一种球接触式非线性动力吸振器及其运行方法

1.本发明涉及减振降噪处理技术领域，具体涉及一种球接触式非线性刚度可调动力吸振器及其运行方法。


背景技术：

2.随着科学技术的不断发展，机械振动的问题逐渐被人们关注与探索，解决振动所带来的一系列负面问题仍然是当今研究的热点。动力吸振器是目前对振动进行抑制的一种有效技术，其基本原理是：通过在主振动系统上附加一个子结构，即吸振器，并适当选择子结构的结构形式、动力参数以及与主振系统的耦合关系，改变主振系统的振动状态，从而在预期的频段上减小主振系统的强迫振动响应。传统的动力吸振器根据主振系统结构特点基于质量-阻尼-线性弹簧设计三参数吸振结构，虽然此动力吸振结构形式针对单振动频点且在频率相近范围内具有较好的振动抑制效果，但是吸振参数固定，结构不可更改，在面对振动频带较宽的主振动系统时，吸振效果甚微，另外，当动力吸振器本身的阻尼比或者主振动系统的固有频率发生变化，偏离最优设计状态时，制振性能随之减退，因此，为了提高动力吸振器受这些参数影响的鲁棒性，多重动力吸振器应运而生，即在单吸振结构部分并联1个或多个吸振结构，此种方法虽在一定程度上增加了动力吸振器的抑振频带，但抑振频带仍旧不宽。为了尽可能的扩宽动力吸振器的抑振频带以及提高其自适应特性，有源可调并伴有反馈系统型的动力吸振器被大量研究，主要是通过传感器测量主振系统振动信息并反馈给中心控制器，通过有源装置依据反馈实时来调控可更改的参数结构，进而达到针对性改变吸振器频率的目的，此种方法具有极佳的抑振效果，但结构复杂，可靠性不高，耗能高，在具有低耗能，高可靠性要求的应用环境(比如航天系统)下将不在适用。于是，非线性参数动力吸振结构被引入，用来改善吸振器的性能。有研究表明非线性吸振器的抑振带宽在强非线性时是相应线性吸振器带宽的两倍。目前的设计中，非线性参数结构均以整体式结构作为应用，比如非线性弹簧，在接触理论上提供非线性参数的应用还寥寥无几。
3.有鉴于此，设计一种球接触式非线性刚度可调的动力吸振器，即调谐质量阻尼器，具有重要意义。


技术实现要素：

4.针对现有动力吸振器存在抑振频带宽、耗能高、可靠性低、不具有普适性等缺陷，本发明提供了一种球接触式非线性刚度可调动力吸振器，本发明利用橡胶球的压缩变形产生的接触刚度可调性以及非线性特性来设计动力吸振器，构建了从调节端到接触刚度端理论模型。不同于传统动力吸振器结构固定后吸振参数不可改变的特点，采用无源可调控方式进行吸振刚度参数的改变，整体动力吸振器无耗能。橡胶球元件材料普遍，施加一定的接触力和接触形式具有刚度可调性，对于载荷和振动频率适应性强，更改橡胶球、接触形式或质量块参数可具有更加灵活宽泛的抑振频带。避免了有源调控带来的结构复杂特性以及可靠性低的弊端，结构简单，易安装，可靠性高，研制成本低，互换性强，可适用于任何结构形
式的主振动系统。
5.本发明还提供了上述球接触式非线性动力吸振器的运行方法。
6.本发明的技术方案为：
7.一种球接触式非线性刚度可调动力吸振器，包括上安装座、上支撑圆柱套、调节部件、下安装座、下支撑圆柱套、橡胶球、压缩螺纹杆和质量块，其中，
8.上安装座与下安装座分别安装于上支撑圆柱套与下支撑圆柱套内，两个橡胶球之间安装质量块，橡胶球以及质量块置于上安装座与下安装座之间，上支撑圆柱套与下支撑圆柱套通过压缩螺纹杆连接并通过调节部件调节二者之间的距离，上支撑圆柱套上设有螺纹安装杆，吸振器通过此螺纹安装杆与主振动系统连接。
9.根据本发明优选的，上支撑圆柱套与下支撑圆柱套通过压缩螺纹杆与调节部件进行固定，压缩螺纹杆两端均设有一定长度的螺纹，用于调节部件旋入，对橡胶球施加压力，所述一定长度是指长度在橡胶球直径的与之间。
10.根据本发明优选的，橡胶球的个数是双数，双数橡胶球结构布置实现质量块在多自由度上的运动。
11.根据本发明优选的，两个橡胶球的接触形式一致，且上安装座、橡胶球、质量块以及下安装座以动力吸振器的中轴线垂线对称设置。
12.进一步优选的，橡胶球与上支撑圆柱套、下支撑圆柱套以及质量块的接触形式为尺寸参数相同的内锥面接触或内球面接触。
13.根据本发明优选的，上支撑圆柱套圆面中轴线上设有螺纹安装杆，所述螺纹安装杆为一体化螺纹安装杆。
14.根据本发明优选的，上安装座与上支撑圆柱套通过沉头螺钉连接，下安装座与下支撑圆柱套通过内六角圆柱头螺钉连接。
15.根据本发明优选的，上支撑圆柱套、下支撑圆柱套、上安装座以及下安装座的材料均为铝合金2a12；橡胶球的材料为低苯基硅橡胶；质量块的材料为不锈钢金属材料9cr18mo。
16.根据本发明优选的，两个橡胶球对称压紧于质量块的上下侧，且橡胶球与质量块仅在轴向方向上存在接触约束。
17.上述球接触式非线性刚度可调动力吸振器的运行方法，包括：
18.(1)测量主振系统的振动特性，依据主振系统的结构特性采用锤击法或者激振器法来进行模态测试试验，从主振系统频响函数曲线中辨识出其模态参数，并获取主振系统的固有频率；
19.(2)根据主振系统的整体质量要求以及最小减振量要求确定吸振器的质量范围，给出吸振器质量块质量m1与主振系统质量m2的质量比μ的范围，针对结构空间限制给定质量块质量m1，并依据动力吸振器最优同调设计条件求取吸振器固有频率ωa，求取单个橡胶球一端接触刚度k2，结合最优阻尼条件计算吸振器阻尼c，确定橡胶球材料、硬度值ha；
20.(3)综合橡胶球固定要求、吸振器内部安装空间要求以及橡胶球阻尼值确定内锥面半锥角θ以及橡胶球直径r1，依据赫兹接触理论推导求解橡胶球所受法向压力f，进而根据螺母拧紧力矩m与橡胶球所受法向压力f的关系式求取螺母拧紧力矩m；
21.(4)将吸振器安装于主振系统，给定计算螺母拧紧力矩值拧紧螺母，橡胶球产生接触刚度，则主振系统振动将传递至橡胶球及质量块位置，吸振器进行振动抑制。
22.根据本发明优选的，步骤(2)中，单个橡胶球一端接触刚度k2的求取公式如式(i)所示：
[0023][0024]
式(i)中，w是指橡胶球接触区域法向应变，f是橡胶球所受法向压力。
[0025]
根据本发明优选的，步骤(2)中，动力吸振器的材料为铝合金2a12，质量块材料为不锈钢金属材料9cr18mo，查找机械设计手册，即得出橡胶球的弹性模量及泊松比；橡胶球的弹性模量与硬度值之间的关系式如式(ii)所示：
[0026][0027]
式(ii)中，e2为橡胶球的弹性模量，ha为橡胶球的邵氏硬度。
[0028]
根据本发明优选的，步骤(3)中，通过螺栓拧紧力矩与橡胶球所受法向压力的关系式计算螺母拧紧力矩，如式(iii)所示：
[0029][0030]
式(iii)中，m为螺母拧紧力矩，f为橡胶球所受法向压力，d2为压缩螺纹杆两端螺纹中径，λ为螺纹升角，t为压缩螺纹杆两端螺纹螺距，f为调节螺母与上支撑圆柱套间的摩擦系数，ρ为螺旋副的当量摩擦角，β为螺纹半角，f'为螺旋副间的摩擦系数，r为螺母承力面的外半径，r为螺母承力面内半径。
[0031]
本发明的有益效果为：
[0032]
1、本发明所有结构件加工简单，无较高装配精度要求，装配简易，且无需有源设备来进行变刚度的调节，可靠性高。
[0033]
2、本发明采用新变刚度形式的球接触方式来提供动力吸振器中的刚度参数并通过螺钉旋紧来施加不同的接触压力，结构方式新颖，可抑振频带宽，可实施性较高。
[0034]
3、本发明橡胶球接触相关参数所对应的结构可根据应用与振动环境更换，具有极高的可调控性，互换性高，抑振带宽，结构简单、紧凑，造价低廉，可满足众多设备的吸振要求，特别是中小型、对振动量级有极高要求的航天设备，具有设计成本低，安装简单，同时兼顾无源调控，无耗能的优势。外加简易螺纹安装位置使其具有极高的适用性，地面与航天均可适用。
附图说明
[0035]
图1为本发明球接触式非线性刚度可调动力吸振器的结构剖面示意图；
[0036]
图2为本发明球接触式非线性刚度可调动力吸振器的结构外观示意图；
[0037]
图3(a)为本发明的橡胶球内球面接触结构剖面示意图；
[0038]
图3(b)为本发明的橡胶球内锥面接触结构剖面示意图；
[0039]
图4为本发明球接触式非线性刚度可调动力吸振器的运行方法流程示意图；
[0040]
其中，1、上安装座；2、上支撑圆柱套；3、调节螺母；4、下安装座；5、下支撑圆柱套；6、橡胶球；7、压缩螺纹杆；8、质量块；9、螺纹安装杆。
具体实施方式
[0041]
以下结合说明书附图和实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0042]
实施例1
[0043]
一种球接触式非线性刚度可调动力吸振器，如图1、图2所示，包括上安装座1、上支撑圆柱套2、调节螺母3、下安装座4、下支撑圆柱套5、橡胶球6、压缩螺纹杆7和质量块8，其中，
[0044]
上安装座1与下安装座4通过螺钉分别安装于上支撑圆柱套2与下支撑圆柱套5内，两个橡胶球6之间安装质量块8，橡胶球6以及质量块8置于上安装座1与下安装座4之间，上支撑圆柱套2与下支撑圆柱套5通过压缩螺纹杆7连接并通过调节螺母3调节二者之间的距离，上支撑圆柱套2上设有螺纹安装杆9，吸振器通过此螺纹安装杆9与主振动系统连接。
[0045]
动力吸振器利用调节螺母3与压缩螺纹杆7之间的拧紧力矩，改变旋入距离，进而通过上安装座1以及下安装座4对橡胶球6施加不同的正向压力，使橡胶球6发生接触形变，产生可变的接触刚度，改变调谐质量阻尼的固有频率，使动力吸振器的固有频率与主振动系统的振动频率一致，主振系统的一部分振动则通过阻尼器金属结构，进而经过橡胶球6阻尼耗散，令一部分振动则传递至质量块8进行振动抑，对主振动系统进行吸振。动力吸振器三参数等效元素分别为：刚度—橡胶球6与质量块8内锥面接触刚度；阻尼—橡胶球6材料阻尼；质量—质量块8质量。
[0046]
实施例2
[0047]
根据实施例1所述的一种球接触式非线性刚度可调动力吸振器，其区别在于：
[0048]
上支撑圆柱套2与下支撑圆柱套5通过四个m4
×
60的压缩螺纹杆7与调节螺母3进行固定，压缩螺纹杆7两端均设有一定长度的螺纹，用于调节螺母3旋入，对橡胶球6施加压力，一定长度是指长度在橡胶球6直径的与之间。橡胶球6较小的压缩量即可产生一定的接触刚度，如果轴向压缩距离超过橡胶球6直径的时，由于大变形量可能会导致橡胶球6出现其它自由度上的模态激发，影响吸振效果。调节螺母3拧紧力矩所施加的压力可通过计算公式求得。
[0049]
橡胶球6的个数是两个，球直径为60mm，两个橡胶球6结构布置实现质量块8在多自由度上的运动。达到吸振的目的。
[0050]
两个橡胶球6的接触形式一致，且上安装座1、橡胶球6、质量块8以及下安装座4以动力吸振器的中轴线垂线对称设置。避免由于接触方式不同以及结构位置不对称带来的接触刚度耦合特性，致使接触刚度出现较大计算偏差，影响动力吸振器的使用有效性。上安装座1、下安装座4以及质量块8可根据橡胶球6所要求的接触形式进行更换，易拆装，互换性及
可调控性较高。如图3(a)、图3(b)所示，橡胶球6与上支撑圆柱套2、下支撑圆柱套5以及质量块8的接触形式为尺寸参数相同的内锥面接触或内球面接触。内锥面的半锥角为30
°
，内球面直径为60mm。两种接触形式具有橡胶球6固定作用，且接触形式简单，接触模型易构建，内锥面半锥角以及内圆面半径是决定接触刚度的重要参数，可调控性强，吸振频带的范围适应性较高。
[0051]
上支撑圆柱套2圆面中轴线上设有螺纹安装杆9，螺纹安装9杆为一体化螺纹安装杆9。便于动力吸振器与主振系统的安装，操作简单、高效。
[0052]
上安装座1与上支撑圆柱套2通过两个m3
×
12的沉头螺钉连接，下安装座4与下支撑圆柱套5通过两个m3
×
12的内六角圆柱头螺钉连接。防止上安装座1与下安装座4固定不稳，出现晃动，带来附加摩擦振动的影响，同时也更利于主振动系统振动引入到刚度-阻尼结构，进行高效的振动吸振抑制。
[0053]
上支撑圆柱套2、下支撑圆柱套5、上安装座1以及下安装座4的材料均为铝合金2a12；整体动力吸振器质量轻，强度高。橡胶球6的材料为耐腐蚀性能高的低苯基硅橡胶；耐腐蚀性能高。为了达到较大的质量比，产生较好的吸振效果，动力吸振器的振动频率可通过橡胶球6的硬度、直径、材料以及接触形式进行调整，吸振频带可调频带宽。质量块8的材料为高密度不锈钢金属材料9cr18mo。
[0054]
质量块8的材料、质量可根据主振动系统需求更换，但质量块8的整体体积与质量上需控制在一定范围内，质量块8的整体体积不得超过橡胶球6自然状态下、整体吸振器元件极限装配内置空间体积的依据动力吸振器轻质量以及最优设计要求，质量块8与主振系统的质量比不得超过0.2。避免由于质量以及体积过大导致质量块8不规则滑动以及产生干涉行为。
[0055]
两个橡胶球6对称压紧于质量块8的上下侧，且橡胶球6与质量块8仅在轴向方向上存在接触约束。主振系统振动除了会激发起橡胶球6压缩模态以外，还会激发起其摇摆模态以及其它模态，因此，该动力吸振器不仅在轴向方向上有较好的吸振作用，极大程度上在其它方向也存在吸振作用。
[0056]
实施例3
[0057]
实施例1或2所述的一种球接触式非线性刚度可调动力吸振器的运行方法，如图4所示，包括：
[0058]
(1)测量主振系统的振动特性，依据主振系统的结构特性采用锤击法或者激振器法来进行模态测试试验，从主振系统频响函数曲线中辨识出其模态参数，并获取主振系统的固有频率；
[0059]
(2)根据主振系统的整体质量要求以及最小减振量要求确定吸振器的质量范围，给出吸振器质量块8质量m1与主振系统质量m2的质量比μ的范围，针对结构空间限制给定质量块8质量m1，并依据动力吸振器最优同调设计条件求取吸振器固有频率ωa，求取单个橡胶球6一端接触刚度k2，结合最优阻尼条件计算吸振器阻尼(即橡胶球6阻尼)c，确定橡胶球6材料、硬度值ha；
[0060]
(3)综合橡胶球6固定要求、吸振器内部安装空间要求以及橡胶球6阻尼值确定内锥面半锥角θ以及橡胶球6直径r1，依据赫兹接触理论推导求解橡胶球6所受法向压力f，进
而根据螺母拧紧力矩m与橡胶球6所受法向压力f的关系式求取螺母拧紧力矩m；
[0061]
(4)将吸振器安装于主振系统，给定计算螺母拧紧力矩值拧紧螺母，橡胶球6产生接触刚度，则主振系统振动将传递至橡胶球6及质量块8位置，吸振器进行振动抑制。
[0062]
步骤(2)中，单个橡胶球6一端接触刚度k2的求取公式如式(i)所示：
[0063][0064]
式(i)中，w是指橡胶球6接触区域法向应变，f是橡胶球6所受法向压力。
[0065]
步骤(2)中，橡胶球6接触刚度为串并联形式为：
[0066]
单个橡胶球6存在上、下两端接触形式，上部的橡胶球6上端与支撑圆柱套接触，下端与质量块8接触，两处存在结构形态一致的接触，则两处接触刚度串联，计算关系式如下式所示：
[0067][0068]
式中，k
up
为上部橡胶球6整体接触刚度，k
down
为下部橡胶球6整体接触刚度。
[0069]
两个橡胶球6各自作为一个整体接触刚度，分别与质量块8相连，则两橡胶球6接触刚度并联，吸振器中所产生的总接触刚度计算关系式如下式所示：
[0070]kall
＝k
up
+k
down
＝k2[0071]
步骤(2)中单个橡胶球6一端接触刚度推导过程由以下列公式给出：
[0072]
施加力f与fn之间的关系表述为：
[0073][0074]
式中，f是橡胶球6所受法向压力，fn为橡胶球6下半球体与支撑内锥面或内球面接触线上所受到的法向压力，即为每单位圆周长度上的力，θ为内锥面半锥角，r1为橡胶球6半径；
[0075]
依据赫兹接触建模理论，接触面上的法向压力分布函数表示为：
[0076][0077]
式中，x为接触面上任意一点距戒除中心的距离，p(x)为接触面法向压力分布函数，b为接触半宽，p0为接触分布系数，e
*
为当量弹性模量，e1、μ1、e2、μ2分别为橡胶球6接触结构(上安装座1、下安装座4、质量块8)和橡胶球6的弹性模量和泊松比，
[0078][0079]
由p(x)分布在橡胶球6内任意一点产生的应力分量为：
[0080]
[0081][0082]
式中，σ
x
为x向的应力分量，σz为z向的应力分量，z为接触法向离原点距离。
[0083]
接触力学表述中，在任意的接触表面压力分布下，由平面应变的hooke定律得到整个橡胶球6中任意一点的z向应变为：
[0084][0085]
式中，e2为橡胶球6弹性模量，ν为橡胶球6泊松比，ν＝μ2。
[0086]
则橡胶球6接触区域法向应变表示为：
[0087][0088]
式中，w为橡胶球6接触区域法向应变，r1为橡胶球6半径。
[0089]
通过压缩几何变形所产生的非线性刚度即单个橡胶球6接触刚度值为：
[0090][0091]
步骤(2)中，动力吸振器的材料为铝合金2a12，质量块8材料为不锈钢金属材料9cr18mo，查找机械设计手册，即得出橡胶球6的弹性模量及泊松比；对于橡胶材料而言，工程上常用橡胶硬度值来表征弹性模量的大小，橡胶球6的弹性模量与硬度值之间的关系式如式(ii)所示：
[0092][0093]
式(ii)中，e2为橡胶球6的弹性模量，ha为橡胶球6的邵氏硬度。
[0094]
步骤(3)中，通过螺栓拧紧力矩与橡胶球6所受法向压力的关系式计算螺母拧紧力矩，如式(iii)所示：
[0095][0096]
式(iii)中，m为螺母拧紧力矩，f为橡胶球6所受法向压力，d2为压缩螺纹杆7两端螺纹中径，λ为螺纹升角，t为压缩螺纹杆7两端螺纹螺距，f为调节螺母3与上支撑圆柱套2间的摩擦系数，ρ为螺旋副的当量摩擦角，β为螺纹半角，f'为螺旋副间的摩擦系数，r为螺母承力面的外半径，r为螺母承力面内半径。
[0097]
以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。