，其特征在于，所述杆构件的材质为铝合金、不锈钢或多孔泡沫金属中的任意一种。

6.如权利要求1-3任一项所述的棱柱状张拉整体式准零刚度隔振器，其特征在于，所述底座的材质为铝合金、不锈钢或多孔泡沫金属中的任意一种。