一种含周期结构的宽频隔振器
阅读说明：本技术 一种含周期结构的宽频隔振器 (Broadband vibration isolator with periodic structure ) 是由 刘海平 张世乘 吕琦 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种含周期结构的宽频隔振器,属于隔振技术领域。该隔振器包括变截面薄片梁、周期结构、连接件、压盖、基座和底座,变截面薄片梁头部与连接件下端面使用M5螺钉相连；薄片梁尾部与基座上端面使用M5螺栓相连；连接件上端面与压盖使用M5螺钉相连；周期结构与连接件通过周期结构上端面通孔的M6螺栓相连；橡胶填充在周期结构内部,周期结构与橡胶通过灌胶工艺相配合。基座上端面和连接件下端面都加工为斜置平面,便于使用螺钉与变截面薄片梁连接；周期结构下端面与底座利用M5螺栓固连。变截面薄片梁通过弯曲产生垂直方向的负刚度,周期结构提供正刚度,二者组合形成宽频隔振系统,降低峰值频率；周期结构中的橡胶提供阻尼,降低响应峰值。(The invention provides a broadband vibration isolator with a periodic structure, and belongs to the technical field of vibration isolation. The vibration isolator comprises a variable cross-section thin sheet beam, a periodic structure, a connecting piece, a gland, a base and a base, wherein the head of the variable cross-section thin sheet beam is connected with the lower end face of the connecting piece by using an M5 screw; the tail part of the thin plate beam is connected with the upper end surface of the base by using an M5 bolt; the upper end surface of the connecting piece is connected with the gland through an M5 screw; the periodic structure is connected with the connecting piece through an M6 bolt of a through hole on the upper end face of the periodic structure; the rubber is filled in the periodic structure, and the periodic structure is matched with the rubber through a glue pouring process. The upper end surface of the base and the lower end surface of the connecting piece are processed into inclined planes, so that the base and the connecting piece can be conveniently connected with the variable cross-section thin sheet beam by using screws; the lower end face of the periodic structure is fixedly connected with the base through M5 bolts. The variable cross-section thin sheet beam generates negative rigidity in the vertical direction through bending, the periodic structure provides positive rigidity, and the negative rigidity and the positive rigidity are combined to form a broadband vibration isolation system so as to reduce peak frequency; the rubber in the periodic structure provides damping and reduces the response peak.)
技术领域
本发明涉及隔振技术领域，特别是指一种含周期结构的宽频隔振器。
背景技术
在航天卫星、精密机械、光电探测、医疗器械及激光测距等重大工程领域中，振动控制始终作为工程研究的重点之一。随着经济的快速发展，工程领域对设备的隔振要求越来越高，尤其在一些高精尖领域，周边环境的振动，如人员走动、道路行车及大型设备运作、安装调试都会对设备性能的稳定性、测试的精确性造成影响，甚至出现不可逆的破坏。为保证设备的稳定性，需要对其进行隔振控制。常见的隔振器一般选用如弹簧隔振器或橡胶隔振器等线性隔振器，线性隔振器静态压缩量大，固有频率较低，低频隔振性能良好。但是若设备承受静压载荷过大，线性隔振器将会出现较大的变形量，使得设备的稳定性大大降低，甚至对其安全性造成不可逆的破坏。为保证设备在受到较大静载荷时，能够保证设备的稳定性；同时，当设备受到周围环境扰动发生振动时，能够通过隔振器保证尽可能好的隔振效果。因此，使隔振器具有高的静刚度，同时满足低的动刚度，使其实现“高静低动”，得到更小的固有频率显得极为重要。故，开发一种宽频隔振器对高精尖设备的保护及提高其工作稳定性具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种含周期结构的宽频隔振器，该隔振器作为一种宽频高稳定性的减隔振装置，能够实现“高静低动”，即：增加了隔振器的静态刚度，使得静态变形量有效降低；同时，有效降低了隔振器的动态刚度，保证了隔振器良好的隔振性能，以及工作设备的稳定性。本发明采用的变截面薄片梁提供负刚度，周期结构提供正刚度，组合成宽频隔振器，同时周期结构还具有带隙特性，能进一步增强其减隔振性能。将隔振器与设备安装，从而有效隔离周围环境引起的振动，隔振稳定、可靠性高、结构简单、安装方便。通过提高隔振器的静刚度，降低其动刚度，解决了现有技术中隔振性能不稳定的问题。
该隔振器包括变截面薄片梁、周期结构、连接件、压盖、基座和底座，基座下端面通过M5螺栓固定在底座上，基座上端面与变截面薄片梁尾部通过M5螺栓连接，变截面薄片梁头部与连接件下端面通过M5螺钉连接，连接件内部腔室用来安放需要隔离振动物体的连接部位，通过连接件上部的压盖进行固定，压盖与连接件通过M5螺钉连接；连接件内部腔室到连接件下端面留有通孔，M6螺栓穿过通孔将周期结构与连接件相连；周期结构通过M5螺栓固定在底座上；橡胶填充在周期结构内部，周期结构与橡胶通过灌胶工艺相配合；M5螺钉连接处设置弹簧垫圈进行防松；M5螺栓连接处设置弹簧垫圈进行防松。
其中，变截面薄片梁和基座上端面宽度相同，变截面薄片梁的厚度与长度可根据具体需求进行调整。变截面薄片梁由屈服强度大于1600MPa、抗拉强度大于1800MPa的材料制成，如60Si2CrVA，有助于减隔振，可以提供负刚度；基座由塑性好、易加工的材料制成，如10F。
周期结构为3D打印一体化加工完成的中间有空隙的结构，周期结构由抗拉强度大于480MPa、含Mo量为3％的合金材料制成，如316L不锈钢；周期结构层数不少于2层；且每层被不少于2个支撑柱分割为n份，其中n≥2，每份内部填充橡胶，橡胶选材可依据具体工况进行调整，选择依据为橡胶的弹性模量、泊松比及阻尼比等指标。
基座上端面与连接件下端面加工成斜置平面，便于使用M5螺钉与变截面薄片梁连接，同时斜置平面的角度可以根据具体需求变化。
变截面薄片梁根据隔振要求，替换为等截面薄片梁；弹簧垫圈根据实际需求，替换为止动垫片、自锁螺母中的一种进行防松。
变截面薄片梁沿轴向阵列安装，设置不少于6组安装位置，根据具体减隔振要求变截面薄片梁的数量可调整。
连接件与周期结构之间设置压电材料，压电材料外接耗能电路，改善系统阻尼特性，实现主动控制。
变截面薄片梁下端面黏贴压电材料，当变截面薄片梁发生位移，同时带动压电材料发生位移，压电材料外接耗能电路。
周期结构替换为弹簧，弹簧外部设置线圈，线圈上端与连接件下端面连接，线圈下端悬空，底座内壁布置m组环形磁铁，m≥4，当隔振器在工作阶段产生位移时，线圈相对于磁铁做相对运动，线圈中产生电压，线圈外接耗能电路，改善系统阻尼特性，实现主动控制。
周期结构受到静压或隔振系统受到外界环境扰动时变截面薄片梁及周期结构中的橡胶提供刚度、阻尼，满足系统宽频高稳定性隔振需求。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1、本发明采用周期结构件作为支撑结构，利用周期结构内部空隙填充橡胶，使周期结构具有合适的刚度和阻尼，相比普通的弹簧隔振器，周期结构含有较好的阻尼特性及带隙特性，使得系统的隔振性能得到了有效的改善。
2、本发明采用变截面薄片梁与周期结构进行组合安装，从而通过其自身弯曲产生垂直方向的负刚度，相比水平压杆、斜置线性弹簧、欧拉屈曲梁等形式，其抗蠕变性能更好，易于实现轻量化，且系统的高频隔振性能得到了有效的改善。
3、本发明通过将周期结构与变截面薄片梁进行组合安装，周期结构提供正刚度，变截面薄片梁提供垂直方向的负刚度，二者组合形成宽频隔振系统，有效降低了响应峰值，实现了宽频高稳定性隔振。
4、本发明结构简单、安装方便、工作可靠、零部件易于更换，同时隔振器的刚度和阻尼相对独立，且可以根据隔振需要增加薄片梁的数量，使系统的隔振效果更加稳定。
5、本发明可根据不同隔振需求，合理设计结构参数，提升隔振器的工作效率和实现振幅衰减性能的可调性。
6、本发明可以在高精尖工程隔振领域中推广应用，有效的增大了隔振系统的静态刚度，从而降低其静态变形量，增强了系统的稳定性；同时，保证了高频振动时，提供较低的动刚度，实现“高静低动”特性，满足系统宽频高稳定性隔振需求。
7、本发明使用的压盖、连接件装置可以很方便的与需要隔振物体相连，结构简单、不需维护、节约成本、工作可靠、使用寿命长、实用性强。
8、本发明可以根据具体隔振需要，通过将多种方案组合使用，实现主、被动控制。
附图说明
图1为本发明的含周期结构的宽频隔振器外观结构示意图；
图2为本发明的含周期结构的宽频隔振器的等轴测视图；
图3为本发明的含周期结构的宽频隔振器剖面图；
图4为本发明的周期结构的等轴测视图；
图5为本发明装有压电材料隔振器方案一的剖面图；
图6为本发明装有压电材料隔振器方案二的剖面图；
图7为本发明装有电磁分流装置隔振器的剖面图。
其中：1-变截面薄片梁；2-周期结构；3-连接件；4-压盖；5-基座；6-底座；7-M5螺栓；8-弹簧垫圈；9-M5螺钉；10-M6螺栓；11-橡胶；12-支撑柱；13-压电材料；14-耗能电路；15-弹簧；16-线圈；17-磁铁。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种含周期结构的宽频隔振器。
如图1、图2、图3和图4所示，该隔振器包括变截面薄片梁1、周期结构2、连接件3、压盖4、基座5和底座6，基座5下端面通过M5螺栓7固定在底座6上，基座5上端面与变截面薄片梁1尾部通过M5螺栓7连接，变截面薄片梁1头部与连接件3下端面通过M5螺钉9连接，连接件3内部腔室用来安放需要隔离振动物体的连接部位，通过连接件3上部的压盖4进行固定，压盖4与连接件3通过M5螺钉9连接；连接件3内部腔室到连接件3下端面留有通孔，M6螺栓10穿过通孔将周期结构2与连接件3相连；周期结构2通过M5螺栓7固定在底座6上；橡胶11填充在周期结构2内部，周期结构2与橡胶11通过灌胶工艺相配合；M5螺钉连接处设置弹簧垫圈8进行防松；M5螺栓连接处设置弹簧垫圈8进行防松。
变截面薄片梁1和基座5上端面宽度相同，变截面薄片梁1的厚度与长度可根据具体需求进行调整。连接件3腔室与压盖4可以根据需要隔振物体的形状尺寸进行调整，以保证可靠的连接方式，进行有效的隔振。变截面薄片梁1由屈服强度大于1600MPa、抗拉强度大于1800MPa的材料制成；基座5由塑性好、易加工的材料制成。
周期结构2为3D打印一体化加工完成的中间有空隙的结构，周期结构2由抗拉强度大于480MPa、含Mo量为3％的合金材料制成；周期结构2层数不少于2层；且每层被不少于2个支撑柱12分割为n份，其中n≥2，每份内部填充橡胶11，橡胶11选材可依据具体工况进行调整，选择依据为橡胶11的弹性模量、泊松比及阻尼比等指标。
基座5上端面与连接件3下端面加工成斜置平面，便于使用M5螺钉9与变截面薄片梁1连接，同时斜置平面的角度可以根据具体需求进行变化。
在具体应用中，变截面薄片梁1根据隔振要求，替换为等截面薄片梁；弹簧垫圈8根据实际需求，替换为止动垫片、自锁螺母中的一种进行防松。
变截面薄片梁1沿轴向阵列安装，设置不少于6组安装位置。
如图5所示，连接件3与周期结构2之间设置压电材料13，压电材料13外接耗能电路14，改善系统阻尼特性，实现主动控制。
如图6所示，还可以在变截面薄片梁1下端面黏贴压电材料13，当变截面薄片梁1发生位移，同时带动压电材料13发生位移，压电材料13外接耗能电路14。
如图7所示，在应用中，周期结构2还可以替换为弹簧15，弹簧15外部设置线圈16，线圈16上端与连接件3下端面连接，线圈16下端悬空，底座6内壁布置m组环形磁铁17，m≥4，当隔振器在工作阶段产生位移时，线圈16相对于磁铁17做相对运动，线圈16中产生电压，线圈16外接耗能电路14，改善系统阻尼特性，实现主动控制。
周期结构2受到静压或隔振系统受到外界环境扰动时变截面薄片梁1及周期结构2中的橡胶11提供刚度、阻尼，满足系统宽频高稳定性隔振需求。
下面结合具体实施例予以说明。
本发明含周期结构的宽频隔振器，压盖为两片环形结构，需要隔振物体的连接部位伸入连接件腔室，通过螺钉将压盖与连接件固定，保证二者连接稳定。设置6组变截面薄片梁，故应在连接件下端面加工6个斜置平面，以便与变截面薄片梁头部连接，平面倾角根据具体隔振工况确定；变截面薄片梁尾部与基座的上端面通过螺栓连接，连接件内部腔室到连接件下端面留有通孔，螺栓穿过通孔将周期结构与连接件相连；螺栓穿过周期结构的法兰将周期结构与底座固连，橡胶填充在周期结构内部，周期结构与橡胶通过灌胶工艺相配合，整个底座为圆形结构。
具体的连接顺序为：首先将变截面薄片梁与连接件通过螺钉组合成负刚度机构，其次，将M6螺栓从连接件内腔从上到下依次穿过连接件和周期结构，将二者固连，通过6个M5螺栓将周期结构与底座固连。然后分别将变截面薄片梁与基座连接，将基座与底座上端面通过M5螺栓固连。最后，将需要隔振物体的连接部位放入连接件内腔，盖上压盖，通过M5螺钉将其固定。
如图1所示，当隔振系统处于工作状态时，由于存在负载重力，隔振系统处于平衡位置，即竖直方向重力与隔振器反力相互抵消。隔振器反力通过变截面薄片梁和周期结构变形提供。其中变形量为施加静载后隔振器从初始位置到平衡位置的变形。当隔振系统受周围环境影响发生振动时，变截面薄片梁提供的负刚度及周期结构附带的带隙特性对系统的振动可以起到很好的抑制效果。
在含压电材料周期结构隔振器方案中，如图5所示，压电材料位于连接件与周期结构之间，压电材料外接耗能电路，改善了系统阻尼特性，压电材料受力后，把机械能转化为电能，然后通过分流电路中的元器件把电能消耗掉，起到阻尼效果，实现了主动控制。
除上述含压电材料的方案外，还可以将压电材料粘贴在变截面薄片梁下端面，如图6所示，当变截面薄片梁发生位移时，从而带动压电材料发生位移，压电材料外接耗能电路，改善了系统阻尼特性，实现了主动控制。
在含磁铁的周期结构隔振器方案中，如图7所示，将周期结构替换为弹簧，线圈上端与连接件下端面连接，线圈下端悬空，同时确保弹簧在线圈内部。在底座内壁布置n组环形磁铁，n≥4，当隔振器在工作阶段产生位移时，线圈相对于磁铁做相对运动，根据法拉第电磁感应定律，线圈中产生电压，线圈外接耗能电路，改善了系统阻尼特性，实现了主动控制。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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