CN116877634B - 一种用于准零刚度隔振的负刚度装置 - Google Patents

Abstract

一种用于准零刚度隔振的负刚度装置，所述负刚度装置包括环形状内圈、环形状外圈和负刚度机构；其机构是由多个负刚度单元组合垂直叠加组合形成，而单元组合又由多个负刚度单元在同一平面上沿圆周方向连续排列形成一个环形圈构成，形成一种多层环状负刚度机构；每一个负刚度单元都有一片可转动片弹簧，可转动片弹簧两端连接可转动节点，且至少有一个转动节点是可压缩弹性转动节点；可转动片弹簧在环形状内圈、环形状外圈作用下上下移动，并围绕转动节点转动，由斜面逐步转变为水平，形成负刚度。本发明通过可转动片弹簧在环形状内圈和环形状外圈之间，围绕可转动节点上下移动和转动获得负刚度，满足准零刚度隔振需求；具有结构简单，可靠性高特点。

Description

一种用于准零刚度隔振的负刚度装置

技术领域

本发明涉及一种负刚度装置，尤其是指一种用于准零刚度隔振的负刚度装置；该用于准零刚度隔振的负刚度装置可以真实地实现负刚度的可控和可调，达到准零刚度隔振效果，并制作方便，可靠性高；属于发减振隔振技术领域。

背景技术

准零刚度隔振技术通过获取较高的静态刚度和较低的动态刚度，从而在保证其承载能力的基础上具有很好的低频隔振性能，成为了目前所认为理想的隔振技术，已成为国内外学者的研究热点。所谓准零刚度隔振即为动刚度接近于零的隔振，准零刚度隔振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。准零刚度隔振器即为一类非常有代表性的具有高静低动刚度特性的隔振器。目前常见如下三种设计形式：

一是将负刚度机构并联到正刚度系统中实现准零刚度；二是利用特定形状的结构力-形变之间的非线性关系实现准零刚度；三是采用全新的隔振机理。但目前真正进入工程化应用的主要仍以将负刚度机构并联到正刚度系统中实现准零刚度为主；目前所已经有不少关于所谓“准零刚度隔振”的文献报道，但没有真正可工程化应用的技术方案；其中最为与本申请相关的有如下几个：

专利名称为“一种具有超宽准零刚度区间的低频隔振器”（CN202223354862.3）的实用新型专利，该实用新型包括底框体和顶盖，所述顶盖水平设置于底框体的顶部，所述底框体的内底部中心设有第一支撑圈，所述顶盖的底部固定连接有与第一支撑圈对应的第二支撑圈，所述顶盖的底部固定连接有与第二支撑圈对应的负刚度机构安装套；所述第一支撑圈和第二支撑圈的边缘通过多个弧形钢丝绳连接，所述第二支撑圈的底部中心固定连接有导向杆，所述第一支撑圈的顶部固定连接有与导向杆对应的通口。

专利名称为“准零刚度竖向隔震器及其设计方法、三维隔震装置”（CN202211120961.7）的发明专利，该发明包括底板、盖板、正刚度弹性元件和负刚度弹性元件，正刚度弹性元件和负刚度弹性元件分别预压缩在底板和盖板之间，其特征在于：所述的正刚度弹性元件和负刚度弹性元件均为碟形弹簧组合而成的碟簧组，正刚度弹性元件包括设置在底板中心的中碟簧组、位于中碟簧组外周的小碟簧组，负刚度弹性元件为位于正刚度弹性元件外周的大碟簧组，小碟簧组、中碟簧组和大碟簧组中的碟形弹簧半径依次增大。

3、专利名称为“双层高静低动刚度隔振系统的减振设计及优化方法和系统”（CN202210866695.6）的发明专利，该发明包括：步骤S1：搭建系统：在双层线性隔振系统的上下层分别并联一对欧拉屈曲梁负刚度调节器；步骤S2：对高静低动刚度进行原理分析，给出整个系统所受外力与位移的关系式；步骤S3：给出结构上下层总刚度的线性项κ11 和κ12之间的约束关系，得到有效取值区域；步骤S4：建立系统的动力学方程，并进行求解；步骤S5：根据步骤S2中得到的有效取值区域，改变上下层总线性刚度κ11 和κ12 ，得到最优的双层高静低动刚度系统。

现有技术存在的问题或缺点：

上述这些专利虽都涉及到了负刚度单元，也提出了一些改进的技术方案，但是仔细分析可以发现，这些专利都是不能真正用在实际的工程中去的；其中，

专利1只是提供了一种超宽距离的准零刚度负刚度装置，但是采用的是常规的负刚度顶杆的方式，这种负刚度的形成方式，在实际应用中发现，虽说负刚度杆可以起到伸缩的作用，但是结构复杂，而且效果不是很好，难以保持各个方向的受力均匀，很容易出现卡死的现象，而且该中方式的负刚度主要是靠负刚度杆拉动设置在套筒内的线性螺旋弹簧来实现，结构复杂，而且负刚度顶杆在收到垂直方向的力作用下容易出现卡死的问题，整个负刚度系统的稳定性非常的不稳，在实际的准零刚度隔振中，难以达到负刚度减振的效果。

专利2提出了一种利用大中小多种碟簧的方式来实现负刚度，这种方法在理论上，虽可行，但实际应用中，很难控制碟簧的形变；尤其是采用碟簧来实现负刚度，当碟簧接近水平时很容易出现翻转，而产生失效，因此采用碟簧来实现负刚度得做法是不可取的。

专利3提出了一种利用欧拉屈曲梁负刚度调节方法，该专利虽公开了在欧拉屈曲梁的情况下的负刚度的计算方法，也涉及两端为以铰支为边界约束条件的转动结构；但是实际中发现这种将线性弹簧在上下位移的过程中，忽视其水平位移的做法是不可取的，因为正是这种水平位移改变垂直分力的大小，因此这样计算的负刚度是难以实现准零刚度隔振效果的。

从上述专利所公开的信息可以看出，目前虽说对于采用负刚度装置加入正刚度系统，实现准零刚度隔振的研究比较多，但都仍属于一些理论上研究的偏多，大多不具备工程化应用的价值，要不就是结构复杂，不适应特殊空间的安装使用，因此很有必要对此加以改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有负刚度装置加入正刚度系统中不具备工程化应用，结构复杂，容易卡死的不足，提供一种应用于准零刚度系统中，抵抗正刚度的负刚度单元装置，该种负刚度单元不仅可以实现负刚度，且具有结构简单，容易制作，且工程化应用价值高。

本发明主要通过以下技术方案实现的：一种用于准零刚度隔振的负刚度装置，所述负刚度装置包括环形状内圈、环形状外圈和负刚度机构组合；所述的负刚度机构是由多个负刚度单元组合垂直叠加组合形成。而负刚度单元组合又由多个负刚度单元在同一平面上沿圆周方向连续排列形成一个环形圈构成，形成一种多层的环状负刚度机构；每一个负刚度单元都有一片可转动片弹簧，可转动片弹簧两端连接可转动节点，且至少有一个转动节点是可压缩弹性转动节点；可转动片弹簧在内支承块、外支承块作用下上下移动，并围绕转动节点转动，由斜面逐步转变为水平，形成负刚度。

进一步地，所述的环形状内圈或环形状外圈分别安装在负刚度机构内面或外面，其中环形状外圈套在环形状内圈外，在环形状内圈与环形状外圈之间留有一圈均匀的空隙，空隙间安装有负刚度机构；环形状内圈或环形状外圈为限制了水平方向移动，但可以相互上下垂直移动的移动部件，且至少有一个是可以上下移动的移动部件；即环形状内圈相对于环形状外圈可上下垂直移动，但两者不能相对水平方向移动。

进一步地，所述的环形状内圈和环形状外圈为环形状结构，包括圆形、方形或多边形；负刚度单元的内支承块和外支承块围绕环形状的环形状内圈和环形状外圈的空隙等分周向均布。

进一步地，所述负刚度单元的可转动片弹簧卡在内支承块和外支承块内，内支承块和外支承块分别与环形状内圈或环形状外圈连接在一起，为与环形状内圈或环形状外圈连接在一起的一体结构；或多个内支承块和外支承块周向分别嵌入在环形状内圈或环形状外圈内，与环形状内圈或环形状外圈形成嵌入式结构；而且内支承块和/或外支承块是分别与环形状内圈、环形状外圈一起上下垂直随动的移动部件。

进一步地，所述的可转动片弹簧为扁平状的弹簧片，整体为长方形的片状；可转动片弹簧的两端为可转动球头，使得可转动片弹簧的长度方向截面形成哑铃状结构；片弹簧两端连接在内支承块的外表面和外支承块的内表面上，并且可转动球头卡在内支承块和外支承块的球窩内，形成可转动节点；可转动片弹簧可在内支承块和外支承块的球窩内上下转动。

进一步地，所述的可转动片弹簧在内支承块和外支承块初始状态为斜形布置状态；当内支承块和外支承块安装在减振系统中，随正刚度单元上下相互垂直运动时，可转动片弹簧将随着内支承块和外支承块的上下相互垂直运动逐步由斜形向水平过渡，并在由斜形向水平过渡的过程中不断地改变垂直方向的分力大小，通过片弹簧两端与内支承块和外支承块支撑的垂直方向分力形成负刚度，且负刚度逐步变小，逐步趋向为零，形成负刚度的准零刚度变化。

进一步地，所述的可转动片弹簧两端的可转动球头与内支承块和外支承块的球窩是通过弹性支撑片进行连接的；由弹性支撑片包裹住可转动球头，再卡入内支承块和外支承块的球窩内，形成转动节点。

进一步地，所述的可转动片弹簧为屈曲弹簧片，片弹簧在内支承块和外支承块上下相互垂直运动中，随着片弹簧由斜形向水平过渡的变化，在水平力的作用下发生屈曲形变，通过片弹簧屈曲形变调整负刚度大小，以适应准零刚度隔振对负刚度的需求。

进一步地，所述的屈曲弹簧片整体为长方形的片状，其宽度为长度的1/3-1/2，且沿长度方向中部向下微微弯曲，长度方向的两端设置以宽度方向为轴线的圆柱面，圆柱面的半径约为弹簧片厚度的1.3-1.8倍，端部圆柱面与弹簧片厚度方向的上、下表面实行圆弧过渡。优选地，所述的屈曲式片弹簧的长度(L)为14-25mm；厚度为0.6-1mm；屈曲式片弹簧倾斜的初始角度(A)为15-25度之间。

进一步地，所述的可压缩弹性转动节点为弹性橡胶复合体；在弹性支撑片与内支承块和外支承块的球窩之间设有橡胶层，橡胶层硫化在内支承块或外支承块上；在橡胶层上再硫化有弹性支撑片，通过弹性支撑片可压缩橡胶层，形成弹性体的可转动节点；弹性支撑片为可变形的弧形弹片，弹性支撑片中部为弧形凹坑状的弧形窝坑，弧形窝坑的弧度与可转动片弹簧的可转动球头弧度相配；弹性支撑片的弧形坑与片弹簧的端头接触，并形成可转动配合。

进一步地，所述的弹性支撑片与可转动片弹簧的可转动球头之间设有耐磨垫，耐磨垫包裹住可转动球头；通过耐磨垫减少弹性支撑片与可转动球头之间的转动摩擦。

本发明的有益效果：

本发明采用可转动的片弹簧，通过改变片弹簧与转动节点的受力形成负刚度，不仅可实现与准零刚度隔振要求相匹配的负刚度，解决准零刚度隔振对负刚度的要求；而且结构简单，易于制作，能够批量生产，解决了现有隔振器安装复杂，难以维护的不足，完全具备工程化应用的条件；主要有以下优点：

1、采用可转动片弹簧代替常规的活塞杆或碟簧或直线弹簧，既消除了活塞杆式负刚度形成时，容易受垂直力的作用导致受力不稳，不均匀的现象；还可以解决碟簧负刚度形成时的扭曲变形的问题，防止各个方向的受力不均，且产生扭曲形变。

2、采用可转动节点连接可转动片弹簧，使得可转动片弹簧两端可转动，这样可转动片弹簧在工作过程中可以通过转动来调整可转动片弹簧的空中姿态，有效解决了以往靠活塞式杆件伸缩，容易在垂向作用力的作用下出现卡死的问题；通过可转动节点的转动调整可转动片弹簧的空中姿态改变形成负刚度，不存在过程中的卡死问题，所以能够真实实现负刚度介入实现准零刚度隔振的工程化应用。

3、可转动节点采用弹性可压缩结构，在可转动片弹簧由斜面向水平转动中，可以通过压缩转动节点的弹性层，弥补可转动片弹簧在水平方向的尺寸变化，防止水平力过大使得可转动片弹簧失稳。

4、通过弹性转动节点的转动和压缩调整可转动片弹簧，可以精确调整负刚度的大小，真正做到与准零刚度隔振系统的正刚度完美匹配，真正实现准零刚度隔振。

5、可转动片弹簧采用屈曲式片弹簧结构，在作业过程中也可以通过屈曲式片弹簧的定向变形形成负刚度，这样可以通过屈曲式可转动片弹簧的自身变化，或与弹性转动节点的组合形成所需要的负刚度。

6、本负刚度装置具有结构简单，实施过程中稳定可靠，能精确确定负刚度的变化规律，从而找到与系统准零刚度隔振需要的准确负刚度及其变化规律，真正实现系统准零刚度隔振。

附图说明

图1为本发明一个实施例的总体结构示意图；

图2为附图1的多层负刚度机构结构示意图；

图3为本发明负刚度单元的结构示意图；

图4为图3的局部放大结构示意图；

图5为本发明片弹簧位移示意图；

图6实施例一的负刚度单元平面布置示意图；

图7为实施例一的负刚度装置盖板结构示意图；

图8为实施例一的形变曲线图；

图9为本发明另一个实施例片弹簧平面布置示意图；

图10为本发明另一个实施例片弹簧平面布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明。

本领域的技术人员都知道，只有当激励频率大于√2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。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。

而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。准零刚度隔振器即为一类非常有代表性的具有高静低动刚度特性的隔振器。顾名思义，准零刚度隔振器即为动刚度接近于零的隔振器；其中，采用将负刚度机构并联到正刚度系统中实现准零刚度至少必须有一个负刚度装置，通过负刚度装置产生负刚度来抵消正刚度所产生的振动。负刚度关键作用是将负刚度机构并联到正刚度系统中实现准零刚度。

目前这种将负刚度机构并联到正刚度系统中实现准零刚度的想法很多，但是都是一些理论上研究的居多；本发明所希望提出的用于准零刚度隔振的负刚度装置是一种能够具有工程化应用的，实实在在的负刚度装置，尤其是能够应用于隧道灯狭小空间应用的负刚度装置。

本发明所涉及的负刚度装置包括内承载部件（2）、外承载部件（1）和负刚度机构（3），如附图1-9所示；所述的负刚度机构（3）是由多个负刚度单元组合（6）垂直叠加组合形成，而负刚度单元组合（6）又由多个负刚度单元（7）在同一平面上沿圆周方向连续排列形成一个环形圈构成，由多个环形布置的负刚度单元组合（6）叠加在一起形成一种多层的环状负刚度机构。这其中的核心是负刚度单元（7），每一个负刚度单元（7）都有一片可转动片弹簧（12），可转动片弹簧（12）两端连接可转动节点（19），且至少有一个可转动节点（19）是弹性可压缩转动节点；可转动片弹簧（12）两端的可转动节点（19）分别设置在上支承块（8）、下支承块（16）内，并随着上支承块（8）、下支承块（16）相对的上下移动，可转动节点（19）带动可转动片弹簧（12）下上下移动，并围绕可转动节点（19）转动，可转动片弹簧（12）的空中形态逐步由斜面逐步转变为水平位置转变，形成负刚度。

所述的内承载部件（2）或外承载部件（1）分别安装在负刚度机构（3）内面或外面，其中外承载部件（1）套在内承载部件（2）外，在内承载部件（2）与外承载部件（1）之间留有一圈均匀的空隙，并在空隙间环状布置安装负刚度机构；内承载部件（2）或外承载部件（1）为限制了水平方向移动，但可以相互上下垂直移动的移动部件，且至少有一个是可以上下移动的移动部件；即内承载部件（2）相对于外承载部件（1）可上下垂直移动，但两者不能相对水平方向移动。

所述的内承载部件（2）和外承载部件（1）为环形状结构，包括圆形、方形或多边形；负刚度单元（7）的上支承块（8）和下支承块（16）根据环形状内圈和环形状外圈的形状，围绕环形状的环形状内圈和环形状外圈的空隙等分周向均匀分布。

所述负刚度单元（7）的可转动片弹簧（12）通过可转动节点（19）卡在上支承块（8）和下支承块（16）内，而上支承块（8）和下支承块（16）又分别与内承载部件（2）或外承载部件（1）连接在一起。所述上支承块（8）和下支承块（16）与内承载部件（2）或外承载部件（1）可以是连接在一起的一体结构；或多个上支承块（8）和下支承块（16）周向分别嵌入在内承载部件（2）或外承载部件（1）内，与内承载部件（2）或外承载部件（1）形成嵌入式结构；而且上支承块（8）和/或下支承块（16）是分别与内承载部件（2）、外承载部件（1）一起上下垂直随动的移动部件。

所述的可转动片弹簧（12）为扁平状的弹簧片，整体为长方形的片状；可转动片弹簧（12）的两端为可转动圆柱面，使得可转动片弹簧（12）的长度方向截面形成哑铃状结构；可转动片弹簧（12）两端通过可转动节点（19）连接在上支承块（8）的外表面和下支承块（16）的内表面上，并且可转动圆柱面卡在内支承块和外支承块的球窩内，形成可转动节点；可转动片弹簧（12）可在上支承块（8）和下支承块（16）的球窩内上下转动。

所述的可转动片弹簧（12）为屈曲弹簧片，可转动片弹簧（12）整体为长方形的片状，其宽度为长度的1/3-1/2，且沿长度方向中部向下微微弯曲，可转动圆柱面为长度方向的两端设置以宽度方向为轴线的圆柱面，圆柱面的半径约为弹簧片厚度的1.3-1.8倍，端部圆柱面与弹簧片厚度方向的上、下表面实行圆弧过渡。优选地，所述的可转动片弹簧（12）的长度(L)为14-25mm；厚度为0.6-1mm；可转动片弹簧（12）倾斜的初始角度(A)为15-25度之间，上下移动距离H在1-5mm。

所述的可转动片弹簧（12）两端的可转动圆柱面与上支承块（8）和下支承块（16）的球窩是通过上支承弹簧片（11）和下支承弹簧片（13）进行连接的；由上支承弹簧片（11）和下支承弹簧片（13）柱状包裹住可转动圆柱面，再卡入上支承块（8）和下支承块（16）的球窩内，形成转动节点。

所述的可转动片弹簧（12）为屈曲弹簧片，可转动片弹簧（12）在上支承块（8）和下支承块（16）上下相互垂直运动中，随着可转动片弹簧（12）由斜形向水平过渡的变化，在水平力的作用下发生屈曲形变，通过可转动片弹簧（12）的屈曲形变调整负刚度大小，以适应准零刚度隔振对负刚度的需求。

所述的弹性转动节点为弹性橡胶复合体；在上支承弹簧片（11）和下支承弹簧片（13）与上支承块（8）和下支承块（16）的球窩之间分别设有上支承橡胶件（9）和下支承橡胶件（15），上支承橡胶件（9）和下支承橡胶件（15）分别硫化在上支承块（8）或下支承块（16）上；在上支承橡胶件（9）和下支承橡胶件（15）上再分别硫化有上支承弹簧片（11）和下支承弹簧片（13），通过上支承弹簧片（11）和下支承弹簧片（13）压缩橡胶层，形成弹性体基座的可转动节点（19）；上支承弹簧片（11）和下支承弹簧片（13）为可变形的弧形弹片，上支承弹簧片（11）和下支承弹簧片（13）中部为弧形凹坑状的弧形窝坑，弧形窝坑的弧度与可转动片弹簧（12）的可转动圆柱面弧度相配；上支承弹簧片（11）和下支承弹簧片（13）的弧形坑与可转动片弹簧（12）的端头的接触，并形成可转动配合的可转动节点（19）。

所述的上支承弹簧片（11）和下支承弹簧片（13）与可转动片弹簧（12）的可转动圆柱面之间设有耐磨垫，耐磨垫包裹住可转动球头；通过耐磨垫减少弹性支撑片与可转动球头之间的转动摩擦。优选地，采用含油轴瓦做耐磨垫。

所述的负刚度装置的工作原理是：可转动片弹簧（12）在上支承块（8）和下支承块（16）初始状态为斜形布置状态；当上支承块（8）和下支承块（16）安装在减振系统中，随正刚度单元上下相互垂直运动时，可转动片弹簧（12）将随着上支承块（8）和下支承块（16）中的可转动节点（19）上下移动和转动，相互垂直运动地逐步由斜形向水平过渡，并在由斜形向水平过渡的过程中不断地改变垂直方向的分力大小，通过片弹簧两端与内支承块和外支承块支撑的垂直方向分力形成负刚度，且负刚度逐步变小，逐步趋向为零，形成负刚度的准零刚度变化。

发明人是长期从事弹性减振元件研究的专业工程技术人员，对准零刚度隔振也进行了认真的研究；根据上述技术方案的原理，对多种技术实施方案进行了研究；通过多方案的比对分析研究，提出了以下一些较为理想的实施技术方案。

实施例一

本实施例为一种用于城市轨道交通的圆环状的准零刚度隔振的负刚度装置，所述的用于准零刚度隔振的负刚度装置是由包括外承载部件（1）、内承载部件（2）、负刚度机构（3）和上盖板（4）组合构成，如附图1-9所示。

所述外承载部件（1）为沿轴向上端大下端小的阶梯圆柱筒状结构；其上端内腔为阶梯孔结构，且在靠近端部位置设置有内螺纹；其上端内腔分别同轴安装有内承载部件（2）、负刚度机构（3）和上盖板（4）；其下端部外圆柱上设置有外螺纹并与正刚度组件（图中未画出）中上盖承载筒中心阶梯孔上端部内螺纹形成装配关系。

所述内承载部件（2）为圆桶状结构，桶底外圆直径大于桶的外径并形成轴肩，桶底部开有中心圆孔，该中心圆孔及孔端面与所述正刚度组件中底座底板上设置的中心轴销的顶端阶梯轴形成装配关系。所述内承载部件（2）同轴安装在外承载部件（1）上端内腔底部。所述负刚度机构（3）同轴安装在外承载部件（1）上端内腔与内承载部件（2）圆桶之间。

所述上盖板（4）为圆柱饼状结构，其外圆柱上设有外螺纹并与所述外承载部件（1）上端内腔设置的内螺纹为装配关系。所述上盖板（4）下端面与所述负刚度机构（3）外圈顶面（5）为装配关系。

所述负刚度机构（3）由多个负刚度单元组合（6）沿垂直方向叠加组合构成，而每一个负刚度单元组合（6）又是由多个负刚度单元（7）在同一平面上沿圆周方向连续排列而成一个环形所构成。

所述负刚度单元（7）包括上支承块（8）、上支承橡胶件（9）、上支承铜瓦（10）、上支承弹簧片（11）、可转动片弹簧（12）、下支承弹簧片（13）、下支承铜瓦（14）、下支承橡胶件（15）、下支承块（16）。其中所述上支承块（8）、上支承橡胶件（9）和上支承弹簧片（11）为粘接硫化为一个整体；所述下支承弹簧片（13）、下支承橡胶件（15）和下支承块（16）为粘接硫化为一个整体；所述的上支承弹簧片（11）、上支承铜瓦（10），以及下支承弹簧片（13）、下支承铜瓦（14）分别与可转动片弹簧（12）两端头的端部圆柱面构成可转动节点（19）。

所述可转动片弹簧（12）为一个矩形的屈曲式弹簧片，其宽度约为长度(L)的一半，且沿长度方向中部向下微微弯曲，长度方向的两端设置以宽度方向为轴线的圆柱面，圆柱面的半径约为弹簧片厚度的1.5倍，端部圆柱面与弹簧片厚度方向的上、下表面实行圆弧过渡。所述可转动片弹簧（12）的长度方向与水平面之间设置一个倾斜的角度(A)，其两端的圆柱面分别构成上、下关节性支承面，并在其两端的圆柱面上分别包裹铜瓦即上支承铜瓦（10）和下支承铜瓦（14）。

所述上支承弹簧片（11）为一个宽度与可转动片弹簧（12）宽度一致，而长度方向弯曲成一个类似弓形的弹簧片，其中间部位的圆柱形凹面与可转动片弹簧（12）的上支承铜瓦（10）形成一对摩擦副式的连接。

所述下支承弹簧片（13）为一个宽度与可转动片弹簧（12）宽度一致，而长度方向弯曲成一个类似弓形的弹簧片，其中间部位的圆柱形凹面与可转动片弹簧（12）的下支承铜瓦（14）形成一对摩擦副式的连接。

所述上支承块（8）是一个只允许上下运动的承载部件，其左下方向设计成一个弓形的凹面，与上支承弹簧片（11）弓形的凸面形成对应的配合关系，在上支承块（8）弓形的凹面与上支承弹簧片（11）弓形的凸面之间保留的空隙用上支承橡胶件（9）进行填充并整体粘接硫化在一起。

所述下支承块（16）是一个限制了水平方向运动的放置在基础平台上的承载部件，其右上方向设计成一个弓形的凹面，与下支承弹簧片（13）弓形的凸面形成对应的配合关系，在下支承块（16）弓形的凹面与下支承弹簧片（13）弓形的凸面之间保留的空隙用下支承橡胶件（15）进行填充并整体粘接硫化在一起。

所述负刚度单元其工作原理为：所述上支承块（8）和下支承块（16）均被限制了在水平方向的运动并与其余弹性组件通过橡胶粘接硫化及装配组合成为一个整体。下支承块(24)放置在基础平台上，当上支承块（8）受到垂向加载时即产生垂向位移。在加载力的作用下其受力传递路径是：上支承块（8）→上支承橡胶件（9）→上支承弹簧片（11）→上支承铜瓦（10）→可转动片弹簧（12）→下支承铜瓦（14）→下支承弹簧片（13）→下支承橡胶件（15）→下支承块（16），其中，橡胶件产生弹性压缩变形、金属弹簧片产生弹性屈曲变形，同时可转动片弹簧（12）长度方向与水平面的夹角（A）发生变化即由大变小；优选地，夹角（A）控制在15-30度之间。在连续加载的情况下，当可转动片弹簧（12）长度方向与水平面的夹角为零时，负刚度单元在垂直方向的分力即支承反力也为零，由此作用在上支承块（8）上的垂向力和位移所形成的刚度曲线为一条类似抛物线的刚度曲线；如附图10所示。

如图所示：所述负刚度装置包括多个负刚度单元（7），其中，负刚度单元（7）的下支承块（16）设计成一个圆环，即构成负刚度装置下支承块（16）的内圈（17）；负刚度单元的上支承块（8）设计成一个圆环，即构成负刚度装置上支承块（8）的外圈（18）；所述负刚度单元中的可转动片弹簧（12）沿圆周方向均匀排列成一个类似转动簧片并与下支承铜瓦（14）和上支承铜瓦（10）与上支承弹簧片（11）和下支承弹簧片（13）组合通过上橡胶件（9）和下支承橡胶件（15）形成的橡胶圈分别与下支承块（16）的内圈凹槽（21）和上支承块（8）的外圈凹槽（22）一起粘接硫化成一个整体，即构成负刚度装置。

如图所示：所述上盖板（4）为圆柱饼状结构，其上端面开有沉孔，沉孔中心位置焊接有一个螺母，螺母外圆柱上设有外螺纹并与所述外承载部件（1）上端内腔设置的内螺纹为装配关系。所述上盖板（4）下端面与所述上支承块（8）顶面为装配关系，控制二者之间的空隙为上支承块（8）与下支承块（16）相互上下移动的距离。

综上所述，本实施例的有益效果为：在现有的浮置式道床上设置本发明所述的准零刚度隔振器，采用准零刚度隔振器替换现有道床板中的钢弹簧或橡胶弹簧隔振器，可实现在静平衡状态下，动态刚度低或趋近于零，解决了传统线性隔振系统隔离低频或超低频振动时的难题，减小了起始隔振频率，增大了隔振频率范围，提高了系统隔振效率。同时完整的保留了现有浮置板减振轨道的承载能力和可靠性。

实施例二

实施例二的基本原理与实施例一是一样的，只是在结构上稍微与实施例一有所不同，如附图；为一种方形结构的环形准零刚度隔振的负刚度装置；包括外承载部件（21）、内承载部件（22）、负刚度机构（23）和上盖板（24）；其特点是外承载部件（21）和内承载部件（22）均为方形结构环形圈，且内承载部件（22）、负刚度机构（23）和上盖板（24）安装在外承载部件（21）内的方形环形圈凹槽内。

但是所述的负刚度机构（23）是由多个负刚度单元组合（26）沿铅锤方向叠加组合构成，且每一个负刚度单元组合（26）又是由多个负刚度单元（27）在同一平面上沿外承载部件（21）内面和内承载部件（22）外面四周方向相互连续排列而成；

每一个负刚度单元（27）只有屈曲式片弹簧和可转动节点，屈曲式片弹簧两端为球铰状的球头，屈曲式片弹簧两端球头分别与卡在外承载部件（21）和内承载部件（22）内的弹性支撑片铰接在一起，形成可转动节点；屈曲式片弹簧在随着外承载部件（21）和内承载部件（22）上下移动中，同时围绕两个可转动节点转动和屈曲变形，形成负刚度。

其它部分的调整与实施例一是一样的。本实施例只是采用屈曲式片弹簧与转动节点组合，在屈曲式片弹簧，这样改变相对结构更为简单，实施起来更为容易。但由于是完全靠屈曲式片弹簧的屈曲形变调整负刚度，所以对于屈曲式片弹簧的要求更高。

实施例三

实施例三的基本原理与实施例一是一样的，只是在结构上稍微与实施例一有所不同；为一种六边形结构的环形准零刚度隔振的负刚度装置；包括外承载部件（31）、内承载部件（32）、负刚度机构（33）和上盖板（34）；其特点是外承载部件（31）和内承载部件（32）均为六边形结构环形圈，且内承载部件（32）、负刚度机构（33）和上盖板（34）安装在外承载部件（31）内的六边形环形圈凹槽内。

所述的负刚度机构（33）是由多个负刚度单元组合（36）沿铅锤方向叠加组合构成，且每一个负刚度单元组合（36）又是由多个负刚度单元（37）在同一平面上沿外承载部件（31）内面和内承载部件（32）外面的六面相互连续排列而成；

只是每一个负刚度单元（37）是由刚性的片弹簧和弹性的可转动节点组合构成，刚性的片弹簧两端为球铰状的球头，刚性的片弹簧两端球头分别与卡在外承载部件（31）和内承载部件（32）内的弹性支撑片铰接在一起，弹性支撑片又通过弹性橡胶层粘结在外承载部件（31）和内承载部件（32），形成弹性可转动节点；刚性的片弹簧在随着外承载部件（31）和内承载部件（32）上下移动中，只是在弹性支撑片的铰接点中转动，不发生屈曲形变，而是通过压缩两端弹性可转动节点的橡胶层，弥补刚性的片弹簧在水平方向的长度变化，使得刚性的片弹簧两端的受力大小和方向发生变化，形成负刚度。

其它部分的调整与实施例一是一样的。本实施例只是采用屈曲式片弹簧与转动节点组合，在屈曲式片弹簧，这样改变相对结构更为简单，实施起来更为容易。但由于是完全靠屈曲式片弹簧的屈曲形变调整负刚度，所以对于屈曲式片弹簧的要求更高。

实施例四

实施例四的基本原理与实施例一是一样的，只是在结构上稍微与实施例一有所不同；为一种圆形结构的环形准零刚度隔振的负刚度装置；包括外承载部件（41）、内承载部件（42）、负刚度机构（43）和上盖板（44）；其特点是外承载部件（41）和内承载部件（42）均为圆形结构环形圈，且内承载部件（42）、负刚度机构（43）和上盖板（44）安装在外承载部件（41）内的圆环形圈凹槽内。

所述的负刚度机构（43）由多个负刚度单元组合（46）沿铅锤方向叠加组合构成，且每一个负刚度单元组合（46）又是由多个负刚度单元（47）在同一平面上沿外承载部件（41）内面和内承载部件（42）外面的圆周方向相互连续排列而成；

且每一个负刚度单元（47）是由屈曲式片弹簧和复合可转动节点组合构成，其中，复合可转动节点有一端是弹性可转动节点，另一端为刚性可转动节点；

所述负刚度单元包括上支承块（48）、上支承橡胶件（49）、上支承铜瓦（410）、上支承弹簧片（411）、屈曲式片弹簧（412）、下支承弹簧片（413）、下支承铜瓦（414）和下支承块（416）。

其中，所述上支承块（48）、上支承橡胶件（49）和上支承弹簧片（411）为粘接硫化为一个整体；所述下支承弹簧片（413）直接镶嵌在下支承块（416）内。

所述屈曲式片弹簧（412）为一个矩形的弹簧片，其宽度约为长度(L)的一半，且沿长度方向中部向下微微弯曲，长度方向的两端设置以宽度方向为轴线的圆柱面，圆柱面的半径约为弹簧片厚度的1.5倍，端部圆柱面与弹簧片厚度方向的上、下表面实行圆弧过渡。所述屈曲式片弹簧（412）的长度方向与水平面之间设置一个倾斜的角度(A)，其两端的圆柱面分别构成上、下关节性支承面，并在其两端的圆柱面上分别包裹铜瓦即上支承铜瓦（410）和下支承铜瓦（414）。

所述上支承弹簧片（411）为一个宽度与屈曲式片弹簧（412）宽度一致，而长度方向弯曲成一个类似弓形的弹簧片，其中间部位的圆柱形凹面与屈曲式片弹簧（412）的上支承铜瓦（410）形成一对摩擦副式的连接。

所述下支承弹簧片（413）为一个宽度与屈曲式片弹簧（412）宽度一致，而长度方向弯曲成一个类似弓形的弹簧片，其中间部位的圆柱形凹面与屈曲式片弹簧（412）的下支承铜瓦（414）形成一对摩擦副式的连接。

所述上支承块（48）是一个只允许上下运动的承载部件，其左下方向设计成一个弓形的凹面，与上支承弹簧片（411）弓形的凸面形成对应的配合关系，在上支承块（48）弓形的凹面与上支承弹簧片（411）弓形的凸面之间保留的空隙用上支承橡胶件（49）进行填充并整体粘接硫化在一起。

所述下支承块（416）是一个限制了水平方向运动的放置在基础平台上的承载部件，其右上方向设计成一个弓形的凹面，与下支承弹簧片（413）弓形的凸面形成对应的配合关系，下支承弹簧片（413）弓形的凸面直接镶嵌在下支承块（416）弓形的凹面内，形成一端为弹性可压缩的弹性可转动节点。

其它部分的调整与实施例一是一样的。本实施例只是采用屈曲式片弹簧与一端为弹性可转动节点组合，这样既利用了屈曲式片弹簧的屈曲形变优点，又利用了弹性橡胶可压缩的优点，二者结合可以更好实现负刚度的调整变化；同时在屈曲式片弹簧的一端采用了刚性的可转动节点，这样有利于加工制作，方便批量化生产。

需要说明的是，上述所列实施例，只是结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，而且本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。同时，说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的有益效果：

本发明采用可转动的片弹簧，通过改变片弹簧与转动节点的受力形成负刚度，不仅可实现与准零刚度隔振要求相匹配的负刚度，解决准零刚度隔振对负刚度的要求；而且结构简单，易于制作，能够批量生产，解决了现有隔振器安装复杂，难以维护的不足，完全具备工程化应用的条件；主要有以下优点：

1、采用可转动片弹簧代替常规的活塞杆或碟簧或直线弹簧，既消除了活塞杆式负刚度形成时，容易受垂直力的作用导致受力不稳，不均匀的现象；还可以解决碟簧负刚度形成时的扭曲变形的问题，防止各个方向的受力不均，且产生扭曲形变。

2、采用可转动节点连接可转动片弹簧，使得可转动片弹簧两端可转动，这样可转动片弹簧在工作过程中可以通过转动来调整可转动片弹簧的空中姿态，有效解决了以往靠活塞式杆件伸缩，容易在垂向作用力的作用下出现卡死的问题；通过可转动节点的转动调整可转动片弹簧的空中姿态改变形成负刚度，不存在过程中的卡死问题，所以能够真实实现负刚度介入实现准零刚度隔振的工程化应用。

3、可转动节点采用弹性可压缩结构，在可转动片弹簧由斜面向水平转动中，可以通过压缩转动节点的弹性层，弥补可转动片弹簧在水平方向的尺寸变化，防止水平力过大使得可转动片弹簧失稳。

4、通过弹性转动节点的转动和压缩调整可转动片弹簧，可以精确调整负刚度的大小，真正做到与准零刚度隔振系统的正刚度完美匹配，真正实现准零刚度隔振。

5、可转动片弹簧采用屈曲式片弹簧结构，在作业过程中也可以通过屈曲式片弹簧的定向变形形成负刚度，这样可以通过屈曲式可转动片弹簧的自身变化，或与弹性转动节点的组合形成所需要的负刚度。

6、本负刚度装置具有结构简单，实施过程中稳定可靠，能精确确定负刚度的变化规律，从而找到与系统准零刚度隔振需要的准确负刚度及其变化规律，真正实现系统准零刚度隔振。

Claims (10)

1.一种用于准零刚度隔振的负刚度装置，所述负刚度装置包括环形状内圈、环形状外圈和负刚度机构；其特征在于：所述的负刚度机构是由多个负刚度单元组合垂直叠加组合形成；而负刚度单元组合又由多个负刚度单元在同一平面上沿圆周方向连续排列形成一个环形圈构成，形成一种多层的环状负刚度机构；每一个负刚度单元都有一片可转动片弹簧，可转动片弹簧两端连接可转动节点，且至少有一个转动节点是可压缩弹性转动节点；可转动片弹簧在内支承块、外支承块作用下上下移动，并围绕转动节点转动，由斜面逐步转变为水平，形成负刚度；所述的可转动片弹簧为扁平状的弹簧片，整体为长方形的片状；可转动片弹簧的两端为可转动球头，使得可转动片弹簧的长度方向截面形成哑铃状结构；片弹簧两端连接在内支承块的外表面和外支承块的内表面上，并且可转动球头卡在内支承块和外支承块的球窝内，形成可转动节点；可转动片弹簧可在内支承块和外支承块的球窝内上下转动。

2.如权利要求1所述的用于准零刚度隔振的负刚度装置，其特征在于：所述的环形状内圈或环形状外圈分别安装在负刚度机构内面或外面；其中环形状外圈套在环形状内圈外，在环形状内圈与环形状外圈之间留有一圈均匀的空隙，空隙间安装有负刚度机构；环形状内圈或环形状外圈为限制了水平方向移动，但可以相互上下垂直移动的移动部件，且至少有一个是可以上下移动的移动部件；即环形状内圈相对于环形状外圈可上下垂直移动，但两者不能相对水平方向移动。

3.如权利要求2所述的用于准零刚度隔振的负刚度装置，其特征在于：所述的环形状内圈和环形状外圈为环形状结构，包括圆形、方形或多边形；负刚度单元的内支承块和外支承块围绕环形状的环形状内圈和环形状外圈的空隙等分周向均布。

4.如权利要求1所述的用于准零刚度隔振的负刚度装置，其特征在于：所述负刚度单元的可转动片弹簧卡在内支承块和外支承块内，内支承块和外支承块分别与环形状内圈或环形状外圈连接在一起，为与环形状内圈或环形状外圈连接在一起的一体结构；或多个内支承块和外支承块周向分别嵌入在环形状内圈或环形状外圈内，与环形状内圈或环形状外圈形成嵌入式结构；而且内支承块和/或外支承块是分别与环形状内圈、环形状外圈一起上下垂直随动的移动部件。

5.如权利要求1所述的用于准零刚度隔振的负刚度装置，其特征在于：所述的可转动片弹簧在内支承块和外支承块初始状态为斜形布置状态；当内支承块和外支承块安装在减振系统中，随正刚度单元上下相互垂直运动时，可转动片弹簧将随着内支承块和外支承块的上下相互垂直运动逐步由斜形向水平过渡，并在由斜形向水平过渡的过程中不断地改变垂直方向的分力大小，通过片弹簧两端与内支承块和外支承块支撑的垂直方向分力形成负刚度，且负刚度逐步变小，逐步趋向为零，形成负刚度的准零刚度变化。

6.如权利要求1所述的用于准零刚度隔振的负刚度装置，其特征在于：所述的可转动片弹簧两端的可转动球头与内支承块和外支承块的球窝是通过弹性支撑片进行连接的；由弹性支撑片包裹住可转动球头，再卡入内支承块和外支承块的球窝内，形成转动节点。

7.如权利要求6所述的用于准零刚度隔振的负刚度装置，其特征在于：所述的可转动片弹簧为屈曲弹簧片，片弹簧在内支承块和外支承块上下相互垂直运动中，随着片弹簧由斜形向水平过渡的变化，在水平力的作用下发生屈曲形变，通过片弹簧屈曲形变调整负刚度大小，以适应准零刚度隔振对负刚度的需求。

8.如权利要求7所述的用于准零刚度隔振的负刚度装置，其特征在于：所述的屈曲弹簧片整体为长方形的片状，其宽度为长度的1/3-1/2，且沿长度方向中部向下微微弯曲，长度方向的两端设置以宽度方向为轴线的圆柱面，圆柱面的半径约为弹簧片厚度的1.3-1.8倍，端部圆柱面与弹簧片厚度方向的上、下表面实行圆弧过渡。

9.如权利要求1所述的用于准零刚度隔振的负刚度装置，其特征在于：所述的可压缩弹性转动节点为弹性橡胶复合体；在弹性支撑片与内支承块和外支承块的球窝之间设有橡胶层，橡胶层硫化在内支承块或外支承块上；在橡胶层上再硫化有弹性支撑片，通过弹性支撑片可压缩橡胶层，形成弹性体的可转动节点；弹性支撑片为可变形的弧形弹片，弹性支撑片中部为弧形凹坑状的弧形窝坑，弧形窝坑的弧度与可转动片弹簧的可转动球头弧度相配；弹性支撑片的弧形坑与片弹簧的端头接触，并形成可转动配合。

10.如权利要求9所述的用于准零刚度隔振的负刚度装置，其特征在于：所述的弹性支撑片与可转动片弹簧的可转动球头之间设有耐磨垫，耐磨垫包裹住可转动球头；通过耐磨垫减少弹性支撑片与可转动球头之间的转动摩擦。