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具有高静低动刚度特性的非线性隔振器

2020-11-13 15:52:08来源: 作者:xdnet

  在人类的生活环境和工程实践中,振动是无处不在的,振动可分为有害振动和有利振动。有害振动会使得物体变形或破坏,可能影响到重大工程的安全性和可靠性、机器的寿命和正常运转、结构性或机构性失效和降低效率,以及会危害人体的健康,使人的安全感和舒适性得不到保障等,比如地震等突入起来的剧烈运动,甚至会使人民的生命财产遭受巨大的损失等。尤其是近年来随着科学技术突飞猛进的发展,各种重大基础设施(如:高层建筑、道路、桥梁、核反应堆、重载和高速列车)和高端设备(如:精密加工仪器、激光探测仪、引力波探测装置等)对力学环境(如冲击、随机激励及地震波等含有危险的低频振动信号的环境)的要求越来越高,从而使得其对隔振器性能的要求也越来越高。例如,高超声速飞行器在飞行过程承受严酷的振动环境,高量级的振动会使设备发生功能失效,甚至发生灾难性后果。NASA在上世纪70年代对历次航天发射事件进行了统计,结果表明振动环境是导致飞行失利最重要的因素之一。又比如,由国际标准ISO2631可知,人体对4-8Hz的垂向振动是非常敏感的,而车辆等运载工具在运动过程中往往容易出现1-10Hz的振动,这些振动可能是周期的、随机的,以及冲击的等。因此,减振是一个不可回避的重要问题。
  
  然而,线性隔振理论表明,只有当激励频率大于倍固有频率时,系统才有隔振效果。隔振系统中隔振器的压缩量(平衡位置静位移)受到安装空间的约束和侧向稳定性需求的限制,因此若要提高承载能力需要隔振器具有较高刚度,然而高刚度又势必导致较高的固有频率。因此,传统的隔振器往往由于自身的固有频率无法降到足够低而难以实现期望的隔振目标,主要体现在对低频扰动隔振性能差,以及缺乏可调控性和自适应能力等方面。高承载能力和低固有频率之间的矛盾成为被动隔振技术发展的瓶颈,而低频隔振尤其是重型设备的低频隔振也一直是被动隔振的难点问题。
  
  主动隔振技术通过产生与外界激励相抵消的致动力的作用可以实现低频隔振,但是由于受其有源性、结构复杂、成本高、难于操作和维护等限制,近年来,被动和半主动隔振技术因其无源性与低能耗、可靠性好、低成本,以及操作简单等优势,而备受科学界和工程界关注。当前,高静低动刚度的隔振方式因其具有高的静载支撑能力和低频隔振性能以及抗冲击保护的能力而逐渐引起人们的关注。具有高静低动刚度特性的隔振器具有随压缩量变化的刚度,在零负载时,隔振器具有大静刚度(承载刚度)以确保高承载能力和小静位移,当负载压缩隔振器至静平衡位置时,隔振器动刚度大幅降低,因此该类隔振器兼顾高承载能力和低固有频率,有效解决了被动隔振的瓶颈问题。近年来,一系列具有高静低动刚度特征的隔振器被提出并应用到工程领域中,包括飞行器的地面共振测试、空间微重力实验研究、激光干涉仪、地震波探测仪、引力波探测装置等精密仪器的隔振,以及包装工程、车辆座椅、转向架悬挂、发动机的防护、机械精密加工等。