一種準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器設(shè)計(jì)機(jī)理與應(yīng)用研究

牛　福，任旭東，孟令帥，吳文娟，孟　光，孫景工

一種準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器設(shè)計(jì)機(jī)理與應(yīng)用研究

牛福，任旭東，孟令帥，吳文娟，孟光，孫景工

目的：設(shè)計(jì)一種新型準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器，將其應(yīng)用于救護(hù)車擔(dān)架傷病員的隔振緩沖。方法：根據(jù)開槽碟形彈簧的準(zhǔn)零剛度機(jī)理特性，應(yīng)用高靜態(tài)剛度、低動(dòng)態(tài)剛度的隔振設(shè)計(jì)方法，采用開槽碟形彈簧的對(duì)合組合結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)與應(yīng)用驗(yàn)證。結(jié)果：設(shè)計(jì)的準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器力-位移特性曲線的趨勢(shì)吻合度較好，救護(hù)車在瀝青道路上以不同車速勻速行駛時(shí)，臥姿人體臀-頭部頻率計(jì)權(quán)加速度均小于0.315 m/s2。結(jié)論：該新型隔振緩沖器應(yīng)用于救護(hù)車擔(dān)架傷病員的隔振緩沖，傷病員處于一級(jí)非常舒適水平，具有較為顯著的隔振緩沖效果。

準(zhǔn)零剛度；隔振緩沖；開槽碟形彈簧；乘臥舒適性

0　引言

傳統(tǒng)的線性被動(dòng)式隔振緩沖技術(shù)是通過設(shè)計(jì)合適的彈簧支承，在振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的倍以后的頻率范圍內(nèi)，可起到有效的隔振緩沖作用[1]，但是隔離低頻振動(dòng)的效果較差。為使隔振緩沖頻率范圍更大、隔振效果更好，就要進(jìn)一步降低振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率。降低振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率一般有2種途徑：一種是減小系統(tǒng)剛度，即減小隔振緩沖器的彈簧剛度，但是減小系統(tǒng)剛度將直接導(dǎo)致靜變形增大和系統(tǒng)的不穩(wěn)定；另一種是增大系統(tǒng)質(zhì)量，即增大隔振緩沖器的負(fù)載，而這又會(huì)受到空間和結(jié)構(gòu)的限制。

準(zhǔn)零剛度隔振緩沖技術(shù)可以使振動(dòng)系統(tǒng)具有高靜態(tài)剛度、低動(dòng)態(tài)剛度特性，成為近年來非線性隔振緩沖研究的熱點(diǎn)[2-10]。J C Nissen等[11]研究人員應(yīng)用碟形彈簧的漸軟特性，有效擴(kuò)大了隔振頻率范圍。A Risitano等[12]研究了碟形彈簧在水平方向獲得零剛度特性的方法。吳煥[13]對(duì)碟形彈簧在不同組合方式、不同載荷激勵(lì)下的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了碟形彈簧剛度、阻尼與組合方式及加載頻率的關(guān)系。張?jiān)掠14]采用正負(fù)剛度并聯(lián)方式設(shè)計(jì)了一種新型隔振器，在靜平衡位置時(shí)具有零剛度特性，在小振幅范圍內(nèi)具有高靜態(tài)剛度、低動(dòng)態(tài)剛度特性。

本文為有效提升某型越野急救車擔(dān)架傷病員的乘臥舒適性，應(yīng)用開槽碟形彈簧的準(zhǔn)零剛度機(jī)理特性，新設(shè)計(jì)、試制了一種新型隔振緩沖器，并將其應(yīng)用于救護(hù)車上擔(dān)架傷病員的隔振緩沖中，通過試驗(yàn)考察其在垂直方向的隔振緩沖性能，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)擔(dān)架傷病員的乘臥舒適性進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。

1　準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器設(shè)計(jì)機(jī)理

傳統(tǒng)的線性被動(dòng)式隔振緩沖系統(tǒng)的力-位移特性曲線如圖1中的實(shí)線所示，準(zhǔn)零剛度隔振緩沖系統(tǒng)的力-位移特性曲線如圖1中的虛線所示。當(dāng)線性振動(dòng)系統(tǒng)在承載質(zhì)量m后，在x=δst時(shí)處于靜力平衡狀態(tài)，將其回復(fù)力和靜態(tài)位移的比值稱之為靜態(tài)剛度，是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)質(zhì)量在其平衡位置附近的Δx的范圍內(nèi)發(fā)生輕微波動(dòng)，其回復(fù)力和產(chǎn)生的位移的比值，稱之為動(dòng)態(tài)剛度。由圖1中的實(shí)線可知，線性振動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)剛度與動(dòng)態(tài)剛度相等。由圖1中的虛線可知，當(dāng)準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)承載質(zhì)量m之后，同樣在x=δst處達(dá)到靜力學(xué)平衡，其靜態(tài)剛度不變。但因其平衡位置附近的力-位移特性曲線呈現(xiàn)水平趨勢(shì)，其動(dòng)態(tài)剛度趨于零，故振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率亦趨于零。因此，準(zhǔn)零剛度隔振緩沖系統(tǒng)可以用在低頻和超低頻隔振緩沖領(lǐng)域，有效提升隔振緩沖效果。

圖1　隔振緩沖系統(tǒng)的力-位移特性曲線

準(zhǔn)零剛度隔振緩沖系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，主要有2種途徑：一種是應(yīng)用彈性元件在變形過程中的非線性特性；另一種是通過正負(fù)剛度元件并聯(lián)。

碟形彈簧由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式，可以在其變形過程中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)零剛度特性，適用于變形較小、承載較大的場(chǎng)合。為使碟形彈簧能適用于承載較小的場(chǎng)合，可以應(yīng)用開槽碟形彈簧來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。開槽碟形彈簧是碟形彈簧的一種特殊形式，是在普通碟形彈簧的基礎(chǔ)上由內(nèi)向外開出若干徑向溝槽而制成，如圖2所示。

圖2　開槽碟形彈簧

圖3　開槽碟形彈簧的力-位移特性曲線

開槽碟形彈簧可等效為由若干個(gè)獨(dú)立的呈圓周陣列的懸臂梁與封閉的碟形彈簧構(gòu)成，其計(jì)算一般是基于Almen-Laszlo原理。

開槽碟形彈簧的力-位移特性曲線如圖3所示。根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)開槽碟形彈簧的高厚比h/t=時(shí)，碟形彈簧具有零剛度特性，且始終滿足彈簧剛度k≥0；當(dāng)h/t＜時(shí)，碟形彈簧的剛度始終滿足k＞0；當(dāng)h/t＞時(shí)，碟形彈簧存在負(fù)剛度區(qū)域，不穩(wěn)定。因此，在應(yīng)用開槽碟形彈簧進(jìn)行準(zhǔn)零剛度隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使其高厚比h/t=√2或在其附近范圍內(nèi)[15]。

開槽碟形彈簧的回復(fù)力具有彈簧變形3次項(xiàng)的形式，呈非線性，其振動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程為含有彈簧變形3次項(xiàng)的二階非線性微分方程，具有杜芬方程的形式。

2　準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器的設(shè)計(jì)

通過將開槽碟形彈簧進(jìn)行對(duì)合組合，可以使其在承受相同負(fù)載的同時(shí)具有更大的行程，進(jìn)而擴(kuò)大其具有準(zhǔn)零剛度特性的變形區(qū)間。圖4所示的試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

圖4　開槽碟形彈簧與新型隔振緩沖器力-位移靜態(tài)特性試驗(yàn)曲線

經(jīng)過理論設(shè)計(jì)的新型準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器結(jié)構(gòu)與外形如圖5所示。

圖5　新型準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器結(jié)構(gòu)與外形

經(jīng)過理論分析與試驗(yàn)，可獲得新型準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器力-位移特性理論與試驗(yàn)曲線的對(duì)比圖，如圖6所示。

圖6　新型隔振緩沖器力-位移特性理論與試驗(yàn)曲線

由圖6可以看出曲線光滑、連續(xù)，趨勢(shì)吻合較好，二者存在偏差可能與以下幾種因素有關(guān)：

（1）摩擦力影響：開槽碟形彈簧或新型隔振緩沖器在壓縮過程中，其支撐面與舌片端頭均與接觸面產(chǎn)生不均勻摩擦。單片開槽碟形彈簧摩擦力波動(dòng)較小，承載力波動(dòng)不明顯；但新型隔振緩沖器經(jīng)過多片對(duì)合后，摩擦力波動(dòng)疊加，導(dǎo)致承載力波動(dòng)增大。

（2）邊界條件：開槽碟形彈簧在壓縮變形過程中，其支撐面不受邊界約束，而新型隔振緩沖器內(nèi)的開槽碟形彈簧被約束在金屬內(nèi)腔，受到邊界約束，可能導(dǎo)致摩擦力波動(dòng)，從而影響承載力波動(dòng)。

（3）加工、裝配質(zhì)量：開槽碟形彈簧支撐面平面度、舌片長(zhǎng)度和角度，新型隔振緩沖器對(duì)合的各開槽碟形彈簧平行度、同軸度以及裝配時(shí)底座與連接桿的垂直度、平行度都會(huì)對(duì)新型隔振緩沖器的承載力產(chǎn)生波動(dòng)影響。

3　隔振緩沖效果評(píng)價(jià)

將設(shè)計(jì)加工的新型隔振緩沖器應(yīng)用于某型救護(hù)車擔(dān)架支架傷病員的隔振緩沖，并對(duì)其進(jìn)行乘臥舒適性分析評(píng)價(jià)。某型救護(hù)車的主要功能是運(yùn)送臥姿傷病員，根據(jù)裝備有關(guān)技術(shù)要求，通過2次隔振緩沖，應(yīng)有效提升擔(dān)架傷病員的乘臥舒適性。在救護(hù)車車廂內(nèi)左右兩側(cè)分別安裝一套擔(dān)架支架，每套擔(dān)架支架下端與車廂底板通過4個(gè)新型隔振緩沖器進(jìn)行連接、固定。試驗(yàn)傳感器布置如圖7所示。

圖7　傳感器布置示意圖

乘臥舒適性試驗(yàn)主要依據(jù)QC/T 677—2001《臥鋪客車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法》[16]。救護(hù)車分別以40、50、60、70、80、90 km/h的速度在瀝青道路上勻速行駛，分別采集置于傷病員頭、臀部對(duì)應(yīng)的擔(dān)架面處以及對(duì)應(yīng)的車廂底板處的振動(dòng)加速度傳感器信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分析處理。采用臥姿人體在臀-頭部位計(jì)權(quán)與頻率計(jì)權(quán)的部位-頻率2次計(jì)權(quán)法獲得臀-頭部頻率計(jì)權(quán)加速度（等效加速度均方根值），進(jìn)行救護(hù)車乘臥振動(dòng)舒適性分析與評(píng)價(jià)。救護(hù)車在瀝青道路上以不同車速行駛，臥姿人體臀-頭部頻率計(jì)權(quán)加速度及舒適性評(píng)價(jià)情況見表1。

表1　不同車速下的臥姿人體臀-頭部頻率計(jì)權(quán)加速度（瀝青路）

由表1可知，通過應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的新型準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器，救護(hù)車擔(dān)架傷病員的隔振緩沖效果處于一級(jí)非常舒適水平。

4　結(jié)論

本文通過研究準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器的設(shè)計(jì)機(jī)理，應(yīng)用開槽碟形彈簧的準(zhǔn)零剛度特性，采用開槽碟形彈簧的對(duì)合組合結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了一種新型準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器，經(jīng)過理論設(shè)計(jì)與特性試驗(yàn)分析，獲得其力-位移特性曲線的趨勢(shì)吻合度較好。

將新型準(zhǔn)零剛度隔振緩沖器應(yīng)用于某型救護(hù)車擔(dān)架傷病員的2次隔振緩沖，救護(hù)車分別以40、50、60、70、80、90 km/h的速度在瀝青道路上勻速行駛，隔振緩沖效果較為顯著，可以推廣應(yīng)用。

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（收稿：2014-11-05修回：2015-02-13）

Design mechanism and application of quasi-zero stiffness isolator

NIU Fu1,2,REN Xu-dong2,MENG Ling-shuai2,WU Wen-juan2,MENG Guang1,SUN Jing-gong2
(1.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China)

Objective To develop a new quasi-zero stiffness isolator for the vibration isolation of the sick and wounded on theambulance stretcher.Methods The isolator was designed and verified on the basis of the quasi-zero stiffness of slotted disk spring,vibration isolation design method with high static while low dynamic stiffness and co-laminated structure of the spring.Results The theoretical analyses and tests proved the force-displacement curves of the new quasi-zero stiffness isolator fit well.The frequency-weighted acceleration at the buttock and head under different speeds on the asphalt roads was less than 0.315 m/s2.Conclusion The new quasi-zero stiffness isolator developed behaves well in vibration isolation and comfortability for the ambulance stretcher sick and wounded.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：34-36]

quasi-zero stiffness;vibration isolation;slotted conical disk spring;ride comfort

[中國(guó)圖書資料分類號(hào)]R318；TU112.596A

1003-8868（2015）05-0034-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.034

后勤裝備研制項(xiàng)目（AWS10Z003）

牛福（1976—），男，工程師，主要從事軍隊(duì)衛(wèi)生裝備學(xué)及車輛人機(jī)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)方面的研究工作，E-mail:niufu@vip.sina.com。

200240上海，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（牛福，孟光）；300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（牛福，任旭東，孟令帥，吳文娟，孫景工）

任旭東，E-mail:r_xudong@163.com