CN113503336A - 一种恒准零刚度隔振器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种恒准零刚度隔振器，包括固定底座、承接平台、压缩杆、中间块及线性弹簧；所述线性弹簧设于所述承接平台与所述固定底座之间；所述中间块与所述固定底座固定连接；每个所述压缩杆的其中一端为铰接端，与所述固定底座铰接，另一端为中间抵接端，与所述中间块可移动的抵接；所述承接平台包括上限位部及下限位部，每个所述压缩杆还包括上抵接端及下抵接端，所述上抵接端与所述上限位部可移动的抵接，所述下抵接端与所述下限位部可移动的抵接；每个所述压缩杆均在所述中间块、承接平台及所述固定底座的共同限位下被预压缩而处于屈曲变形状态。该隔振器可以在整个行程范围内实现零刚度，隔振范围广，体积小、附加质量小，承载能力大。

Description

一种恒准零刚度隔振器
技术领域
本发明属于低频或超低频隔振器领域，具体涉及一种恒准零刚度隔振器。
背景技术
准零刚度减振器，是将负刚度元件与正刚度原件并联，从而在静平衡位置实现零刚度特性。对比传统的线性隔振器(有效隔振频率大于
Figure BDA0003225594900000011
倍的自然频率，隔振频带范围较窄)，准零刚度隔振器的提出，实现高静态刚度和低动态刚度的特性，有较大承载力的同时，结构变形小，隔振频带加宽。根据负刚度结构类型不同，准零刚度隔振器的类型也不同。
高精度航天器、精密仪器设备等需要在支持物体重力的情况下，隔离来自地面的微振动。因此要求实验的隔振设备可以支撑大质量物体，且无较大附加质量，并且实现接近零频的隔振。除此之外，隔振设备的阻尼应当较低，不影响被测结构的阻尼特性。为了满足以上要求，隔振器需要具有高静刚度来承载荷载而不产生大变形，同时具有低动刚度模拟自由边界条件，并且最大可能性地降低系统的固有频率来增加隔振范围。现有的隔振器在低频范围内承载量较小，准零刚度行程短，附加质量和阻尼较大，无法满足航天器地面实验中的要求。
发明内容
为了解决现有准零刚度隔振器承载力小、附加质量大、阻尼较大，且结构复杂，只能在平衡位置实现准零刚度等缺点，本发明提供了一种恒准零刚度隔振器。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种恒准零刚度隔振器，包括固定底座、承接平台、压缩杆、中间块及线性弹簧；
所述线性弹簧设于所述承接平台与所述固定底座之间，所述线性弹簧顶部与所述承接平台底部连接，所述线性弹簧的底部与所述固定底座连接；
所述中间块与所述固定底座固定连接；
所述压缩杆为偶数个，沿所述中间块的水平周向上两两相对着均匀分布；
每个所述压缩杆的其中一端为铰接端，与所述固定底座铰接，另一端为中间抵接端，与所述中间块可移动的抵接；
所述承接平台包括上限位部及下限位部，每个所述压缩杆还包括上抵接端及下抵接端，所述上抵接端与所述上限位部可移动的抵接，所述下抵接端与所述下限位部可移动的抵接；
每个所述压缩杆均在所述中间块、承接平台及所述固定底座的共同限位下被预压缩而处于屈曲变形状态。
进一步，所述压缩杆包括压头及杆体，所述压头与所述杆体的一端固定连接为一体，所述中间抵接端、所述上抵接端及所述下抵接端分别设于所述压头的中部、上部及下部。
进一步，所述中间抵接端、所述上抵接端及所述下抵接端的端部均设有一个滚珠。
进一步，所述中间块与所述压缩杆相抵接的部分为凹形弧面结构，所述凹形弧面的曲率半径小于所述压缩杆沿所述铰接端转动的回转半径，所述凹形弧面的最凹处与所述铰接端处于同一水平位置；所述压缩杆与所述固定底座之间的铰接方式为球铰。
进一步，所述凹形弧面的截面曲线满足：
Figure BDA0003225594900000021
其中，
E-杨氏模量，
S-所述压缩杆3截面积，
l0-所述压缩杆3初始长度，
d-所述铰接端31到所述凹形弧面41最凹处水平方向上长度，
h-在竖直平面内的截面曲线下，所述压缩杆在中间块端距离凹形弧面最凹处的竖直方向上的高度值，
y0-所述截面曲线6相对应的水平方向上的位置，
α-根据实际工况要求给定的一个刚度量，为一常数。
进一步，所述承接平台包括上下平行布置的承接板及连接板，两者之间通过多个刚性连接杆固定连接为一刚性结构件；
所述中间块置于所述承接板及所述连接板之间；
所述承接板的下底面与所述连接板的上表面形成所述上限位部及所述下限位部；
所述线性弹簧为多个，均匀分布在所述连接板的下底面与所述安装底座之间。
进一步，所述中间块底部设有竖直放置的支撑杆，所述连接板中部开设通孔，所述支撑杆穿过所述通孔后，上端与所述中间块固定连接，下端与所述固定底座固定连接。
进一步，所述支撑杆外表面设有外螺纹及旋合于该外螺纹的调节螺母，所述调节螺母设于所述中间块与所述连接板之间，通过旋转所述调节螺母，可调节所述承接平台对所述线性弹簧的压缩量。
进一步，所述杆体的横截面为正方形或圆形。
进一步，所述压缩杆和所述线性弹簧均为金属材料。
本发明的有益效果是：与现有准零刚度隔振器相比隔振范围广，在整个行程范围内都可以实现零刚度的特征，结构简单、体积小、附加质量小，承载能力大，可调节以适用于不同质量，可以根据实际工程要求设计相应隔振器。
另外，本发明不仅可以对竖直方向的振动进行隔振缓冲，还可以对水平方向各向产生的振动进行隔振缓冲。
附图说明
图1为本发明公开的一种恒准零刚度隔振器的具体实施例的立体结构示意图；
图2为图1所示具体实施例的另一个角度的立体结构示意图；
图3为图1所示具体实施例的剖视结构示意图；
图4为所述压缩杆的一种具体实施方式的结构示意图；
图5为所述中间块的一种具体实施方式的结构示意图；
图6为所述承接平台的一种具体实施方式的结构示意图；
图7为图1所示具体实施例的局部截面结构示意图；
图8、图9为所述凹形弧面的截面曲线示意图。
其中，图中的件号表示为：
1、固定底座，2、承接平台，3、压缩杆，4、中间块，5、线性弹簧，21、承接板，22、连接板，23、刚性连接杆，24、通孔，31、铰接端，32、中间抵接端，33、上抵接端，34、下抵接端，35、压头，36、杆体，37、滚珠，41、凹形弧面，42、支撑杆，43、调节螺母，6、截面曲线，7、回转圆周线。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，需要说明的是，附图仅为为说明本发明所提供的示意图，而非真正的实物投影图；另外，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。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图9，图1为本发明公开的一种恒准零刚度隔振器的具体实施例的立体结构示意图；图2为图1所示具体实施例的另一个角度的立体结构示意图；图3为图1所示具体实施例的剖视结构示意图；图4为所述压缩杆的一种具体实施方式的结构示意图；图5为所述中间块的一种具体实施方式的结构示意图；图6为所述承接平台的一种具体实施方式的结构示意图；图7为图1所示具体实施例的局部截面结构示意图；图8、图9为所述凹形弧面的截面曲线示意图。
如图1至图3所示，本发明提供了一种恒准零刚度隔振器的具体实施例，包括固定底座1、承接平台2、压缩杆3、中间块4及线性弹簧5。
其中，固定底座1为可以固定其它设备上的固定支架或结构件，承接平台2用于承接安装待隔振工件，一般放置于承接平台2上方，可以直接放置，也可以另行设计专用夹具或专用安装辅助件进行固定。
所述线性弹簧5设于所述承接平台2与所述固定底座1之间，所述线性弹簧5顶部与所述承接平台2底部连接，所述线性弹簧5的底部与所述固定底座1连接；所述中间块4与所述固定底座1固定连接；所述压缩杆3为偶数个，沿所述中间块4的水平周向上两两相对着均匀分布；附图中压缩杆3数量为2个，如果为其它数目，相应的中间块4要设置相同数目的配合面。
每个所述压缩杆3的其中一端为铰接端31，与所述固定底座1铰接，另一端为中间抵接端32，与所述中间块4可移动的抵接；所述承接平台2包括上限位部及下限位部，每个所述压缩杆3还包括上抵接端33及下抵接端34，所述上抵接端33与所述上限位部可移动的抵接，所述下抵接端34与所述下限位部可移动的抵接；每个所述压缩杆3均在所述中间块4、承接平台2及所述固定底座1的共同限位下被预压缩而处于屈曲变形状态。
本发明所提供的恒准零刚度隔振器，压缩杆3为预压缩且承屈曲变形状态，放置待隔振工件前，由于压缩杆3一端铰接，另一端与中间块4抵接，由于弹簧的向上的弹力作用，压缩杆3为倾斜状态，加载待隔振工件后，由于重力作用，将压缩杆3压缩至近似水平状态，此时即可达到一定范围内的准零刚度的效果。
压缩杆3在压缩成屈曲变形状态下能提供负刚度，与正刚度的线性弹簧5并联后，可实现准零刚度，在此状态下，可实现对待隔振工件的隔振缓冲作用。这种隔振器可以满足低频、超低频隔振的需求。
作为优选，所述压缩杆3包括压头35及杆体36，所述压头35与所述杆体36的一端固定连接为一体，该压头35可以为板形结构，也可以为框架形结构，所述中间抵接端32、所述上抵接端33及所述下抵接端34分别设于所述压头35的中部、上部及下部。为便于压头35的自由移动，减小摩擦力，所述中间抵接端32、所述上抵接端33及所述下抵接端34的端部均设有一个滚珠37。通过滚珠37，可以在振动时在各向上自由发生微小的移动。
所述承接平台2的一种具体实施方式可以为，如图6所示，包括上下平行布置的承接板21及连接板22，两者之间通过多个刚性连接杆23(图中实施例为四根圆柱杆件)固定连接为一刚性结构件；所述中间块4置于所述承接板21及所述连接板22之间；所述承接板21的下底面与所述连接板22的上表面形成所述上限位部及所述下限位部；所述线性弹簧5为多个，以三个及以上为佳，结构稳定性更好，线性弹簧5的规格可以根据负载大小范围进行选取，多个线性弹簧5均匀分布在所述连接板22的下底面与所述安装底座之间。
为进一步简化结构，所述中间块4底部设有竖直放置的支撑杆42，所述连接板22中部开设通孔24，所述支撑杆42穿过所述通孔24后，上端与所述中间块4固定连接，下端与所述固定底座1固定连接。
为适应不同重量的待隔振工件，所述支撑杆42外表面设有外螺纹及旋合于该外螺纹的调节螺母43，所述调节螺母43设于所述中间块4与所述连接板22之间，通过旋转所述调节螺母43，可调节所述承接平台2对所述线性弹簧5的压缩量。调节目的为待隔振工件置于承载平台后，压缩杆3能近似处于水平状态。
在更进一步的优选实施例中，所述中间块4与所述压缩杆3相抵接的部分为凹形弧面41结构，所述凹形弧面41的曲率半径小于所述压缩杆3沿所述铰接端31转动的回转半径。所述凹形弧面41的最凹处与所述铰接端31处于同一水平位置；所述压缩杆3与所述固定底座1之间的铰接方式为球铰。
当所述凹形弧面41的最凹处与所述铰接端31处于同一水平位置时即达到工作位置，此时压缩杆3与线性弹簧5组合的整体结构形成准零刚度。
所述凹形弧面41的截面曲线6的曲率半径小于所述压缩杆3沿所述铰接端31转动的回转圆周线7的回转半径R，也即凹形弧面41的截面曲线6曲率半径小于压缩杆3的回转圆周线7的半径R，如图7所示。所述压缩杆3与所述固定底座1之间的铰接方式为球铰，可以使得压缩杆3在与固定底座1之间发生各向振动时可以自由移动。
这种情况下，凹形弧面41可以看做是一个椭球内表面，当中间抵接端32位于最凹处时，压缩杆3刚好水平位置，达到最佳恒准零刚度，当出现振动时，中间抵接端32会向任意方向移动，但是由于在各向的截面曲线6的曲率半径均相同且小于压缩杆3绕铰接处的回转半径R，因此在各向上均会得到一个向心的回复力，也因此，可以实现各向上的恒准零刚度，进而实现隔振缓冲效果。
本发明中的恒准零刚度隔振器不仅能够实现除竖直方向上的隔振效果，而且由于在振动过程中中间抵接端32可以在各向上均能够产生向心的回复力作用，因此可以产生各向上的准零刚度隔振缓冲效果。
为实现各向上恒准零刚度，所述凹形弧面41的截面曲线6满足(如图8、图9所示)：
Figure BDA0003225594900000081
其中，
E-杨氏模量，
S-所述压缩杆3截面积，
l0-所述压缩杆3初始长度，
d-所述铰接端31到所述凹形弧面41最凹处水平方向上长度，
h-在竖直平面内的截面曲线下，所述压缩杆在中间块端距离凹形弧面最凹处的竖直方向上的高度值，
y0-所述截面曲线6相对应的水平方向上的位置，
α-根据实际工况要求给定的一个刚度量，为一常数。
对于截面曲线6的推导过程，具体为：
根据压缩杆3受力变形，可以得到变形长度
Δl＝Nl0/ES＝Pl0/2ESsinθ
其中，压缩杆位于所述凹形弧面41上高度为h时(这里的高度h指的是从凹形弧面41的最凹处至压缩杆与凹形弧面抵接处的竖直方向的高度值)，角度θ为
Figure BDA0003225594900000082
因此，可以得到
Figure BDA0003225594900000083
如图所示，以滑道水平中点为隔振器工作平衡位置，此时h＝0，根据三角关系可以得到
Figure BDA0003225594900000091
因此可以得到受力P为
Figure BDA0003225594900000092
通过对力P求导可以得到刚度为
Figure BDA0003225594900000093
为了实现恒准零刚度，假设压缩杆加上刚度为α的弹簧后，整个系统刚度为0，即
Figure BDA0003225594900000094
解上式可以得到y0的表达式。将表达式对高度h＝0(压缩杆位于水平位置处)平衡位置进行泰勒展开，并舍去三次高阶以上量，可以得到
Figure BDA0003225594900000095
其中，α是给定的一个刚度量，比如根据实际工况要求给定的1000N/mm。
作为优选，所述杆体36的横截面为正方形或圆形，这样在其截面各向上的弹性模量相同，另外，为提高承载能力及更好的实现准零刚度的效果，所述压缩杆3和所述线性弹簧5均为金属材料。
本发明所提供的准零刚度隔振器的初始工作平衡位置在斜置压缩杆位于水平位置处，此时重物的质量由线性弹簧平衡。当承载物体的质量发生变化时，通过调节螺母43的旋转，可以调节承载平台的高度位置，进而调节线性弹簧5的长度，保证初始工作平衡位置不变，如图1至图3所示。调节方法具体为，当调节螺母43处于初始位置处，线性弹簧5在工作位置处的压缩量为Δ。假设需要承载物体的质量为m，那么线性弹簧5的变形量则为δ＝mg/α，因此可以通过调节螺母43调整线性弹簧5底端的位置Δ-δ，保证变形后线性弹簧5顶端的位置在平衡位置处，也即保证压缩杆3在加载后处于水平位置即可。
本发明所提供的恒准零刚度隔振器，不仅可以实现恒准零刚度，同时具有质量适应性，可以实现不同质量物体的隔振，并且可以在整个凹形曲面的行程范围内实现零刚度，具有长行程隔振缓冲的效果。与现有低频隔振器相比，具有附加质量小、承载能力大，可调节、体积小，低阻尼等优点。
综上所述，本发明所提供的一种恒准零刚度隔振器，可以满足低频、超低频隔振。这种隔振器采用在压缩状态下能提供负刚度的压缩杆3作为负刚度结构，与线性弹簧5并联构造而成。为了保证在隔振过程中，可以实现长行程且各向上的准零刚度，斜置压缩杆3的一端采用球铰接固定，另一端在特定设计的凹形弧面41上滑动。通过设于中间块4与承接平台2下部的连接板22之间的调节螺母43，巧妙的利用了支撑杆42作为调节螺杆，方便的对线性弹簧5的伸缩量进行调节。这种隔振器可以满足低频、超低频隔振的需求，同时具有质量适应性，线性弹簧5调节器可以实现不同质量物体的隔振。与现有低频隔振器相比，具有附加质量小、承载能力大，可调节、体积小，低阻尼等优点。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包括于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种恒准零刚度隔振器，其特征在于，包括固定底座、承接平台、压缩杆、中间块及线性弹簧；
所述线性弹簧设于所述承接平台与所述固定底座之间，所述线性弹簧顶部与所述承接平台底部连接，所述线性弹簧的底部与所述固定底座连接；
所述中间块与所述固定底座固定连接；
所述压缩杆为偶数个，沿所述中间块的水平周向上两两相对着均匀分布；
每个所述压缩杆的其中一端为铰接端，与所述固定底座铰接，另一端为中间抵接端，与所述中间块可移动的抵接；
所述承接平台包括上限位部及下限位部，每个所述压缩杆还包括上抵接端及下抵接端，所述上抵接端与所述上限位部可移动的抵接，所述下抵接端与所述下限位部可移动的抵接；
每个所述压缩杆均在所述中间块、承接平台及所述固定底座的共同限位下被预压缩而处于屈曲变形状态。
2.根据权利要求1所述的一种恒准零刚度隔振器，其特征在于，所述压缩杆包括压头及杆体，所述压头与所述杆体的一端固定连接为一体，所述中间抵接端、所述上抵接端及所述下抵接端分别设于所述压头的中部、上部及下部。
3.根据权利要求2所述的一种恒准零刚度隔振器，其特征在于，所述中间抵接端、所述上抵接端及所述下抵接端的端部均设有一个滚珠。
4.根据权利要求1所述的一种恒准零刚度隔振器，其特征在于，所述中间块与所述压缩杆相抵接的部分为凹形弧面结构，所述凹形弧面的曲率半径小于所述压缩杆沿所述铰接端转动的回转半径，所述凹形弧面的最凹处与所述铰接端处于同一水平位置；所述压缩杆与所述固定底座之间的铰接方式为球铰。
5.根据权利要求4所述的一种恒准零刚度隔振器，其特征在于，所述凹形弧面的截面曲线满足：
Figure FDA0003225594890000021
其中，
E-杨氏模量，
S-所述压缩杆截面积，
l0-所述压缩杆初始长度，
d-所述铰接端到所述凹形弧面最凹处水平方向上长度，
h-在竖直平面内的截面曲线下，所述压缩杆在中间块端距离凹形弧面最凹处的竖直方向上的高度值，
y0-所述截面曲线相对应的水平方向上的位置，
α-根据实际工况要求给定的一个刚度量，为一常数。
6.根据权利要求1所述的一种恒准零刚度隔振器，其特征在于，所述承接平台包括上下平行布置的承接板及连接板，两者之间通过多个刚性连接杆固定连接为一刚性结构件；
所述中间块置于所述承接板及所述连接板之间；
所述承接板的下底面与所述连接板的上表面形成所述上限位部及所述下限位部；
所述线性弹簧为多个，均匀分布在所述连接板的下底面与所述安装底座之间。
7.根据权利要求6所述的一种恒准零刚度隔振器，其特征在于，所述中间块底部设有竖直放置的支撑杆，所述连接板中部开设通孔，所述支撑杆穿过所述通孔后，上端与所述中间块固定连接，下端与所述固定底座固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种恒准零刚度隔振器，其特征在于，所述支撑杆外表面设有外螺纹及旋合于该外螺纹的调节螺母，所述调节螺母设于所述中间块与所述连接板之间，通过旋转所述调节螺母，可调节所述承接平台对所述线性弹簧的压缩量。
9.根据权利要求2所述的一种恒准零刚度隔振器，其特征在于，所述杆体的横截面为正方形或圆形。
10.根据权利要求1所述的一种恒准零刚度隔振器，其特征在于，所述压缩杆和所述线性弹簧均为金属材料。
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