CN112833135B - 一种机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置 - Google Patents

一种机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及旋转机构减振领域。一种机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置,包括环状或者半环块状的质量体(1)和缓冲装置,质量体(1)通过内侧的连接体(2)固定在待减少扭转振动的器件上,缓冲装置包括固定在质量体(1)上的动态连接点(3)、碰撞体(5)、连接动态连接点(3)和碰撞体(5)的弹性体(4),调整动态连接点(3)、碰撞体(5)、弹性体(4)中的一个或者多个的缓冲因素,使该机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置吸收待减少扭转振动的器件的振动能量从而达到减振,缓冲因素包括大小、材质、形状中的一种或者多种。

Description

一种机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置
技术领域
本发明涉及旋转机构减振领域。
背景技术
低频振动的存在不但严重影响人体健康而且造成了大量的经济损失,由此低频减振降噪显得尤为重要。声子晶体所具有的带隙特性使其在减振降噪方面得到重视。早在上个世纪七十年代,就开始了对弹性波在层状介质中的传播进行研究。之后2000年,刘正猷教授在《science》杂志上首次提出声子晶体局域共振带隙机理,制造出的三维三组元周期性复合材料,成功通过实验验证了“小尺寸控制大波长”,为局域共振型声子晶体在低频减振降噪领域的发展奠定了基础。局域共振型声子晶体这种周期复合结构在特定频率的弹性波激励下,各个散射体产生共振并与弹性波相互作用抑制其传播,由此产生了局域共振带隙。根据局域共振声子晶体带隙的特性,在各个领域有着广泛的应用。由于其频率可设计、尺寸小、针对性强等特点,为精密加工、精密仪器等提供一定频率范围内的无振动工作环境。声子晶体也常用于声呐、医学超声探测成像等领域。在潜艇的消声瓦等军工方面也有广阔的应用前景。到目前为止,主要的研究都是围绕局域共振型声子晶体的线性特性展开的。基于局域共振原理设计具有等效负质量密度、负折射特性的声子晶体,可以产生高效低频声吸收或隔离、声透射等现象,广泛应用于生产生活等各个方面。尽管局域共振型声子晶体在低频抑振方面有着突出的表现,但是无法同时实现宽频振动抑制。无论是从应用需求还是科学发展的角度来看,非线性因素的引入将必不可少。1955 年,Fermi、Pasta 和 Ulam研究了含有非线性项的6k粒子的一维动力系统,后人将这一离散结构称为 FPU问题,对该问题的进一步研究极大地推动了非线性领域的发展。国防科技大学智能科学学院振动与噪声控制团队在非线性声学超材料低频宽带减振特性的研究上取得重要进展探究了结构中的非线性波动与振动特性及新机理—混沌带,揭示了低频宽带高效抑振机制。目前,大量的工作围绕非线性周期结构的色散关系展开。研究发现带隙频率和带宽可以通过调整非线性的强度来调控, 随着激励幅值的增加,带隙频率和色散曲线向高频移动,带隙宽度增加。
目前的技术和已有设计不能解决轴状结构以及旋转或周向振动的装置的减振问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:如何解决轴状结构以及旋转或周向振动的装置的扭转振动。
本发明所采用的技术方案是:一种机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置,包括环状或者半环块状的质量体(1)和缓冲装置,质量体(1)通过内侧的连接体(2)固定在待减少扭转振动的器件上,缓冲装置包括固定在质量体(1)上的动态连接点(3)、碰撞体(5)、连接动态连接点(3)和碰撞体(5)的弹性体(4),调整动态连接点(3)、碰撞体(5)、弹性体(4)中的一个或者多个的缓冲因素,使该机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置吸收待减少扭转振动的器件的振动能量从而达到减振,缓冲因素包括大小、材质、形状中的一种或者多种。
质量体(1)为环状,连接体(2)为轴承,动态连接点(3)为质量体(1)上一个或者多个定点,弹性体(4)为与动态连接点(3)的定点数量相同的弹簧,碰撞体(5)为连接连接体(2)内部轴(6)的杆件,碰撞体(5)与质量体(1)无直接接触,轴(6)固定在待减少扭转振动的器件上。
质量体(1)为半环块状,连接体(2)与质量体(1)内侧固定在一起的半环块状,动态连接点(3)为质量体(1)上的一个或者多个槽,弹性体(4)为与动态连接点(3)的槽数量相同的弹簧,碰撞体(5)为处于槽中的滑块,连接体(2)内侧固定在待减少扭转振动的器件上。
质量体(1)有多个。
本发明的有益效果是:当机器发生扭转振动时,本发明会吸收振动能量产生局域共振的效果,使局域共振未发生时即激振频率在带隙范围以外,发生混沌现象,线性波转换为混沌波,波的频率发生变化,在该范围也可抑制波的传递,从而达到减振。本发明不受机器和环境限制,通用性好。具体应用时,可通过调整或更换连接点、碰撞体、弹性体可以调整局域共振带隙,例如可通过对质量体重量进行调整,来适应不同频率的振源,进而针对不同频率振源进行减振、降噪。
附图说明
图1是质量体为环状时的一种结构示意图;
图2是质量体为半环块状时的一种结构示意图。
1、质量体,2、连接体,3、动态连接点,4、弹性体,5、碰撞体,6、轴。
具体实施方式
实施例1
一种机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置,由多个单元安装在轴6上构成,每个单元是由质量体1、弹性阻尼平衡模块、碰撞模块、轴承2组成。
所述质量体1是一经过机械加工的金属圆环盘,所述金属圆环盘设置有上述弹性阻尼平衡模块、碰撞模块的动态连接点3。质量体1通过轴承(连接体2)与轴6相连接,使质量体1在杆件(碰撞体)振动时能够产生往复旋转振动。
所述弹性阻尼平衡模块包括弹性体4,动态连接点3,碰撞体5。上述弹性阻尼平衡模块其碰撞体5与轴6固接。其中动态连接、碰撞体通过弹性体弹性连接,上述动态连接点3固定在质量体1上。
所述碰撞模块包括动态连接3,碰撞体5。碰撞体5与轴固接。其中碰撞体5固定在轴6上。
所述轴6上可以设置多个机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置。
将需要减振的机器与轴6相连。当机器开启时,振动能量通过轴传递到各个机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置,通过各个机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置将振动能量减缩,以此达到减振的效果。
如图1所示,本发明的机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置包括质量体1,所述质量体1,轴承(连接体)2,动态连接点3,弹性体4和固定连接(碰撞体)5构成单个振子,所述振子与轴6之间通过轴承2相连,动态连接点3与固定连接(碰撞体)5之间设置有供振子进行振动的空隙,可以调节所述空隙产生不同的碰撞混沌带隙。上述弹性体可由金属材料(弹簧)或者橡胶材料制成;上述质量体都可由金属材料制成,比如铁等。
使用时,可将多个减振装置分别安装在需要减振的机器外侧(通过轴6),当机器发生扭转振动时,这些减振装置会吸收振动能量产生局域共振的效果,也就是每个振子会发生共振,又由于加入非线性要素,使局域共振未发生时即激振频率在带隙范围以外,发生混沌现象,线性波转换为混沌波,波的频率发生变化,在该范围也可抑制波的传递,从而达到减振。通过上述分析可以看出,本发明不受机器和环境限制,通用性好。具体应用时,可通过调整或更换振子可以调整局域共振带隙,例如可通过对质量体重量进行调整,来适应不同频率的振源,进而针对不同频率振源进行减振、降噪。
上述基础上进一步实现对局域共振带隙的控制,所述质量体可以进行直径、厚度的调节。通过调节上述参数可实现局域共振带隙改变,从而可以适应不同结构。可以实现带隙范围的调节。
实施例2
为了方便工程上进行快速设置应用,以下介绍另外一种结构,这种结构是基于实施例1的一种变形, 如图2所示,可以通过模块化组装,包括质量块1,碰撞滑动块(碰撞体)5,弹性体4。所述质量块1的外侧设置有滑槽(动态连接点),内部的碰撞滑动块(碰撞体)5通过弹性4与质量块1弹性连接,构成碰撞结构。质量块1通过弹性体4 与需要减振的轴体连接,构成局域共振结构,同个圆周位置上可以设置多个上述结构,然后将多个这种模块结构周期排列在目标轴体上,就可以在需减振轴体上进行应用。
本发明结构简单。本发明的质量体和缓冲装置形成了声子晶体单胞,从而实现了局域共振声子晶体振子、基体和弹性体的结构。多个这种声子晶体单胞共同作用形成声子晶体结构,从而利用局域共振的原理实现减振,通过调整振子数量、距离或更换振子可以调整局域共振带隙,针对不同频率振源进行减振、降噪。并且在此基础上加入了非线性碰撞模块,拓宽减振频率范围。局域共振振子加入非线性要素,使局域共振未发生时即激振频率在带隙范围以外时,发生混沌现象,线性波转换为混沌波,波的频率发生变化,混沌波的振幅往往比原线性波的振幅要明显减低,从而达到更好的减振效果。
本发明不受机器和环境限制,通用性好。基于旋转式非线性局域共振型声子晶体减振结构可以有效减少控制机械设备工作时产生的振动,从而降低机械损耗,提高机械设备的使用寿命,同时为工作人员提供更好的工作环境。

Claims (3)

1.一种机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置,其特征在于:包括环状的质量体(1)和缓冲装置,质量体(1)通过内侧的连接体(2)固定在待减少扭转振动的器件上,缓冲装置包括固定在质量体(1)上的动态连接点(3)、碰撞体(5)、连接动态连接点(3)和碰撞体(5)的弹性体(4),调整动态连接点(3)、碰撞体(5)、弹性体(4)中的一个或者多个的缓冲因素,使该机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置适应不同频率的振源,进而针对不同频率振源进行减振、降噪,缓冲因素包括大小、材质、形状中的一种或者多种;连接体(2)为轴承,动态连接点(3)为质量体(1)上一个或者多个定点,弹性体(4)为与动态连接点(3)的定点数量相同的弹簧,碰撞体(5)为连接连接体(2)内部轴(6)的杆件,碰撞体(5)与质量体(1)无直接接触,轴(6)固定在待减少扭转振动的器件上,动态连接点(3)和碰撞体(5)构成碰撞模块,动态连接点(3)与碰撞体(5)之间设置有空隙,调节所述空隙产生不同的碰撞混沌带隙。
2.一种机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置,其特征在于:包括半环块状的质量体(1)和缓冲装置,质量体(1)通过内侧的连接体(2)固定在待减少扭转振动的器件上,缓冲装置包括固定在质量体(1)上的动态连接点(3)、碰撞体(5)、连接动态连接点(3)和碰撞体(5)的弹性体(4),调整动态连接点(3)、碰撞体(5)、弹性体(4)中的一个或者多个的缓冲因素,使该机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置适应不同频率的振源,进而针对不同频率振源进行减振、降噪,缓冲因素包括大小、材质、形状中的一种或者多种;连接体(2)与质量体(1)内侧固定在一起的半环块状,动态连接点(3)为质量体(1)上的一个或者多个槽,弹性体(4)为与动态连接点(3)的槽数量相同的弹簧,碰撞体(5)为处于槽中的滑块,连接体(2)内侧固定在待减少扭转振动的器件上,碰撞体(5)通过弹性体(4)与质量体(1)弹性连接,构成碰撞结构,动态连接点(3)与碰撞体(5)之间设置有空隙,调节所述空隙产生不同的碰撞混沌带隙。
3.根据权利要求2所述的一种机械旋转式非光滑局域共振声子晶体减振装置,其特征在于:质量体(1)有多个。
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