一种两自由度准零刚度低频隔振装置
阅读说明：本技术 一种两自由度准零刚度低频隔振装置 (Two-degree-of-freedom quasi-zero-rigidity low-frequency vibration isolation device ) 是由 宋春芳 嵇雯 刘彦琦 于 2021-02-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及低频隔振技术领域,尤其是一种两自由度准零刚度低频隔振装置,其中支撑平板用来放置被隔振体,上层准零刚度隔振器中上层垂向平面弹簧的上下两端分别垂直固定在支撑平板和中间质量块上,上层非线性弹簧的一端和支撑平板的侧面相连,上层非线性弹簧的另一端和上层水平移动机构相连实现水平可移动调节,垂向移动机构带动支撑平板实现上下移动调节,下层准零刚度隔振器中下层垂向平面弹簧的上下两端分别垂直固定在中间质量块和基座上,下层非线性弹簧的一端和中间质量块相连,下层非线性弹簧的另一端和下层水平移动机构相连实现水平调节,本申请能减小系统的起始隔振频率,在特定的频率区域内,隔振性能优于单自由度准零刚度隔振系统。(The invention relates to the technical field of low-frequency vibration isolation, in particular to a two-degree-of-freedom quasi-zero stiffness low-frequency vibration isolation device, wherein a support flat plate is used for placing a body to be isolated, the upper end and the lower end of an upper vertical plane spring in an upper quasi-zero stiffness vibration isolator are respectively and vertically fixed on the support flat plate and a middle mass block, one end of an upper nonlinear spring is connected with the side surface of the support flat plate, the other end of the upper nonlinear spring is connected with an upper horizontal moving mechanism to realize horizontal movable adjustment, a vertical moving mechanism drives the support flat plate to realize up-and-down movement adjustment, the upper end and the lower end of a lower vertical plane spring in a lower quasi-zero stiffness vibration isolator are respectively and vertically fixed on a middle mass block and a base, one end of a lower nonlinear spring is connected with the middle mass block, the other end of the lower nonlinear spring is connected with the, in a specific frequency region, the vibration isolation performance is superior to that of a single-degree-of-freedom quasi-zero-stiffness vibration isolation system.)
技术领域
本发明涉及低频隔振技术领域，尤其是一种两自由度准零刚度低频隔振装置。
背景技术
振动是自然界中普遍存在的一种物理现象，尤其在日常生活和工业生产中振动无处不在。在一些情况下，振动会给我们的科学研究和生产活动带来一定的危害。传统的线性隔振器面临着承载能力和隔振效果之间的矛盾，而准零刚度隔振系统作为一种新兴的非线性低频隔振技术，改变了线性系统隔振的传统观念。准零刚度隔振系统由正负刚度结构并联而成，不但具有足够大的静刚度支撑被隔振设备，稳定性好，而且在平衡位置附近动刚度较小，系统固有频率降低，低频隔振性能好。因此，准零刚度隔振系统很好地兼顾了稳定性和隔振性能之间的矛盾。
单自由度准零刚度隔振系统在低频阶段能实现良好隔振，在中、高频阶段，其隔振性能与线性隔振系统相当。科学技术迅猛发展，精密机械、舰载设备以及高速车辆等对隔振系统的性能要求越来越高，传统的线性隔振系统、单自由度准零刚度隔振系统已经很难满足各行各业日益增长的需求。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种两自由度准零刚度低频隔振装置，不仅能减小系统的起始隔振频率，增宽隔振频带宽，而且在特定的频率区域内，隔振性能优于单自由度准零刚度隔振系统。
本发明所采用的技术方案如下：一种两自由度准零刚度低频隔振装置，包括基座、上层准零刚度隔振器、下层准零刚度隔振器、支撑平板、中间质量块、两个上层水平移动机构、两个下层水平移动机构和垂向移动机构，支撑平板水平布置在中间质量块的上方，支撑平板用来放置被隔振体；
上层准零刚度隔振器包括上层非线性弹簧、上层非线性弹簧外导套和上层垂向平面弹簧，上层垂向平面弹簧的上下两端分别垂直固定在支撑平板和中间质量块上，上层非线性弹簧限位在上层非线性弹簧外导套中并可沿上层非线性弹簧外导套的套长方向作限位伸缩移动，上层非线性弹簧为两个且对称分布在支撑平板的两侧，上层非线性弹簧的一端和支撑平板的侧面相连，上层非线性弹簧的另一端和上层水平移动机构相连实现水平可移动调节，上层水平移动机构安装在基座上，垂向移动机构安装在基座上，垂向移动机构带动支撑平板实现上下移动调节；
下层准零刚度隔振器包括下层非线性弹簧、下层非线性弹簧外导套和下层垂向平面弹簧，下层垂向平面弹簧的上下两端分别垂直固定在中间质量块和基座上，下层非线性弹簧限位在下层非线性弹簧外导套中并可沿下层非线性弹簧外导套的套长方向作限位伸缩移动，下层非线性弹簧为两个且对称分布在中间质量块的两侧，下层非线性弹簧的一端和中间质量块相连，下层非线性弹簧的另一端和下层水平移动机构相连实现水平可移动调节，下层水平移动机构安装在基座上。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述上层准零刚度隔振器包括上层竖直阻尼，上层竖直阻尼的上下两端分别垂直固定在支撑平板和中间质量块上。
所述上层准零刚度隔振器包括上层横向阻尼，上层横向阻尼为两个且对称分布在支撑平板的两侧，上层横向阻尼的一端和支撑平板的侧面相连，上层横向阻尼的另一端和上层水平移动机构相连。
所述下层准零刚度隔振器包括下层竖直阻尼，下层竖直阻尼的上下两端分别垂直固定在中间质量块和基座上。
所述下层准零刚度隔振器包括下层横向阻尼，下层横向阻尼为两个且对称分布在支撑平板的两侧，下层横向阻尼的一端和中间质量块的侧面相连，下层横向阻尼的另一端和下层水平移动机构相连。
所述基座包括底座以及立式固定在底座上的两个平行相对侧板，两个侧板的上端分别向内悬伸有水平布置的固定板，下层垂向平面弹簧和下层竖直阻尼的下端分别固定在底座上，垂向移动机构为螺钉一，垂向移动机构为两个且分别安装在两个固定板上，垂向移动机构立式布置，两个垂向移动机构的下端对称抵靠在支撑平板的上板面的两边缘。
所述上层水平移动机构包括螺钉二、上层垂直滑板和上层横向导轨，上层横向导轨安装在固定板的下板面，上层垂直滑板的上端和上层横向导轨构成横向滑动配合，上层横向阻尼的另一端、上层非线性弹簧的另一端分别固定在上层垂直滑板的一侧板面上，螺钉二安装在基座的侧板上，螺钉二的端部抵靠在上层垂直滑板的另一侧板面上。
所述下层水平移动机构包括螺钉三、下层垂直滑板和下层横向导轨，下层横向导轨安装在基座的底座上，下层垂直滑板的下端和下层横向导轨构成横向滑动配合，下层横向阻尼的另一端、下层非线性弹簧的另一端分别固定在下层垂直滑板的一侧板面上，螺钉三安装在基座的侧板上，螺钉三的端部抵靠在下层垂直滑板的另一侧板面上。
所述上层非线性弹簧外导套为圆管状且圆管的两端设有端盖，上层非线性弹簧的两端分别自圆管两端的端盖自由穿过。
所述下层非线性弹簧外导套的结构和上层非线性弹簧外导套的结构相同。
本发明的有益效果如下：将被隔振体放置于支撑平板的上表面时，上层垂向平面弹簧与下层垂向平面弹簧都会被压缩，可以通过旋拧螺钉二、螺钉三，使得上层非线性弹簧和下层非线性弹簧处于水平位置。如果被隔振体的质量发生改变时，通过调节垂向移动机构，从而使整个隔振系统重新回到平衡状态。通过选择合适的系统的结构参数和力学参数，结合使用水平移动机构与垂向移动机构，使得系统的刚度为零。当被隔振体在平衡位置附近振动时，系统的固有频率较低，承载能力较大。因此，该隔振系统可以实现低频减振的目标，不仅能减小系统的起始隔振频率，增宽隔振频带宽，而且在特定的频率区域内，隔振性能优于单自由度准零刚度隔振系统。
附图说明
图1是未加被隔振体时的本发明的结构示意图。
图2为本发明使用时的结构示意图；
图3为本发明上层垂向平面弹簧的截面图；
图4为上层准零刚度隔振器的竖直阻尼比不同的工况下，两自由度系统与单自由度系统的力传递率曲线对比图；
图5为下层垂向平面弹簧与上层垂向平面弹簧的刚度之比不同的工况下，两自由度系统与单自由度系统的力传递率曲线比较图；
图6为中间质量块与被隔振体的质量之比不同的工况下，两自由度系统与单自由度系统的力传递率曲线对比图。
其中：1、基座；2、下层垂向平面弹簧；3、下层竖直阻尼；4、下层横向导轨；5、下层非线性弹簧；6、下层垂直滑板；7、螺钉三；8、下层非线性弹簧外导套；9、中间质量块；10、下层横向阻尼；11、上层垂向平面弹簧；12、上层竖直阻尼；13、螺钉二；14、上层非线性弹簧外导套；15、上层非线性弹簧；16、上层垂直滑板；17、上层横向阻尼；18、上层横向导轨；19、固定板；20、支撑平板；21、垂向移动机构；22、被隔振体。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-6所示，本实施例的两自由度准零刚度低频隔振装置，包括基座1、上层准零刚度隔振器、下层准零刚度隔振器、支撑平板20、中间质量块9、两个上层水平移动机构、两个下层水平移动机构和垂向移动机构21，支撑平板20水平布置在中间质量块9的上方，支撑平板20用来放置被隔振体22；
上层准零刚度隔振器包括上层非线性弹簧15、上层非线性弹簧外导套14和上层垂向平面弹簧11，上层垂向平面弹簧11的上下两端分别垂直固定在支撑平板20和中间质量块9上，上层非线性弹簧15限位在上层非线性弹簧外导套14中并可沿上层非线性弹簧外导套14的套长方向作限位伸缩移动，上层非线性弹簧15为两个且对称分布在支撑平板20的两侧，上层非线性弹簧15的一端和支撑平板20的侧面相连，上层非线性弹簧15的另一端和上层水平移动机构相连实现水平可移动调节，上层水平移动机构安装在基座1上，垂向移动机构21安装在基座1上，垂向移动机构21带动支撑平板20实现上下移动调节；
下层准零刚度隔振器包括下层非线性弹簧5、下层非线性弹簧外导套8和下层垂向平面弹簧2，下层垂向平面弹簧2的上下两端分别垂直固定在中间质量块9和基座1上，下层非线性弹簧5限位在下层非线性弹簧外导套8中并可沿下层非线性弹簧外导套8的套长方向作限位伸缩移动，下层非线性弹簧5为两个且对称分布在中间质量块9的两侧，下层非线性弹簧5的一端和中间质量块9相连，下层非线性弹簧5的另一端和下层水平移动机构相连实现水平可移动调节，下层水平移动机构安装在基座1上。
上层准零刚度隔振器包括上层竖直阻尼12，上层竖直阻尼12的上下两端分别垂直固定在支撑平板20和中间质量块9上。
上层准零刚度隔振器包括上层横向阻尼17，上层横向阻尼17为两个且对称分布在支撑平板20的两侧，上层横向阻尼17的一端和支撑平板20的侧面相连，上层横向阻尼17的另一端和上层水平移动机构相连。
下层准零刚度隔振器包括下层竖直阻尼3，下层竖直阻尼3的上下两端分别垂直固定在中间质量块9和基座1上。
下层准零刚度隔振器包括下层横向阻尼10，下层横向阻尼10为两个且对称分布在支撑平板20的两侧，下层横向阻尼10的一端和中间质量块9的侧面相连，下层横向阻尼10的另一端和下层水平移动机构相连。
基座1包括底座以及立式固定在底座上的两个平行相对侧板，两个侧板的上端分别向内悬伸有水平布置的固定板19，下层垂向平面弹簧2和下层竖直阻尼3的下端分别固定在底座上，垂向移动机构21为螺钉一，垂向移动机构21为两个且分别安装在两个固定板19上，垂向移动机构21立式布置，两个垂向移动机构21的下端对称抵靠在支撑平板20的上板面的两边缘。
上层水平移动机构包括螺钉二13、上层垂直滑板16和上层横向导轨18，上层横向导轨18安装在固定板19的下板面，上层垂直滑板16的上端和上层横向导轨18构成横向滑动配合，上层横向阻尼17的另一端、上层非线性弹簧15的另一端分别固定在上层垂直滑板16的一侧板面上，螺钉二13安装在基座1的侧板上，螺钉二13的端部抵靠在上层垂直滑板16的另一侧板面上。
下层水平移动机构包括螺钉三7、下层垂直滑板6和下层横向导轨4，下层横向导轨4安装在基座1的底座上，下层垂直滑板6的下端和下层横向导轨4构成横向滑动配合，下层横向阻尼10的另一端、下层非线性弹簧5的另一端分别固定在下层垂直滑板6的一侧板面上，螺钉三7安装在基座1的侧板上，螺钉三7的端部抵靠在下层垂直滑板6的另一侧板面上。
上层非线性弹簧外导套14为圆管状且圆管的两端设有端盖，上层非线性弹簧15的两端分别自圆管两端的端盖自由穿过。
下层非线性弹簧外导套8的结构和上层非线性弹簧外导套14的结构相同。
本申请主要工作原理是：如图1所示，当未放置被隔振体22时，上层非线性弹簧15与下层非线性弹簧5均处于倾斜状态。将被隔振体22放置于支撑平板20的上表面时，上层垂向平面弹簧11与下层垂向平面弹簧2都会被压缩，可以通过旋拧螺钉二13、螺钉三7，使得上层非线性弹簧15和下层非线性弹簧5处于水平位置。上层垂向平面弹簧11的截面图如图3所示，其中，b1为外平面厚度，b2为内平面厚度，只要合理设计外平面厚度和内平面厚度就可得到所需上层垂向平面弹簧11的刚度。如果被隔振体22的质量发生改变时，通过调节垂向移动机构21，从而使整个隔振系统重新回到平衡状态。通过选择合适的系统的结构参数和力学参数，结合使用水平移动机构与垂向移动机构21，使得系统的刚度为零。当被隔振体22在平衡位置附近振动时，系统的固有频率较低，承载能力较大。因此，该隔振系统可以实现低频减振的目标。
令上层准零刚度隔振器的横向阻尼比为上层准零刚度隔振器的竖直阻尼比为下层垂向平面弹簧2与上层垂向平面弹簧11的刚度之比为中间质量块9与被隔振体22的质量之比为其中，ch1为上层隔振器的横向阻尼系数，c1为上层隔振器的竖直阻尼系数。
力传递率是评价隔振系统的隔振性能的一项重要指标，定义为：隔振系统受到激励力的作用后传递到地基的力幅值与激励力幅值的比值。如果系统的力传递率越小，则系统的隔振效果越好。当有简谐激励力作用于隔振系统中的被隔振体22时，选择合理的横向阻尼比、垂向阻尼比、刚度比和质量比，运用数值分析方法对比研究了两自由度准零刚度隔振系统与单自由度系统的隔振性能。
上层准零刚度隔振器的竖直阻尼比不同的工况下，两自由度系统与单自由度系统的力传递率曲线对比图如图4，上层准零刚度隔振器的竖直阻尼比的改变对力传递率的第一峰值的影响较小，阻尼比越大，力传递率的峰谷增加，第二峰值减小；当阻尼比增加到较大值(ζ1＝0.5)时，峰谷和第二峰值均会逐渐消失。
图5为下层垂向平面弹簧2与上层垂向平面弹簧11的刚度之比不同的工况下，两自由度系统与单自由度系统的力传递率曲线比较图，根据该图可知，力传递率的第一峰值随着刚度比的减小而降低，且向低频区偏移，起始隔振频率减小，隔振频带宽增加；而峰谷和第二峰值随着刚度比的减小而增大，峰谷的增幅相对较大。
如图6，在中间质量块9与被隔振体22的质量之比不同的工况下，观察两自由度系统与单自由度系统的力传递率曲线对比图发现，质量比越大，力传递率的第一峰值略微增加，且出现向低频区偏移的趋势；峰谷和第二峰值都随着质量比的增加而明显增大。
对比分析图4、图5和图6可得：与单自由度准零刚度隔振系统相比，两自由度准零刚度隔振系统的力传递率曲线会出现两个峰值和一个峰谷；虽然第二峰值局部区域隔振效果相对较弱，但峰谷附近频域内的隔振性能显著增强；可通过选择合理的参数，减小系统的力传递率峰值和起始隔振频率，扩大隔振区间。当频率比Ω>1.96时，系统力传递率的衰减速率显著提高，在该频段内的隔振性能明显优于单自由度准零刚度隔振系统，低频隔振性能得到进一步改善。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
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