CN112943843A - 一种仿生隔振系统 - Google Patents

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张晗
孙超
李广增
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Abstract

本申请公开了一种仿生隔振系统，包括承载平台、空气弹簧减振单元和底座，其中，所述承载平台的两侧通过支架与底座连接，所述承载平台和支架之间设置有绝缘性的粘弹性阻尼元件，所述承载平台安装于所述空气弹簧减振单元的上部，所述承载平台的表面具有对应空气弹簧的气孔；所述空气弹簧减振单元的下部安装于所述底座上；所述底座的下部设置有隔振垫。

Description

一种仿生隔振系统
技术领域
本发明涉及设备隔振技术领域，具体涉及一种仿生隔振系统。
背景技术
随着工业设备向精密化、智能化、复杂化等方向快速发展,隔振装置作为其关键部件，不仅要在运行时保持较高的减振率和使用寿命，而且能够有效缓解多种复杂作用对系统的干扰，其性能的好坏将直接影响整个装备系统的运行稳定性、可靠性、工作精度。
目前隔振装置在各领域快速增长的需求促使研究人员一方面对传统隔振与气囊隔振装置进行改进和结构优化，另一方面积极开发新型材料以用于隔振装置。尽管现在隔振装置种类繁多，结构各样，但仍不能同时满足三个条件：绝缘、在小尺寸下保证低频隔振性能、可拓展。例如，通过传感器结构实现隔振装置的监测与控制，但应用场景选择性强且绝缘性差。再例如，通过超材料隔振器的使用，增强了系统的低频隔振效果，但不具备可拓展性。
发明内容
鉴于相关技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种可拓展的仿生隔振装置，在保证系统稳定性的情况下，能够同时满足绝缘性、小尺寸、低频隔振、结构可拓展，填补高性能轻质化隔振装置的空白。
具体而言，本申请提供一种仿生隔振系统，包括：承载平台、空气弹簧减振单元和底座，其中，所述承载平台的两侧通过支架与底座连接，所述承载平台和支架之间设置有绝缘性的粘弹性阻尼元件，所述承载平台安装于所述空气弹簧减振单元的上部，所述承载平台的表面具有对应空气弹簧的气孔的贯通孔；所述空气弹簧减振单元的下部安装于所述底座上；所述底座的下部设置有隔振垫。
进一步的，所述空气弹簧减振单元包括至少一个空气弹簧。
进一步的，所述粘弹性阻尼元件通过胶黏的方式冷黏合于所述承载平台和支架之间。
进一步的，所述承载平台为仿啄木鸟头骨的骨松质和骨密植的微观多孔超材料。
进一步的，所述空气弹簧的气囊采用隔振橡胶材料。
进一步的，所述粘弹性阻尼元件采用兼具粘性液体和弹性固体特性的高分子聚合物材料。
进一步的，所述底座为手性超材料制成。
进一步的，所述第三减振单元为隔振橡胶。
进一步的，所述隔振橡胶为丁基橡胶。
进一步的，所述支架与所述底座通过螺栓固定连接。
综上，本申请提供了一种可拓展的仿生隔振装置，该装置将宏观等效的材料性能与微观结构结合起来，以准确建立仿啄木鸟头颅的高效协同隔振系统，在保证系统稳定性的情况下，能够同时满足绝缘性、小尺寸、低频隔振、结构可拓展，填补高性能轻质化隔振装置的空白。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请实施例提供的仿生隔振系统的结构示意图。
1-承载平台；2-阻尼减振元件；3-支架；4-螺栓；5-底座；6-隔振垫；7-空气弹簧减振单元；8-气孔/贯通孔。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
【发明构思】
啄木鸟撞击树干时，头部的生物组织在受到外部激励时会产生复杂的能量转换，通过各部位的系统作用，大大降低传递到脑部的振动。在这其中，头骨、舌骨、肌肉、脑脊液起到了突出的作用，本发明充分利用了上述四者的隔振机理。
具体而言：
头骨密实而富有弹性，在撞击过程中起到隔振缓冲作用，从而将撞击力分解为弹性力和阻尼力。本发明将承载平台对应设计为啄木鸟的头骨结构。
舌骨在撞击过程中能够起到吸能器和缓冲器的作用。因此，本发明将舌骨抽象简化为黏弹性的缓冲器，将底座设计为舌骨的功能。
肌肉在受力过程中会收缩蠕变，将化学能变为机械能，吸收分散撞击力量。本发明将肌肉对应于空气弹簧，实现机械能与内能的转化。
脑膜和脑髓之间有一条狭窄的空隙，其中含有少量的脑脊液。本发明选用不可压缩的粘性牛顿流体对其进行简化计算，在高速撞击过程中，粘性牛顿流体产生的流体阻力在一个振动周期内消耗的能量可以等效为粘性阻尼力，因此本发明用等效阻尼系数表示脑脊液的流动阻力。
经过合理简化后，结合啄木鸟头部头骨、舌骨、肌肉和脑脊液的构造方式，考虑脑脊液的流动阻力、头骨的阻尼力和弹性力、肌肉的收缩蠕变、舌骨的阻尼力和弹性力等因素的影响，建立仿造啄木鸟头部结构的仿生隔振系统。
【实验验证】
仿生隔振实验台，其是由隔振物理元器件(主要包括光学平台、导轨、滑块、弹性元件、阻尼元件等)和测试仪表及配套系统(包括激振器、高速摄像机、光位移传感器、模拟信号输出系统、数据采集处理系统等)组成的一个完整体系。
为了证明仿生隔振系统的良好性能，需要进行系统刚度、阻尼的可调、可控，并能够开展系统隔振性能、频响特性等相关实验。在进行实验时，电动激振器产生激励，激励滑块受控发生位移，和保护模块的位移进行比较，得出装置的隔振效果。该仿生隔振实验台可以进行的实验包括但不限于：
1)减振性能试验；
2)不同结构质量比动态响应测试试验；
3)弹性元件刚度变化下系统动态响应试验；
4)不同激励频率工况下系统动态响应测试试验。
通过实验验证啄木鸟头骨、舌骨、肌肉、脑脊液的动力学特性，从而为本发明的仿生隔振系统提供实验数据支撑。
【仿生隔振系统的实现方式】
本发明提供的仿生隔振系统主要包括：承载平台1、空气弹簧减振单元7和底座5。
承载平台1为长方形平台，其材料优选为仿啄木鸟头骨的骨松质和骨密植的微观多孔超材料，排列的多孔胞元形成的宏观结构和生物原型中的“骨+液”等效。承载平台1的两侧通过L形的支架3与底座5连接，支架3与底座5可通过螺栓4固定连接。优选的，所述支架为两个，于仿生隔振系统呈对称分布，一端经螺栓4固定于底座。
所述承载平台1和支架3之间设置有阻尼减振元件2。优选的，该阻尼减振元件2为绝缘性的粘弹性阻尼元件，从而更好的模拟啄木鸟脑脊液的构造方式。
更优选的，粘弹性阻尼元件通过胶黏的方式冷黏合于所述承载平台和支架之间，该粘弹性阻尼元件与承载平台1等高，以保证承载平台1表面的平整。
进一步的，所述粘弹性阻尼元件采用兼具粘性液体和弹性固体特性的高分子聚合物材料，可根据不同的隔振要求选择为丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶等橡胶类聚合物。
承载平台1安装于空气弹簧减振单元7的上部，承载平台1的表面具有对应空气弹簧的气孔的贯通孔8；空气弹簧减振单元7的下部安装在底座5上。空气弹簧减振单元7包括至少一个空气弹簧，本实施例优选为3个空气弹簧，均匀分布在承载平台1的底部，以更好的模拟啄木鸟的肌肉结构，并保持振动平衡。优选的，所述空气弹簧的气囊采用隔振橡胶材料。
所述底座5的下部设置有隔振垫6，优选的，隔振垫6为隔振橡胶，更优选为丁基橡胶。
更优选的，底座5为手性超材料制成，手性材料具有轻质、负泊松比、结构参数可调以及力学性能稳定等优点，可以实现面内变形，面外承载的双重力学作用，具有出色的隔振以及控制弹性波传播的特质。因此，手性材料制作而成的底座5具有更加出色的轻质、吸能、隔振、抗变形的特性。本实施例的底座5所使用的手性材料类型可根据实际应用避振场景进行对应的替换，在此不做限定。
本实施例提供的仿生隔振系统，所有的隔振部件均为绝缘材料。其中，承载平台为系统提供非线性刚度，空气弹簧将振动机械能与内能相互转化，阻尼单元产生阻尼作用削弱振动，底座变形吸能实现缓冲。各结构紧密黏接，模仿啄木鸟头颅构造方式及协同隔振作用机理，实现低频隔振效果。所属领域技术人员能够通过增加空气弹簧单元个数、对应承载平台的气孔，改变固定作业面积内隔振性能以适应多种环境；还能够通过改变承载平台面积、对应底座面积，改变作业面积以适应多种环境。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种仿生隔振系统，其特征在于，包括：
承载平台、空气弹簧减振单元和底座，其中，
所述承载平台的两侧通过支架与底座连接，所述承载平台和支架之间设置有绝缘性的粘弹性阻尼元件，所述承载平台安装于所述空气弹簧减振单元的上部，所述承载平台的表面具有对应空气弹簧的气孔的贯通孔；
所述空气弹簧减振单元的下部安装于所述底座上；
所述底座的下部设置有隔振垫。
2.根据权利要求1的一种仿生隔振系统，其特征在于，所述空气弹簧减振单元包括至少一个空气弹簧。
3.根据权利要求1的一种仿生隔振系统，其特征在于，所述粘弹性阻尼元件通过胶黏的方式冷黏合于所述承载平台和支架之间。
4.根据权利要求1的一种仿生隔振系统，其特征在于，所述承载平台为仿啄木鸟头骨的骨松质和骨密植的微观多孔超材料。
5.根据权利要求2的一种仿生隔振系统，其特征在于，所述空气弹簧的气囊采用隔振橡胶材料。
6.根据权利要求1的一种仿生隔振系统，其特征在于，所述粘弹性阻尼元件采用兼具粘性液体和弹性固体特性的高分子聚合物材料。
7.根据权利要求1的一种仿生隔振系统，其特征在于，所述底座为手性超材料制成。
8.根据权利要求1的一种仿生隔振系统，其特征在于，所述第三减振单元为隔振橡胶。
9.根据权利要求8的一种仿生隔振系统，其特征在于，所述隔振橡胶为丁基橡胶。
10.根据权利要求1的一种仿生隔振系统，其特征在于，所述支架与所述底座通过螺栓固定连接。
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