一种用于承载质量大幅变化工况的连续多级恒值准零刚度隔振器

本发明涉及隔振器，特别是一种连续多级恒值准零刚度隔振器。

背景技术：

1、准零刚度(quasi-zero stiffness，qzs)隔振器是一类优越的低频隔振器，解决了线性刚度隔振器存在低频隔振需求与大承载之间的矛盾。

2、传统准零刚度隔振器具有三次非线性刚度特性，只有一个静态平衡位置，因此仅对应一个隔振质量，当承载质量变化时，隔振质量偏离静态平衡位置，引起动态刚度增大，使隔振性能退化，如传递率幅值增大和起始隔振频率增大，如中国发明专利cn202210975179.7，其仅能适用于承载质量小幅变化(如理论隔振质量的10％变化范围)的工况，而无法适应承载质量大幅变化。

3、中国发明专利cn201610338012.4公开了拉伸式准零刚度隔振器及其实现方法，其通过设置可以上下移动调节螺母用以调整主弹簧的上下位置，以保证不同质量的物体放上后能在平衡位置，但是其通过调节螺母进行手动调整，无法根据不同的质量而精确的调整螺母高度，另外，其刚度-位移为非线性的，导致隔振效果不能被准确的控制。

4、此外，上述现有技术中，通过水平方向的拉簧配合竖直方向的压簧实现隔振，而由于其通过压缩弹簧构造垂直方向的正刚度，压缩弹簧容易出现屈曲变形的失稳现象，因此往往需要导向杆对压缩弹簧导向，导向杆和压缩弹簧之间将产生较大的摩擦阻尼，导致如3hz以下的低频振动的隔振质量与位移激励发生同步运动(无相对运动)，最终导致低频隔振失效。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于承载质量大幅变化工况的连续多级恒值准零刚度隔振器，用以解决上述技术问题。

2、根据图1-3所述，本发明提供一种用于承载质量大幅变化工况的连续多级恒值准零刚度隔振器，所述准零刚度隔振器包括固定板，固定板左右两侧对称设置有侧边支柱，两个侧边支柱上方固定设置有侧边滑轨，两个侧边滑轨上方均滑动连接有侧边滑块，侧边滑块上方均固定设置有斜杆外支座，斜杆外支座内侧均通过第一销轴转动连接有斜杆，两个斜杆的另一侧通过第二销轴转动连接有斜杆内支座，斜杆内支座与主滑轨固定连接，主滑轨上方连接隔振平台，两个第一销轴的之间设置有水平拉簧，且水平拉簧设置有两根且对称设置有第一销轴的前后两侧。

3、优选地，斜杆外支座与斜杆的连接端均设置有轴承，用以减小斜杆外支座、斜杆以及第一销轴之间的摩擦阻力；斜杆与斜杆内支座的连接端均设置有轴承，用以减小斜杆、斜杆内支座以及第二销轴之间的摩擦阻力。

4、优选地，斜杆外支座与侧边滑块之间设置有垫块，用以对斜杆外支座的高度进行调整，以使两侧的斜杆外支座保持同一高度且不发生零部件运动干涉。

5、优选地，斜杆内支座与主滑轨通过斜杆内支座固定板连接。

6、其还包括竖向弹簧顶部固定板、竖向弹簧底部固定板，主滑轨下方固定连接有竖向弹簧底部固定板，弹簧顶部固定板与竖向弹簧底部固定板之间对称设置有两根竖向拉簧，通过竖向驱动结构驱动竖向弹簧顶部固定板升降，改变竖向拉簧的位置，根据从而适应不同质量的被隔振物体。其设置有控制系统，控制系统内预存有不同质量的待隔振物体所对应的竖向弹簧顶部固定板的高度，根据待隔振物体的质量，通过控制系统使控制系统驱动竖向驱动结构，将竖向弹簧顶部固定板移动到预设位置。

7、优选地，竖向拉簧底部固定板通过滑轨固定板固定在主滑轨上。

8、优选地，竖向驱动结构包括电机、丝杆、螺母，电机的输出轴与丝杠固定连接，丝杠与螺母螺纹配合，螺母与连接板的一端固定连接，连接板的另一端与连接座固定连接，连接座的顶部固定连接有竖向弹簧顶部固定板。优选地，电机为步进电机。优选地，丝杠为滚珠丝杠。

9、优选地，连接座上还设置有主滑块，主滑块用于对主滑轨进行导向。优选地，主滑块内对称设置有滚轮，通过滚轮用以减小主滑轨与主滑块相对运动的阻力。

10、图4为恒值准零刚度力学示意图，通过对进行受力分析。

11、应用力f表达式如下

12、

13、其中，为k1水平拉弹总的刚度，k2表示竖向拉簧总的刚度，x是从初始位置o开始的位移，y是从静态平衡位置(斜杆处于水平状态)开始的位移；a是初始状态下斜杆在水平方向的分量；δ表示初始状态下水平拉簧的预拉伸量；h是初始状态下o点到静态平衡位置的距离。

14、对应用力f及其表达式进行无量纲化，无量纲化的应用力

15、

16、其中，水平拉簧与竖向拉簧的刚度比中间变量且x＝y+h；

17、利用无量纲化的应用力对无量纲的位移一阶求导，可求得系统的无量纲刚度

18、

19、k是有量纲刚度。

20、在静态平衡位置，对无量纲刚度求二阶导并等于零且令等于零，可得零刚度特性的参数条件α＝0.25和

21、使水平拉簧的总刚度与竖直拉簧的总刚度的比值α满足α＜0.25且α→0.25(α趋近于0.25)，同时其中m是隔振质量，ωq是设计要求的起始隔振频率；并且在初始状态下，调节水平拉簧的预拉伸长度δ为斜杆在初始状态下的水平分量a的2倍即δ＝2a，进而调节为恒值准零刚度隔振结构。

22、根据大幅变承载质量的隔振要求，设计单个静态平衡点范围的隔振能力和静态平衡点的数量，即依据单级恒值准零刚度和隔振质量变化范围设计连续多级的恒值准零刚度，如图5为所示，单个静态平衡点的隔振能力通过上述计算公式进行计算，确定每个静态平衡点附近的位移范围和对应变化力的大小，其中x0、x1、x2、x3、x4分别为竖向弹簧顶部固定板不同的位置，而纵坐标为对应的承载质量。相临两个静态平衡位置对应的位移、力均为平稳过渡，不会出现非线性刚度的准零刚度在变承载质量调整时存在力的突然变化和冲击现象。本发明原理上可以无限的增加静态平衡点的数量，即无限提高承载质量变化的适应能力。

23、一种上述用于承载质量大幅变化工况的连续多级恒值准零刚度隔振器的使用方法，所述使用方法包括如下步骤：

24、(1)将待隔振物体放置在主滑轨顶部的隔振平台上；

25、(2)控制系统内预存有不同质量的待隔振物体所对应的竖向弹簧顶部固定板的高度，根据待隔振物体的质量，使控制系统驱动竖向驱动结构，将竖向弹簧顶部固定板移动到预设位置；

26、(3)此时，在隔振质量的作用下，准零刚度隔振器调整至静态平衡位置，即将斜杆调节至水平状态，使准零刚度隔振器进入最佳工作位置。

27、(4)当存在承载质量发生变化需求时，重复(1)到(3)的步骤。

28、第2步中，具体的使控制系统驱动电机，使驱动电机带动丝杠旋转，使螺母带动连接板以及连接座纵向移动，从而带动竖向弹簧顶部固定板移动，对竖向拉簧的位置进行调节，以满足不同的隔振质量。

29、本发明的上述技术方案的有益效果如下：

30、(1)将现有技术中竖直方向上的压簧设置为竖向拉簧，以避免因摩擦阻尼过大而隔振失效，提高隔振效果。

31、(2)将水平拉簧的总刚度与竖直拉簧的总刚度的比值

32、并且在初始状态下，调节水平拉簧的预拉伸长度为斜杆在初始状态下的水平分量的2倍，调节为恒值准零刚度隔振结构。

33、(3)在单级恒值准零刚度结构的基础上，实现多级恒值准零刚度特性的调节方式，控制系统内预存有不同质量的待隔振物体所对应的竖向弹簧顶部固定板的高度，根据待隔振物体的质量，通过控制系统使控制系统驱动竖向驱动结构，将竖向弹簧顶部固定板移动到预设位置，用以调节竖向拉簧的位置，用以实现不同质量的待隔振物体的隔振，并使隔振质量处于最佳隔振效果的静态平衡位置，即实现多级恒值准零刚度隔振效果。