一种可消除初始静变形的超低频金属减震器
阅读说明：本技术 一种可消除初始静变形的超低频金属减震器 (Ultralow frequency metal shock absorber capable of eliminating initial static deformation ) 是由 班书昊 李晓艳 席仁强 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可消除初始静变形的超低频金属减震器,属于金属减震器领域。它包括外壳、平衡支架板、端盖A、端盖B、导轨齿条杆、设备平台、刚度等效转换装置和零位移自平衡装置；刚度等效转换装置包括大齿轮A、小齿轮A、大齿轮B、小齿轮B、转轴、大齿轮C、力增益杆、弧形滑块、弹簧导向板和伸缩弹簧；零位移自平衡装置包括滑轮A、滑轮B、滑轮E、平动滑块、平动连杆、滑轮C、滑轮D、静止滑块、柔性绳B、平衡配重和柔性绳A。本发明是一种结构简单合理、具有静态零位移、利用大刚度弹簧实现超低频固有频率的超低频金属减震器。(The invention discloses an ultralow frequency metal shock absorber capable of eliminating initial static deformation, and belongs to the field of metal shock absorbers. The device comprises a shell, a balance support plate, an end cover A, an end cover B, a guide rail rack rod, an equipment platform, a rigidity equivalent conversion device and a zero displacement self-balancing device; the rigidity equivalent conversion device comprises a bull gear A, a pinion gear A, a bull gear B, a pinion gear B, a rotating shaft, a bull gear C, a force gain rod, an arc-shaped sliding block, a spring guide plate and a telescopic spring; the zero-displacement self-balancing device comprises a pulley A, a pulley B, a pulley E, a translational sliding block, a translational connecting rod, a pulley C, a pulley D, a static sliding block, a flexible rope B, a balance weight and a flexible rope A. The ultralow frequency metal shock absorber has a simple and reasonable structure, has static zero displacement, and realizes ultralow frequency inherent frequency by using the high-stiffness spring.)
技术领域
本发明主要涉及金属减震器领域，特指一种可消除初始静变形的超低频金属减震器。
背景技术
采用弹簧力实现减震的金属减震器在工程中得到广泛的应用，通常情况下，弹簧的刚度越小，系统的固有频率越低，减震效果越好；同时弹簧的刚度越小，系统的初始静变形也就越大，从而导致金属弹簧的初始长度也就越大。现有技术中的金属减震器的固有频率通常大于5Hz，因此它难以实现对外界环境中低频率（5-10Hz）激励力的超低频（固有频率小于5Hz）减震；而且现有的低频率减震器的静态初位移太大而导致减震器的整体高度太高。因此，设计一种可消除初始静态变形的超低频减震器具有一定的工程应用前景。
发明内容
本发明需解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单合理、具有静态零位移、利用大刚度弹簧实现超低频固有频率的超低频金属减震器。
为了解决上述问题，本发明提出的解决方案为：一种可消除初始静变形的超低频金属减震器，包括外壳，沿水平方向固定装设在所述外壳内部的平衡支架板，分别固定装设在所述外壳两端的端盖A和端盖B，下端位于所述外壳内上端穿过所述端盖A并延伸在外沿铅垂方向装设的导轨齿条杆，固定装设在所述导轨齿条杆上端用于安装被减震设备的设备平台。
所述导轨齿条杆的右侧面设有啮合齿，左侧面为光滑面；所述平衡支架板上开设有沿水平方向的直线型滑槽。
还包括装设在所述外壳内部的刚度等效转换装置和零位移自平衡装置。
所述刚度等效转换装置包括转动装设在所述外壳上的大齿轮A、小齿轮A、大齿轮B、小齿轮B和转轴，固定装设在所述转轴上的大齿轮C和力增益杆，转动装设在所述力增益杆上远离所述转轴一端的弧形滑块，固定装设在所述端盖B上的弹簧导向板，伸缩弹簧。
所述大齿轮A和小齿轮A同轴同步转动装设，所述大齿轮B和小齿轮B同轴同步转动装设；所述大齿轮A与所述导轨齿条杆啮合，所述小齿轮A与所述大齿轮B外啮合，所述小齿轮B与所述大齿轮C外啮合；所述弹簧导向板上开设有以转轴为圆心的圆弧形滑槽，所述圆弧形滑槽中装设有所述弧形滑块和伸缩弹簧，所述伸缩弹簧的两端分别与所述弧形滑块和所述弹簧导向板相连。
所述零位移自平衡装置包括转动装设在所述平衡支架板上的滑轮A、滑轮B和滑轮E，滑动装设在所述直线型滑槽上的平动滑块，沿水平方向固定装设在所述平动滑块上的平动连杆，转动装设在所述平动连杆上的滑轮C和滑轮D，固定装设在所述平衡支架板右端且与所述导轨齿条杆滑动配合的静止滑块，一端与所述导轨齿条杆的下端相连另一端绕过所述滑轮E并与所述平动滑块相连的柔性绳B，平衡配重，一端与所述平衡配重相连另一端依次绕过所述滑轮A、滑轮D、滑轮B和滑轮C并与所述滑轮B的中心相连的柔性绳A。
进一步地，所述大齿轮A和大齿轮B、大齿轮C均为扇形齿轮。
进一步地，所述大齿轮A的半径不小于所述小齿轮A半径的两倍；所述大齿轮B的半径不小于所述小齿轮B半径的两倍；所述大齿轮C的半径不小于所述圆弧形滑槽半径的两倍。
进一步地，所述柔性绳B位于所述滑轮E与平动滑块之间的部分沿水平方向装设。
进一步地，所述伸缩弹簧为金属螺旋抗拉压弹簧。
进一步地，安装被减震设备后的所述设备平台处于静止平衡状态时，所述伸缩弹簧的变形量为零。
进一步地，所述平衡配重的重力与所述设备平台和被减震设备总重力组成一个平衡系统。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明的一种可消除初始静变形的超低频金属减震器设有零位移自平衡装置，通过设置一个平衡配重与五个滑轮使得设备平台和被减震设备在自重作用下可以平衡在任意位置，在不影响整个系统等效刚度的情况下消除了静平衡状态下的初始静变形，即实现了静态零位移；本发明还设有刚度等效转换装置，通过两组同轴转动的大齿轮和小齿轮，以及力增益杆和圆弧形滑槽，可以将一个大刚度的伸缩弹簧转变为超低频的系统等效刚度，从而使得本发明的金属减震器具有超低频固有频率。由此可知，本发明是一种结构简单合理、具有静态零位移、利用大刚度弹簧实现超低频固有频率的超低频金属减震器。
附图说明
图1是本发明的一种可消除初始静变形的超低频金属减震器的结构原理示意图。
图中，10—设备平台，11—导轨齿条杆；12—端盖A；13—外壳；14—端盖B；15—平衡支架板；151—直线型滑槽；21—大齿轮A；22—小齿轮A；23—大齿轮B；24—小齿轮B；25—大齿轮C；26—转轴；27—弹簧导向板；28—伸缩弹簧；29—弧形滑块；210—力增益杆；31—滑轮A；32—滑轮B；33—滑轮C；34—滑轮D；35—平动连杆；36—平动滑块；37—滑轮E；38—柔性绳A；39—平衡配重；310—静止滑块；311—柔性绳B。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示， 本发明的一种可消除初始静变形的超低频金属减震器，它包括外壳13，沿水平方向固定装设在外壳13内部的平衡支架板15，分别固定装设在外壳13两端的端盖A12和端盖B14，下端位于外壳13内上端穿过端盖A12并延伸在外沿铅垂方向装设的导轨齿条杆11，固定装设在导轨齿条杆11上端用于安装被减震设备的设备平台10。
导轨齿条杆11的右侧面设有啮合齿，左侧面为光滑面；平衡支架板15上开设有沿水平方向的直线型滑槽151。
还包括装设在外壳13内部的刚度等效转换装置和零位移自平衡装置。
刚度等效转换装置包括转动装设在外壳13上的大齿轮A21、小齿轮A22、大齿轮B23、小齿轮B24和转轴26，固定装设在转轴26上的大齿轮C25和力增益杆210，转动装设在力增益杆210上远离转轴26一端的弧形滑块29，固定装设在端盖B14上的弹簧导向板27，伸缩弹簧28。
大齿轮A21和小齿轮A22同轴同步转动装设，大齿轮B23和小齿轮B24同轴同步转动装设；大齿轮A21与导轨齿条杆11啮合，小齿轮A22与大齿轮B23外啮合，小齿轮B24与大齿轮C25外啮合；弹簧导向板27上开设有以转轴26为圆心的圆弧形滑槽，圆弧形滑槽中装设有弧形滑块29和伸缩弹簧28，伸缩弹簧28的两端分别与弧形滑块29和弹簧导向板27相连。
零位移自平衡装置包括转动装设在平衡支架板15上的滑轮A31、滑轮B32和滑轮E37，滑动装设在直线型滑槽151上的平动滑块36，沿水平方向固定装设在平动滑块36上的平动连杆35，转动装设在平动连杆35上的滑轮C33和滑轮D34，固定装设在平衡支架板15右端且与导轨齿条杆11滑动配合的静止滑块310，一端与导轨齿条杆11的下端相连另一端绕过滑轮E37并与平动滑块36相连的柔性绳B311，平衡配重39，一端与平衡配重39相连另一端依次绕过滑轮A31、滑轮D34、滑轮B32和滑轮C33并与滑轮B32的中心相连的柔性绳A38。零位移自平衡装置可以使得安装被减震设备后的设备平台10在伸缩弹簧28零变形状态下以任意高度点为静态平衡位置，从而可以降低减震器整体的设计高度。
作为优选地，大齿轮A21和大齿轮B23、大齿轮C25均为扇形齿轮。
作为优选地，大齿轮A21的半径不小于小齿轮A22半径的两倍；大齿轮B23的半径不小于小齿轮B24半径的两倍；大齿轮C25的半径不小于圆弧形滑槽半径的两倍。
作为优选地，柔性绳B311位于滑轮E37与平动滑块36之间的部分沿水平方向装设，从而使得柔性绳B311的拉力完全用作平动滑块36的主动力，且柔性绳B311对于设备平台10向上的作用力分量等于设备平台10和被减震设备的总重力。
作为优选地，伸缩弹簧28为金属螺旋抗拉压弹簧。
作为优选地，安装被减震设备后的设备平台10处于静止平衡状态时，伸缩弹簧28的变形量为零。
作为优选地，平衡配重39的重力与设备平台10和被减震设备总重力组成一个平衡系统。
零位移自平衡装置的工作原理：滑轮C33、滑轮D34、平动连杆35和平动滑块36组成一个动滑轮组。由于平衡配重39的重力与设备平台10和被减震设备总重力组成一个平衡系统，因此尽管柔性绳B311与导轨齿条杆11存在夹角，但是当设备平台10在平衡位置附近升降运动时，此夹角的改变所导致的柔性绳B311中的拉力改变值与柔性绳B311的初始拉力值相比可以忽略，同时由于柔性绳A38中的拉力等于柔性绳B311拉力的四分之一，进而使得柔性绳A38中的拉力改变值与平衡配重39的重力相比完全可以忽略，因此设备平台10和被减震设备可以与平衡配重39组成一个动态自平衡系统，即使安装被减震设备后的设备平台10上下运动，其重力仍然不会影响到伸缩弹簧28的变形量。因此，本发明的零位移自平衡装置不仅消除了被减震设备与设备平台10自重所产生的铅垂方向位移，而且可以在减震过程中始终保持动态自平衡，消除了静平衡位置对弹簧初始变形量的要求。
刚度等效转换装置的工作原理：不妨设大齿轮A21与小齿轮A22的半径比为, 大齿轮B23与小齿轮B24的半径比为,大齿轮C25与圆弧形滑槽的半径比为，设备平台10在外界激励力的作用下运动位移为，伸缩弹簧28沿圆弧形滑槽方向的变形量为，相对应的弹簧力为，即弹簧的刚度为。
当设备平台10向下运动时，大齿轮A21与小齿轮A22逆时针方向转动，大齿轮B23与小齿轮B24顺时针方向转动，大齿轮C25和力增益杆210逆时针方向转动，伸缩弹簧28变短；当设备平台10向上运动时，大齿轮A21与小齿轮A22顺时针方向转动，大齿轮B23与小齿轮B24逆时针方向转动，大齿轮C25和力增益杆210顺时针方向转动，伸缩弹簧28变长。由能量守恒可知，伸缩弹簧28沿圆弧形滑槽方向的长度改变量与设备平台10升降运动的位移量满足关系式：；根据啮合传动理论可知位移量与位移量满足关系式，由等效刚度的定义公式可知本发明的减震器的等效刚度。因此，本发明的刚度等效转换装置可以将一个刚度为的伸缩弹簧28转变为小于的系统刚度。系统的固有频率正比于系统等效刚度的平方根，即。因此，当伸缩弹簧的刚度处于满足频率为5-10 Hz条件时，本发明的减震器安装被减震设备后，系统的固有频率将转变为0.625-1.25Hz，从而实现了远小于5Hz的超低频减震。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应该属于本发明的保护范围之内。
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