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CN109404464B - 摆式高静低动隔振器 - Google Patents

摆式高静低动隔振器 Download PDF

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王妍
唐介
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Harbin Institute of Technology Shenzhen
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Abstract

本发明公开了一种摆式高静低动隔振器，所述摆式高静低动隔振器包括滑块、刚性杆、垂向弹簧、左侧斜弹簧、右侧斜弹簧、滑槽、直杆，其中：所述滑块套于直杆上且其下端经垂向弹簧固定，可沿直杆竖直方向上下运动；所述垂向弹簧的上端连接滑块，下端固定；所述滑块通过左侧斜弹簧和右侧斜弹簧与刚性杆的两端相连；所述刚性杆的两端在滑槽内滑动。本发明设计的摆式高静低动隔振器呈现软特性非线性，这种软非线性结构的共振频率远小于线性结构共振频率，当隔振频率大于共振频率时系统稳定，并且其幅值小于硬特性非线性隔振系统和线性隔振系统。由此可见，本发明设计的摆式高静低动隔振器可以进行更低频率的隔振，隔振频带更宽，具有很好的隔振效果。

Description

摆式高静低动隔振器
技术领域
本发明属于隔振技术领域，涉及一种低频隔振器。
背景技术
传统隔振技术对于低频尤其是超低频振动的隔振效果不理想。准零刚度隔振器具有高静低动的刚度特性，能有效提高系统稳定性以及静态承载能力，具有优越的低频隔振性能，受到了国内外学者的广泛关注。高静低动这一概念最早在1957年由英国工程师Molyneux提出。所谓高静低动，是指在具有高静刚度的同时，具有较低的动刚度。高静刚度可以保证系统静变形量小；低动刚度使得系统的固有频率减小，这样可以扩大隔振区间。1989年，Alabuzhev等首次引入了准零刚度概念，并将准零刚度应用于振动保护和测量系统。2006年，曹庆杰等提出SD振子(smooth and discontinuous oscillator)，并指出其是具有准零刚度特性的几何非线性结构，如图1所示。2007年英国南安普敦大学的Carrella和Kovacic等对Alabuzhev的准零刚度模型进行简化，将其简化为立方非线性系统进行了分析研究，如图2所示。2012年韩彦伟等建立了一种新的几何非线性动力学模型，如图3所示，并对其非线性特性进行研究。2017年Wang等研究了两自由度的准零刚度隔振系统，如图4所示，并与单自由度隔振系统进行比较，说明其隔振效果。
如图5中所示，当弹簧刚度等条件相同的情况下，非线性准零刚度隔振系统同线性隔振系统相比，共振频率明显降低，因此当隔振频率大于ω3时，非线性隔振系统的振幅小于线性系统，可以说明，准零刚度系统由合理的阻尼配置能够达到远远优于线性隔振系统的隔振区间。
然而，尽管具有硬特性结构可以对低频进行隔振，但这种结构具有一定的不足之处。从图5可以看出，非线性系统主共振幅频响应的多解频带上有两个渐近稳定解和一个不稳定解，而由于硬非线性系统的骨架线向右倾斜，因此当隔振频率在ω3ω4之间时，硬非线性隔振系统当会产生图示的跳跃现象，这对隔振来说是不够理想的。而由于软非线性系统主共振的骨架线是向左倾斜，因此当隔振频率大于共振频率ω1时，系统都是稳定的，并且其幅值小于硬特性非线性隔振系统和线性隔振系统。由此可见，相比之下具有软特性的隔振系统可以进行更低频率的隔振，隔振频带更宽，具有更好的隔振效果。
发明内容
为了避免由高静低动隔振带来的硬特性非线性的影响，本发明设计了一种摆式高静低动隔振器。由于重力摆是具有典型软特性非线性的系统，为削弱整体结构的硬特性，本发明设计了结合重力摆和斜弹簧支承的摆式高静低动隔振装置，以使结构呈现软特性，达到更宽频带内更好的隔振效果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种摆式高静低动隔振器，包括滑块、刚性杆、垂向弹簧、左侧斜弹簧、右侧斜弹簧、滑槽、直杆，其中：
所述滑块套于直杆上且其下端经垂向弹簧固定，可沿直杆竖直方向上下运动；
所述垂向弹簧的上端连接滑块，下端固定；
所述滑块通过左侧斜弹簧和右侧斜弹簧与刚性杆的两端相连；
所述刚性杆的两端在滑槽内滑动。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明设计的摆式高静低动隔振器呈现软特性非线性，这种软非线性结构的共振频率远小于线性结构共振频率，当隔振频率大于共振频率时系统稳定，并且其幅值小于硬特性非线性隔振系统和线性隔振系统。由此可见，本发明设计的摆式高静低动隔振器可以进行更低频率的隔振，隔振频带更宽，具有很好的隔振效果。
附图说明
图1为SD振子模型；
图2为Carrella准零刚度三弹簧模型；
图3为韩彦伟建立的新型非线性模型；
图4为Wang的改进模型；
图5为软硬特性及线性系统幅频曲线；
图6为具体实施方式一中的摆式高静低动隔振器几何模型，a-静止状态，b-摆动到某一位置；
图7为具体实施方式二中的摆式高静低动隔振器几何模型；
图8为具体实施方式三中的摆式高静低动隔振器几何模型；
图9为具体实施方式四中的摆式高静低动隔振器几何模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式以两自由度的几何非线性模型为研究对象，设计了结合重力摆和斜弹簧支承的摆式高静低动隔振装置，建立的几何模型如图6所示。
由图6所示，本实施方式的摆式高静低动隔振器由滑块1、刚性杆2、垂向弹簧3、左侧斜弹簧4、右侧斜弹簧5、滑槽6、直杆7构成，其中：滑块1质量为M，刚性杆2质量为m，相对轨道圆心的转动惯量为J，垂向弹簧3的弹性系数为kv，左侧斜弹簧4的弹性系数为k1，右侧斜弹簧5的弹性系数为k2。设计刚性杆2的几何形状使其质心在圆轨道8上。刚性杆2的两端通过左侧斜弹簧4和右侧斜弹簧5与滑块1相连，刚性杆的两端在滑槽6内滑动，以限制刚性杆的运动轨迹。滑块1套于固定的直杆7上，以限制其运动轨迹为竖向运动，滑块1下端经垂向弹簧3固定。图6(a)和(b)说明在振动过程中，刚性杆2可以在滑槽6内转动，而滑块1可以在竖直方向上运动。
本实施方式中，所述圆轨道8的圆心与滑块1在同一竖直线上。
本实施方式中，所述圆轨道8与滑槽6同圆心，保证刚性杆2绕圆轨道8圆心转动。
本实施方式的创新点与关键技术在于采用了图6所示刚性杆2，刚性杆2与重力摆作用类似，这里我们目的是利用重力摆的软特性以削弱系统硬特性。
具体实施方式二：如图7所示，本实施方式与具体实施方式一不同的是，将滑槽6替换为圆环轨道，圆环轨道与圆轨道8为同心圆。圆环轨道与滑槽6的作用同样为限制刚性杆使其绕圆心转动，但具体制作时更易加工。
具体实施方式三：如图8所示，本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，将直杆7替换为滑槽A，滑块1位于滑槽A内可在滑槽A内沿竖直方向上下运动。滑槽A相比于直杆7，滑块1竖直方向运动时在同等润滑情况下受到的摩擦力更小。
具体实施方式四：如图9所示，本实施方式与具体实施方式一、二、三不同的是，实际制造时可将滑槽6与直杆7固定在一起，便于加工。

Claims (6)

1.一种摆式高静低动隔振器，其特征在于所述摆式高静低动隔振器包括滑块、刚性杆、垂向弹簧、左侧斜弹簧、右侧斜弹簧、滑槽、直杆，其中：
所述滑块套于直杆上且其下端经垂向弹簧固定，可沿直杆竖直方向上下运动；
所述垂向弹簧的上端连接滑块，下端固定；
所述滑块通过左侧斜弹簧和右侧斜弹簧与刚性杆的两端相连；
所述刚性杆的两端在滑槽内滑动。
2.根据权利要求1所述的摆式高静低动隔振器，其特征在于所述滑槽替换为圆环轨道。
3.根据权利要求2所述的摆式高静低动隔振器，其特征在于所述圆环轨道与圆轨道为同心圆。
4.根据权利要求1或2所述的摆式高静低动隔振器，其特征在于所述直杆替换为滑槽A，滑块位于滑槽A内。
5.根据权利要求1所述的摆式高静低动隔振器，其特征在于所述刚性杆的质心在圆轨道上，圆轨道的圆心与滑块在同一竖直线上。
6.根据权利要求5所述的摆式高静低动隔振器，其特征在于所述圆轨道与滑槽同圆心。
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