CN112984036A - 一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置 - Google Patents

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宋春芳
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Abstract

本发明公开了一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置。隔振装置由准零刚度隔振主系统与动力吸振器子系统组合而成；主要包括承载平台、负刚度机构和动力吸振器。本发明在传统的“弹簧——质量块”吸振器基础上，提出了“弹簧片——滑动质量块”结构的可调频动力吸振器，并在传统的线性主系统基础上增设4个负刚度机构，采用正负刚度并联组成准零刚度隔振主系统，设计出一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置。该隔振装置可以通过改变弹簧片的有效长度来调节动力吸振器的固有频率，突破传统动力吸振装置只适用于单一激励频率的局限，并可拓宽激励频率适应范围，实现激励频率自适应性，减小准零刚度隔振主系统的振幅，从而实现自适应性超低频隔振效果。

Description

一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置
技术领域
本发明涉及超低频隔振技术领域，尤其涉及一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置。
背景技术
动力吸振器是一种由质量、弹簧、阻尼等原件构成的弹簧——质量振子系统。它通过弹性元件与阻尼原件连接到主系统上，使外界激励作用在主系统上的能量全部转移到动力吸振器上，使动力吸振器作用在主系统上的作用力与外界激励作用在主系统的力大小相等、方向相反，使主系统处于平衡状态，降低主系统的振动幅度。相较于其它传统减振装置，动力吸振器不仅结构简单，制造方便，而且还具有良好的减振效果。
由于在实际应用中，外激励频率的大小通常是时变的，而传统“弹簧——质量块”结构动力吸振器的参数一旦选定，其固有频率也便确定，而动力吸振器固有频率与激励频率不一致时，主系统振幅将急剧增大，甚至引起共振，不能起到减振的作用。因此，有必要针对不同的激振频率来选择适当的吸振器固有频率，实现激励荷载自适应性。而机械调频式动力吸振器可以通过改变自身的结构参数来改变其等效刚度，进而实现动力吸振器固有频率的改变，以适应不同频率下的激励力，改善主系统的隔振性能。
常见的机械调频式动力吸振器采用的变刚度方法为空气弹簧、压电陶瓷、形状记忆合金等方法。空气弹簧动力吸振器虽然具有承载能力强、抗疲劳性好、耐用的优点，但它采用气泵作为变刚度驱动设备，需要附加较大的冗余质量，使隔振系统的整体质量增大。压电陶瓷动力吸振器的刚度较大，相对来说需要质量很大的振子，同时压电陶瓷不能受拉伸，脆性较大，从而使这种动力吸振器的振幅会很小，限制吸振能力，且可能会导致系统不稳定。形状记忆合金变刚度动力吸振器由于温度迟滞非线性，使得动力吸振器的刚度可调，但是，形状记忆合金的温度控制非常困难，给刚度调节增加了难度；而且，虽然形状记忆合金变刚度动力吸振器的固有频率可以调节，但是却是离散的，因此，不能实现刚度的连续变化，且其等效刚度的调节范围也较窄。通过对上述一些动力吸振器的分析，有必要设计一种隔振装置，使其不仅能增大动力吸振器的固有频率调节范围，还能降低主系统的起始隔振频率。
发明内容
本发明目的在于提供一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置，用以解决上述提到的如何有效增大动力吸振器固有频率调节范围，还能降低主系统起始隔振频率的问题。通过在线性刚度主系统的基础上引入负刚度结构，基于正负刚度并联原理构成准零刚度隔振主系统，然后在传统“弹簧——质量块”结构基础上，提出“弹簧片——滑动质量块”结构自适应可调频动力吸振器，来实现动力吸振器固有频率可调节功能及降低主系统起始隔振频率的作用。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置，包括准零刚度隔振主系统和可调频动力吸振器子系统。
准零刚度隔振主系统包括基座、负刚度机构、铰接机构、滑柱、螺栓、螺母、连接件、阻尼器、承载平台以及竖直弹簧等；所述负刚度机构包括导向缸体、压缩弹簧和活塞柱；所述铰接机构由固定铰、活动铰及螺栓组成；动力吸振器子系统由弹簧片、滑动质量块、步进电机、传动丝杆、侧立柱、滑台以及加速度传感器组成。
进一步地方案为，所述竖直弹簧与阻尼器上端与承载平台连接，下端与基座连接；所述竖直弹簧与负刚度机构通过正负刚度并联原理，使得所述主系统自振频率降低；所述竖直弹簧承受承载平台与动力吸振器的重量自由压缩；所述基座底部设置有前、后、左、右四个对称的铰接机构；所述铰接机构与负刚度机构下端连接；所述负刚度机构上端通过铰接机构与滑柱连接；所述铰接机构通过螺栓螺母配合方式固接在滑柱上；所述滑柱可以在承载平台上滑动以调节负刚度结构的起始角度；所述滑柱通过螺栓与连接件固定在承载平台上。
进一步地方案为，所述侧立柱固定在承载平台上；所述弹簧片一端固定在侧立柱上，另一端放置滑动质量块；所述步进电机固定在承载平台上；所述滑台在传动丝杆上滑动以改变所述弹簧片的有效长度，从而改变动力吸振器的固有频率；所述加速度传感器贴置在弹簧片上，用于检测动力吸振器的固有频率以便通过控制器调节步进电机的输出位移，实现滑台在传动丝杆上位置的移动。
进一步地方案为，所述负刚度机构上、下端通过螺纹配合连接方式与所述铰接机构连接；所述负刚度机构通过活塞柱压缩内部的压缩弹簧产生作用力。
进一步地方案为，所述承载平台上开设有滑槽，所述滑柱安装在滑槽内。
与现有的技术相比，本发明具有如下优势：
本发明在传统的“弹簧——质量块”吸振器结构基础上，提出了“弹簧片——滑动质量块”结构的可调频动力吸振器，可以通过调整弹簧片的有效长度的方法来改变动力吸振器的固有频率，且结构简单，易于实现。并且，动力吸振器的刚度调节范围大，可以有效增大主系统的衰减区域。此外，还通过在传统主系统结构上增设四个负刚度机构，使线性刚度主系统变为准零刚度主系统，降低了隔振系统的起始隔振频率，可实现超低频隔振效果。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明负刚度机构结构示意图。
图3为本发明铰接机构结构示意图。
图4为本发明调频控制流程图。
图中：1-基座、2-负刚度机构、21-导向缸体、22-压缩弹簧、23-活塞柱、3-铰接机构、31-固定铰、32-活动铰、4-滑柱、5-螺栓、6-螺母、7-连接件、8-螺栓、9-弹簧片、10-滑动质量块、11-阻尼器、12-承载平台、13-竖直弹簧、14-步进电机、15-传动丝杠、16-侧立柱、17-滑台、18-加速度传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
图1所示，为一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置整体结构示意图。具体包括基座1、承载平台12以及下端与基座连接，上端与承载平台连接的阻尼器11和竖直弹簧13，竖直弹簧13安装时具有一定的压缩量，用来承受承载平台12的重量而自由压缩。所述基座1底部四周对称设置有4个铰接机构3，所述铰接机构3与负刚度机构2下端通过螺纹连接；所述负刚度机构2上端与铰接机构3通过螺纹连接；所述铰接机构3通过螺栓5、螺母6配合方式固接在滑柱4上；所述滑柱4可以在承载平台12上滑动以调节负刚度结构2的起始角度；所述滑柱4通过连接件7与螺栓8固定在承载平台12上。
所述侧立柱16固定在承载平台12上；所述弹簧片9一端固定在侧立柱16上；所述步进电机14固定在承载平台12上；所述滑台17在传动丝杆15上滑动以改变所述弹簧片9的有效长度，从而改变动力吸振器的固有频率；所述加速度传感器18贴置在弹簧片9上，用于检测动力吸振器的固有频率以便通过控制器调节步进电机14的输出位移，实现滑台17在传动丝杆15上位置的移动。
将“弹簧片——滑动质量块”结构动力吸振器通过侧立柱16安装在主系统上。当有外界激励作用时，外界激励由主系统传递到侧立柱16上，然后经弹簧片9将载荷传递到滑动质量块10上。滑动质量块10产生的动力作用将作用在主系统上的外界激励力抵消掉，从而抑制主系统的振动响应。动力吸振器通过改变滑动质量块10与滑台17之间的距离（即有效长度）来对弹簧片9的刚度进行调节，从而实现对其自身刚度的调节。
本发明的工作过程是：如图所示，当承载平台12上未放置被隔振体时，负刚度机构2处于倾斜状态；当承载平台12上放置被隔振体时，竖直弹簧13与负刚度机构2内部的压缩弹簧22都会被压缩，调节滑柱4的位置使主系统满足零刚度条件；然后通过加速度传感器18及控制系统来实时调节系统参数，使得动力吸振器固有频率实时跟踪外界荷载的频率，实现荷载的自适应性，其控制流程图如图4示。
具体控制过程为，通过加速度传感器18对主系统和动力吸振器系统振动信号进行实时采集，并对采集到的信号进行傅里叶变换得到激振频率及动力吸振器固有频率，设置一个阈值频率，其目的为允许系统存在一定的测量误差，然后比较激振频率与吸振器固有频率的绝对差值与阈值的关系，通过控制系统对频率信号分析处理，控制步进电机14的移动，使滑台17在传动丝杆15上滑动，来改变弹簧片9的有效长度，从而控制动力吸振器的刚度，实现对动力吸振器固有频率的调节，使得动力吸振器的固有频率跟踪激励频率实时调整。
以上内容是结合具体附图对本发明做出的优选实施方式，本发明的具体实现不受上述实施方式的限制。应当指出，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可做出改进或变型，这些改进或变型都应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置，其特征在于：包括准零刚度隔振主结构和可调频动力吸振器；
准零刚度隔振主结构包括基座（1）、负刚度机构（2）、铰接机构（3）、滑柱（4）、螺栓（5）、螺母（6）、连接件（7）、阻尼器（11）、承载平台（12）以及竖直弹簧（13）等；动力吸振器由弹簧片（9）、滑动质量块（10）、步进电机（14）、传动丝杆（15）、侧立柱（16）、滑台（17）以及加速度传感器（18）组成。
2.根据权利要求1所述的一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置，其特征在于：所述负刚度机构（2）包括导向缸体（21）、压缩弹簧（22）、和活塞柱（23）；所述铰接机构（3）由固定铰（31）、活动铰（32）组成。
3.根据权利要求1所述的一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置，其特征在于：所述竖直弹簧（13）与阻尼器（11）上端与承载平台（12）连接，下端与基座（1）连接；所述竖直弹簧（13）承受承载平台（12）与动力吸振器的重量自由压缩；所述基座（1）底部设有四个对称铰接机构（3）；所述基座（1）通过铰接机构（3）与负刚度机构（2）连接。
4.根据权利要求1所述的一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置，其特征在于：所述侧立柱（16）固定在承载平台（12）上；所述弹簧片（9）一端固定在侧立柱（16）上，另一端放置滑动质量块（10）；所述步进电机（14）固定在在承载平台（12）上；所述滑台（17）在传动丝杆（15）上滑动以改变所述弹簧片（9）的有效长度；所述加速度传感器（18）贴置在弹簧片（9）上。
5.根据权利要求2所述的一种含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振装置，其特征在于：所述负刚度机构（2）上端通过铰接机构（3）与滑柱（4）连接，下端与铰接机构（3）连接；所述铰接机构（3）通过螺栓（5）、螺母（6）配合方式固接在滑柱（4）上；所述滑柱（4）通过螺栓（8）与连接件（7）固定在承载平台（12）上。
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