CN112211952A - 一种低频大行程准零刚度隔振装置 - Google Patents

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Abstract

一种低频大行程准零刚度隔振装置，属于机械振动和噪声控制技术领域，本发明为了解决现有准零刚度隔振器动刚度能够保持准零的位移行程较小，使其隔振效果对外部环境和所受荷载都极为敏感，无法适应恶劣复杂的实际工况的问题，本发明所述上平台和下平台上下平行相对设置，菱形弹簧结构设置在上平台和下平台之间，且菱形弹簧结构的顶部与上平台下表面的中心点固定连接，菱形弹簧结构的底部与下平台上表面的中心点固定连接，两个调节限位支撑结构相对设置在菱形弹簧结构的两端，且每个调节限位支撑结构的底部与下平台的上表面固定连接，每个调节限位支撑结构的顶部与上平台的下表面固定连接。本发明适用于在较大的位移范围内隔离振源产生的低频振动。

Description

一种低频大行程准零刚度隔振装置
技术领域
本发明属于机械振动和噪声控制技术领域，具体涉及一种低频大行程准零刚度隔振装置。
背景技术
被动隔振装置因其结构简单，成本低且易于维护在工程中应用极为广泛。传统的线性被动隔振器若要保持较低频率隔振，其承载能力势必会降低，这已成为线性隔振器无法回避的矛盾。非线性隔振器是解决该问题的有效手段，具备非线性特征的准零刚度系统具有较低的动态刚度和较高的静态刚度特性，在静平衡位置处的动刚度为零或准零，能够满足隔振系统所需要的大承载和低固有频率要求。但现有的准零刚度隔振器动刚度能够保持准零的位移行程很小，一般只有2-10mm，这使其隔振效果对外部环境和所受荷载都极为敏感，无法适应恶劣复杂的实际工况，不易发挥其理论上的性能优势，该项不足严重阻碍了准零刚度隔振器在工程中的推广应用。
发明内容
本发明为了解决现有准零刚度隔振器动刚度能够保持准零的位移行程较小，使其隔振效果对外部环境和所受荷载都极为敏感，无法适应恶劣复杂的实际工况的问题，进而提供了一种低频大行程准零刚度隔振装置；
一种低频大行程准零刚度隔振装置，所述隔振装置包括，上平台、下平台、菱形弹簧结构和两个调节限位支撑结构；
所述上平台和下平台上下平行相对设置，菱形弹簧结构设置在上平台和下平台之间，且菱形弹簧结构的顶部与上平台下表面的中心点固定连接，菱形弹簧结构的底部与下平台上表面的中心点固定连接，两个调节限位支撑结构相对设置在菱形弹簧结构的两端，且每个调节限位支撑结构的底部与下平台的上表面固定连接，每个调节限位支撑结构的顶部与上平台的下表面固定连接；
进一步地，所述上平台和下平台的结构相同，均为矩形平台；
进一步地，所述菱形弹簧结构和两个调节限位支撑结构位于下平台沿宽度方向的中心线上；
进一步地，所述菱形弹簧结构包括菱形结构杆件、线性弹簧和两个固定铰支座；
所述菱形结构杆件由四根连杆首尾顺次相连组成，且相邻的两根连杆之间通过销轴铰接，菱形结构杆件中位于最上方铰接处的销轴通过一个固定铰支座与上平台下表面的中心点固定连接，菱形结构杆件中位于最下方铰接处的销轴通过另一个固定铰支座与下平台上表面的中心点固定连接，线性弹簧设置在菱形结构杆件中位于中部的两个铰接点之间，且线性弹簧的一端与菱形结构杆件中位于中部的一个铰接处的销轴固定连接，线性弹簧的另一端与菱形结构杆件中位于中部的另一个铰接处的销轴固定连接；
进一步地，所述线性弹簧的轴线与上平台沿宽度方向的中心线相对平行设置；
进一步地，所述调节限位支撑结构包括非线性弹簧、导向套筒、直线轴承和弹簧导杆；
所述导向套筒沿竖直方向设置在上平台和下平台之间，导向套筒的一端固接在下平台的上表面上，导向套筒的另一端中加工有通孔，弹簧导杆沿竖直方向设置在导向套筒中，弹簧导杆与导向套筒之间设有直线轴承，直线轴承安装在导向套筒另一端的通孔处，弹簧导杆通过直线轴承与导向套筒滑动连接，非线性弹簧设置在导向套筒与上平台之间，且非线性弹簧套设在弹簧导杆上，非线性弹簧的一端与上平台的下表面固定连接，非线性弹簧的另一端与导向套筒另一端的端面固定连接；
进一步地，所述弹簧导杆设置在导向套筒的一端上固接有限位垫片，限位垫片为圆形垫片，圆形垫片的端面直径大于导向套筒另一端上通孔的孔径；
进一步地，所述调节限位支撑结构与菱形弹簧结构之间的距离为下平台长度的1/5-1/6；
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种低频大行程准零刚度隔振装置，保证了作用于上平台竖直方向的振动传递到下平台时大幅衰减，该隔振装置的起始隔振频率不大于1.5Hz。
2、本发明所设计的隔振装置在额定承载条件下，能够至少在100mm的竖向位移行程内保持动刚度为准零，从而保证其具备较高承载能力的同时能够稳定有效地阻隔低频振动。
3、本发明提供的一种低频大行程准零刚度隔振装置，在工作时通过调节菱形结构杆件的长度和初始姿态，可实现对该隔振装置承载能力和准零刚度初始位置的调节。
4、本发明提供的一种低频大行程准零刚度隔振装置，通过替换不同刚度的线性弹簧，可实现对装置准零刚度初始位置和承载能力的调节，以适应不同重量设备的隔振需求。
5、本发明提供的一种低频大行程准零刚度隔振装置，通过替换不同刚度的非线性弹簧，可实现对不同承载条件下隔振装置稳定性的调节，保证其始终处于系统刚度为正的结构稳定状态。
6、本发明将为性能稳定有效的准零刚度隔振装置研制提供新思路，同时为新型高精设备的推广应用提供有效技术支撑，具有重要的理论与实际意义。
7、本发明所设计的一种低频大行程准零刚度隔振装置容易拆卸，便于维护，可设计性强。本发明各结构件用料均为常用工程材料，经济可行。
附图说明
图1为本发明中所述装置的结构示意图；
图中包括1上平台、2菱形结构杆件、3线性弹簧、4非线性弹簧、5导向套筒、6直线轴承、7弹簧导杆和8下平台。
图2为低频大行程准零刚度隔振装置的位移-力曲线
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1说明本实施方式，本实施方式提供了一种低频大行程准零刚度隔振装置，所述隔振装置包括，上平台1、下平台8、菱形弹簧结构和两个调节限位支撑结构；
所述上平台1和下平台8上下平行相对设置，菱形弹簧结构设置在上平台1和下平台8之间，且菱形弹簧结构的顶部与上平台1下表面的中心点固定连接，菱形弹簧结构的底部与下平台8上表面的中心点固定连接，两个调节限位支撑结构相对设置在菱形弹簧结构的两端，且每个调节限位支撑结构的底部与下平台8的上表面固定连接，每个调节限位支撑结构的顶部与上平台1的下表面固定连接。
本实施方式中提供了一种低频大行程准零刚度隔振装置，保证了作用于上平台1竖直方向的振动传递到下平台8时大幅衰减，该隔振装置的起始隔振频率不大于1.5Hz，本发明的研发还将为性能稳定有效的准零刚度隔振装置研制提供新思路，同时为新型高精设备的推广应用提供有效技术支撑，具有重要的理论与实际意义。
具体实施方式二：参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的上平台1作进一步限定，本实施方式中，所述上平台1和下平台8的结构相同，均为矩形平台。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
如此设置，保证了本发明提供的隔振装置具有良好的支持性，在实验工作中更为稳定。
具体实施方式三：参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的菱形弹簧结构和两个调节限位支撑结构作进一步限定，本实施方式中，所述菱形弹簧结构和两个调节限位支撑结构位于下平台8沿宽度方向的中心线上。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
本实施方式中，菱形弹簧结构和两个调节限位支撑结构位于同一中心线上，有利于保证隔振装置在工作时的协调性，避免在重物施压后平台产生偏移。
具体实施方式四：参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的菱形弹簧结构作进一步限定，本实施方式中，所述菱形弹簧结构包括菱形结构杆件2、线性弹簧3和两个固定铰支座；
所述菱形结构杆件2由四根连杆首尾顺次相连组成，且相邻的两根连杆之间通过销轴铰接，菱形结构杆件2中位于最上方铰接处的销轴通过一个固定铰支座与上平台1下表面的中心点固定连接，菱形结构杆件2中位于最下方铰接处的销轴通过另一个固定铰支座与下平台8上表面的中心点固定连接，线性弹簧3设置在菱形结构杆件2中位于中部的两个铰接点之间，且线性弹簧3的一端与菱形结构杆件2中位于中部的一个铰接处的销轴固定连接，线性弹簧3的另一端与菱形结构杆件2中位于中部的另一个铰接处的销轴固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。
本实施方式中，在工作时通过调节菱形结构杆件的长度和初始姿态，可实现对该隔振装置承载能力和准零刚度初始位置的调节，能够至少在100mm的竖向位移行程内保持动刚度为准零(如图2所示，图中四条曲线分别对应着本发明所提供装置的线性弹簧3和非线性弹簧4在不同弹簧刚度条件下的仿真曲线，通过图中各条曲线的斜率可以看出，外力通过本装置被动隔振后在静平衡位置处的动刚度为准零，能够满足隔振系统所需要的大承载和低固有频率要求)，从而保证其具备较高承载能力的同时能够稳定有效地阻隔低频振动，同时通过替换不同刚度的线性弹簧，可实现对装置准零刚度初始位置和承载能力的调节，以适应不同重量设备的隔振需求。
具体实施方式五：参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的线性弹簧3作进一步限定，本实施方式中，所述线性弹簧3的轴线与上平台1沿宽度方向的中心线相对平行设置。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
如此设置，避免线性弹簧3安装时产生倾斜，影响工作时菱形结构杆件的形变性。
具体实施方式六：参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述调节限位支撑结构作进一步限定，本实施方式中，所述调节限位支撑结构包括非线性弹簧4、导向套筒5、直线轴承6和弹簧导杆7；
所述导向套筒5沿竖直方向设置在上平台1和下平台8之间，导向套筒5的一端固接在下平台8的上表面上，导向套筒5的另一端中加工有通孔，弹簧导杆7沿竖直方向设置在导向套筒5中，弹簧导杆7与导向套筒5之间设有直线轴承6，直线轴承6安装在导向套筒5另一端的通孔处，弹簧导杆7通过直线轴承6与导向套筒5滑动连接，非线性弹簧4设置在导向套筒5与上平台1之间，且非线性弹簧4套设在弹簧导杆7上，非线性弹簧4的一端与上平台1的下表面固定连接，非线性弹簧4的另一端与导向套筒5另一端的端面固定连接其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。
本实施方式中，调节限位支撑结构通过替换不同刚度的非线性弹簧，可实现对不同承载条件下隔振装置稳定性的调节，保证其始终处于系统刚度为正的结构稳定状态。
具体实施方式七：参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述调节限位支撑结构作进一步限定，本实施方式中，所述弹簧导杆7设置在导向套筒5的一端上固接有限位垫片，限位垫片为圆形垫片，圆形垫片的端面直径大于导向套筒5另一端上通孔的孔径。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。
如此设置，避免重物重力过大，在重物从上平台1上移开时，弹簧导杆7在非线性弹簧4弹力的作用下脱离导向套筒5。
具体实施方式八：参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述调节限位支撑结构作进一步限定，本实施方式中，所述调节限位支撑结构与菱形弹簧结构之间的距离为下平台8长度的1/5-1/6。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。
工作原理
本发明中所述的隔振装置，在工作时当外力施加在上平台1上时，上平台1向下移动，上平台1与下平台8之间的菱形弹簧结构和两个调节限位支撑结构会压缩，其中菱形弹簧结构由于各个连杆之间均为铰接，同时中部的两个铰接点又通过线性弹簧3相连，在重物压力作用下，四个连杆之间相互靠拢，线性弹簧3沿长度方向延伸，实现菱形弹簧结构的压缩，实现对装置准零刚度初始位置和承载能力的调节，以适应不同重量设备的隔振需求，调节限位支撑结构中弹簧导杆7沿导向套筒5的长度方向滑动，同时非线性弹簧4压缩，实现隔振装置稳定性的调节，保证其始终处于系统刚度为正的结构稳定状态，当重物移走时，菱形弹簧结构和两个调节限位支撑结构在弹簧弹力的作用下复位，隔振装置回归初始位置；
本发明还可以通过设计不同刚度的线性弹簧3和非线性弹簧4可实现对隔振装置承载能力与系统刚度的调节。通过调节菱形结构杆件2的长度和初始姿态，可实现对该隔振装置承载能力和准零刚度初始位置的调节。

Claims (8)

1.一种低频大行程准零刚度隔振装置，其特征在于：所述隔振装置包括，上平台(1)、下平台(8)、菱形弹簧结构和两个调节限位支撑结构；
所述上平台(1)和下平台(8)上下平行相对设置，菱形弹簧结构设置在上平台(1)和下平台(8)之间，且菱形弹簧结构的顶部与上平台(1)下表面的中心点固定连接，菱形弹簧结构的底部与下平台(8)上表面的中心点固定连接，两个调节限位支撑结构相对设置在菱形弹簧结构的两端，且每个调节限位支撑结构的底部与下平台(8)的上表面固定连接，每个调节限位支撑结构的顶部与上平台(1)的下表面固定连接。
2.根据权利要求1中所述的一种低频大行程准零刚度隔振装置，其特征在于：所述上平台(1)和下平台(8)的结构相同，均为矩形平台。
3.根据权利要求2中所述的一种低频大行程准零刚度隔振装置，其特征在于：所述菱形弹簧结构和两个调节限位支撑结构位于下平台(8)沿宽度方向的中心线上。
4.根据权利要求3中所述的一种低频大行程准零刚度隔振装置，其特征在于：所述菱形弹簧结构包括菱形结构杆件(2)、线性弹簧(3)和两个固定铰支座；
所述菱形结构杆件(2)由四根连杆首尾顺次相连组成，且相邻的两根连杆之间通过销轴铰接，菱形结构杆件(2)中位于最上方铰接处的销轴通过一个固定铰支座与上平台(1)下表面的中心点固定连接，菱形结构杆件(2)中位于最下方铰接处的销轴通过另一个固定铰支座与下平台(8)上表面的中心点固定连接，线性弹簧(3)设置在菱形结构杆件(2)中位于中部的两个铰接点之间，且线性弹簧(3)的一端与菱形结构杆件(2)中位于中部的一个铰接处的销轴固定连接，线性弹簧(3)的另一端与菱形结构杆件(2)中位于中部的另一个铰接处的销轴固定连接。
5.根据权利要求4中所述的一种低频大行程准零刚度隔振装置，其特征在于：所述线性弹簧(3)的轴线与上平台(1)沿宽度方向的中心线相对平行设置。
6.根据权利要求5中所述的一种低频大行程准零刚度隔振装置，其特征在于：所述调节限位支撑结构包括非线性弹簧(4)、导向套筒(5)、直线轴承(6)和弹簧导杆(7)；
所述导向套筒(5)沿竖直方向设置在上平台(1)和下平台(8)之间，导向套筒(5)的一端固接在下平台(8)的上表面上，导向套筒(5)的另一端中加工有通孔，弹簧导杆(7)沿竖直方向设置在导向套筒(5)中，弹簧导杆(7)与导向套筒(5)之间设有直线轴承(6)，直线轴承(6)安装在导向套筒(5)另一端的通孔处，弹簧导杆(7)通过直线轴承(6)与导向套筒(5)滑动连接，非线性弹簧(4)设置在导向套筒(5)与上平台(1)之间，且非线性弹簧(4)套设在弹簧导杆(7)上，非线性弹簧(4)的一端与上平台(1)的下表面固定连接，非线性弹簧(4)的另一端与导向套筒(5)另一端的端面固定连接。
7.根据权利要求6中所述的一种低频大行程准零刚度隔振装置，其特征在于：所述弹簧导杆(7)设置在导向套筒(5)的一端上固接有限位垫片，限位垫片为圆形垫片，圆形垫片的端面直径大于导向套筒(5)另一端上通孔的孔径。
8.根据权利要求7中所述的一种低频大行程准零刚度隔振装置，其特征在于：所述调节限位支撑结构与菱形弹簧结构之间的距离为下平台(8)长度的1/5-1/6。
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