阅读说明：本技术 基于二对斜弹簧的高线性共振频率的准零刚隔振装置 (Quasi-zero-stiffness vibration isolation device based on high linear resonant frequency of two diagonal springs ) 是由 赵峰 陈鹿民 李一浩 何文斌 谢欢 田二林 李雨璐 盛淳情 任爽 曹得龙 于 2020-07-24 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种基于二对斜弹簧的高线性共振频率的准零刚隔振装置,包括二对斜弹簧组件、垂直弹簧组件、载物平台组件和支撑结构；所述载物平台组件与二对斜弹簧组件铰接连接,载物平台组件与垂直弹簧接触连接,二对斜弹簧组件和垂直弹簧组件均通过螺栓与支撑结构固定连接。初始状态,二对刚度、长度相同的斜弹簧的交点O位于上对斜弹簧固定点与静平衡位置之间垂向范围内；静平衡位置位于上、下对斜弹簧固定点垂向距离的中点。本发明保持了宽准零刚度范围的同时,使得初始位置到静平衡位置的距离缩小,承载质量小；垂直弹簧刚度不变的情况下,线性自然频率增大,增大准零刚度系统与对应线性系统的隔振频带差,大幅提升了准零刚度系统的隔振性能。(The invention provides a quasi-zero-stiffness vibration isolation device based on high linear resonant frequency of two diagonal springs, which comprises two diagonal spring assemblies, a vertical spring assembly, a carrying platform assembly and a supporting structure, wherein the two diagonal spring assemblies are arranged on the two sides of the supporting structure; the object carrying platform assembly is hinged to the two diagonal spring assemblies, the object carrying platform assembly is in contact connection with the vertical spring, and the two diagonal spring assemblies and the vertical spring assembly are fixedly connected with the supporting structure through bolts. In the initial state, the intersection point O of two pairs of inclined springs with the same rigidity and length is positioned in the vertical range between the fixed point of the upper inclined spring and the static balance position; the static balance position is positioned at the middle point of the vertical distance between the fixed points of the upper and lower diagonal springs. The invention keeps the wide quasi-zero stiffness range, simultaneously reduces the distance from the initial position to the static balance position, and has small bearing mass; under the condition that the vertical spring stiffness is not changed, the linear natural frequency is increased, the vibration isolation frequency band difference between the quasi-zero stiffness system and the corresponding linear system is increased, and the vibration isolation performance of the quasi-zero stiffness system is greatly improved.)

基于二对斜弹簧的高线性共振频率的准零刚隔振装置

技术领域

本发明涉及机械结构隔振技术领域，特别是指一种基于二对斜弹簧的高线性共振频率的准零刚隔振装置。

背景技术

高静态低动态隔振器由负刚度结构和正刚度结构组合构成，使负刚度抵消正刚度，使动态刚度达到准零状态，同时保持较高的静态承载能力。实现负刚度的结构类型有凸轮滚子、磁力弹簧、倾斜的螺旋弹簧或梁、板结构，以及桁架结构(X形)等。由于已有高静态低动态隔振器，准零刚度范围窄，隔振性能不理想，因此，申请号为201910863713.3的发明专利公开了一种双对斜弹簧结构，明显提升了准零刚度范围，但实验中发现，由于此种模型初始位置到静平衡位置的距离大，承载质量大，刚度不变的情况下，对应线性系统的共振频率低，则此种隔振模型隔振频带相比线性系统的隔振频带优越性不明显。

发明内容

针对上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种基于二对斜弹簧的高线性共振频率的准零刚隔振装置，解决了现有技术中对应线性共振频率小的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于二对斜弹簧的高线性共振频率的准零刚隔振装置，包括斜弹簧组件、垂直弹簧组件、载物平台组件和支撑结构；所述载物平台组件与二对斜弹簧组件铰链连接，载物平台组件与垂直弹簧接触连接，斜弹簧组件和垂直弹簧组件均与支撑结构通过螺栓固定连接；初始状态下，二对斜弹簧组件的交叉点位于上对斜弹簧组件固定点与静平衡位置垂向距离之间，此配置下，隔振装置对应的刚度的计算公式为：

其中，

表示斜弹簧与垂直弹簧的刚度比，k₁表示斜弹簧的线性刚度系数，k₂表示垂直弹簧的线性刚度系数，表示中间变量，

表示中间变量，

表示斜弹簧两端铰接点的无量纲水平距离，a表示斜弹簧两端铰接点之间的水平距离，h₁表示初始位置到上对斜弹簧固定点的垂向距离，表示无量纲位移，x表示初始状态下从二对斜弹簧交叉点开始的位移，

表示中间变量，表示中间变量，表示上对斜弹簧在初始状态的无量纲压缩量，δ表示上对斜弹簧在初始状态的压缩量，表示中间变量，表示中间变量，

表示中间变量，表示中间参数，h表示初始位置到静平衡位置之间的垂向距离，d表示上对斜弹簧的固定点到下对斜弹簧的固定点之间的垂直距离的一半，

表示中间变量，表示中间变量，表示中间变量，表示下对斜弹簧在初始状态的无量纲压缩量，δ₁表示下对斜弹簧在初始状态的压缩量，

表示中间变量p₅对无量纲位移的微分。

所述隔震装置对应的力的计算公式为：

其中，表示无量纲力，f表示有量纲力。

所述斜弹簧组件设有两对，两对斜弹簧组件包括上对斜弹簧组件和下对斜弹簧组件，上对斜弹簧组件和下对斜弹簧组件均对称设置在载物平台组件的两侧，且两对斜弹簧的刚度、长度相同；所述上对斜弹簧组件和下对斜弹簧组件均包括斜弹簧、轴承座、直线轴承固定板、第二直线轴承、斜弹簧导向杆和斜杆U型连接件；所述轴承座通过第一径向轴承与支撑结构活动连接，轴承座、直线轴承固定板、第二直线轴承依次通过螺栓和螺母固定连接；第二直线轴承内孔***斜弹簧导向杆的一端，斜弹簧导向杆的另一端与斜杆U型连接件通过螺纹固定连接，斜杆U型连接件与载物平台组件活动连接；所述斜弹簧导向杆设置在斜弹簧内部，斜弹簧的一端与斜杆U型连接件的一端接触，斜弹簧的另一端与第二直线轴承的端面接触，斜弹簧处于压缩状态。

所述载物平台组件包括载物平台、套筒、第一直线轴承、斜弹簧连接板、直线轴承固定板和轴承支撑座；所述载物平台的下部与套筒固定连接，套筒的下部与第一直线轴承固定连接，第一直线轴承内活动设有垂直弹簧组件；所述载物平台、套筒、第一直线轴承、斜弹簧连接板依次通过螺栓和螺母相连接；所述斜弹簧连接板与轴承支座固定件通过螺栓固定连接，轴承支座固定件与轴承支撑座通过螺栓固定连接，轴承支撑座通过第二径向轴承与斜杆U型连接件活动连接。

所述垂直弹簧组件包括竖直导向杆和垂直弹簧，竖直导向杆设置在垂直弹簧内，竖直导向杆的顶端设置在第一直线轴承内，垂直弹簧的顶端与第一直线轴承的底端接触，垂直弹簧的底端与导向杆固定座上面接触，垂直弹簧处于压缩状态，竖直导向杆的底端固定在导向杆固定座孔内，导向杆固定座通过螺栓与支撑架固定。

所述导向杆固定座的中部设有圆孔，圆孔内固定设有竖直导向杆，圆孔上部设置有垂直弹簧。

所述支撑结构包括支撑架和支架U型连接件；所述支撑架上设有开槽，开槽通过螺栓与支架U型连接件相连接，支架U型连接件通过第一径向轴承与轴承座活动连接。

一种基于二对斜弹簧的高线性共振频率的准零刚隔振装置的调试方法，其步骤如下：

S1，根据载物平台的质量m和垂直弹簧的刚度k₂，确定静态平衡位置mg/k₂；

S2，根据步骤S1中获得的静态平衡位置mg/k₂，通过移动支架U型连接件在支撑架上的位置进而调节斜弹簧的位置，初始状态下，二对斜弹簧的交叉点位于上对斜弹簧到静平衡位置垂向距离之间，两对斜弹簧沿静态平衡位置mg/k₂的水平方向对称布置；

S3，再通过上下对称移动支架U型连接件或横向对称移动两侧的支撑架，使两对斜弹簧的刚度与垂直弹簧的刚度k₂抵消达到动态刚度为零，最后将支架U型连接件固定在支撑架上，并同步将支撑架与外部装置固定。

本技术方案能产生的有益效果：与发明专利201910863713.3相比，在垂直弹簧保持不变的情况下，本发明使得初始位置到静平衡位置的距离缩小，承载质量小，线性自然频率增大，增大准零刚度系统与对应线性系统的隔振频带差，提升了准零刚度的宽隔振频带性能，解决了准零刚度隔振器的隔振频带与对应线性系统隔振频带相近的问题；使准零刚度隔振器(相对应的线性系统)不仅大幅降低振动幅值，而且大幅降低隔振频率和增大隔振带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的初始状态示意图。

图2为本发明的静平衡状态示意图。

图3为本发明的准零刚度曲线举例。

图4为基于本发明点的结构示意图。

图5为本发明的直线轴承固定板的俯视图。

图6为本发明的轴承座的左视图。

图7为本发明的轴承座的主视图。

图8为本发明直线轴承固定板与轴承座连接关系的俯视图。

图9为本发明的支架U型连接件的主视图。

图10为本发明的支架U型连接件的俯视图。

图11为本发明的斜杆U型连接件的主视图。

图12为本发明的斜杆U型连接件的俯视图。

图13为本发明的轴承支座的主视图。

图14为本发明的直线轴承固定板的主视图。

图15为本发明的直线轴承固定板的左视图。

图16为本发明的直线轴承固定板的俯视图。

图17为本发明的斜弹簧连接板的主视图。

图18为本发明的斜弹簧连接板的俯视图。

图19为本发明的支撑架的主视图。

图20为本发明的支撑架的左视图。

图21为本发明的支撑架的俯视图。

图22为本发明直线轴承固定板、轴承支座与斜弹簧连接板的连接示意图。

图中，1-支撑架，1-1-开槽，1-2-螺孔，2-支架U型连接件，2-1-小孔IV，2-2-凹孔I，3-轴承座，3-1-小孔III，3-2-大孔II，4-第一径向轴承，5-直线轴承固定板，5-1-大孔I，5-2-小孔I，5-3-小孔II，6-第二直线轴承，7-斜弹簧导向杆，8-斜弹簧，9-载物平台，10-螺栓，11-套筒，12-第一直线轴承，13-斜弹簧连接板，13-1-大孔V，13-2-小孔VIII，13-3-凹孔III，14-螺母，15-轴承支座固定件，15-1-大孔IV，15-2-小孔VII，16-轴承支座，16-1-大孔III，16-2-小孔VI，17-第二径向轴承，18-斜杆U型连接件，18-1-小孔V，18-2-凹孔II，19-垂直导向杆，20-垂直弹簧，21-导向杆固定座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于二对斜弹簧的高线性共振频率的准零刚隔振装置，包括斜弹簧组件、垂直弹簧组件、载物平台组件和支撑结构。所述二对斜弹簧构成的高线性共振频率和宽准零刚范围的高静态低动态隔震装置的模型如图1和图2所示，图1所示为本发明的初始状态示意图，所述初始状态即不受质量载荷的状态，图1中，O点为初始位置；图2为本发明的工作状态即静平衡位置的状态示意图，静平衡位置即静平衡点。斜弹簧配置如下，载物平台初始位置位于AB线到静平衡位置之间，不低于静平衡位置，不高于AB连线的位置。AO和BO是一对(上对)斜弹簧，CO和DO是第二对(下对)斜弹簧，两对斜弹簧长度相同，两对斜弹簧刚度相同。本发明设计的模型，初始位置到静平衡位置的距离缩小，承载质量小，线性自然频率增大，增大准零刚度系统与对应线性系统的隔振频带差，提升了准零刚度的宽隔振频带性能，解决了准零刚度隔振器的隔振频带与对应线性系统隔振频带相近的问题；使准零刚度隔振器(相对比应的线性系统)不仅大幅降低振动幅值，而且大幅降低隔振频率和增大隔振带宽。

初始状态下，二对斜弹簧组件的交叉点位于上对斜弹簧组件固定点与静平衡位置垂向距离之间，双组斜弹簧的力的计算公式为：

其中，表示无量纲力，f表示有量纲力，a表示斜弹簧两端铰接点之间的水平距离，k₂表示垂直弹簧的线性刚度系数，h₁表示初始位置到上对斜弹簧固定点的垂直距离，表示无量纲位移，α表示上侧的一对斜弹簧或下侧的一对斜弹簧与垂直弹簧的刚度比，p₁、p₂、p₃、p₄、p₅、p₆均表示中间变量。

初始状态下，二对斜弹簧组件的交叉点位于上对斜弹簧组件固定点与静平衡位置垂向距离之间，此配置下，隔振装置对应的刚度

的计算公式为：

其中，

表示斜弹簧与垂直弹簧的刚度比，k₁表示斜弹簧的线性刚度系数，k₂表示垂直弹簧的线性刚度系数，表示中间变量，表示中间变量，表示斜弹簧两端铰接点的无量纲水平距离，a表示斜弹簧两端铰接点之间的水平距离，h₁表示初始位置到上对斜弹簧固定点的垂向距离，

表示无量纲位移，x表示初始状态下从二对斜弹簧交叉点开始的位移，表示中间变量，表示中间变量，表示上对斜弹簧在初始状态的无量纲压缩量，δ表示上对斜弹簧在初始状态的压缩量，

表示中间变量，

表示中间变量，

表示中间变量，

表示中间参数，h表示初始位置到静平衡位置之间的垂向距离，d表示上对斜弹簧的固定点到下对斜弹簧的固定点之间的垂直距离的一半，表示中间变量，表示中间变量，

表示中间变量

表示下对斜弹簧在初始状态的无量纲压缩量，δ₁表示下对斜弹簧在初始状态的压缩量，表示中间变量p₅对无量纲位移的微分。

五个独立参数

可取较多的参数值组合，根据双组斜弹簧的刚度的计算公式可得如图3所示的准零刚度曲线，图3仅是几例可以达到宽准零刚度范围的举例，像这样的参数组合还有很多。相比于单组斜弹簧的准零刚度曲线，双组斜弹簧的准零刚度特性得到提升，故本发明的减振性能得到提高。图1、图2中k₁＝k₅，四个斜弹簧刚度相同，无变形状态下的长度相同。以上参数见图1和图2所示。

一种基于二对斜弹簧的高线性共振频率的准零刚隔振装置，如图4所示，包括斜弹簧组件、垂直弹簧组件、载物平台组件和支撑结构；所述载物平台组件与斜弹簧组件铰链连接，载物平台组件与垂直弹簧接触连接，斜弹簧组件和垂直弹簧组件均与支撑结构通过螺栓固定连接；所述斜弹簧组件设有两对，两对斜弹簧组件包括上对斜弹簧组件和下对斜弹簧组件，上对斜弹簧组件和下对斜弹簧组件均对称设置在载物平台组件的两侧，且上对斜弹簧组件和下对斜弹簧组件位于同一竖直平面内。所述上对斜弹簧组件和下对斜弹簧组件均包括斜弹簧8、轴承座3、直线轴承固定板5、第二直线轴承6、斜弹簧导向杆7和斜杆U型连接件18；所述轴承座3通过第一径向轴承4与支撑结构活动连接，轴承座3、直线轴承固定板5、第二直线轴承6依次通过螺栓和螺母固定连接；第二直线轴承6内活动设有斜弹簧导向杆7；如图5所示，直线轴承固定板5中部设有大孔I 5-1，大孔I 5-1的周围均匀设有4个小孔I5-2，大孔I 5-1内设有第二直线轴承6，并通过小孔I 5-2将直线轴承固定板5与第二直线轴承6固定连接，第二直线轴承6内活动设有斜弹簧导向杆7，直线轴承固定板5的顶点处设有小孔II 5-3；如图6-7所示，轴承座3的两端设有小孔III 3-1，小孔III 3-1与小孔II 5-3对应连接(如图8所示)，轴承座3的中部设有大孔II 3-2，大孔II 3-2与支架U型连接件2相连接。如图9-10所示，支架U型连接件2上设有凹孔I 2-2和小孔IV 2-1，支架U型连接件2上的小孔IV 2-1通过第一径向轴承4与轴承座3上的大孔II 3-2相连接，凹孔I 2-2通过螺栓与支撑架1相连接。第二直线轴承6内孔***斜弹簧导向杆7的一端，斜弹簧导向杆7的另一端与斜杆U型连接件18通过螺纹固定连接，斜杆U型连接件18与载物平台组件活动连接；所述斜弹簧导向杆7设置在斜弹簧8内部，斜弹簧导向杆7起导向防斜弹簧8弯曲变形，斜弹簧8的一端与斜杆U型连接件18的一端接触，斜弹簧8的另一端活动与第二直线轴承6的端面接触，斜弹簧8处于压缩状态。斜弹簧8设有四个，斜弹簧8成对使用产生负刚度，相比单组斜弹簧达到的准零刚度范围更长；二对(四个)斜弹簧8沿着斜弹簧导向杆7做往复压缩和回复运动，构成了二对斜弹簧结构，以产生的刚度，抵消沿垂直导向杆19往复压缩的垂直弹簧20产生的正刚度，使整体的动态刚度达到准零状态，同时具有较高的静承载能力。

所述载物平台组件包括载物平台9、套筒11、第一直线轴承12、斜弹簧连接板13、直线轴承固定板15和轴承支撑座16；所述斜弹簧连接板13与轴承支座固定件15通过螺栓固定连接，轴承支座固定件15与轴承支撑座16通过螺栓固定连接，轴承支撑座16通过第二径向轴承17与斜杆U型连接件18活动连接。如图14-16所示，直线轴承固定板15的两端设有大孔IV 15-1，直线轴承固定板15的中部设有两个凸起，凸起上设有小孔VII 15-2；如图17-18所示，斜弹簧连接板13的中部设有大孔V13-1，大孔V13-1内设有第一直线轴承12，大孔V 13-1的四周均匀设有4个小孔VIII 13-2，小孔VIII 13-2内设有螺栓10，螺栓10从上到下依次穿过载物平台9、套筒11、第一直线轴承12、小孔VIII 13-2后用螺母14固定；斜弹簧连接板13的两边设有对称的凹孔III 13-3，凹孔III 13-3与大孔IV 15-1相对应，通过螺栓穿过大孔IV 15-1旋进凹孔III 13-3内将直线轴承固定板15与斜弹簧连接板13固定连接，如图22所示；如图13所示，轴承支撑座16上设有大孔III 16-1和小孔VI 16-2，小孔VI 16-2与小孔VII 15-2通过螺栓与螺母固定连接，大孔III 16-1通过第二径向轴承17与斜杆U型连接件18活动连接，斜杆U型连接件18与斜弹簧导向杆7固定连接，斜弹簧导向杆7设置在第二直线轴承6内。如图11-12所示，斜杆U型连接件18上设有凹孔II 18-2和小孔V18-1，小孔V18-1通过第二径向轴承17与大孔III 16-1相连接，凹孔II 18-2与斜弹簧导向杆7固定连接。所述载物平台9的下部与套筒11固定连接，套筒11的下部与第一直线轴承12固定连接，第一直线轴承12的内部活动设有垂直弹簧组件；所述载物平台9、套筒11、第一直线轴承12、斜弹簧连接板13依次通过螺栓10和螺母14相连接，便于四者上下同步运动；第一直线轴承12沿着垂直导向杆19可上下往复运动，同时压缩垂直弹簧20。载物平台9即为隔振平台，载物平台9上放置被隔振物品，由于准零刚度特性从底部固定设备传递的位移激励传递到载物平台9上会大幅衰减，因此可以将对振动敏感的仪器设备或需要受保护的结构放置在载物平台9上，以起到保护的作用。

所述垂直弹簧组件包括竖直导向杆19和垂直弹簧20，竖直导向杆19设置在垂直弹簧20内，竖直导向杆19起到了竖向定位竖直弹簧20的作用，以避免垂直弹簧20运动过程中的变形，竖直导向杆19的顶端设置在第一直线轴承12内以便于第一直线轴承12能够沿竖直导向杆19的上部上下移动，垂直弹簧20的顶端与第一直线轴承12的底端接触以便于对垂直弹簧20进行限位，垂直弹簧20的底端与导向杆固定座21上面接触，垂直弹簧20处于压缩状态，竖直导向杆19的底端固定在导向杆固定座21孔内以便于第一直线轴承12沿导向杆19的顶端上下移动时，第一直线轴承12可以对垂直弹簧20进行压缩，导向杆固定座21通过螺栓与支撑架固定。导向杆固定座21的中部设有圆孔，圆孔内固定设有竖直导向杆19，竖直导向杆19与导向杆固定座21间隙配合，以避免竖直导向杆19倾斜，圆孔上部设置有垂直弹簧20，垂直弹簧20与导向杆固定座21的上部相接触。

所述支撑结构包括支撑架1和支架U型连接件2；支撑架1设有4个，支撑架1对称设置在载物平台9的两侧，可以通过螺栓将支撑架1与外部装置固定，通过调节螺栓的固定位置可以实现支撑架1在外部装置上横向移动，以调节斜弹簧的刚度与垂直弹簧的刚度相互抵消达到准零刚度特性；如图19-21所示，所述支撑架1上设有开槽1-1，开槽1-1通过螺栓与支架U型连接件2相连接，支架U型连接件2可在开槽1-1中自由无障碍运动，以确保斜弹簧8沿斜弹簧导向杆7被压缩时且斜弹簧导向杆7穿过第二直线轴承6的距离较长时，避免斜弹簧导向杆7与支撑架1发生运动干涉。支架U型连接件2通过第一径向轴承4与轴承座3活动连接。

本实施例中，斜弹簧8、斜弹簧导向杆7、斜杆U型连接件18、支架U型连接件2的数量均为四个，套筒11的数量为两个。垂直弹簧20具有刚度k2，斜弹簧8产生的刚度与垂直弹簧20的刚度抵消以达到动态刚度为零，此时载物平台9具有较高的静承载能力。静承载能力等于载物平台9的载物质量m，零刚度位置即静态平衡位置等于mg/k2。根据确定后的静态平衡位置，通过调节四个支架U型连接件2或者支撑架1使载物平台9与静态平衡位置相匹配。

一种基于二对斜弹簧的高线性共振频率的准零刚隔振装置的调试方法，具体步骤如下：

S1，根据载物平台9的质量m和垂直弹簧20的刚度k₂，确定静态平衡位置mg/k₂；

S2，根据步骤S1中获得的静态平衡位置mg/k₂，通过移动支架U型连接件2在支撑架1上的位置进而调节斜弹簧8的位置，初始状态下，二对斜弹簧的交叉点位于上对斜弹簧到静平衡位置垂向距离之间，两对斜弹簧沿静态平衡位置mg/k₂的水平方向对称布置；

S3，再通过上下对称移动支架U型连接件2或横向对称移动两侧的支撑架1，使双组斜弹簧的负刚度与垂直弹簧20的正刚度k₂抵消达到动态刚度为零，最后将支架U型连接件2固定在支撑架1上，并同步将支撑架1与外部装置固定，以保持载物平台9固定在静平衡点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。