一种负刚度特性测试装置及方法与流程

本发明属于振动测试技术领域，具体涉及一种负刚度特性测试装置及方法。

背景技术：

工程领域振动的广泛存在决定了隔振器应用的必然性。在隔振系统中，被动隔振因其在结构、成本、环保方面的优势获得青睐。被动隔振系统根据隔振特性的不同又可分为线性隔振和非线性隔振。对于线性隔振而言，低频隔振和承载能力两者始终是一对矛盾体。然而准零刚度隔振器可以通过正负刚度串联的方式实现高静刚度和低动刚度，有效解决了这个问题，并广泛应用在精密仪器、车辆运输、航空航天、轨道交通、海洋船舶等各个领域。

负刚度机构是准零刚度隔振器的重要组成，是实现高静低动刚度的必要条件。多磁环负刚度机构是一类非接触负刚度机构，具有回复力大、无摩擦、结构紧凑等优点，但其非线性位移-力行为规律和负刚度特性无专门测试装置。

技术实现要素：

针对上述技术问题，提供了一种结构简单、测试精度高、使用方便的负刚度特性测试装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种负刚度特性测试装置，包括中心轴、固定轴、刻度轴、固定板、磁环套，所述中心轴、固定轴、刻度轴排列在同一直线上，所述固定板和磁环套均具有三个通孔，所述固定板和磁环套通过通孔套装在中心轴、固定轴、刻度轴上，所述固定板设置在磁环套的上方，所述磁环套包括上磁环套和下磁环套，所述上磁环套设置在下磁环套的上方，所述上磁环套和下磁环套的内部分别设有上磁环和下磁环，所述中心轴上套装有内磁环，所述内磁环设置在上磁环套和下磁环套之间，所述中心轴的顶端通过螺栓固定连接有测力计，所述测力计通过螺钉固定在测力计板上，所述测力计板上有圆柱通槽，所述测力计板套装在刻度轴上，所述刻度轴和固定板均通过固定座固定在底座上，所述固定板上固定有上直线轴承，所述底座上固定有下直线轴承，所述中心轴穿过上直线轴承和下直线轴承。

所述磁环套包括套盖和套体，所述套盖通过螺钉固定在套体上。

所述固定板、磁环套均通过手拧螺丝固定在固定轴和刻度轴上，所述测力计板通过手拧螺丝固定在刻度轴上。

所述上磁环、下磁环和内磁环均采用钕铁硼材料，所述测力计板、固定板、磁环套、底座均采用pla材质，所述固定座采用铝合金材质，所述中心轴、刻度轴和固定轴均采用弱磁性材料

一种负刚度特性测试方法，包括下列步骤：

s1、将测力计归零；

s2、寻找（0，0）位置；

s3、将测力计板沿刻度轴向上移动，测试正方向的力和位移数据；

s4、将测力计板沿刻度轴向下移动，测试负方向的力和位移数据；

s5、通过实验数据绘制得到力-位移曲线，数据整理计算后可绘制出刚度曲线，验证准零刚度负刚度机构的负刚度特性。

所述s1中将测力计归零的方法为：将测力计置于上下磁环外部，测力计与中心轴连接，内磁环也固定在中心轴上，若内磁环和中心轴质量较小，重力可以忽略不计；手握测力计垂直放置，内磁环自由在下，开启测力计并按下“归零”键，显示此时为0n。

所述s2中寻找（0，0）位置的方法为：将内磁环置于上下磁环之间后立刻受到磁力作用，测力计显示力的变化，通过移动套在刻度轴上的测力计板间接移动内磁环位置，同时观察测力计实时读数，当显示0n时立刻用手拧螺丝固定测力计板的位置，这一位置即上下磁环间距为n0时内磁环的（0，0）位置点，记录刻度轴上这一刻度为0mm刻度。

所述s3中测试正方向的力和位移数据的方法为：每次以n1为单位移动，拧开测力计板上的手拧螺丝，注视测力计板下沿在刻度轴上向上滑动n1的刻度，然后拧紧手拧螺丝，在测力计示数稳定后读取力的数值，其他装置位置均不改变，得到+n1的力大小以后再松开测力计板的手拧螺丝，继续上移至+2n1处，固定手拧螺丝，待测力计示数稳定后读取得到+2n1处力的数值，同理测到+3n1、+4n1的力的大小。

所述s4中测试负方向的力和位移数据的方法为：每次以n1为单位移动，拧开测力计板上的手拧螺丝，注视测力计板下沿在刻度轴上向下滑动n1的刻度，然后拧紧手拧螺丝，在测力计示数稳定后读取力的数值，其他装置位置均不改变，得到-n1的力大小以后再松开测力计板的手拧螺丝，继续下移至-2n1处，固定手拧螺丝，待测力计示数稳定后读取得到-2n1处力的数值，同理测到-3n1、-4n1的力的大小。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明通过测试实验数据可绘制得到力-位移曲线，数据整理计算后可绘制出刚度曲线，从而验证准零刚度负刚度机构的负刚度特性，并且还可以对比多组不同磁环间距的负刚度特性，得到最优布置形式。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明测力计板的结构示意图；

图3为本发明固定座的结构示意图；

图4为本发明磁环套的结构示意图；

图5为本发明50mm磁环间距下理论与实验结果对比图；

其中：1为中心轴，2为固定轴，3为刻度轴，4为固定板，5为上磁环套，6为下磁环套，7为上磁环，8为下磁环，9为内磁环，10为测力计，11为测力计版，12为固定座，13为底座，14为上直线轴承，15为下直线轴承，16为套盖，17为套体，18为手拧螺丝。

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做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。

一种负刚度特性测试装置，如图1、2、3所示，包括中心轴1、固定轴2、刻度轴3、固定板4、磁环套，中心轴1、固定轴2、刻度轴3排列在同一直线上，固定板4和磁环套均具有三个通孔，固定板4和磁环套通过通孔套装在中心轴1、固定轴2、刻度轴3上，固定板4设置在磁环套的上方，磁环套包括上磁环套5和下磁环套6，上磁环套5设置在下磁环套6的上方，上磁环套5和下磁环套6的内部分别设有上磁环7和下磁环8，中心轴1上套装有内磁环9，内磁环9设置在上磁环套5和下磁环套6之间，中心轴1的顶端通过螺栓固定连接有测力计10，测力计10通过螺钉固定在测力计板11上，测力计板11上有圆柱通槽，测力计板11套装在刻度轴3上，刻度轴3和固定板4均通过固定座12固定在底座13上，固定板4上固定有上直线轴承14，底座13上固定有下直线轴承15，中心轴1穿过上直线轴承14和下直线轴承15。

进一步，如图4所示，磁环套包括套盖16和套体17，套盖16通过螺钉固定在套体17上。

进一步，固定板4、磁环套均通过手拧螺丝18固定在固定轴2和刻度轴3上，测力计板11通过手拧螺丝18固定在刻度轴3上。

进一步，上磁环7、下磁环8和内磁环9均采用钕铁硼材料，测力计板11、固定板4、磁环套、底座13均采用pla材质，固定座12采用铝合金材质，中心轴、刻度轴和固定轴均采用弱磁性材料。

一种负刚度特性测试方法，其特征在于：包括下列步骤：

s1、将测力计归零。将测力计置于上下磁环外部，测力计与中心轴连接，内磁环也固定在中心轴上，若内磁环和中心轴质量较小，重力可以忽略不计。开启测力计之后按下“归零”键，显示此时此时为0n。

s2、寻找（0，0）位置，将内磁环置于上下磁环之间后立刻受到磁力作用，测力计显示力的变化，通过移动套在刻度轴上的测力计板间接移动内磁环位置，同时观察测力计实时读数，当显示0n时立刻用手拧螺丝固定测力计板的位置，这一位置即上下磁环间距为n0时内磁环的（0，0）位置点，记录刻度轴上这一刻度为0mm刻度。

s3、将测力计板沿刻度轴向上移动，测试正方向的力和位移数据，每次以n1为单位移动，拧开测力计板上的手拧螺丝，注视测力计板下沿在刻度轴上向上滑动n1的刻度，然后拧紧手拧螺丝，在测力计示数稳定后读取力的数值，其他装置位置均不改变，得到+n1的力大小以后再松开测力计板的手拧螺丝，继续上移至+2n1处，固定手拧螺丝，待测力计示数稳定后读取得到+2n1处力的数值，同理测到+3n1、+4n1的力的大小。

s4、将测力计板沿刻度轴向下移动，测试负方向的力和位移数据，每次以n1为单位移动，拧开测力计板上的手拧螺丝，注视测力计板下沿在刻度轴上向下滑动n1的刻度，然后拧紧手拧螺丝，在测力计示数稳定后读取力的数值，其他装置位置均不改变，得到-n1的力大小以后再松开测力计板的手拧螺丝，继续下移至-2n1处，固定手拧螺丝，待测力计示数稳定后读取得到-2n1处力的数值，同理测到-3n1、-4n1的力的大小。

s5、通过实验数据绘制得到力-位移曲线，数据整理计算后可绘制出刚度曲线，验证准零刚度负刚度机构的负刚度特性。

实施例

第一步，寻找（0，0）位置。将内磁环置于上下磁环之间后立刻受到磁力作用，测力计显示力的变化。通过移动套在刻度轴上的测力计板间接移动内磁环位置，同时观察测力计实时读数，当显示0n时立刻用手拧螺丝固定测力计板的位置。这一位置即上下磁环间距为50mm时内磁环的（0，0）位置点。记录刻度轴上这一刻度为0mm刻度。

第二步，向正方向（沿刻度轴向上）移动。开始测试正方向的力和位移数据。每次以5mm为单位移动，拧开测力计板上的手拧螺丝，注视测力计板下沿在刻度轴上向上滑动5mm的刻度，然后拧紧手拧螺丝，在测力计示数稳定后读取力的数值。其他装置位置均不改变。得到+5mm的力大小以后再松开测力计板的手拧螺丝，继续上移至+10mm处，固定手拧螺丝，待测力计示数稳定后读取得到+10mm处力的数值。同理测到+15mm、+20mm的力的大小。

第三步，向负方向（沿刻度轴向下）移动。开始测试负方向的力和位移数据。每次以5mm为单位移动，拧开测力计板上的手拧螺丝，注视测力计板下沿在刻度轴上向下滑动5mm的刻度，然后拧紧手拧螺丝，在测力计示数稳定后读取力的数值。其他装置位置均不改变。得到-5mm的力大小以后再松开测力计板的手拧螺丝，继续下移至-10mm处，固定手拧螺丝，待测力计示数稳定后读取得到-10mm处力的数值。同理测到-15mm、-20mm的力的大小。

由此就测量得到上下磁环相距50mm时的负刚度区间的力和位移数据，如图5所示，通过实验数据绘制得到力-位移曲线，数据整理计算后可绘制出刚度曲线，验证准零刚度负刚度机构的负刚度特性，还可以对比多组不同磁环间距的负刚度特性，得到最优布置形式。

同理还可继续测试得到多组不同上下磁环距离间的力和位移数据。如需实验数据精度较高，可以在确定（0，0）点后，缩小内磁环向正负方向的移动距离，如每次移动2mm可得到更多的力位移点。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。