CN114483864A - 大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，包括非线性吸振系统、变准零刚度隔振系统和俘能系统；非线性吸振系统用于吸收大幅度振动；变准零刚度隔振系统用于吸收微幅振动和隔离振动；俘能系统将振动转化为电能，起到振动抑制的效果；本发明能够同时实现振动抑制过程中的振动能量俘获，兼顾了高隔振灵敏性与宽负刚度区间，对微幅振动和大幅振动都有很好的隔振效果，可以很好地应用在汽车、轮船、海洋等具有复杂振动激励的环境。实现了宽准零刚度区间的同时具有对微幅振动的高敏感性。

Description

大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构
技术领域
本发明属于非线性动力学技术领域，具体涉及一种振动抑制与能量俘获一体化结构。
背景技术
传统的线性隔振系统只有在激励频率高于隔振系统固有频率的
Figure BDA0003459907230000011
倍时才能发挥较好的隔振效果，因此传统线性隔振系统只能有效隔离高频振动，但现实应用中往往更需要隔离低频振动。因此，降低隔振系统的固有频率成为低频振动控制的关键问题，为解决这类问题有学者提出了具有高静态承载能力、低动态刚度准零刚度结构。
近年来，随着国内外学者对准零刚度隔振的原理、结构设计展开深入研究，具有高静态、低动态刚度等优良特性的准零刚度隔振器广泛应用于各个领域，有效的解决了各种应用环境的低频振动隔离问题。但现有的准零刚度结构存在宽准零刚度区间与高隔振灵敏度不能很好的兼顾的难题。大部分隔振器在振动幅度较大的响应情况下，偏离平衡位置后刚度值迅速升高，不能很好地适应大振幅振动环境。此外，近年来，振动能量俘获成为了学术界和工业界共同关注的前沿热点技术之一，如何将振动隔离与振动能量俘获结合起来成为当下隔振系统研究的关键问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，包括非线性吸振系统、变准零刚度隔振系统和俘能系统；非线性吸振系统用于吸收大幅度振动；变准零刚度隔振系统用于吸收微幅振动和隔离振动；俘能系统将振动转化为电能，起到振动抑制的效果；本发明能够同时实现振动抑制过程中的振动能量俘获，兼顾了高隔振灵敏性与宽负刚度区间，对微幅振动和大幅振动都有很好的隔振效果，可以很好地应用在汽车、轮船、海洋等具有复杂振动激励的环境。实现了宽准零刚度区间的同时具有对微幅振动的高敏感性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，包括非线性吸振系统、变准零刚度隔振系统和俘能系统；
所述非线性吸振系统用于吸收大幅度振动；所述变准零刚度隔振系统用于吸收微幅振动和隔离振动；所述俘能系统将振动转化为电能，起到振动抑制的效果；
所述非线性吸振系统包括一级底座、第五正刚度弹簧和竖直伸缩杆；所述一级底座在所述一体化结构的最下方；所述竖直伸缩杆和第五正刚度弹簧的下端都固定在一级底座上，竖直伸缩杆和第五正刚度弹簧的上端都固定在变准零刚度隔振系统底部；所述第五正刚度弹簧套在竖直伸缩杆外围，使得变准零刚度隔振系统相对于一级底座能够沿竖直方向运动而不能水平平移；
所述变准零刚度隔振系统包括凸轮变负刚度机构和第四正刚度弹簧；所述凸轮变负刚度机构包括二级底座、承重台、承重杆、第一圆弧导轨、第二圆弧导轨、第一正刚度弹簧、第二正刚度弹簧、第三正刚度弹簧、半圆导轨、第一滚轮、第二滚轮、第三滚轮；
所述二级底座为U型；所述承重台在所述一体化结构的最上方；所述承重杆上端与承重台固定连接；所述第四正刚度弹簧下端固定在二级底座上，上端与承重杆固定连接；
以承重杆为对称中心，安装椭圆形导轨，所述第一圆弧导轨在椭圆形导轨上端，所述第二圆弧导轨在椭圆形导轨下端，左右两侧为竖直导轨；所述半圆导轨有两个，分别安装在左右两侧的竖直导轨上；所述第二正刚度弹簧和第三滚轮都有两个，均以承重杆为对称中心对称，左侧的第二正刚度弹簧的一端固定在二级底座的左侧壁上，另一端与左侧的第三滚轮固定连接，左侧第三滚轮安装在左侧的半圆导轨上；所述第一正刚度弹簧、第三正刚度弹簧、第一滚轮、第二滚轮都有两个，均以承重杆为对称中心对称，左侧的第一正刚度弹簧在左侧的第二正刚度弹簧上方，左侧的第一正刚度弹簧一端固定在二级底座的左侧壁上，另一端与左侧的第一滚轮固定连接，左侧的第一滚轮安装在左侧的竖直导轨上；左侧的第三正刚度弹簧在左侧的第二正刚度弹簧下方，左侧的第三正刚度弹簧一端固定在二级底座的左侧壁上，另一端与左侧的第二滚轮固定连接，左侧的第二滚轮安装在左侧的竖直导轨上；
所述第一正刚度弹簧、第二正刚度弹簧、第三正刚度弹簧分别套在一端与二级底座的左侧壁固定连接，另一端与分别第一滚轮、第三滚轮、第二滚轮固定连接的不同水平伸缩杆上；
当承重杆随振动带动椭圆形导轨沿竖直方向运动时，第一滚轮、第二滚轮、第三滚轮与椭圆形导轨的相对位置发生变化，从而产生负刚度；当振动为微幅振动时，第三滚轮在半圆导轨上滚动产生负刚度，第一滚轮、第二滚轮均在竖直导轨上滚动，不提供负刚度；当振幅增大，在第三滚轮滚下半圆导轨的同时，第一滚轮、第二滚轮滚入第一圆弧导轨或第二圆弧导轨，继续提供负刚度，而第三滚轮在竖直导轨上滚动，不再提供负刚度；
所述俘能系统包括以承重杆为对称中心的左右两部分，右半部分包括第一永磁体、第二永磁体、吸振永磁体、吸振弹簧、线圈和俘能导轨；所述第二永磁体固定在二级底座底座上，所述第一永磁体在第二永磁体上方，第一永磁体固定在二级底座内部的挡板上；所述第一永磁体和第二永磁体通过俘能导轨连接；所述吸振弹簧上端固定在第一永磁体上，吸振弹簧下端与吸振永磁体连接；所述吸振弹簧套在俘能导轨上，所述俘能导轨穿过吸振永磁体中心的贯穿孔，使得吸振永磁体能在吸振弹簧的作用下沿俘能导轨在竖直方向运动；
所述线圈固定在二级底座侧壁上；当吸振永磁体沿俘能导轨上下运动时，穿过线圈的磁场发生变化，线圈中产生感应电流，从而实现振动能量收集。
进一步地，所述永磁体的NS方向摆放满足第一永磁体、第二永磁体与吸振永磁体之间都是异性相吸。
进一步，所述第一滚轮和第二滚轮的半径为R3，第三滚轮的半径为R1，第一圆弧导轨和第二圆弧导轨的半径为R，半圆导轨的半径为R2；则静止位置时第一滚轮与竖直导轨的切点距第一圆弧导轨与竖直导轨的切点的距离
Figure BDA0003459907230000031
半圆导轨与竖直导轨的交点距第一滚轮与竖直导轨的切点的距离不小于R+L+R3。
进一步地，所述变准零刚度隔振系统在导轨范围内的恢复力公式如下：
Figure BDA0003459907230000032
式中，kv为第四正刚度弹簧和第五正刚度弹簧的刚度，kh1为第二正刚度弹簧的刚度，kh2为第一正刚度弹簧和第三正刚度弹簧的刚度，δ1为静平衡位置处第二正刚度弹簧的压缩量，δ2为静平衡位置处第一正刚度弹簧和第三正刚度弹簧的压缩量，x为变准零刚度隔振系统相对于平衡位置的位移。
本发明的有益效果如下：
本发明所提出的变准零刚度结构极大的拓宽了准零刚度区间，结合一级吸振结构使本发明能够在大振幅环境发挥优良的隔振效果；同时由于凸轮变准零刚度系统中小半径圆弧形轨道与大半径圆弧形轨道的组合使用，使得其实现了宽准零刚度区间的同时具有对微幅振动的高敏感性。
附图说明
图1为本发明结构正视图。
图2为本发明的凸轮变负刚度机构结构示意图。
其中，1-一级底座、2-二级底座、3-承重台、4-承重杆、5-第一圆弧导轨、6-第一正刚度弹簧、7-第二正刚度弹簧、8-第三正刚度弹簧、9-第二圆弧导轨、10-半圆导轨、11-第一滚轮、12-第二滚轮、13-第三滚轮、14-第四正刚度弹簧、15-第一永磁体、16-吸振永磁体、17-第二永磁体、18-吸振弹簧、19-线圈、20-第五正刚度弹簧、21-俘能导轨。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明针对现有装置的不足，提出了一种非线性吸振与变准零刚度隔振共同作用的两级振动抑制与能量俘获一体化结构。其具有对微幅振动的高敏感性和对大幅振动的强适应性，可以满足多种振动环境，尤其是汽车、轮船、海洋等具有复杂振动激励的环境。同时又能将部分振动能量俘获，以满足传感器等各种微电子设备的用电需求，可广泛应用于传感器、微电子、低功耗电子设备自供电等领域。
一种高敏感度大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，由非线性吸振系统吸振的基础上再进行变准零刚度系统的隔振，与此同时与非线性吸振系统耦合的俘能系统将振动能量俘获。
一种大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，包括非线性吸振系统、变准零刚度隔振系统和俘能系统；
所述非线性吸振系统用于吸收大幅度振动；所述变准零刚度隔振系统用于吸收微幅振动和隔离振动；所述俘能系统将振动转化为电能，起到振动抑制的效果；
所述非线性吸振系统包括一级底座1、第五正刚度弹簧20和竖直伸缩杆；所述一级底座1在所述一体化结构的最下方；所述竖直伸缩杆和第五正刚度弹簧20的下端都固定在一级底座1上，竖直伸缩杆和第五正刚度弹簧20的上端都固定在变准零刚度隔振系统底部；所述第五正刚度弹簧20套在竖直伸缩杆外围，使得变准零刚度隔振系统相对于一级底座1能够沿竖直方向运动而不能水平平移；
所述变准零刚度隔振系统包括凸轮变负刚度机构和第四正刚度弹簧14；所述凸轮变负刚度机构包括二级底座2、承重台3、承重杆4、第一圆弧导轨5、第二圆弧导轨9、第一正刚度弹簧6、第二正刚度弹簧7、第三正刚度弹簧8、半圆导轨10、第一滚轮11、第二滚轮12、第三滚轮13；
所述二级底座2为U型；所述承重台3在所述一体化结构的最上方；所述承重杆4上端与承重台3连接；所述第四正刚度弹簧14下端固定在二级底座2上，上端与承重杆4固定连接；且需保证承重杆4只能沿竖直方向运动而不能发生水平位移。
以承重杆4为对称中心，安装椭圆形导轨，所述第一圆弧导轨5在椭圆形导轨上端，所述第二圆弧导轨9在椭圆形导轨下端，左右两侧为竖直导轨；所述半圆导轨10有两个，分别安装在左右两侧的竖直导轨上；所述第二正刚度弹簧7和第三滚轮13都有两个，均以承重杆4为对称中心对称，左侧的第二正刚度弹簧7的一端固定在二级底座2的左侧壁上，另一端与左侧的第三滚轮13固定连接，左侧第三滚轮13安装在左侧的半圆导轨10上；所述第一正刚度弹簧6、第三正刚度弹簧8、第一滚轮11、第二滚轮12都有两个，均以承重杆4为对称中心对称，左侧的第一正刚度弹簧6在左侧的第二正刚度弹簧7上方，左侧的第一正刚度弹簧6一端固定在二级底座2的左侧壁上，另一端与左侧的第一滚轮11固定连接，左侧的第一滚轮11安装在左侧的竖直导轨上；左侧的第三正刚度弹簧8在左侧的第二正刚度弹簧7下方，左侧的第三正刚度弹簧8一端固定在二级底座2的左侧壁上，另一端与左侧的第二滚轮12固定连接，左侧的第二滚轮12安装在左侧的竖直导轨上；
所述第一正刚度弹簧6、第二正刚度弹簧7、第三正刚度弹簧8分别套在一端与二级底座2的左侧壁固定连接，另一端与分别第一滚轮11、第三滚轮13、第二滚轮12固定连接的不同水平伸缩杆上；
当承重杆4随振动带动椭圆形导轨沿竖直方向运动时，第一滚轮11、第二滚轮12、第三滚轮13与椭圆形导轨的相对位置发生变化，从而产生负刚度；当振动为微幅振动时，第三滚轮13在半圆导轨10上滚动产生负刚度，第一滚轮11、第二滚轮12均在竖直导轨上滚动，不提供负刚度；当振幅增大，在第三滚轮13滚下半圆导轨10的同时，第一滚轮11、第二滚轮12滚入第一圆弧导轨5或第二圆弧导轨9，继续提供负刚度，而第三滚轮13在竖直导轨上滚动，不再提供负刚度；
所述俘能系统包括以承重杆4为对称中心的左右两部分，右半部分包括第一永磁体15、第二永磁体17、吸振永磁体16、吸振弹簧18、线圈19和俘能导轨21；所述第二永磁体17固定在二级底座2底座上，所述第一永磁体15在第二永磁体17上方，第一永磁体15固定在二级底座2内部的挡板上；所述第一永磁体15和第二永磁体17通过俘能导轨21连接；所述吸振弹簧18上端固定在第一永磁体15上，吸振弹簧18下端与吸振永磁体16连接；所述吸振弹簧18套在俘能导轨21上，所述俘能导轨21穿过吸振永磁体16中心的贯穿孔，使得吸振永磁体16能在吸振弹簧18的作用下沿俘能导轨21在竖直方向运动；所述永磁体的NS方向摆放满足第一永磁体15、第二永磁体17与吸振永磁体16之间都是异性相吸。
所述线圈19固定在二级底座2侧壁上；当吸振永磁体16沿俘能导轨21上下运动时，穿过线圈19的磁场发生变化，线圈19中产生感应电流，从而实现振动能量收集。
所述第一滚轮11和第二滚轮12的半径为R3，第三滚轮13的半径为R1，第一圆弧导轨5和第二圆弧导轨9的半径为R，半圆导轨10的半径为R2；则静止位置时第一滚轮11与竖直导轨的切点距第一圆弧导轨5与竖直导轨的切点的距离
Figure BDA0003459907230000061
Figure BDA0003459907230000062
半圆导轨10与竖直导轨的交点距第一滚轮11与竖直导轨的切点的距离不小于R+L+R3。
进一步地，所述变准零刚度隔振系统在导轨范围内的恢复力公式如下：
Figure BDA0003459907230000063
式中，kv为第四正刚度弹簧14和第五正刚度弹簧20的刚度，kh1为第二正刚度弹簧7的刚度，kh2为第一正刚度弹簧6和第三正刚度弹簧8的刚度，δ1为静平衡位置处第二正刚度弹簧7的压缩量，δ2为静平衡位置处第一正刚度弹簧6和第三正刚度弹簧8的压缩量，x为变准零刚度隔振系统相对于平衡位置的位移。
本发明在应用时，将被隔振物体固定于承重台3上，调整第四正刚度弹簧14使得第一滚轮11、第二滚轮12、第三滚轮13处于初始位置，选择并调整第一正刚度弹簧6、第二正刚度弹簧7、第三正刚度弹簧8的刚度及预压缩量，使得其满足产生准零刚度的条件。当一级底座1受到振动激励，本发明结构即可发挥隔振及振动俘能的作用。
本发明的使用范围包括但不限于汽车，轮船，武器装备，海洋，河流等振动激励复杂的环境。也可应用在航空航天航海等多个领域中的复杂仪器系统中作为隔振部件的同时，作为自供能微电源为某些微电子元件供能以摆脱对传统外部电源的依赖。

Claims (4)

1.一种大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，其特征在于，包括非线性吸振系统、变准零刚度隔振系统和俘能系统；
所述非线性吸振系统用于吸收大幅度振动；所述变准零刚度隔振系统用于吸收微幅振动和隔离振动；所述俘能系统将振动转化为电能，起到振动抑制的效果；
所述非线性吸振系统包括一级底座、第五正刚度弹簧和竖直伸缩杆；所述一级底座在所述一体化结构的最下方；所述竖直伸缩杆和第五正刚度弹簧的下端都固定在一级底座上，竖直伸缩杆和第五正刚度弹簧的上端都固定在变准零刚度隔振系统底部；所述第五正刚度弹簧套在竖直伸缩杆外围，使得变准零刚度隔振系统相对于一级底座能够沿竖直方向运动而不能水平平移；
所述变准零刚度隔振系统包括凸轮变负刚度机构和第四正刚度弹簧；所述凸轮变负刚度机构包括二级底座、承重台、承重杆、第一圆弧导轨、第二圆弧导轨、第一正刚度弹簧、第二正刚度弹簧、第三正刚度弹簧、半圆导轨、第一滚轮、第二滚轮、第三滚轮；
所述二级底座为U型；所述承重台在所述一体化结构的最上方；所述承重杆上端与承重台固定连接；所述第四正刚度弹簧下端固定在二级底座上，上端与承重杆固定连接；
以承重杆为对称中心，安装椭圆形导轨，所述第一圆弧导轨在椭圆形导轨上端，所述第二圆弧导轨在椭圆形导轨下端，左右两侧为竖直导轨；所述半圆导轨有两个，分别安装在左右两侧的竖直导轨上；所述第二正刚度弹簧和第三滚轮都有两个，均以承重杆为对称中心对称，左侧的第二正刚度弹簧的一端固定在二级底座的左侧壁上，另一端与左侧的第三滚轮固定连接，左侧第三滚轮安装在左侧的半圆导轨上；所述第一正刚度弹簧、第三正刚度弹簧、第一滚轮、第二滚轮都有两个，均以承重杆为对称中心对称，左侧的第一正刚度弹簧在左侧的第二正刚度弹簧上方，左侧的第一正刚度弹簧一端固定在二级底座的左侧壁上，另一端与左侧的第一滚轮固定连接，左侧的第一滚轮安装在左侧的竖直导轨上；左侧的第三正刚度弹簧在左侧的第二正刚度弹簧下方，左侧的第三正刚度弹簧一端固定在二级底座的左侧壁上，另一端与左侧的第二滚轮固定连接，左侧的第二滚轮安装在左侧的竖直导轨上；
所述第一正刚度弹簧、第二正刚度弹簧、第三正刚度弹簧分别套在一端与二级底座的左侧壁固定连接，另一端与分别第一滚轮、第三滚轮、第二滚轮固定连接的不同水平伸缩杆上；
当承重杆随振动带动椭圆形导轨沿竖直方向运动时，第一滚轮、第二滚轮、第三滚轮与椭圆形导轨的相对位置发生变化，从而产生负刚度；当振动为微幅振动时，第三滚轮在半圆导轨上滚动产生负刚度，第一滚轮、第二滚轮均在竖直导轨上滚动，不提供负刚度；当振幅增大，在第三滚轮滚下半圆导轨的同时，第一滚轮、第二滚轮滚入第一圆弧导轨或第二圆弧导轨，继续提供负刚度，而第三滚轮在竖直导轨上滚动，不再提供负刚度；
所述俘能系统包括以承重杆为对称中心的左右两部分，右半部分包括第一永磁体、第二永磁体、吸振永磁体、吸振弹簧、线圈和俘能导轨；所述第二永磁体固定在二级底座底座上，所述第一永磁体在第二永磁体上方，第一永磁体固定在二级底座内部的挡板上；所述第一永磁体和第二永磁体通过俘能导轨连接；所述吸振弹簧上端固定在第一永磁体上，吸振弹簧下端与吸振永磁体连接；所述吸振弹簧套在俘能导轨上，所述俘能导轨穿过吸振永磁体中心的贯穿孔，使得吸振永磁体能在吸振弹簧的作用下沿俘能导轨在竖直方向运动；
所述线圈固定在二级底座侧壁上；当吸振永磁体沿俘能导轨上下运动时，穿过线圈的磁场发生变化，线圈中产生感应电流，从而实现振动能量收集。
2.根据权利要求1所述的一种大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，其特征在于，所述永磁体的NS方向摆放满足第一永磁体、第二永磁体与吸振永磁体之间都是异性相吸。
3.根据权利要求1所述的一种大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，其特征在于，所述第一滚轮和第二滚轮的半径为R3，第三滚轮的半径为R1，第一圆弧导轨和第二圆弧导轨的半径为R，半圆导轨的半径为R2；则静止位置时第一滚轮与竖直导轨的切点距第一圆弧导轨与竖直导轨的切点的距离
Figure FDA0003459907220000021
半圆导轨与竖直导轨的交点距第一滚轮与竖直导轨的切点的距离不小于R+L+R3。
4.根据权利要求1所述的一种大振幅变准零刚度振动抑制与能量俘获一体化结构，其特征在于，所述变准零刚度隔振系统在导轨范围内的恢复力公式如下：
Figure FDA0003459907220000031
式中，kv为第四正刚度弹簧和第五正刚度弹簧的刚度，kh1为第二正刚度弹簧的刚度，kh2为第一正刚度弹簧和第三正刚度弹簧的刚度，δ1为静平衡位置处第二正刚度弹簧的压缩量，δ2为静平衡位置处第一正刚度弹簧和第三正刚度弹簧的压缩量，x为变准零刚度隔振系统相对于平衡位置的位移。
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