一种准零刚度复合隔振器及准零刚度隔振系统

1.本发明属于机械振动控制技术领域，具体涉及一种准零刚度复合隔振器及准零刚度隔振系统。


背景技术：

2.随着现代化工业技术的快速发展，对仪器设备隔振性能的要求也越来越高，尤其是低频隔振难题。隔振系统的固有频率与阻尼比是影响隔振性能的主要因素，降低隔振系统的固
3.有频率可显著提高系统的隔振能力。根据隔振理论，只有当线性隔振系统的固有频率小于激励频率的倍时才能发挥其隔振效果，因此对中高频的线性振动隔振系统具有良好的隔振能力。而对于低频振动，尤其是小于2hz的超低频振动当前线性隔振系统的性能普遍较差。
4.然而对于许多精密设备和科研装置，尤其是微小力测量及高精度位置检测仪器等，极小的振动如地球脉动、人类活动产生的环境振动以及地壳中表面波和体波振动等均会对设备精度及性能产生巨大影响。因此开发具有超低频隔振性能的隔振系统对于现代工业体系至关重要。
5.为了满足高精设备对超低频振动的需求，准零刚度隔振器应运而生。一般来说，准零刚度隔振器由正刚度和负刚度零件并联组成。基于非线性隔振特性，准零刚度隔振器具有静刚度高、动刚度低的优点。然而当前的准零刚度隔振器需要保证其受到的压力要与隔振器中心同轴。若受到偏心载荷容易使隔振器倾覆并造成损伤，使得准零刚度隔振器在隔振技术领域的进一步发展严重受限。因此发展可承受偏心载荷的准零刚度隔振系统对于当前隔振技术领域具有重要意义。


技术实现要素：

6.为了解决上述存在的问题，本发明提出：一种准零刚度复合隔振器及准零刚度隔振系统，包括上连接端板、下连接端板、三个呈等边三角形均匀排布的金属橡胶复合准零刚度隔振器，所述上连接端板分别与三个所述金属橡胶复合准零刚度隔振器焊接，三个所述金属橡胶复合准零刚度隔振器分别与下连接端板焊接。
7.本发明的有益效果为：基于压杆失稳机理，以橡胶金属圆环柱作为负刚度元件，对顶波形弹簧作为正刚度元件，将两者并联安装，使该复合隔振器在平衡位置具有较低的动刚度和较高的静刚度，获得良好的超低频隔振效果。
8.该准零刚度隔振系统将三个准零刚度隔振器呈等边三角形排布，在受到偏心载荷的时候可将压力分解，保证最少有一个准零刚度隔振器工作，使隔振系统在受到偏心载荷时仍具有优良的低频隔振性能。
9.金属骨架、橡胶圆环柱、波形对顶弹簧所用的材料都具有较高的耐久性与稳定性。
10.开发的金属橡胶复合准零刚度隔振器在平衡位置具有动刚度低和静刚度高的特
性，使其拥有良好的超低频隔振效果。在此基础上，将三个金属橡胶复合准零刚度隔振器呈等边三角形排布建立准零刚度隔振系统，在该系统受到偏心载荷的时候可保证一个/两个/三个隔振器工作在零刚度区域。而且本系统部件加工简单、价格低廉，适用于批量生产。
11.通过ansys与matlab进行联合仿真分析得到的隔振器在平衡位置的外激励力与系统位移的关系与波形弹簧的刚度计算公式，据此可为隔振器的参数优化提供参考。
附图说明
12.图1为本发明准零刚度隔振系统的整体结构示意图；
13.图2为本发明准零刚度复合隔振器的整体结构示意图；
14.图3为本发明准零刚度复合隔振器剖面图。
15.图4为本发明准零刚度隔振系统的受力区域示意图。
16.其中，附图标记为：
17.1、上连接端板；2、金属橡胶复合准零刚度隔振器；3、下连接端板；4、上连接钢板；5、橡胶圆环柱；6、波形对顶弹簧；7、金属骨架；8、下连接钢板；9、哑铃型通孔；10、竖直压杆；。
具体实施方式
18.一种准零刚度复合隔振器及准零刚度隔振系统，如图1所示，该准零刚度隔振系统包括上连接端板1、金属橡胶复合隔振器2和下连接端板3，所述上连接端板1分别与三个所述金属橡胶复合准零刚度隔振器2焊接，三个所述金属橡胶复合准零刚度隔振器2分别与下连接端板3焊接。
19.如图2所示，所述准零刚度复合隔振器，包括上连接钢板4、金属橡胶复合圆环柱和波形对顶弹簧6以及下连接钢板8。所述金属橡胶复合圆环柱包括相连接的橡胶圆环柱5和金属骨架7，通过浇筑工艺将硫化橡胶圆环柱5负载于金属骨架上7。橡胶圆环柱5是浇筑在金属骨架7上的，并不与波形对顶弹簧6相连。波形对顶弹簧6的两端分别于上连接钢板4和下连接钢板8相连。
20.其中，上连接钢板4的下表面设有圆形凹槽a，所述的圆形凹槽a与橡胶圆环柱的上端通过过盈配合安装；所述的波形对顶弹簧6与橡胶圆环柱5通过间隙配合；所述的下连接钢板8的上表面设有圆环形凹槽b，所述的圆环形凹槽b与橡胶金属圆环柱的下端通过过盈配合安装。在受压缩过程中，凹槽a和凹槽b均与橡胶圆环柱5内表面仍保持过盈配合。
21.过盈配合的释义通俗来说，橡胶圆环柱5是有弹性的可压缩，然后这个金属骨架7的外圆尺寸和上、下短板凹槽的圆尺寸基本一致，保证一定公差，金属骨架7和橡胶圆环柱5一体浇筑成型的。金属骨架7和橡胶圆环柱5分别卡在这个凹槽a和凹槽b内。
22.上连接端板1是通过其下表面的圆形凹槽与金属橡胶复合准零刚度隔振器2的上连接钢板4相连接配合；金属橡胶复合准零刚度隔振器2的下连接钢板8通过与下连接端板3的上表面圆形凹槽实现连接与固定。
23.其中，所述橡胶圆环柱5、金属骨架7和波形对顶弹簧6三者高度相同且同轴设置。
24.其中，所述的波形对顶弹簧6是由一根带材通过串联绕制的加工方法叠加而成，该弹簧保持了波峰波谷的一致性，使隔振器受拉伸与压缩载荷时分布更加均匀。
25.所述准零刚度复合隔振器，在受到载荷时橡胶金属复合圆环柱受压屈曲变形产生负刚度、波形对顶弹簧受压弹性变形产生正刚度。橡胶金属复合圆环柱和波形对顶弹簧并联，当达到平衡位置时，隔振器的刚度趋近于零且大于零，进而能够获得较低的固有频率，实现超低频隔振。
26.所述准零刚度金属橡胶复合隔振器通过ansys和matlab联合仿真得到复合隔振器在平衡位置的外激励力与系统位移之间的关系：
[0027][0028]
其中f-系统所受力n，x-系统位移mm，初始位置为平衡位置；
[0029]
其中，所述金属骨架7由对称分布的四个竖直压杆10以及设置在四个竖直压杆上、下两端的固定圆环组成。
[0030]
其中，所述金属骨架由60si2mna高弹性钢材料制成，其四个均匀对称的竖直压杆10，需向外做弯曲预处理。
[0031]
金属骨架7支撑的竖直压杆10自身有弹性，向外突出，引起橡胶圆环柱5向外膨胀，呈桶装，哑铃型通孔9中间的竖孔会被撑开。
[0032]
其中，所述橡胶圆环柱上设有多个哑铃型通孔，所述哑铃型通孔9分别位于相邻两竖直压杆10中间处对应的位置。
[0033]
其中，所述的波形对顶弹簧采用多层波形弹簧。型号采用rw54型wavo波形弹簧。
[0034]
所述波形对顶弹簧的刚度计算公式：以下公式里面的字母含义补充完整即可
[0035]
s1:由半个波形的变形与载荷之间的关系：
[0036][0037]
ω为半个波形的曲线方程，波形弹簧一个整波长度为其中dm为波纹弹簧中径，n为波纹弹簧波数；半个波长为波形弹簧的弹性模量为e。
[0038]
半个波长为：
[0039][0040]
其中d为波形弹簧外圈直径。
[0041]
s2：对于wavo圆线波形弹簧，其截面为圆，惯性矩为：
[0042][0043]
代入s1，求得一个完整波形产生的变形是：
[0044][0045]
s3：得到刚度计算公式：
[0046][0047]
其中p为弹簧所受载荷，φ表示变形量。
[0048]
所述隔振系统在受到偏心载荷时，呈正三角形均匀分布的三个隔振器同时工作，将载荷进行分解。若隔振系统中心区域受压，则可将载荷分解为三个位于隔振器中心的压力，三个准零刚度隔振器同时工作。若隔振系统边缘受压，则可将此载荷分解为两个隔震器近中心的压力和一个隔振器远的偏心拉力，此时两个准零刚度隔振器工作。若隔振系统的顶点受压，则可将此载荷分解为一个隔振器近中心的压力和两个隔振器远的偏心拉力，此时仍有一个准零刚度隔振器工作。
[0049]
金属橡胶复合准零刚度隔振器的上连接钢板4用于承载隔振物，上连接钢板4下表面凹槽a与金属橡胶复合圆环柱的上端通过间隙配合安装；金属橡胶复合圆环柱以金属骨架7作为支撑，通过浇筑工艺合成；波形对顶弹簧6与金属橡胶复合圆环柱通过过盈配合安装；下连接钢板8上表面的凹槽b与金属橡胶复合圆环柱的下端通过过盈配合进行连接。橡胶圆柱5、波形对顶弹簧6和金属骨架7三者高度相同且同轴设置，如图3所示。
[0050]
在本实例中，波形对顶弹簧采用多层波形弹簧，其上、下端面均为平面。金属骨架7四个均匀对称的竖直压杆10向外做弯曲预处理；橡胶圆柱上设置4个通孔，该通孔呈竖直哑铃形且在橡胶圆柱上均匀分布，分别位于相邻两竖直压杆的中间位置与竖直压杆之间有45
°
夹角，以保证金属橡胶复合圆环柱屈曲方向。
[0051]
在本实例中，金属橡胶复合准零刚度隔振器工作过程中受压力作用，金属橡胶复合圆环柱受压屈曲产生负刚度，波形对顶弹簧弹性变形产生正刚度，因此该隔振器在平衡位置时固有频率接近于0hz，拥有极低的动刚度和极高的静刚度，从而实现超低频隔振；
[0052]
在本实例中，准零刚度隔振系统工作过程中受压力载荷作用。若隔振系统中心区域受压，则可将此载荷分解为三个位于隔振器中心的压力，三个准零刚度隔振器同时工作。若隔振系统边缘受压，则可将此载荷分解为两个隔震器近中心的压力和一个隔振器远的偏心拉力，此时两个准零刚度隔振器工作。若隔振系统的顶点受压，则可将此载荷分解为一个隔振器近中心的压力和两个隔振器远的偏心拉力，此时仍有一个准零刚度隔振器工作，如图4所示。
[0053]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。