一种具有俘能功能的准零刚度隔振器

1.本发明属于振动控制及俘能技术领域，具体涉及一种具备两种俘能方案的准零刚度隔振器。


背景技术：

2.振动普遍存在于我们日常的生产生活中，其应用领域十分广泛，但同时也给现代社会的运作带来了许多消极影响。在现代交通领域，尤其是桥梁工程方面，振动抑制对于桥梁结构稳定，交通安全等都有十分重要的作用。
3.面对桥梁工程的发展要求，解决机械或结构的振动具有重要意义。由经典隔振理论已经证明，被动隔振只有当激励频率大于√2倍的系统固有频率时，系统才有隔振效果。因此，在面对低频隔振时，传统的线性隔振器已经无法满足需求，应当降低隔振系统的固有频率，即在原正刚度隔振系统上增加负刚度结构以降低系统刚度，进而达到准零刚度的隔振结构，保证“高静低动”。
4.在对桥梁等交通载体进行隔振时，不仅要考虑抑制各类移动载荷所产生的宽频带振动，尤其是其中的低频振动，还要将外界振动所产生的能量进行俘获，并将其转化为相关传感器工作的电能。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种具有俘能功能的准零刚度隔振器，并提出了将其应用在梁工程中的低频隔振与桥梁健康监测传感器自供电中的两种俘能方案。本发明准零刚度隔振器由正、负刚度结构并联而成，正刚度结构由竖直线性弹簧或弹性细梁构成，负刚度结构由水平滑槽、滑块、连杆、水平线性弹簧及压电梁或磁悬浮结构构成。俘能方案有两种：一种是应用压电效应实现的压电俘能；另一种是应用电磁感应原理实现的电磁俘能。本发明兼具振动抑制与能量俘获的双重功能，且技术上具有一定的创新型和可行性。可有效隔离低频振动，保护桥梁的安全，同时可将振动的能量转化为电能，应用于桥梁监测的传感器等小功率电子元件的自供电。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
7.一种具有俘能功能的准零刚度隔振器，包括正刚度结构、负刚度结构、俘能器、承重平台、下板和竖直支撑板；所述竖直支撑板分为左右两根，下端分别与下板左右两端固连；
8.所述负刚度结构包括连杆、滑块、水平滑槽和水平线性弹簧；所述负刚度结构分布在承重平台两侧，左右对称；对于右半部分，所述水平滑槽一端与右侧竖直支撑板上端固定连接，水平滑槽另一端悬空；所述滑块安装在水平滑槽上，所述水平线性弹簧套在水平滑槽外围，水平线性弹簧的两端分别与滑块和右侧竖直支撑板固连，所述滑块能够沿水平滑槽水平滑动，拉伸或压缩水平线性弹簧；所述连杆的一端铰接在承重平台的一侧，另一端与滑块铰接；所述负刚度结构和承重平台构成水平隔振结构；
9.所述正刚度结构包括竖直线性弹簧，所述竖直线性弹簧一端固定安装在下板上，另一端固定在水平隔振结构上；
10.所述俘能器安装在下板和水平隔振结构之间；
11.当承重平台收到外界的激励产生竖直方向振动时，带动连杆通过滑块产生水平方向运动，进而使得水平线性弹簧在水平方向运动；同时对水平滑槽产生竖直方向的振动，水平滑槽和承重平台在竖直方向的振动带动竖直线性弹簧产生竖直方向的位移，产生拉压作用，起到隔振效果；水平线性弹簧与竖直线性弹簧在安装时都进行预压缩以使正刚度结构和负刚度结构参数满足准零刚度条件；
12.所述水平滑槽和承重平台在振动的过程使俘能器动作，从而产生电能。
13.进一步地，所述正刚度结构还包括竖直滑槽；所述竖直线性弹簧套在竖直滑槽外围；所述竖直滑槽下端与竖直线性弹簧一同固定在下板上，竖直滑槽上端穿过承重平台，竖直线性弹簧上端与承重平台固定连接；承重平台振动时能在竖直滑槽上进行竖直方向运动，并对竖直线性弹簧产生拉压作用，起到隔振效果；
14.所述俘能器包括4根压电梁，以竖直滑槽为中间轴对称，左右各两根；右边的两根压电梁下端固定在下板上，上端固定在右侧水平滑槽上；在振动的过程中水平滑槽振动，对压电梁产生拉压变形，通过正压电效应产生电能。
15.进一步地，所述正刚度结构包括左右两根竖直线性弹簧，以竖直滑槽为中间轴左右对称；所述竖直线性弹簧下端固定在下板上，上端固定在各自一侧的滑块上；承重平台振动时带动水平滑槽振动，并对竖直线性弹簧产生拉压作用，起到隔振效果；
16.所述俘能器包括竖直粗杆、圆形磁铁、线圈、弹性细梁、底部支座和结构框架；所述竖直粗杆上端固定在承重平台上，下端固定在弹性细梁上，竖直粗杆中间部分插入方形磁铁；所述线圈环绕在方形磁铁周围；所述弹性细梁固定在底部支座上，所述底部支座下端与下板通过螺栓固定连接；所述底部支座上端与结构框架固连，结构框架用来支撑底部支座，提高稳定性；在底部支座的上部和中部分别固定两块极性与方形磁铁方向一致的圆形磁铁；
17.当承重平台产生竖直方向振动时，弹性细梁会在竖直粗杆的作用下产生线性回复力，与上下圆形磁铁对方形磁铁产生的回复力叠加，方形磁铁会产生竖直方向有阻尼振动，围绕方形磁铁周围均匀分布的线圈与磁感线产生相对运动，在电磁感应原理的作用下，线圈中会产生电能。
18.本发明的有益效果如下：
19.本发明装置可以通过准零刚度的结构实现低频隔振，并进行能量俘获，实现桥梁工程中相关传感器的自供电。本发明由准零刚度隔振结构与俘能装置耦合而成，能够有效抑制低频振动并转化为电能，结构简单且合理有效，符合可持续发展理念及智能化隔振要求。
附图说明
20.图1是本发明装置实施例一结构正视图。
21.图2是本发明装置实施例一安装于桥梁上的工作示意图。
22.图3是本发明装置实施例二结构正视图。
23.图4是本发明装置实施例一在准零刚度条件下恢复力的曲线f(z)。
24.图5是本发明装置实施例一在准零刚度条件下刚度曲线p(z)。
25.图中：1-承重平台，2-连杆，3-滑块，4-水平滑槽，5-水平线性弹簧，6-竖直支撑板，7-压电梁，8-竖直线性弹簧，9-竖直滑槽，10-圆形磁铁，11-线圈，12-弹性细梁，13-底部支座，14-下板，15-结构框架，16-竖直粗杆。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
27.本发明提出了一种将准零刚度结构和俘能结构耦合的隔振器，可以在桥梁工程中对低频振源产生的振动进行有效隔离，并驱动装置内的俘能装置进行能量俘获。本发明简单合理，实用有效，提出了两种可行的俘能方案。
28.一种具有俘能功能的准零刚度隔振器，包括正刚度结构、负刚度结构、俘能器、承重平台1、下板14和竖直支撑板6；所述竖直支撑板6分为左右两根，下端分别与下板左右两端固连；
29.所述负刚度结构包括连杆2、滑块3、水平滑槽4和水平线性弹簧5；所述负刚度结构分布在承重平台1两侧，左右对称；对于右半部分，所述水平滑槽4一端与右侧竖直支撑板6上端固定连接，水平滑槽4另一端悬空；所述滑块3安装在水平滑槽4上，所述水平线性弹簧5套在水平滑槽4外围，水平线性弹簧5的两端分别与滑块3和右侧竖直支撑板6固连，所述滑块3能够沿水平滑槽4水平滑动，拉伸或压缩水平线性弹簧5；所述连杆2的一端铰接在承重平台1的一侧，另一端与滑块3铰接；所述负刚度结构和承重平台1构成水平隔振结构；
30.所述正刚度结构包括竖直线性弹簧8，所述竖直线性弹簧8一端固定安装在下板14上，另一端固定在水平隔振结构上；
31.所述俘能器安装在下板14和水平隔振结构之间；
32.当承重平台1收到外界的激励产生竖直方向振动时，带动连杆2通过滑块3产生水平方向运动，进而使得水平线性弹簧5在水平方向运动；同时对水平滑槽4产生竖直方向的振动，水平滑槽4和承重平台1在竖直方向的振动带动竖直线性弹簧8产生竖直方向的位移，产生拉压作用，起到隔振效果；水平线性弹簧5与竖直线性弹簧8在安装时都进行预压缩以使正刚度结构和负刚度结构参数满足准零刚度条件；
33.所述水平滑槽4和承重平台1在振动的过程使俘能器动作，从而产生电能。
34.进一步地，所述正刚度结构还包括竖直滑槽9；所述竖直线性弹簧8套在竖直滑槽9外围；所述竖直滑槽9下端与竖直线性弹簧8一同固定在下板14上，竖直滑槽9上端穿过承重平台1，竖直线性弹簧8上端与承重平台1固定连接；承重平台1振动时能在竖直滑槽9上进行竖直方向运动，并对竖直线性弹簧8产生拉压作用，起到隔振效果；
35.所述俘能器包括4根压电梁7，以竖直滑槽9为中间轴对称，左右各两根；右边的两根压电梁7下端固定在下板14上，上端固定在右侧水平滑槽4上；在振动的过程中水平滑槽4振动，对压电梁7产生拉压变形，通过正压电效应产生电能。
36.进一步地，所述正刚度结构包括左右两根竖直线性弹簧8，以竖直滑槽9为中间轴左右对称；所述竖直线性弹簧8下端固定在下板14上，上端固定在各自一侧的滑块3上；承重平台1振动时带动水平滑槽4振动，并对竖直线性弹簧8产生拉压作用，起到隔振效果；
37.所述俘能器包括竖直粗杆16、圆形磁铁10、线圈11、弹性细梁12、底部支座13和结构框架15；所述竖直粗杆16上端固定在承重平台1上，下端固定在弹性细梁12上，竖直粗杆16中间部分插入方形磁铁；所述线圈11环绕在方形磁铁周围；所述弹性细梁12固定在底部支座13上，所述底部支座13下端与下板14通过螺栓固定连接；所述底部支座13上端与结构框架9固连，结构框架9用来支撑底部支座13，提高稳定性；在底部支座13的上部和中部分别固定两块极性与方形磁铁方向一致的圆形磁铁10；
38.当承重平台1产生竖直方向振动时，弹性细梁12会在竖直粗杆16的作用下产生线性回复力，与上下圆形磁铁10对方形磁铁产生的回复力叠加，方形磁铁会产生竖直方向有阻尼振动，围绕方形磁铁周围均匀分布的线圈11与磁感线产生相对运动，在电磁感应原理的作用下，线圈11中会产生电能。
39.具体实施例：
40.实施例一：
41.本发明方案提出的第一项俘能方案是将正、负刚度结构并联，兼具压电俘能功能，完成准零刚度结构的低频有效隔振与正压电效应实现的振动能量俘获相结合。将具有准零刚度的隔振结构与压电俘能结合，在隔振器对桥梁外界振动进行隔振(尤其是低频隔振)的同时，把承重平台的竖直振动转化为压电梁的拉压变形，从而产生电能。
42.该隔振器采用正负刚度并联的原理，隔振器在初始平衡状态下处于零刚度，从而在准零刚度范围内实现低频隔振，比传统线性隔振器具有更宽的有效隔振区间，提高了隔振频率范围。同时，正负刚度结构可以通过调节弹簧-杆件系统的物理参数来实现该装置在不同外界环境下的隔振，满足不同的承载与隔振要求。该装置中，负刚度结构与压电俘能的结合能够利用正压电效应有效收集振动能量，从而为传感器等低能耗电子元件进行供电。
43.为实现上述功能要求，实施例一采取以下技术方案予以实现。
44.该装置由正刚度结构、负刚度结构和压电俘能装置所构成。正刚度结构由竖直线性弹簧及竖直滑槽构成，竖直线性弹簧外接于竖直滑槽，被固定在承重平台与下板之间，且只能沿竖直滑槽竖直方向运动。负刚度结构由水平线性弹簧、水平滑槽、连杆、滑块构成，且为压电梁与水平线性弹簧形成的双重负刚度结构。两侧竖直支撑板固定于下板上。连杆共4根，两两铰接于承重平台的一侧，另一端与滑块铰接。滑块安装在滑槽上，水平线性弹簧两端分别固定于滑块和两侧支撑板上，并只可沿水平滑槽在滑块作用下进行水平运动。水平线性弹簧与竖直线性弹簧在安装时都进行预压缩以使正刚度结构和负刚度结构参数满足准零刚度条件。两种结构连接时形成框架结构，并对称均布在下板上，提高了整体结构的稳定性。
45.压电俘能装置由四根压电梁组成，压电梁两两并联，与水平滑槽固接。在振动的过程中承重平台在竖直滑槽上产生竖直方向运动，带动滑槽对压电杆产生拉压变形，通过正压电效应产生电能。两组对称的压电俘能装置可以更加有效地收集转化振动能量。
46.通过调节结构的几何参数，可以实现该装置的准零刚度隔振。将承重平台视为质点，该装置的各项参数如下：kh为水平线性弹簧刚度，kv为竖直线性弹簧刚度，b为压电梁与竖直线性弹簧间的水平距离，压电梁安装后的竖直长度为l，连杆的长度为l，当承重平台发生竖直位移z时，两根并联的压电梁之间距离为l0，并联压电梁的中轴线偏移角度为
ɑ
，连杆偏移水平方向的角度为β，pb为压电梁在发生挤压变形后的作用力，ei为压电梁的刚度系
数。
47.承重平台1在竖直方向的回复力fz为：
[0048][0049]
其中：刚度p为：
[0050]
实施例二：
[0051]
实施例二的第二项俘能方案是将正、负刚度结构与应用电磁感应的磁悬浮结构耦合，实现准零刚度结构的低频有效隔振与电磁感应实现的振动能量俘获相结合。
[0052]
该隔振器与实施例一同样采用准零刚度结构隔振，不同之处在于实施例一使用水平线性弹簧和压电梁组成的双重负刚度结构，实施例二则采用水平线性弹簧、竖直线性弹簧和磁悬浮结构组成的三重负刚度结构，其中竖直线性弹簧替换实施例一中压电梁的位置，且实施例二中的正刚度结构使用弹性细梁来实现。同时，正负刚度结构可以通过调节弹簧-杆件系统的物理参数来实现该装置在不同外界环境下的隔振，满足不同的承载与隔振要求。该装置中，负刚度结构与电磁感应的结合能够有效收集振动能量，从而为桥梁监测传感器等低能耗电子元件进行供电。
[0053]
为实现上述功能要求，本发明采用以下技术方案予以实现。
[0054]
该装置由正、负刚度结构和电磁感应俘能装置所构成。正刚度结构由下板、竖直线性弹簧构成，竖直线性弹簧一端固接于下板上，另一端固接于滑块上，且只能做竖直方向运动。负刚度结构由两侧支撑板、水平滑槽、水平线性弹簧、连杆、滑块构成，其组合方式与实施例一相同。该装置安装在桥梁的桥面与桥柱之间，当桥面收到外界的激励产生振动时，承重平台会将振动传导至装置中，带动连杆与竖直粗杆进行运动，同时对水平滑槽和弹性细梁产生竖直方向的变形，水平滑槽的纵向变形会带动竖直线性弹簧产生竖直方向的位移，产生拉压作用。两种结构连接时形成框架结构，并对称均布在下板上，提高了整体结构的稳定性。
[0055]
电磁俘能结构由竖直粗杆、磁铁、线圈、弹性细梁、底部支座、结构框架构成。竖直粗杆上部固定在承重平台上，下部固定在弹性细梁上，中间部分插入方形磁铁，并将线圈环绕在中部磁铁周围，弹性细梁固定在底部支座上，底部支座与下板通过螺栓连接。在弹性细梁上部建立结构框架，用来固定电磁俘能结构，在结构框架的上部和靠近弹性细梁的下部固定两块极性朝向与中部磁铁方向一致的圆形磁铁。在承重平台产生竖直方向振动时，弹性细梁会在竖直粗杆的作用下产生线性回复力，与结构内部上下磁铁对中部磁铁产生的回复力进行叠加，中部磁铁会产生竖直方向的有阻尼振动，围绕中部磁铁均布的线圈与磁感线产生相对运动，在电磁感应原理的作用下，线圈中会产生电能以供桥梁监测传感器等小功率电子元件用电，实现振动能量的电磁俘获。
[0056]
通过调节几何参数，可以实现该装置的准零刚度隔振。将承重平台视为质点，该装置的各项参数如下：kh为水平线性弹簧刚度，kv为竖直线性弹簧刚度，p1、p2为磁铁的磁极强
度，c为介质的磁导率，d为两端磁铁与中部磁铁间的距离，ks为底部弹性细梁的刚度系数，b为初始位置竖直线性弹簧与装置中轴线的水平距离，l为初始位置竖直线性弹簧的竖直长度，当承重平台1产生竖直方向位移z时，
ɑ
为竖直线性弹簧偏离竖直方向的角度，β为连杆与竖直方向的夹角，l为连杆的长度。
[0057]
当承重平台发生竖直方向的偏移z时，对于电磁俘能结构，结构产生的磁性恢复力为：
[0058][0059]
考虑弹性细梁，磁悬浮结构的恢复力为：
[0060]
其中：cm＝cp1p2[0061]
装置整体的竖直恢复力为：
[0062][0063]
装置刚度p为：