气动可调式准零刚度隔振器设计及特性分析

　　准零刚度隔振器是一种将正负刚度弹性元器件 并联在静平衡位置获得零刚度的组合隔振器．典型的准零刚度隔振系统结构形式是用竖直线性弹簧和２根对称倾斜的弹簧组合而成［１－３］．此外还有多种结构形式：采用６根杆和１根拉簧组合式［４］；正负刚度弹簧并联组合式［５］；受轴压的梁和正刚度弹簧组合式［６］；软弹簧特性高度变形的挤压环组合式［７－８］等．上述结构形式均为承载质量不可调准零隔振系统，只针对某个特定的承载质量值来进行设计，当承载质量变化比较大时，原来的结构参数无法进行相应的改变，使隔振系统保持最佳隔振性能．因此，当被隔振设备变化时，为保证隔振系统仍具有准零刚度特性，应采用可调式准零刚度隔振系统．

　　本文设计一种新型的气动可调式ＱＺＳ系统，这是首次尝试采用气动弹簧来实现准零刚度的特性．当承载质量变化时，通过调节各气动弹簧的气压来保持准零刚度的特性．

　　１　气动弹簧的设计

　　气动弹簧是ＺＳ系统设计中的重要组成部分，由文献［９］可知，在低压常温时，实际气体的性能与理想气体比较接近，因此，可以利用理想气体状态方程进行气体弹性力的计算．

　　１．１　气体弹性力的计算

　　理想气体可逆多变过程方程式为［９］：

　　Ｐ１Ｖ１ｒ＝Ｐ２Ｖ２ｒ＝ｃｏｎｓｔ．（１）

　　式中：Ｐ１和Ｐ２为不同状态时的气压，Ｐａ；１和Ｖ２为对应不同气压时的气体体积，ｍ３；ｒ为气体多变指数，对于等熵过程，ｒ＝１．４．

　　１．２　气动弹簧结构

　　气动弹簧是可调非线性气动隔振器的一个重要组成部分．该气动隔振器由一个竖直的非线性双气室气动弹簧和４个初始水平对称放置的非线性单气室气动弹簧组合而成．气动弹簧结构如图１所示．

　　由图１（ａ）可知，竖直双气室气动弹簧的下气室初始气压为Ｐｄ，并假设气腔横截面积为ｄ；上气室初始气压为Ｐｕ，并假设气腔横截面积为Ａｕ，初始体积为Ｖｕ，上、下气室通过各自的气阀来充放气，改变气压．由图１（ｂ）可知，单气室气动弹簧的初始气压为Ｐｏ，并假设气腔横截面积为Ａｏ，初始体积为Ｖｏ，通过气阀改变气压．

　　２　准零刚度隔振系统

　　一般情况下，准零刚度的特性是通过将负刚度单元和正刚度单元并联起来实现．本文通过将一个竖直放置的双气室气动弹簧（正刚度）和４个初始水平对称放置的单气室气动弹簧（负刚度）并联，设计一款新型准零刚度隔振器，如图．图３为准零刚度系统的初始状态，当一个质量为ｍ的质量块置于Ａ处时，竖直放置的双气室气动弹簧被压缩，此时，４个单气室气动弹簧正好是水平方向，系统处在静平衡位置，此时满足关系式：