菱形HSLDS隔振器负刚度机构质量及摩擦力影响分析

以菱形负刚度机构HSLDS(high static low dynamic stiffness)隔振器(简称菱形HSLDS隔振器)为研究目标,采用虚功法建立负刚度机构等效摩擦力模型,并以拉格朗日方法建立包含负刚度机构质量及摩擦力因素的动力学方程;利用谐波平衡法(HBM)求解动力学方程,分析了负刚度机构质量及摩擦力对隔振的影响及其优化措施,并通过实物样机验证了理论模型的合理性。实验结果表明:负刚度机构质量及摩擦力对隔振均产生不利影响,应尽量减小;将负刚度机构连杆较短侧连接于载荷平台端,可以减小负刚度机构质量对较高频段隔振性能的影响;在限定隔振器刚度参数以及铰接副接触参数且同时满足刚度与摩擦力优化条件下,通过增大连杆机构杆长差的方式可以优化低频段隔振性能,并降低负刚度机构摩擦力对高频段隔振的影响。

基于气动肌肉和负刚度机构的主、被动宽频隔振研究

为实现简单、可靠、低耗、高效的微振动宽频隔振,基于气动肌肉和负刚度机构构建了一种新型隔振系统,对其主、被动控制进行了研究。首先建立系统的动力学模型,在此基础上分析了系统的准零刚度特性,分别运用近似解析方法和数值方法对系统的振动传递率、振动响应以及非线性现象进行分析。然后结合反演控制设计方法、自适应以及滑模控制技术,制定了系统的低频主动控制策略,运用数值方法对主动控制下的隔振性能进行了分析。结果表明,该系统拓宽了被动控制的低频隔振频带,对5 mm以下幅值的激励,隔振频率可降至0.033 Hz,而在小于0.033 Hz的超低频带,应用主动控制方式可以实现低能耗的高精度隔振,因此二者结合可以实现简单、可靠、低耗、高效的微振动宽频隔振。

改进型减震自复位负刚度机构抗震机理数值模拟

为了进一步改善既有负刚度机构的抗震性能,开发了增设与预压弹簧并行的辅助耗能元件的改进型减震自复位负刚度机构。以负刚度机构中预压弹簧刚度和预压位移作为设计参数设计了5个足尺试件,并采用商业有限元软件ABAQUS对其在水平低周往复荷载下的抗震机理进行了数值模拟。基于模拟数据处理,对其滞回特征、水平抗侧刚度和耗能能力等性能进行了对比分析。结果显示,预压弹簧刚度不仅影响负刚度对结构弱化减震的发展进程,且影响消压后对结构强化自复位的功效,而预压弹簧预压位移设计值仅影响负刚度对结构弱化减震的发展进程;设置与预压弹簧并行的辅助耗能元件可提供耗散地震能的能力,从而进一步增强结构的减震效果。因此,新型减震自复位负刚度机构实现了减震、耗能能力与自复位功效有机统一的性能设计目标。

菱形负刚度机构HSLDS隔振器优化设计研究

提出一种采用菱形连杆负刚度机构的高静刚度、低动刚度隔振器(后简称菱形HSLDS隔振器)具体实现形式,针对菱形HSLDS隔振器优化设计需求,以隔振器在平衡位置处的无量纲刚度(称为零位刚度)、刚度曲线曲率(称为零位曲率)以及负刚度机构质量作为优化目标函数,结合拉簧国标参数系列与几何约束条件构建优化数学模型;采用分区搜索的NSGA-Ⅱ改进算法解决目标空间区域搜索效率不均导致的最优解分布问题;利用MSC.ADAMS软件对Pareto最优解选择方法进行仿真分析,并通过实物样机进行验证,结果表明:Pareto最优解中选择零位刚度较小的参数组,可以获得较好的低频隔振性能,并降低负刚度机构质量;零位刚度一致时选择零位曲率较小的参数组,也可获得较好的低频隔振性能,但会增加负刚度机构质量。

含凸轮-滚轮机构的准零刚度系统隔振特性实验研究

提出了一类含凸轮-滚轮机构的准零刚度隔振器,进行了静力学分析,给出了具有分段非线性的回复力;建立了隔振系统的运动方程,并利用谐波平衡法得到了主共振响应的一次近似解析解,给出了凸轮-滚轮保持接触的参数条件,并分析了保持接触情况下的力传递率;最后,对准零刚度隔振系统进行了激振实验分析,测定了不同工况下的力传递率,并与相应的线性系统进行了对比。结果表明:通过引入凸轮-滚轮负刚度机构,有效降低了起始隔振频率,抑制了共振,提高了隔振效果,因此,该准零刚度隔振器具有良好的低频隔振性能;在凸轮-滚轮保持接触的前提下,激励幅值越大,负刚度机构越易发挥作用,隔振效果更显著。

新型三维平移自由度Delta机构准零刚度隔振平台及特性

为实现空间三维低频隔振,提出一种具有空间三维平移自由度的新型Delta机构,并以此为基础,演绎成为具有负刚度特性的并联机构,然后并联正刚度的竖直弹簧,得到一种新型三自由度并联机构准零刚度隔振平台。通过建立隔振平台的静力学和动力学模型,分析其动平台在不同空间坐标位置时各自由度方向上的刚度特性和固有频率。结果表明:隔振平台在水平方向上静力学特性呈线性关系,且仅与水平方向位移有关;在竖直方向具有准零刚度特性,可获得较低的固有频率,且仅与竖直方向位移有关,当动平台偏离平衡位置,零刚度特性不再明显。对隔振平台是否引入具有负刚度特性并联机构进行竖直方向固有频率测试,测试结果验证了引入负刚度特性并联机构的隔振平台可大幅度地降低系统在竖直方向的固有频率。

基于负刚度稳定性的并联扭转减振器控制策略研究

一种正负刚度并联半主动扭转减振器,通过在传统扭转减振器的基础上并联一负刚度机构,实现减振器动态刚度的降低,同时实现对低频扭转振动的消减。基于正负刚度并联扭转减振器减振机理,设计了半主动控制系统,通过控制负刚度机构位置以实现扭转减振器刚度达到最小值。针对输入平均转矩变化工况采用了PID控制方法和滑模变结构控制方法,建立了液压系统油压轨迹跟踪控制模型。对比分析两种控制方法的仿真效果,结果表明滑模变结构控制方法能够使负刚度机构运动平稳且系统油压稳定地跟踪最优油压轨迹,有效的提高了扭转减振器减振效果。

一种悬臂梁组合几何非线性结构准零刚度隔振器研究

为拓宽被动隔振器的隔振频率范围,实现低频甚至超低频隔振,研究了一种由负刚度机构与线性弹簧并联构成的准零刚度隔振器,其中负刚度机构由悬臂梁组合几何非线性结构构成。建立隔振器的静、动力学模型,得出了隔振器的恢复力-位移、刚度-位移曲线;分析隔振器在力激励下的幅频响应特性和稳定性,得出了阻尼及激励幅值对其隔振性能的影响规律。设计搭建机械式振动实验装置,对隔振器进行试验研究。理论分析及实验结果表明,在相同静态承载力下,所设计隔振器较对应线性隔振器,隔振频带更宽、隔振性能更优。本研究为准零刚度隔振器的设计提供了新的思路。

新型准零刚度隔振器设计及动力学研究

针对传统被动隔振器低频隔振性能不足的问题,提出了一种连杆-倾斜弹簧负刚度机构,并将其与线性弹簧并联构成一种新型准零刚度(quasi-zero stiffness,QZS)隔振器。首先,对该隔振器进行静力学分析,建立无量纲力-位移和无量纲刚度-位移关系式,并讨论设计参数对隔振器刚度的影响,进一步得出隔振器在平衡位置处具有零刚度特性的参数条件;其次,通过动力学研究,建立隔振器在位移激励下的非线性动力学方程,并应用谐波平衡法推导出位移传递率;最后,采用四阶龙格库塔法对准零刚度隔振器在不同激励频率下进行数值仿真,并与不含负刚度机构的线性隔振器进行对比分析。结果表明,准零刚度隔振器在低频激励下的隔振效果明显优于线性隔振器,而在高频激励下具备与线性隔振器相当的隔振性能。

一种六自由度准零刚度隔振平台

针对多向低频隔振难题,提出了一种六自由度准零刚度隔振平台。设计了一种含凸轮-滚珠-簧片梁负刚度机构的压杆,通过静力学分析和参数设计实现了准零刚度特性。基于准零刚度压杆构造了六自由度隔振平台,并分析了其静力学特性,结果表明,隔振平台在六个自由度上均具有准零刚度特性。建立了隔振平台的动力学模型,分析了各方向上的力传递率,评估了平台的隔振性能,并讨论了压杆倾角对隔振性能的影响。结果表明,准零刚度平台在各方向上的隔振性能明显优于相应的线性隔振平台,实现了六自由度低频隔振。

一种准零刚度系统隔振性能的几何参数优化分析

提出了一种采用菱形连杆组件作为负刚度机构的准零刚度隔振器(下文简称菱形准零刚度隔振器)。通过静力学分析方法,建立了菱形准零刚度隔振器数学模型,并与其他调节变量较少的隔振器模型进行了对比;以被测量曲线在隔振器平衡位置处的曲率作为评价参数,研究了负刚度机构几何参数对系统刚度、阻尼非线性的影响,推导了利用几何参数进行隔振优化的条件;采用谐波平衡法求解系统动力学方程,对隔振器在不同几何参数下的隔振性能进行了分析。结果表明:菱形准零刚度隔振器具有体积相对较小且非线性调节能力较好的特点,可通过调节杆长,或满足相关临界值条件时调节杆长偏差量(下文简称杆长差)对刚度及阻尼非线性特征进行优化;刚度与阻尼的非线性优化方向不同,但通常情况下,刚度非线性因素对隔振优化起主导作用;归一化振动相对位移小于0.1时,由刚度曲线曲率得到的临界值可以较好地作为杆长差参数的隔振优化调节依据。本文提出的非线性评价方法与几何非线性优化临界值计算方法,对于类似隔振器研究和设计具有一定的指导意义。

准零刚度隔振器设计及振动控制技术

介绍了准零刚度隔振器的工作原理,列举了6种常见的准零刚度隔振器的结构特性及优缺点。系统地分析了准零刚度隔振器理论研究、设计方法、工程应用的研究现状,概述了准零刚度隔振器的控制方法,梳理了准零刚度隔振器研究存在的问题,并对准零刚度隔振器的研究及其应用前景进行了展望。研究结果可为准零刚度机构设计及振动控制研究提供较为系统的理论指导,为解决低频振动问题提供新的思路。

一种光电载荷非线性隔振装置的研究

针对光电载荷对隔振性能的需求,提出一种采用菱形连杆机构作为负刚度组件,具有高静、低动刚度特点的非线性隔振器(简称菱形HSLDS隔振器)。采用静力学分析方法,建立了隔振器数学模型,研究了刚度参数设定以及非线性调节方法;利用谐波平衡法(HBM)求解动力学方程,分析了各参数对隔振性能的影响关系;采用动力学仿真软件ADAMS及实物样机对理论模型与结论进行了验证。测试结果表明:菱形HSLDS隔振器具有较方便的参数调整能力,零位刚度及刚度非线性可通过拉簧参数与连杆参数进行设定、优化,隔振的刚度非线性优化程度受主隔振器阻尼以及零位刚度参数影响。相比于传统线性隔振器,菱形HSLDS具有显著的非线性隔振优势,可较好地满足光电载荷隔振需求。

基于曲柄弹簧机构的零刚度柔性铰链研究

零刚度柔性铰链的转动刚度近似为零,克服了普通柔性铰链需要驱动力矩的缺陷,可应用于柔性夹持器等领域。以纯扭矩作用下的内外环柔性铰链为正刚度子系统,研究负刚度机构并匹配正负刚度,可构造零刚度柔性铰链。提出一种负刚度转动机构——曲柄弹簧机构,建模分析了其负刚度特性;通过匹配正负刚度,分析了曲柄弹簧机构的结构参数对零刚度品质的影响;提出一种可定制刚度和尺寸的线性弹簧——菱形片簧串,建立其刚度模型并进行了有限元仿真验证;最终,完成了一种结构紧凑的零刚度柔性铰链样件的设计、加工和测试。测试结果表明:纯扭矩作用下,±18°转角范围内,零刚度柔性铰链的转动刚度比内外环柔性铰链平均降低了93%。所构造的零刚度柔性铰链结构紧凑,零刚度品质高;所提出的负刚度转动机构和可定制刚度的线性弹簧对柔性机构的研究具有较大的参考价值。

Design and evaluation of cab seat suspension system based on negative stiffness structure

To improve the vibration-isolation performance of cab seats,the optimization model of the seat suspension system of construction machinery cabs is proposed based on the negative stiffness structure.The negative stiffness nonlinear kinetic equation is established by designing the seat negative stiffness suspension structure(NSS).Using MATLAB,the different parameters of the suspension system and their influences on the dynamic stiffness are analyzed.The ideal configuration parameter range of the suspension system is obtained.Meanwhile,the optimization model of NSS is proposed,and the vibration transmissibility characteristics are simulated and analyzed by different methods.The results show that the displacement and acceleration amplitudes of the optimized seat suspension system are evidently reduced,and the four-time power vibration dose value and root mean square calculation values in the vertical vibration direction of the seat decrease by 86%and 87%,respectively.Seat effective amplitude transmissibility(SEAT)and the vibration transmissibility ratio values also decrease.Moreover,the peak frequencies of the vibration transmitted to the driver deviate from the key frequency values,which easily cause human discomfort.Thus,the design of the seat suspension system has no effect on the health condition of the driver after being vibrated.The findings also illustrate that the NSS suspension system has good vibration-isolation performance,and the driver's ride comfort is improved.