一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置

1.本发明属于结构减隔振技术领域，具体涉及一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置。


背景技术：

2.被动隔振技术是通过设置隔振层并利用隔振器，将地面振动与上部结构隔离，从而有效保护隔离物体不受破坏。通过降低线性隔振器的线性刚度，可以提高其隔振性能。然而，低刚度会导致线性隔振器产生较大的静态位移。为了克服这一缺点，提出了具有高静刚度和低动刚度的非线性隔振器，较高的静刚度意味着较小的挠度和较大的承载能力，而较低的动刚度意味着较宽的隔震频率范围。非线性隔离器的刚度特性可以通过将正刚度与负刚度相结合来实现，从而在工作点形成接近零的刚度，这在实际工程中被称为准零刚度特性。
3.现有的准零刚度隔振装置研究中，是对特定设计质量的上部结构，通过预先选取好的正负刚度系统参数，使其在静力平衡位置处达到准零刚度，对于实际工程中，上部载荷产生变化时则难以运用。


技术实现要素：

4.本发明提供一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，在竖向振动幅值较小的情况表现出良好的低频隔振性能，并可通过调节螺帽使得装置适用于不同的设计载荷。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，包括承载板、上限位板、下限位板、正刚度机构、负刚度机构、连杆、调节支撑部，其中：
6.承载板、上限位板、下限位板依次上下间隔分布；
7.正刚度机构设置于承载板与上限位板之间，负刚度机构设置于上限位板与下限位板之间；
8.正刚度机构包括四根滑杆和四个钢弹簧，四根滑杆设置在承载板与上限位板之间；四个钢弹簧为正刚度机构的弹性元件，钢弹簧套设在滑杆外侧壁，四个钢弹簧的刚度系数相同均为k2；
9.调节支撑部设置于上限位板与下限位板之间，调节支撑部包括四根支撑圆柱和八个圆孔滑块；
10.四根支撑圆柱支撑在上限位板与下限位板之间，限定上限位板与下限位板之间的间距，每根支撑圆柱上均安装有两个圆孔滑块，圆孔滑块能够在支撑圆柱上滑动；
11.连杆一端与承载板连接，另一端贯穿上限位板将正刚度机构与负刚度机构连接，连杆背离承载板的一端设置有中心连接块；
12.负刚度机构包括八组倾斜设置的减振器，八组减振器一端均与中心连接块连接，另一端均与一个圆孔滑块连接，减振器中设置有预压缩钢弹簧，预压缩钢弹簧为负刚度机
构的弹性元件，八组减振器中的预压缩钢弹簧的线性刚度系数相同均为k1；
13.所述隔振装置通过调节正刚度机构中弹性元件和负刚度机构中弹性元件的刚度比，负刚度机构中弹性元件的预压缩系数，负刚度机构中弹性元件的垂直压缩行程，进而实现静力平衡位置处的准零刚度特性，实现高静刚度和低动刚度的非线性隔振效果；
14.为实现准零刚度特性，正刚度机构中弹性元件和负刚度机构中弹性元件的刚度比α，负刚度机构中弹性元件的实际预压缩系数负刚度机构中弹性元件的垂直压缩行程三个参数需满足公式(1)；
[0015][0016]
公式(1)中，
[0017]
作为本发明的进一步优选，还包括滑块，减振器通过滑块与圆孔滑块连接，滑块能在圆孔滑块连接的侧壁上滑动。
[0018]
作为本发明的进一步优选，所述减振器还包括活塞杆、活塞套筒，活塞杆一端与滑块铰接，另一端处于活塞套筒内，活塞套筒背离活塞杆的一端与中心连接块铰接。
[0019]
作为本发明的进一步优选，滑杆一端与承载板可拆卸式连接，另一端贯穿上限位板。
[0020]
作为本发明的进一步优选，当滑块安装在圆孔滑块上时，滑块需在圆孔滑块上沿着竖直方向滑动。
[0021]
作为本发明的进一步优选，所述连杆一端与承载板可拆卸式连接，另一端贯穿上限位板，连杆背离承载板的一端设置有螺纹段，中心连接块安装在螺纹段上。
[0022]
作为本发明的进一步优选，还包括两螺帽，两螺帽设置在连杆的螺纹段上且分布在中心连接块两侧，通过两螺帽调节中心连接块在连杆上的位置。
[0023]
作为本发明的进一步优选，上限位板与下限位板之间的间距限制着负刚度机构的压缩位移行程，通过调节支撑圆柱上两个圆孔滑块的间距调节限制负刚度机构弹性元件的压缩量及负刚度机构弹性元件的垂直压缩行程。
[0024]
作为本发明的进一步优选，调节滑块在圆孔滑块上的位置，能够二次调节负刚度机构弹性元件的压缩量及负刚度机构弹性元件垂直压缩行程。
[0025]
作为本发明的进一步优选，公式(1)中，负刚度机构中弹性元件的实际预压缩系数和负刚度机构中弹性元件的垂直压缩行程计算方式如下公式(2)和公式(3)：
[0026][0027][0028]
公式(2)和公式(3)中，δ为设定的负刚度机构中弹性元件的预压缩系数，a为负刚度机构中弹性元件与圆孔滑块连接的一端在下限位板长度方向上距连杆的距离，b为负刚度机构中弹性元件与圆孔滑块连接的一端在下限位板宽度方向上距连杆的距离，h为负刚度机构中弹性元件在竖直方向上的垂直距离。
[0029]
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0030]
1、本发明在不同的设计载荷下，隔振装置可通过调节负刚度机构的倾斜预压缩钢弹簧的预压缩系数，圆孔滑块的行程和中心连接块在连杆上的位置，使得隔振装置在起始静力平衡位置处保持准零刚度特性，实现高静刚度和低动刚度的非线性隔振效果。
[0031]
2、本发明装置上下限位板的间距限制着负刚度机构的压缩位移行程，使隔振装置不因弹性元件的过大偏移而失效，有效提升隔振系统的稳定性。
[0032]
3、本发明可在活塞杆内注入液体粘滞阻尼，并利用阻尼液的乱流抵抗来吸收能量，附加阻尼与钢弹簧协同作用，解决了由单一准零刚度带来的竖向位移放大，使得位移得到有效的控制。
[0033]
4、本发明通过调节圆孔滑块上的螺丝，可改变滑块在圆孔滑块上的相对位置，可使负刚度机构的弹性元件在不同的压缩位移区间上移动，使系统获得不同的力学性能。
附图说明
[0034]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0035]
图1是本发明整体结构示意图；
[0036]
图2是本发明整体结构爆炸图；
[0037]
图3是本发明减振器与调节支撑部之间的连接关系示意图；
[0038]
图4是本发明公式(1)至公式(3)中各参数标记示意图。
[0039]
图中：1-承载板，2-钢弹簧，3-上限位板，4-圆孔滑块，5-支撑圆柱，6-螺栓，7-滑块，8-中心连接块，9-预压缩钢弹簧，10-活塞套筒，11-活塞杆，12-螺丝，13-下限位板，14-连杆，15-螺帽，16-丝杆螺栓。
具体实施方式
[0040]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0041]
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
[0042]
实施例1
[0043]
本实施例提供一种优选实施方案，一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，如图1至图4所示，本隔振装置包括承载板1、上限位板3、下限位板13、正刚度机构、调节支撑部、连杆14、负刚度机构，其中：
[0044]
上述承载板1、上限位板3、下限位板13依次上下间隔分布。正刚度机构设置于承载板1与上限位板3之间，负刚度机构设置于上限位板3与下限位板13之间。
[0045]
上述正刚度机构包括四根滑杆和四个钢弹簧2，四根滑杆设置在承载板1与上限位板3之间；滑杆一端与承载板1可拆卸式连接，另一端贯穿上限位板3；滑杆起到维护正刚度机构钢弹簧2压缩时的稳定性。优选地，四根滑杆以承载板1与上限位板3之间空间的中部为中心，对称分布在承载板1与上限位板3之间，以防止承载板1在放置隔振物体后产生不均匀
压缩导致的扭转或倾覆。四个钢弹簧2采用相同的刚度系数均为k2钢弹簧2为正刚度机构的弹性元件，钢弹簧2套设在滑杆外侧壁，且钢弹簧2一端与承载板1接触，另一端与上限位板3接触。
[0046]
优选地，钢弹簧2内径大于滑杆内径1mm至2mm，大于2mm会导致钢弹簧2压缩时的不稳定性，小于1mm会导致钢弹簧2压缩过程中产生不必要的摩擦力。钢弹簧2上下两端需打磨平滑，防止与承载板1和上限位板3接触后产生偏心力。滑杆贯穿上限位板3的部位可加设尼龙套管或直线轴承减小竖向压缩运动时的摩擦力。
[0047]
上述调节支撑部设置于上限位板3与下限位板13之间，调节支撑部包括四根支撑圆柱5和八个圆孔滑块4。四根支撑圆柱5支撑在上限位板3与下限位板13之间，限定上限位板3与下限位板13之间的间距；每根支撑圆柱5上均安装有两个圆孔滑块4，圆孔滑块4能够在支撑圆柱5上滑动。上限位板3与下限位板13之间的间距限制着负刚度机构的压缩位移行程，通过调节支撑圆柱5上两个圆孔滑块4之间的间距调节负刚度机构弹性元件的压缩量及负刚度机构弹性元件的垂直压缩行程。其中，圆孔滑块4上设有丝杆螺栓16，可通过丝杆螺栓16将圆孔滑块4固定或可滑动于支撑圆柱5上。
[0048]
上述负刚度机构包括八组倾斜设置的减振器，八组减振器一端均与中心连接块8连接，另一端均与一个圆孔滑块4连接。减振器包括预压缩钢弹簧9，预压缩钢弹簧9为负刚度机构的弹性元件，八组减振器中的预压缩钢弹簧的线性刚度系数相同均为k1。当圆孔滑块4滑动于支撑圆柱5上时，负刚度机构的预压缩钢弹簧9只会处于预压缩量释放到0和预压缩量继续增加的两种状态，预压缩钢弹簧9不会处于从压缩到拉伸的状态改变；当圆孔滑块4固定在支撑圆柱5上时，负刚度机构的预压缩钢弹簧9会处于预压缩量持续增加和预压缩量释放到0后继续拉伸的两种状态。不同的运动形态同样可以使得本隔振装置获取不同的力学性能，以运用在不同的工程实践中。
[0049]
所述连杆14一端与承载板1可拆卸式连接，另一端贯穿上限位板3将正刚度机构与负刚度机构并联，连杆14背离承载板1的一端设置有螺纹段，中心连接块8安装在螺纹段上。本实施方案还包括两螺帽15，两螺帽15设置在连杆14上且分布在中心连接块8两侧，通过两螺帽15调节中心连接块8在连杆14上的位置。(图1和图4中承载板1与上限位板3之间的连杆14未示出)
[0050]
其中，连杆14的一端采用可拆卸式连接在承载板1上是为了便于拆卸从而易于更换正负刚度机构的弹性元件，螺帽15可根据承载板1上放置的隔振物体质量的不同来进行调节，调节完毕后与中心连接块8上下表面接触，使得正负刚度机构并联起来，实现本隔振装置可调载荷特性，以运用于不同的隔振场景。
[0051]
上述减振器还包括活塞杆11、活塞套筒10，活塞杆11一端与滑块7铰接，另一端处于活塞套筒10内，活塞套筒10背离活塞杆11的一端与中心连接块8铰接。优选地，活塞杆11与活塞套筒10之间的空间内设有粘滞阻尼液，利用阻尼液的乱流抵抗来吸收能量。附加阻尼与预压缩钢弹簧9协同作用，解决了由单一准零刚度带来的竖向位移放大，使得位移得到有效的控制。
[0052]
其中，预压缩钢弹簧9采用相同刚度特性和压缩系数的弹性元件，可简化装置参数以便于实现准零刚度特性。隔振装置准零刚度特性的设计主要取决于三个参数，正刚度机构钢弹簧2与负刚度机构预压缩钢弹簧9的刚度比，负刚度机构预压缩钢弹簧9的预压缩系
数，负刚度机构预压缩钢弹簧9的垂直压缩行程，通过调节三者之间的特定关系可获取不同的准零刚度力学性能，实现多功能的隔振效果。
[0053]
本实施方案还包括滑块7，减振器通过滑块7与圆孔滑块4连接，滑块7能在与圆孔滑块4连接的侧壁上滑动，通过螺丝12来限定滑块7在圆孔滑块4上的位置。当滑块7安装在圆孔滑块4上时，滑块7需在圆孔滑块4上沿着竖直方向滑动。调节滑块7在圆孔滑块4上的位置，能够二次调节负刚度机构弹性元件的压缩量及负刚度机构弹性元件的垂直压缩行程。
[0054]
在地面运动或者隔离物体产生竖向振动的作用下，负刚度机构和正刚度机构通过连杆14的连接同时产生竖向压缩运动，所述隔振装置通过调节正刚度机构中弹性元件和负刚度机构中弹性元件的刚度比，负刚度机构中弹性元件的预压缩系数，负刚度机构中弹性元件的垂直压缩行程，进而实现静力平衡位置处的准零刚度特性，实现高静刚度和低动刚度的非线性隔振效果。
[0055]
具体为，为实现准零刚度特性，正刚度机构中弹性元件和负刚度机构中弹性元件的刚度比α，负刚度机构中弹性元件的实际预压缩系数负刚度机构中弹性元件的垂直压缩行程三个参数需满足公式(1)；
[0056][0057]
公式(1)中，负刚度机构中弹性元件的实际预压缩系数和负刚度机构中弹性元件的垂直压缩行程计算方式如下公式(2)和公式(3)：
[0058][0059][0060]
公式(2)和公式(3)中，δ为设定值，是设定的负刚度机构中弹性元件的预压缩系数，a为定值，指负刚度机构中弹性元件与圆孔滑块连接的一端在下限位板长度方向上距连杆的距离，b为定值，指负刚度机构中弹性元件与圆孔滑块连接的一端在下限位板宽度方向上距连杆的距离，h为负刚度机构中弹性元件在竖直方向上的垂直距离。
[0061]
已知δ此设定值，通过调节圆孔滑块4在支撑圆柱5上的行程或/和中心连接块8在连杆14上的位置从而h发生改变，因a、b为定值，可知预压缩钢弹簧9与圆孔滑块4连接的一端距离连杆14所在轴线的直线距离为根据h和得到预压缩钢弹簧9的压缩长度根据公式(3)求得负刚度机构中弹性元件的垂直压缩行程
[0062]
为实现准零刚度特性，在调节过程中，预先可知的参数有δ、a、b、k1、k2，根据k1、k2可得α，将得到的α代入公式(1)中，得到所需h
需
值，然后调节圆孔滑块4在支撑圆柱5上的行程或/和中心连接块8在连杆14上的位置，调节h无限接近h
需
，再通过调节滑块7在圆孔滑块4上的位置使得h＝h
需
，得到当前工况下本减振装置优选装配状态。
[0063]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该
理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0064]
本技术中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
[0065]
本技术中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
[0066]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，其特征在于：包括承载板(1)、上限位板(3)、下限位板(13)、正刚度机构、负刚度机构、连杆(14)、调节支撑部，其中：承载板(1)、上限位板(3)、下限位板(13)依次上下间隔分布；正刚度机构设置于承载板(1)与上限位板(3)之间，负刚度机构设置于上限位板(3)与下限位板(13)之间；正刚度机构包括四根滑杆和四个钢弹簧(2)，四根滑杆设置在承载板(1)与上限位板(3)之间；四个钢弹簧(2)为正刚度机构的弹性元件，钢弹簧(2)套设在滑杆外侧壁，四个钢弹簧(2)的刚度系数相同均为k2；调节支撑部设置于上限位板(3)与下限位板(13)之间，调节支撑部包括四根支撑圆柱(5)和八个圆孔滑块(4)；四根支撑圆柱(5)支撑在上限位板(3)与下限位板(13)之间，限定上限位板(3)与下限位板(13)之间的间距，每根支撑圆柱(5)上均安装有两个圆孔滑块(4)，圆孔滑块(4)能够在支撑圆柱(5)上滑动；连杆(14)一端与承载板(1)连接，另一端贯穿上限位板(3)将正刚度机构与负刚度机构连接，连杆(14)背离承载板(1)的一端设置有中心连接块(8)；负刚度机构包括八组倾斜设置的减振器，八组减振器一端均与中心连接块(8)连接，另一端均与一个圆孔滑块(4)连接，减振器中设置有预压缩钢弹簧(9)，预压缩钢弹簧(9)为负刚度机构的弹性元件，八组减振器中的预压缩钢弹簧(9)的线性刚度系数相同均为k1；所述隔振装置通过调节正刚度机构中弹性元件和负刚度机构中弹性元件的刚度比，负刚度机构中弹性元件的预压缩系数，负刚度机构中弹性元件的垂直压缩行程，进而实现静力平衡位置处的准零刚度特性，实现高静刚度和低动刚度的非线性隔振效果；为实现准零刚度特性，正刚度机构中弹性元件和负刚度机构中弹性元件的刚度比α，负刚度机构中弹性元件的实际预压缩系数负刚度机构中弹性元件的垂直压缩行程三个参数需满足公式(1)：公式(1)中，2.根据权利要求1所述的一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，其特征在于：还包括滑块(7)，减振器通过滑块(7)与圆孔滑块(4)连接，滑块(7)能在与圆孔滑块(4)连接的侧壁上滑动。3.根据权利要求2所述的一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，其特征在于：所述减振器还包括活塞杆(11)、活塞套筒(10)，活塞杆(11)一端与滑块(7)铰接，另一端处于活塞套筒(10)内，活塞套筒(10)背离活塞杆(11)的一端与中心连接块(8)铰接。4.根据权利要求1所述的一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，其特征在于：滑杆一端与承载板(1)可拆卸式连接，另一端贯穿上限位板(3)。5.根据权利要求2所述的一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，其特征在于：当滑块(7)安装在圆孔滑块(4)上时，滑块(7)需在圆孔滑块(4)上沿着竖直方向滑动。6.根据权利要求2所述的一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，其特征在于：所
述连杆(14)一端与承载板(1)可拆卸式连接，另一端贯穿上限位板(3)，连杆(14)背离承载板(1)的一端设置有螺纹段，中心连接块(8)安装在螺纹段上。7.根据权利要求6所述的一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，其特征在于：还包括两螺帽(15)，两螺帽(15)设置在连杆(14)上且分布在中心连接块(8)两侧，通过两螺帽(15)调节中心连接块(8)在连杆(14)上的位置。8.根据权利要求2所述的一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，其特征在于：上限位板(3)与下限位板(13)之间的间距限制着负刚度机构的压缩位移行程，通过调节支撑圆柱(5)上两个圆孔滑块(4)的间距调节负刚度机构弹性元件的压缩量及负刚度机构弹性元件的垂直压缩行程。9.根据权利要求8所述的一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，其特征在于：调节滑块(7)在圆孔滑块(4)上的位置，能够二次调节负刚度机构弹性元件的压缩量及负刚度机构弹性元件的垂直压缩行程。10.根据权利要求1所述的一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，其特征在于：公式(1)中，负刚度机构中弹性元件的实际预压缩系数和负刚度机构中弹性元件的垂直压缩行程计算方式如下公式(2)和公式(3)：计算方式如下公式(2)和公式(3)：公式(2)和公式(3)中，δ为设定的负刚度机构中弹性元件的预压缩系数，a为负刚度机构中弹性元件与圆孔滑块(4)连接的一端在下限位板(13)长度方向上距连杆(14)的距离，b为负刚度机构中弹性元件与圆孔滑块(4)连接的一端在下限位板(13)宽度方向上距连杆(14)的距离，h为负刚度机构中弹性元件在竖直方向上的垂直距离。

技术总结
本发明属于结构减隔振技术领域，具体涉及一种可调载荷的竖向准零刚度限位隔振装置，本装置包括承载板、上限位板、下限位板、正刚度机构、负刚度机构、连杆、调节支撑部，正刚度机构设于承载板与上限位板之间，负刚度机构和调节支撑部设于上限位板与下限位板之间；调节支撑部包括四支撑圆柱和八圆孔滑块；连杆将正刚度机构与负刚度机构连接，连杆上设有中心连接块；负刚度机构一端与中心连接块连接，另一端与一圆孔滑块连接。本发明通过调节负刚度机构的倾斜弹性元件预压缩系数，圆孔滑块的行程和中心连接块在连杆上的位置，使得在起始静力平衡位置处保持准零刚度特性，实现高静刚度和低动刚度的非线性隔振效果。动刚度的非线性隔振效果。动刚度的非线性隔振效果。


技术研发人员：刘涛 李爱群
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/1