CN112855824A - 一种针对简谐位移激励的惯容式隔振装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于减振和隔振技术领域，涉及一种针对简谐位移激励的惯容式隔振装置及设计方法，其不仅能完全隔绝简谐位移激励的影响，而且从根本上消除阻尼生热的隐患。该装置包括弹簧和惯容器，所述惯容器和所述弹簧并联连接；其中所述弹簧的刚度与所述惯容器的惯质系数的比值为N，所述比值N与所述简谐位移激励的频率成正相关。

Description

一种针对简谐位移激励的惯容式隔振装置及设计方法

技术领域

本发明属于减振和隔振技术领域，具体涉及一种针对简谐位移激励的惯容式隔振装置及设计方法。

背景技术

正弦激励是一种常见的激励信号，在工业生产和日常生活中比较普遍，例如单摆、弹簧振子等。正弦激励在一个完整周期内的位移为零，当载荷一定时，对外所做的功也为零。

传统被动减振装置由弹簧和阻尼器并联组成，这种结构自确定至今已有一百多年的历史，一直没有突破性进展。在这种减振装置中，弹簧作为储能元件，将外界激励的能量转化为弹性势能，阻尼作为耗能元件，将激励能量转化为热能。弹簧和阻尼器并联的减振装置做出了卓越的贡献，但阻尼器由于要承受交变载荷，并伴随着温升，不仅是一个易损件，也是跑冒滴漏松等故障的重要来源。此外，弹簧与阻尼并联的减振装置无法实时耗散掉所有的振动能量，也无法完全隔绝振动的影响。

惯容器是一个从电学中派生出的概念，其实质是一个惯性蓄能器，同弹簧和阻尼器一样具有两个独立、自由的端点，而且两个端点所受的力与其相对加速度成正比。惯容器的出现打破了传统弹簧、阻尼并联的经典减振结构体系，为新型隔振结构的设计提供了新的思路。

随着工业技术的飞速发展，对振动的限制越来越严格，还受到环保、节能、成本等诸多因素的影响。因此，迫切需要一种能够完全隔绝简谐位移激励的被动隔振装置。

发明内容

本申请的实施例提供一种针对简谐位移激励的惯容式隔振装置及设计方法，其不仅能完全隔绝简谐位移激励的影响，而且从根本上消除阻尼生热的隐患。

第一方面，本申请一实施例提供了一种针对简谐位移激励的惯容式隔振装置，包括弹簧和惯容器，所述惯容器和所述弹簧并联连接；其中所述弹簧的刚度与所述惯容器的惯质系数的比值为N，所述比值N与所述简谐位移激励的频率成正相关。

进一步地，所述弹簧的刚度与所述惯容器的惯质系数的比值为N，所述比值N与所述简谐位移激励的频率满足如下关系式：

其中：ω为简谐激励的频率，单位为rad；k为弹簧刚度，单位为N/m；b为惯容器惯质系数，单位为kg。

可选地，所述惯容器采用齿轮齿条惯容器、滚珠丝杠惯容器、液力惯容器或流体惯容器。

第二方面，本申请一实施例一种针对简谐位移激励的惯容式隔振装置设计方法，具体过程为：

使惯容器1和弹簧2并联连接，令所述弹簧2的刚度与所述惯容器1的惯质系数的比值为N，所述比值N与所述简谐位移激励4的频率成正相关。

进一步地，调整弹簧2的刚度k或惯容器1的惯质系数b，使其满足

其中：ω为简谐位移激励4的频率，单位为rad；k为弹簧2刚度，单位为N/m；b为惯容器1的惯质系数，单位为kg。

与传统弹簧阻尼并联的减振装置相比，本发明的有益效果是：

1、简谐激励所做的功、弹簧储存的弹性势能、惯容器储存的动能三者实时平稳转化，过程中没有阻尼力，也不会产生热量，因此，从理论上不存在生热散热问题，也从根本上提高了隔振系统的可靠性。

2、当满足

时，悬上质量的振动响应实时为0，实现了对简谐位移激励的完全隔绝，而且与悬上质量的大小、简谐激励的振幅高低都无关。

上述两个优势决定了该减振装置在性能上明显优于传统减振装置，此外，该装置结构简紧凑，不需要复杂的控制系统和能量输入，成本低，可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。

图1为一种简谐位移激励的示意图

图2为惯容与弹簧并联的隔振装置结构示意图

图3为简谐激励隔振系统示意图

图4为斜置的简谐激励隔振系统示意图

图中：1-惯容器；2-弹簧；3-悬上质量；4-简谐位移激励；5-斜面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

如图1-2所示，本申请实施例提供一种针对简谐位移激励的惯容式隔振装置，包括惯容器1和弹簧2，所述惯容器1和所述弹簧2并联连接；其中所述弹簧2的刚度与所述惯容器1的惯质系数的比值为N，所述比值N与所述简谐位移激励4的频率成正相关。

本申请实施例，通过将惯容器和弹簧并联，且使其相关参数之间存在关联，即使弹簧的刚度与惯容器的惯质系数之间的比值和所述简谐位移激励的频率成正相关，从而简谐激励所做的功、弹簧储存的弹性势能、惯容器储存的动能三者实时平稳转化，过程中没有阻尼力，也不会产生热量，因此，从理论上不存在生热散热问题，也从根本上提高了隔振系统的可靠性。

在一种可能的实施方式中，采用惯容器1和弹簧2并联的形式，且满足

其中：ω为简谐位移激励4的频率，单位为rad；k为弹簧2刚度，单位为N/m；b为惯容器1的惯质系数，单位为kg。

本申请实施例，从①从结构上，采用弹簧和惯容器并联的形式。②从参数上，满足

关系，从而使得悬上质量的振动响应实时为0，实现了对简谐位移激励的完全隔绝，而且与悬上质量的大小、简谐激励的振幅高低都无关。

以下通过理论分析的方式对上述实施例所能带来的效果进行详细说明：

图3为简谐激励隔振系统示意图，简谐位移激励4，通过由惯容器1和弹簧2并联组成隔振系统，支撑悬上质量3。

系统的动力学微分方程为：

q＝A sin(ωt) (2)

式中：m₁为悬上质量3，单位：kg；z为悬上质量3的相对位移，单位：m；k为弹簧2的刚度，单位：N/m；q为简谐位移激励4，单位：m；A为激励4的幅值，单位：m；ω为激励4的频率，单位：rad；t为时间，单位：s。

系统动力学微分方程(1)、(2)的解为：

式(3)中：

z₀为悬上质量3的初始位移，单位：m；

为悬上质量3的初始速度，单位：m/s。

由式(3)可知，当初始条件为0，即：z₀＝0且

时，满足k-bω²＝0，即：

时，系统在简谐位移激励下的响应z(t)＝0。因此，此时无论激励4的幅值A多大，悬上质量3为多重，只要激励4的频率ω、弹簧刚度2的刚度k及惯容器1的惯质系数b满足

关系，悬上质量3从理论上讲，将保持不动。

图4为斜置的简谐激励隔振系统示意图，悬上质量3在斜面(5)上无摩擦地滑动，当满足

时，悬上质量3也保持不动，而且与斜面5的倾角无关。

本申请实施方式与传统弹簧、阻尼并联的隔振系统相比，在以下方面存在明显优势：

1、隔振效率高，从理论上讲，可以实现悬上质量3的零响应。

2、简谐激励所做的功、弹簧储存的弹性势能、惯容器储存的动能三者实时平稳转化，过程中没有阻尼力，也不会产生热量。

可选地，惯容器1实现形式有多种，可以采用齿轮齿条惯容器(Rack and pinioninerter，见美国专利7316303B2)、滚珠丝杠惯容器(Ball screw inerter，见美国专利2009/0108510A1)、液力惯容器(Hydraulic inerter，见美国专利2009/0139225A1)、流体惯容器(Fluid inerter，见美国专利2013/0032442 A1)中的一种，也可以是新的形式，只要满足两端的力与其相对加速度成正比关系即可。

如图1-2所示，本申请实施例提供一种针对简谐位移激励的惯容式隔振装置设计方法，具体过程为：

使惯容器1和弹簧2并联连接，令所述弹簧2的刚度与所述惯容器1的惯质系数的比值为N，所述比值N与所述简谐位移激励4的频率成正相关。

在一种可能的实施方式中，调整弹簧2的刚度k或惯容器1的惯质系数b，使其满足

其中：ω为简谐位移激励4的频率，单位为rad；k为弹簧2刚度，单位为N/m；b为惯容器1的惯质系数，单位为kg。

在本实施方式中，针对不同频率ω的简谐激励q，调整弹簧2的刚度k或惯容器1的惯质系数b，就可以达到新的平衡。

本申请一种针对简谐位移激励的惯容式隔振装置及设计方法，隔振效率高，而且结构简单，可靠性高，可以极大地缓和简谐激励的影响。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种针对简谐位移激励的惯容式隔振装置，其特征在于，包括弹簧和惯容器，所述惯容器和所述弹簧并联连接；其中所述弹簧的刚度与所述惯容器的惯质系数的比值为N，所述比值N与所述简谐位移激励的频率成正相关。

2.根据权利要求1所述针对简谐位移激励的惯容式隔振装置，其特征在于，所述弹簧的刚度与所述惯容器的惯质系数的比值为N，所述比值N与所述简谐位移激励的频率满足如下关系式：

其中：ω为简谐激励的频率，单位为rad；k为弹簧刚度，单位为N/m；b为惯容器惯质系数，单位为kg。

3.根据权利要求1或2所述针对简谐位移激励的惯容式隔振装置，其特征在于，所述惯容器采用齿轮齿条惯容器、滚珠丝杠惯容器、液力惯容器或流体惯容器。

4.一种针对简谐位移激励的惯容式隔振装置设计方法，其特征子在于，具体过程为：

使惯容器1和弹簧2并联连接，令所述弹簧2的刚度与所述惯容器1的惯质系数的比值为N，所述比值N与所述简谐位移激励4的频率成正相关。

5.根据权利要求4所述针对简谐位移激励的惯容式隔振装置设计方法，其特征在于，调整弹簧2的刚度k或惯容器1的惯质系数b，使其满足

其中：ω为简谐位移激励4的频率，单位为rad；k为弹簧2刚度，单位为N/m；b为惯容器1的惯质系数，单位为kg。

Images