一种准零刚度振动试验台的制作方法

1.本发明涉及一种振动试验机构，具体涉及一种准零刚度振动试验台。


背景技术：

2.随着科学技术的迅速发展，产品在生产制造、储存运输、使用维护过程中所面临的环境愈发复杂，振动模拟试验作为环境模拟试验中的重要一环，在航空航天、建筑结构、工业自动化等领域已经得到了广泛运用。而电动式振动试验台因可实现较宽频段的测试工作，且具有控制方便、波形复现优秀等特点，得到了广泛运用。
3.但电动式振动试验台使用线性弹簧-质量系统作为支撑结构，限制了最大工作载荷，试验过程中，电动式振动试验台作动器除需产生驱动台面按照预定命令振动的力外，还需克服弹簧-质量系统位移所产生的拉力，这不仅使得作动器需要消耗更多的能量，还易散发更多的热量。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种新型结构的准零刚度振动试验台。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种准零刚度振动试验台，包括支撑机构、准零刚度机构、振动机构、载物平台；支撑机构包括底部的基座、固定在基座上的支撑框架；准零刚度机构包括多个承托载物平台的平行四边形连杆机构；每个平行四边形连杆机构中，相邻杆件相互转动式连接，左右两个杆件之间连接拉伸弹簧，上杆件与载物平台左右滑移式连接，下杆件与支撑框架固定连接；振动机构安装在基座上，振动机构的上端为振动台面，振动台面与载物平台的下端连接。
7.作为一种优选，平行四边形连杆机构的上杆件为连杆、下杆件为固定座、左杆件与右杆件均为机架；连杆上设置有滑块，载物平台的前后两侧对应设置有两条直线导轨，直线导轨沿左右方向延伸，滑块沿着直线导轨滑移，固定座固定安装在支撑框架的顶部，机架上均匀设置有多个供拉伸弹簧挂接的固定孔。
8.作为一种优选，平行四边形连杆机构的数量为4个，分别位于载物平台的前侧左边、后侧左边、前侧右边、后侧右边；前侧左边的平行四边形连杆机构和后侧左边的平行四边形连杆机构均从左下方向右上方倾斜，前侧右边的平行四边形连杆机构和后侧右边的平行四边形连杆机构均从右下方向左上方倾斜。
9.作为一种优选，平行四边形连杆机构包括工作状态和非工作状态两个状态；在非工作状态中，拉伸弹簧具有预拉伸量，平行四边形连杆机构在拉伸弹簧作用下处于预定高度；在工作状态中，拉伸弹簧长度拉长，平行四边形连杆机构的机架与固定座之间的最小角度变小。其中，预定高度指的是平行四边形连杆机构在拉伸弹簧的作用下，处于平衡位置时机架在垂直方向上的投影。
10.作为一种优选，支撑框架包括4根纵梁、4根横梁，4根纵梁竖直安装在基座的四角
上，4根横梁水平安装在相邻两根纵梁之间，横梁设置在纵梁的顶部，4根横梁围成矩形；平行四边形连杆机构的下杆件与横梁连接。
11.作为一种优选，振动机构包括底座、作动器，底座与作动器之间转动式连接，作动器通过底座架设在基座上，振动台面位于作动器的顶部。
12.作为一种优选，设置拉伸弹簧的刚度为k，连杆的长度为a，机架的长度为b，机架的高度为h，拉伸拉簧在机架上的投影为c，机架与连杆之间的夹角为θ，拉伸拉簧与水平方向的夹角为β，连杆偏离平衡位置的距离为δh，系统恢复力为f
km
；当连杆受到力的作用偏离平衡位置向下运动时，系统恢复力f
km
、θ和β会随δh的变化而变化；平衡位置即处于非工作状态时所在位置；系统恢复力与连杆偏离平衡位置的距离之间的力-位移特性曲线数学模型为：
[0013]013]
其中，平衡位置指的是初始位置，即处于非工作状态时所在的位置；系统恢复力指的是系统中平行四边形连杆机构受拉伸弹簧的作用，抵抗连杆在垂直方向上偏离平衡位置的能力。
[0014]
作为一种优选，载物平台设有多个约束载物平台自由度的限位孔；多个限位孔排列成多圈，各圈限位孔以载物平台上表面的中部为中心呈同心圆分布，每圈限位孔中，各限位孔沿着圆周均布。其中，约束载物平台自由度，指的是将载物平台与作动器连接，同时与载物平台上方待检测物体固定。
[0015]
作为一种优选，机架的一端与固定座之间通过转轴和轴承连接，机架的另一端与连杆之间通过转轴和轴承连接。
[0016]
作为一种优选，纵梁与横梁的连接处设置有角钢，纵梁与横梁均为铝材结构。
[0017]
本发明的原理是：准零刚度振动试验台采用框架结构作为支撑结构，利用平行四边形连杆机构的非线性力学不稳定性产生负刚度，通过平行四边形连杆机构与产生正刚度的拉伸弹簧并联，实现高静刚度、低动刚度的非线性刚度特性，即准零刚度振动试验台动刚度平衡点附近的刚度接近或等于零。通过数学建模的方式，根据不同质量的物体选择不同刚度、预拉伸量的拉伸弹簧，保证准零刚度机构处于平衡点附近，振动试验台作动器工作时，平衡点附近的高静刚度产生的力可抵消物体的重力，而动刚度近乎于零，从而提高振动试验台最大载荷，减小作动器能量消耗，降低热量散发。
[0018]
总的说来，本发明具有如下优点：
[0019]
1.本发明通过产生负刚度的、具有几何非线性力学特性的平行四边形连杆机构与产生正刚度的拉伸弹簧并联，从而实现高静刚度、低动刚度的非线性刚度特性。可提高振动试验台最大载荷，减小作动器能量消耗，降低热量散发。同时使得准零刚度结构动的刚度平衡点接近或等于零。
[0020]
2.本发明可以降低激励器工作负荷，提高载荷能力，减少作动器能源消耗，降低热量散发。
[0021]
3.本发明采用质量小，强度高的框架结构，简单可靠，小型轻便，同时还可根据不同的需要快速调整框架尺寸，从而适应不同型号大小的振动机构。
[0022]
4.本发明中，固定座、机架、连杆通过轴承和转轴配合的方式连接，连杆与台面通过导轨和滑块配合的方式连接，可降低摩擦对提高振动试验台最大载荷的影响。
[0023]
5.本发明的机架上均匀设置有多个固定孔，可用于固定不同刚度、不同预拉伸量的拉伸弹簧，从而保证不同物体都能处于低动刚度平衡点附近。
[0024]
6.本发明可以通过换用不同型号大小的机架和不同型号大小的拉伸弹簧，从而改变准零刚度范围。当非工作状态中连杆与机架的角度增大或减小时，准零刚度范围可以随之改变；当拉伸弹簧的刚度、长度不同时，准零刚度范围也随之改变；当连杆长度、机架长度变化时，准零刚度范围可以改变。
附图说明
[0025]
图1为本发明的整体结构示意图。
[0026]
图2为本发明的侧视图。
[0027]
图3为本发明的支撑机构结构示意图。
[0028]
图4为本发明的平行四边形连杆机构结构示意图。
[0029]
图5为本发明的载物平台结构示意图。
[0030]
图6为本发明准零刚度机构结构简图。
[0031]
图7为本发明具体实施方式对应的力-位移特性曲线。
具体实施方式
[0032]
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
[0033]
本发明附图中，1为基座，2为纵梁，3为振动机构、4为横梁、5为固定座、6为机架、7为拉伸弹簧、8为连杆，9为滑块，10为直线导轨，11为载物平台。
[0034]
本发明涉及一种准零刚度振动试验台，具体包括支撑机构、准零刚度机构、振动机构、载物平台。
[0035]
支撑机构包括底部的基座、固定在基座上的支撑框架，支撑框架包括纵梁、横梁、压铸角钢，其中纵梁和横梁为铝型材结构，纵梁和横梁上均设置有压铸角钢的安装位，在横梁上设置有弹片螺母的安装孔。基座为水平设置的矩形板件，支撑框架设置在基座上方，四根纵梁竖直设立在基座的四个边角处。在相邻两根纵梁的顶端之间水平设置有横梁，四根纵梁、四根横梁、基座共同组成一个矩形立方体空间，在两个相邻的横梁与纵梁之间设置有用于加强结构强度的压铸角钢，压铸角钢与横梁和纵梁均固定连接，并设置在相应的安装位上。在前侧横梁与后侧横梁上均设置有用于安装准零刚度机构的安装孔。
[0036]
准零刚度机构包括四个承托载物平台的平行四边形连杆机构，其中两个平行四边形连杆机构安装在前侧横梁上方、另外两个平行四边形连杆机构安装在后侧横梁上方。平行四边形连杆机构包括一个连杆、一个固定座、两根机架，连杆、固定座、机架共同组成平行四边形的四个杆件，其中连杆处于上侧，两根机架分别位于左右两侧，固定座处于下侧。固定座与横梁之间通过弹片螺母和螺杆固定连接，固定座固定于横梁内侧，固定座与左右两根机架均通过轴承和转轴转动式连接，连杆与左右两根机架均通过和转轴转动式连接，机架上均匀设置有多个固定孔。平行四边形连杆机构还包括拉伸弹簧，拉伸弹簧的两端分别挂接在左右两侧的机架的固定孔内。位于左侧的两个平行四边形连杆机构上部朝向右侧倾斜设置，位于右侧的两个平行四边形连杆机构上部朝向左侧倾斜设置。
[0037]
在连杆的上部固定连接有滑块机构，同时在载物平台的前后两侧均对应设置有直
线导轨，与前侧两个平行四边形连杆机构相连的两个滑块在载物平台前侧的直线导轨内滑动，与后侧两个平行四边形连杆机构相连的两个滑块在载物平台后侧的直线导轨内滑动，从而使得平行四边形连杆机构与载物平台之间滑动连接。载物平台为水平矩形板件，在载物平台的上表面中心设置有两圈上下贯穿的限位孔，两圈限位孔同圆心分布。直线导轨安装于载物平台上，可实现载物平台的上下移动。限位孔用作连接载物平台与振动平面，同时与载物平台上方待检测固定。
[0038]
在基座中心上方还设置有振动机构，振动机构包括底座、作动器，底座与作动器之间转动式连接，作动器通过底座架设在基座上，振动台面位于作动器的顶部。本实施例中，工作时，提供垂直方向的振动力，带动载物平台同步振动。
[0039]
针对于不同的试验需要，平行四边形连杆机构可换用不同型号大小的拉伸弹簧，从而改变准零刚度范围。同样的，平行四边形连杆机构可换用不同型号大小的机架和连杆，从而改变准零刚度范围。平行四边形连杆机构还可改变连杆与机架之间的初始角度，从而改变准零刚度范围。
[0040]
设置拉伸弹簧的刚度为k，连杆的长度为a，机架的长度为b，机架的高度为h，拉伸拉簧在机架上的投影为c，机架与连杆之间的夹角为θ，拉伸拉簧与水平方向的夹角为β，连杆偏离平衡位置的距离为δh，系统恢复力为f
km
。当连杆受到力的作用偏离平衡位置向下运动时，系统恢复力f
km
、θ和β会随δh的变化而变化；平衡位置即处于非工作状态时所在位置；系统恢复力与连杆偏离平衡位置的距离之间的力-位移特性曲线数学模型为：
[0041][0042]
本实施例中，a＝600mm，b＝710mm，c＝200mm，h＝300mm，k分别取10n/mm、15n/mm、20n/mm。
[0043]
本发明的使用过程为，首先，本准零刚度振动试验台处于非工作状态，载物平台上未放置待检测物体，四个平行四边形连杆机构在各自拉伸弹簧的作用下处于初始位置，此时连杆、固定座、机架形成一个倾斜的平行四边形。即此时平行四边形连杆机构处于非工作状态，平行四边形连杆机构处于预定高度。其中，初始位置指的是处于非工作状态时所在的位置；非工作状态指的是载物平台上未放置待检测物体；预定高度指的是平行四边形连杆机构在拉伸弹簧的作用下，处于平衡位置时机架在垂直方向上的投影长度。
[0044]
在启动机器后，将待检测物体放置在载物平台上，此时由于待检测物体的重力作用，载物平台向下运动，同时带动平行四边形连杆机构的机架相对于固定座转动，平行四边形连杆机构内的拉伸弹簧也同时拉长，上侧的连杆跟随滑块朝向载物平台的中部滑动，直至载物平台与准零刚度机构的系统稳定，此时准零刚度机构承载待检测物体的重力，准零刚度振动试验台起到准零刚度作用。
[0045]
最后启动振动机构，并进行相关振动试验。
[0046]
对于不同质量大小的待检测物体，所需要的准零刚度机构的规格也相应不同，即装置的准零刚度范围不同，因此，在需要测试其他质量大小的待检测物体时，可以根据上述系统恢复力与连杆偏离平衡位置的距离之间的力-位移特性曲线数学模型来确定需要机架和拉伸弹簧的规格，从而通过轴承将原机架取下，并将新的机架安装在平行四边形连杆机
构内，同时将拉伸弹簧挂接在机架上的固定孔中。
[0047]
机架上的多个固定孔对应着拉伸弹簧不同的预拉伸量，因此也可以通过改变挂接的固定孔来改变准零刚度机构的规格，即更改装置的准零刚度范围。
[0048]
也可以通过单独改变机架的规格来改变准零刚度机构的规格。同时，还可以通过改变平行四边形连杆机构的数量来改变准零刚度机构的规格。
[0049]
在完成准零刚度机构的设置之后，便可进行本准零刚度振动试验台的试验流程。
[0050]
本发明即利用连杆、机架、固定座结构作为负刚度结构；拉伸弹簧作为正刚度结构，使得载物平台在具有负载能力的同时，实现非线性刚度的力学特征。振动机构位于载物平台的中下部，搭配不同尺寸的平行四边形连杆机构和不同刚度的拉伸弹簧，即可满足不同的使用需求。本发明具有“高静低动”的非线性刚度特性，可降低激励器等试验设备的工作负荷，减少热量散发，具有良好的承载能力。
[0051]
准零刚度结构是一种通过正刚度元件与负刚度元件排列组合，利用正负刚度的耦合效应实现“高静低动”的非线性刚度特性结构，准零刚度结构动刚度平衡点接近或等于零。因此，利用准零刚度理论的动刚度平衡点设计的一种非线性刚度载物台，可提高振动试验台等设备的载荷能力，减少作动器能源消耗，降低热量散发。
[0052]
除了上述实施例外，本发明还可采用固定座、连杆、三根机架与两根拉伸弹簧作为一个平行四边形结构单元。这些变换方式均在本发明的保护范围内。
[0053]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。