申请/专利权人：江南大学;北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所

申请日：2019-06-03

公开（公告）日：2024-06-14

公开（公告）号：CN110107632B

主分类号：F16F7/104

分类号：F16F7/104;E01D19/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.14#授权;2024.05.28#著录事项变更;2021.09.21#实质审查的生效;2019.08.09#公开

摘要：本发明公开了一种耦合动力吸振器的正负刚度并联低频隔振装置。利用凸轮‑滚珠‑弹簧机构对称布置作为负刚度机构，并与正刚度弹簧并联构建准零刚度隔振器，在此基础上增设动力吸振器，构成耦合线性吸振器的正负刚度并联隔振系统。基于多自由度系统中的反共振特性，利用附加动力吸振器吸收主系统的振动能量，使振动能量转移到动力吸振器以实现减弱主结构振动强度的目标。当激振力频率接近动力吸振器的固有频率时，动力吸振器提供给主系统的力逐渐抵消掉作用于主系统上的激励力，可使主系统的振幅急剧下降。选择适当的吸振器质量、刚度和阻尼，可使力传递率曲线左移，降低起始隔振频率和扩大隔振频带宽，使系统的低频隔振性能得以改善。该隔振装置具有高静刚度低动刚度特性，具有较大的隔振带宽，可推广应用于低频振动控制。

主权项：1.一种耦合动力吸振器的正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：包括动力吸振器，水平支撑台，正刚度机构，负刚度机构，水平弹簧调节装置：动力吸振器包括吸振质量块1，吸振器阻尼2，吸振器弹簧3；正刚度机构由垂向弹簧7组成；负刚度机构包括水平弹簧20、水平阻尼16、滚轮14和凸轮13；水平弹簧调节装置包括水平导轨23、水平调节器18和竖直固定板17；所述吸振质量块1放在支撑板30上表面的中心位置；所述吸振器弹簧3的上端与固定在所述支撑板30下表面的弹簧连接件相连，所述吸振器弹簧3的下端与固定于被隔振质量块4上表面的弹簧连接件相连；所述支撑板30与所述被隔振质量块4之间设置有吸振器阻尼2；所述支撑板30的左端设置了带有垂向导轨28的L型板27，所述L型板27固定在靠近水平支撑台26左侧的上表面；在所述L型板27与所述支撑板30左侧的凸起部位正对的位置处安装了竖直调节器29；所述吸振器弹簧3左右两侧的结构是对称的；所述被隔振质量块4放在所述水平支撑台26的上表面；所述水平支撑台26的下表面与垂向弹簧7的上端相连，所述垂向弹簧7的下端固定在底座8的上表面，所述水平支撑台26与所述底座8之间设置了垂向阻尼6；在所述垂向弹簧7的左侧设置有竖直挡板10，所述竖直挡板的下端固定在所述底座8的上表面；所述竖直挡板10的左侧安装了竖直导轨11，所述竖直导轨11的左侧设置了竖直滑板12，凸轮13固定在所述竖直滑板12的左侧；在所述竖直挡板10的上端安装有垂向调节器一5，所述竖直挡板10的下端设有垂向调节器二9；靠近所述凸轮13的左侧设有滚轮14，连杆15的右端与所述滚轮14连接，所述连杆15的左端安装在横向滑块22的右侧面，所述横向滑块22的上端面与水平导轨23的下端面接触；靠近所述水平导轨23的右端处设有竖直固定板17，所述竖直固定板17与所述横向滑块22通过水平弹簧20连接，在所述竖直固定板17与所述横向滑块22之间设有水平阻尼16；带有所述水平导轨23的水平板24固定在垂向杆25的底部，所述垂向杆25顶端固定于所述水平支撑台26的内侧；所述垂向弹簧7左右两侧的结构是对称的；所述竖直调节器29的底端与所述支撑板30左侧的凸起部位的上表面接触；所述支撑板30的左端与所述垂向导轨28的右侧面接触；所述被隔振质量块4放在所述水平支撑台26的中间；所述垂向调节器一5与所述竖直滑板12的上表面接触，所述垂向调节器二9与所述竖直滑板12的下表面接触。

全文数据：一种耦合动力吸振器的正负刚度并联低频隔振装置技术领域本发明涉及一种耦合动力吸振器的正负刚度并联低频隔振装置，该发明对承受力、位移等激励的设备均有较好的低频隔振效果，可广泛应用于车辆悬架、桥梁、轮船、精密测量仪、医疗等领域的低频振动控制中。背景技术在工程生产中振动无处不在，大多数情况下振动是有害的，会对生产活动、科学研究和日常生活产生一定的危害和不便。振动在制造加工领域会影响机械设备的工作寿命，降低机械设备运转的平稳性；在汽车领域会影响发动机、悬架等的工作效率，降低人们乘车的舒适性。在传统的线性隔振系统中，为了使隔振系统具有良好的隔振性能，要最大限度地降低系统固有频率。但是减小系统刚度或增大被隔振体质量，会影响系统的承载能力，出现静变形过大及失稳的问题。准零刚度隔振器是由正负刚度结构并联组成的，正刚度可确保系统具有足够的承载能力，负刚度能降低系统总刚度，使系统具有高静刚度低动刚度特性，但有时并不能达到期望的隔振效果。为了优化系统的低频甚至超低频隔振性能，这就需要考虑如何降低系统的起始隔振频率及扩大隔振频带宽，从而使系统的低频隔振性能得到进一步改善。发明内容为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种耦合动力吸振器的正负刚度并联低频隔振装置。在准零刚度隔振器的基础上增设了动力吸振器，利用附加的吸振器吸收主系统的振动能量，使振动能量转移到动力吸振器以实现减弱主结构振动强度的目标。本发明提出的一种耦合动力吸振器的正负刚度并联低频隔振装置，具体包括动力吸振器，水平支撑台，正刚度机构，负刚度机构，水平弹簧调节装置。吸振质量块放在支撑板上表面的中心位置；吸振器弹簧的上下两端分别通过弹簧连接件与所述支撑板和被隔振质量块连接；所述支撑板与所述被隔振质量块之间设置有吸振器阻尼；所述支撑板的左端设置了带有垂向导轨的L型板，所述L型板固定在靠近水平支撑台左侧的上表面；在所述L型板与所述支撑板左侧的凸起部位正对的位置处安装了竖直调节器；所述吸振器弹簧左右两侧的结构是对称的。所述被隔振质量块放在水平支撑台上，所述水平支撑台由下端固定在底座上的垂向弹簧支撑，在所述水平支撑台与所述底座之间设置了垂向阻尼；在所述垂向弹簧的左侧设置有底端固定于底座上的竖直挡板，所述竖直挡板的左侧安装了竖直导轨，在所述竖直导轨的左侧设置了固定有凸轮的竖直滑板；在所述竖直挡板的上下两端分别安装有两个垂向调节器；所述凸轮的左侧设置有与其外表面相接触的滚轮；连杆的右端与所述滚轮连接，所述连杆的左端与横向滑块相连；靠近水平导轨的右端处设有竖直固定板，所述竖直固定板与所述横向滑块通过水平弹簧连接，在所述竖直固定板与所述横向滑块之间设有水平阻尼；带有所述水平导轨的水平板固定在垂向杆的底部，所述垂向杆的顶端固定于所述水平支撑台的内侧；所述垂向弹簧左右两侧的结构是对称的。进一步地，所述竖直调节器的底端与所述支撑板左侧的凸起部位的上表面接触；所述支撑板的左端与所述垂向导轨的右侧面接触。进一步地，所述被隔振质量块放在所述水平支撑台的中间；所述垂向调节器安装在所述竖直挡板上，所述竖直滑板的上、下表面分别与所述垂向调节器的端面接触。进一步地，所述凸轮的曲面上开有弧形槽；在所述水平支撑台与所述竖直固定板的中心相对的位置设有水平调节器，所述竖直固定板的左侧面与所述水平调节器端面接触；所述竖直固定板和所述横向滑块的上端面都与所述水平导轨的下端面接触。进一步地，所述竖直固定板的右侧面与所述横向滑块的左侧面分别固定两个处于水平相对位置的弹簧连接件，所述水平弹簧通过所述弹簧连接件分别与所述竖直固定板和所述横向滑块连接。与现有的技术相比，本发明的优势为：该发明是在准零刚度隔振器的基础上增设了动力吸振器，构成了耦合吸振器的正负刚度并联的隔振系统。利用多自由度系统中的反共振特性，将振动能量转移到附加的吸振器来减小主结构振动。可以通过合理地选择动力吸振器的质量、刚度和阻尼，使系统的力传递曲线向左偏移，这样不仅降低了起始隔振频率，而且扩大了隔振频带宽，从而进一步改善了系统的低频甚至是超低频隔振性能。本发明既具有高静态刚度低动态刚度的特性，又具有较大的隔振带宽。此外，该发明结构简单，便于加工与制造，可以广泛应用于低频振动控制中。附图说明图1为未加动力吸振器的正负刚度并联隔振装置的结构示意图；图2为本发明一实施例的组成结构示意图；图3为本发明一实施例吸振质量块1与被隔振质量块4的质量之比不同时，耦合系统与原系统的力传递率对比图；图4为本发明一实施例吸振器弹簧3与垂向弹簧7的刚度之比不同时，耦合系统与原系统的力传递率曲线比较图；图5为本发明一实施例吸振器阻尼2的阻尼比不同时，耦合系统与原系统的力传递率曲线对比图；具体实施方式如图2，本发明一实施例具体包括动力吸振器，水平支撑台，正刚度机构，负刚度机构，水平弹簧调节装置这5个部分。所述吸振质量块1放在支撑板30上表面的中心位置；所述吸振器弹簧3的上端与固定在所述支撑板30下表面的弹簧连接件相连，所述吸振器弹簧3的下端与固定于被隔振质量块4上表面的弹簧连接件相连；所述支撑板30与所述被隔振质量块4之间设置有吸振器阻尼2；所述支撑板30的左端设置了带有垂向导轨28的L型板27，所述L型板27固定在靠近水平支撑台26左侧的上表面；在所述L型板27与所述支撑板30左侧的凸起部位正对的位置处安装了竖直调节器29；所述吸振器弹簧3左右两侧的结构是对称的。所述被隔振质量块4放在水平支撑台26上表面的中间位置；所述水平支撑台26的下表面与垂向弹簧7的上端相连，所述垂向弹簧7的下端固定在底座8的上表面，所述水平支撑台26与所述底座8之间设置了垂向阻尼6；在所述垂向弹簧7的左侧设置有竖直挡板10，所述竖直挡板的下端固定在所述底座8的上表面；所述竖直挡板10的左侧安装了竖直导轨11，所述竖直导轨11的左侧设置了竖直滑板12，凸轮13固定在所述竖直滑板12的左侧；在所述竖直挡板10的上端安装有垂向调节器一5，所述竖直挡板10的下端设有垂向调节器二9；靠近所述凸轮13的左侧设有滚轮14，连杆15的右端与所述滚轮14连接，所述连杆15的左端安装在横向滑块22的右侧面；靠近水平导轨23的右端处设有竖直固定板17，所述竖直固定板17与所述横向滑块22通过水平弹簧20与水平阻尼16连接；带有所述水平导轨23的水平板24固定在垂向杆25的底部，所述垂向杆25顶端固定于所述水平支撑台26的内侧；所述垂向弹簧7左右两侧的结构是对称的。所述竖直调节器29的底端与所述支撑板30左侧的凸起部位的上表面接触；所述支撑板30的左端与所述垂向导轨28的右侧面接触。所述垂向调节器一5与所述竖直滑板12的上表面接触，所述垂向调节器二9与所述竖直滑板12的下表面接触；所述的两个垂向调节器都安装在所述竖直挡板10上。在所述水平支撑台26与所述竖直固定板17中心相对的位置开设有螺纹孔，水平调节器18穿过螺纹孔与所述竖直固定板17的左侧面接触；所述水平导轨23的下端面分别与所述竖直固定板17和所述横向滑块22的上端面接触。所述竖直固定板17的右侧面固定弹簧连接件一19，所述弹簧连接件一19与所述水平弹簧20的左端连接；在所述横向滑块22的左侧面固定弹簧连接件二21，所述弹簧连接件二21与所述水平弹簧20的右端相连；其中，所述弹簧连接件一19与所述弹簧连接件二21处于水平相对位置。在本实施例中，所述凸轮13的曲面上开有弧形槽，而且与所述的滚轮始终保持接触。在本实施例中，共设置有两个参数完全相同的水平弹簧20和两个性质相同的水平阻尼16。本实施例的主要工作原理是：如图1所示，当被隔振质量块4放在水平支撑台26上时，垂向弹簧7就会被压缩，水平支撑台26推动滚轮14和横向滑块22沿着水平导轨23滑动。利用垂向调节器一5与垂向调节器二9可以调节竖直滑板12，使其沿着竖直导轨11上下移动，然后将凸轮13与滚轮14的中心位置调节到同一水平线上，从而使整个系统处于静平衡位置。如果被隔振质量块4的重量发生改变，都可以通过垂向调节器改变凸轮13的中心位置，使其与滚轮14的中心始终保持在同一水平线，这样整个系统就能重新达到平衡状态。只要选择合理的阻尼和弹簧的参数，并利用水平弹簧调节装置，使整个系统的刚度为零。当被隔振质量块在平衡位置附近振动时，系统不仅具有低固有频率，而且有较大的承载能力。因此，能实现低频隔振的目标。如图2所示，在正负刚度并联隔振器的基础上增加了一个动力吸振器，构成了耦合动力吸振器的正负刚度并联隔振系统。吸振质量块1放在支撑板30上，吸振器弹簧3的上下两端分别通过弹簧连接件与支撑板30和被隔振质量块4连接，支撑板30与被隔振质量块4之间设置有吸振器阻尼2；在支撑板30的左端设置了带有垂向导轨28的L型板27，在L型板27与支撑板30左侧的凸起部位正对的位置处安装了竖直调节器29，可以调节支撑板所处的位置。当激励力频率接近动力吸振器的固有频率时，动力吸振器提供给主系统的力就会逐渐与作用于主系统上的力相互抵消，使得主系统的振幅急剧地下降。基于多自由度系统中的反共振特性，利用振动能量转移到附加的吸振器来减小主结构的振动，通过吸振器吸收主振动系统的振动能量，以此来达到降低主系统振动的目的。令吸振质量块1与被隔振质量块4的质量之比为μ＝m2m1；吸振器弹簧3与垂向弹簧7的刚度之比为υ＝k2k1＝λ2μ；吸振器阻尼2的阻尼比为ξ2＝c22m2ω2，其中，λ＝ω2ω1，c2为吸振器阻尼2的阻尼。力传递率是评价隔振系统对外界激励隔离效果的重要指标，其定义是：对系统施加激励力后，底座所受到的力幅值与激励力幅值的比值。力传递率值越小，表明系统的隔振性能越好。当耦合系统中的被隔振质量块4受到简谐激励力F的作用时，通过选择适当的吸振器质量、刚度和阻尼，对耦合动力吸振器的正负刚度并联隔振系统的隔振性能作了数值分析。图3为吸振质量块1与被隔振质量块4的质量之比不同时，耦合动力吸振器的正负刚度并联隔振系统简称为耦合系统与正负刚度并联隔振系统简称为原系统的力传递率对比图，观察该图可知，当质量比μ从0.5增加到2时，力传递率曲线的第一个峰值的增幅较小，而第二个峰值的增幅较大，峰谷大小几乎不变。由此可见，吸振质量块1与被隔振质量块4的质量比越大，耦合系统的力传递率曲线越会向左偏移，峰值和峰谷所对应的频率减小，起始隔振频率减小，隔振频带变宽。当吸振器弹簧3与垂向弹簧7的刚度之比不同时，耦合系统与原系统的力传递率曲线比较图如图4，力传递率曲线的第一个峰值的大小基本保持不变，第二个峰值和峰谷随着刚度比的增大而减小。刚度比越大，第二个峰值和峰谷对应的频率比越大，起始隔振频率的变化很小。如图5，当吸振器阻尼2的阻尼比取不同的值时，结果发现：动力吸振器阻尼比的改变只会影响力传递率曲线的峰谷和第二个峰值大小。当阻尼比从0.01增大到0.1时，力传递率的峰谷增大，而第二个峰值减小；当阻尼比增加到0.5时，力传递率曲线的峰谷和第二个峰值就全都消失了。通过比较图3、图4和图5，可以得出：增加了动力吸振器后，耦合系统的力传递率曲线向左偏移，起始隔振频率减小，隔振频带扩大；但是力传递率曲线会出现第二个峰值，这将会导致该频率处的力传递率急剧增加，使得该峰值附近频域内的隔振效果减弱。一旦阻尼比增大到0.5时，力传递率曲线的第二个峰值就会消失，此时的力传递曲线只有一个峰值，与未加动力吸振器的原系统相比，耦合系统的起始隔振频率减小，隔振频带宽扩大，低频隔振性能进一步增强。以上内容是结合具体的附图对本发明所做出的优选实施方式，本发明的具体实现并不受上述方式的限制。应当指出，在不脱离本发明技术原理的前提条件下，还可以做出很多改进或者变型，这些改进或变型都应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.一种耦合动力吸振器的正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：包括动力吸振器，水平支撑台，正刚度机构，负刚度机构，水平弹簧调节装置：动力吸振器包括吸振质量块1，吸振器阻尼2，吸振器弹簧3；正刚度机构由垂向弹簧7组成；负刚度机构包括水平弹簧20、水平阻尼16、滚轮14和凸轮13；水平弹簧调节装置包括水平导轨23、水平调节器18和竖直固定板17；所述吸振质量块1放在支撑板30上表面的中心位置；所述吸振器弹簧3的上端与固定在所述支撑板30下表面的弹簧连接件相连，所述吸振器弹簧3的下端与固定于被隔振质量块4上表面的弹簧连接件相连；所述支撑板30与所述被隔振质量块4之间设置有吸振器阻尼2；所述支撑板30的左端设置了带有垂向导轨28的L型板27，所述L型板27固定在靠近水平支撑台26左侧的上表面；在所述L型板27与所述支撑板30左侧的凸起部位正对的位置处安装了竖直调节器29；所述吸振器弹簧3左右两侧的结构是对称的。所述被隔振质量块4放在所述水平支撑台26的上表面；所述水平支撑台26的下表面与垂向弹簧7的上端相连，所述垂向弹簧7的下端固定在底座8的上表面，所述水平支撑台26与所述底座8之间设置了垂向阻尼6；在所述垂向弹簧7的左侧设置有竖直挡板10，所述竖直挡板的下端固定在所述底座8的上表面；所述竖直挡板10的左侧安装了竖直导轨11，所述竖直导轨11的左侧设置了竖直滑板12，凸轮13固定在所述竖直滑板12的左侧；在所述竖直挡板10的上端安装有垂向调节器一5，所述竖直挡板10的下端设有垂向调节器二9；靠近所述凸轮13的左侧设有滚轮14，连杆15的右端与所述滚轮14连接，所述连杆15的左端安装在横向滑块22的右侧面，所述横向滑块22的上端面与水平导轨23的下端面接触；靠近所述水平导轨23的右端处设有竖直固定板17，所述竖直固定板17与所述横向滑块22通过水平弹簧20连接，在所述竖直固定板17与所述横向滑块22之间设有水平阻尼16；带有所述水平导轨23的水平板24固定在垂向杆25的底部，所述垂向杆25顶端固定于所述水平支撑台26的内侧；所述垂向弹簧7左右两侧的结构是对称的。2.根据权利要求1所述的一种耦合动力吸振器的正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：所述竖直调节器29的底端与所述支撑板30左侧的凸起部位的上表面接触；所述支撑板30的左端与所述垂向导轨28的右侧面接触。3.根据权利要求1所述的一种耦合动力吸振器的正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：被隔振质量块4放在所述水平支撑台26的中间；所述垂向调节器一5与所述竖直滑板12的上表面接触，所述垂向调节器二9与所述竖直滑板12的下表面接触。4.根据权利要求1所述的一种耦合动力吸振器的正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：所述凸轮13曲面上开有弧形槽；在所述水平支撑台26与所述竖直固定板17的中心相对的位置设有水平调节器18，所述竖直固定板17的左侧面与所述水平调节器18的右端面接触；所述水平导轨23的下端面与所述竖直固定板17的上端面接触。5.根据权利要求1所述的一种耦合动力吸振器的正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：在所述竖直固定板17的右侧面固定弹簧连接件一19，所述弹簧连接件一19与所述水平弹簧20的左端连接；在所述横向滑块22的左侧面固定弹簧连接件二21，所述弹簧连接件二21与所述水平弹簧20的右端相连；其中，所述弹簧连接件一19与所述弹簧连接件二21处于水平相对位置。

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