所屬本發(fā)明涉及一種壓電自供能多級準(zhǔn)零剛度隔振裝置，具體涉及一種可俘獲高熵能源的空間凸輪式多級準(zhǔn)零剛度超低頻隔振器，屬于振動隔離和振動俘能。

背景技術(shù)：

1、工程系統(tǒng)中的振動會嚴(yán)重影響精密設(shè)備的精度，降低儀器的使用壽命，同時在某些不便于人工操作和設(shè)置外供電源的環(huán)境，如何給監(jiān)測振動信號的小型傳感器供能，使其完成信號傳輸，也是一個難點問題。大部分準(zhǔn)零剛度隔振器，僅能針對某一確定的負(fù)載質(zhì)量進行隔振，不能適應(yīng)多個負(fù)載質(zhì)量，實用性和適應(yīng)性大大降低。目前實現(xiàn)多級準(zhǔn)零剛度隔振有兩種方法，一種是基于正剛度和負(fù)剛度并聯(lián)獲得準(zhǔn)零剛度的方式，將正剛度和具有多段負(fù)剛度的結(jié)構(gòu)并聯(lián)獲得多段準(zhǔn)零剛度；另一種是結(jié)合超材料的設(shè)計思路，將不同承載能力的準(zhǔn)零剛度單元組合成多層超材料的形式，獲得多級準(zhǔn)零剛度。在隔振器工作時，利用壓電材料將準(zhǔn)零剛度元件變形產(chǎn)生的能量收集起來給傳感器功能，并通過準(zhǔn)零剛度引入的非線性擴寬俘能頻帶，是新的研究熱點。

2、然而，現(xiàn)有技術(shù)中，多層超材料結(jié)構(gòu)采用非金屬材料增材制造的方式加工，用于隔振時會產(chǎn)生塑性變形，破壞原有的準(zhǔn)零剛度特性，性能不穩(wěn)定。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中比較典型的是凸輪-彈簧結(jié)構(gòu)，如文獻“l(fā)i?y,wu?z,peng?y,yao?s,zhou?j,full-band?vibrationisolation?of?multi-step?quasi-zero?stiffness?systems,int.j.mech.sci.2024；274:109277.”和“l(fā)i?y,wu?z,peng?y,yao?s,zhou?j,full-band?vibration?isolation?ofmulti-step?quasi-zero?stiffness?systems,int.j.mech.sci.2024；274:109277.”，負(fù)剛度實際上還是通過水平彈簧來提供的。

3、其次，目前的壓電式能量俘獲裝置在其最佳的工作條件下可達最大輸出功率有限。如文獻“wang?m,xia?y,pu?h,sun?y,ding?j,luo?j,xie?s,peng?y,zhang?q,li?z,piezoelectric?energy?harvesting?from?suspension?structures?with?piezoelectriclayers,sensors?2020.”等，普通的平板結(jié)構(gòu)僅在某一諧振頻率處有效俘能，而且壓電材料最大應(yīng)變有限，輸出性能不佳，不能滿足傳感器自供能監(jiān)測的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種可俘獲高熵能源的空間凸輪式多級準(zhǔn)零剛度超低頻隔振器，以解決傳統(tǒng)準(zhǔn)零剛度隔振裝置受結(jié)構(gòu)限制，難于適應(yīng)多級隔振負(fù)載的問題，同時加入壓電材料收集振動能量，實現(xiàn)傳感器自供能和智能檢測。

2、一種可俘獲高熵能源的空間凸輪式多級準(zhǔn)零剛度超低頻隔振器，包括底座、支架、負(fù)剛度壓電梁組件、移動凸輪滑槽、載物平臺、正剛度彈簧及導(dǎo)向梁組件；

3、正剛度彈簧及導(dǎo)向梁組件底部與底座通過螺栓螺母連接，裝有直線軸承的滑動端與載物平臺通過螺栓螺母連接，支架與底座通過螺栓螺母連接，按照順時針順序?qū)⑺慕M負(fù)剛度壓電梁組件按照對應(yīng)的安裝孔安裝到支架上并用螺栓螺母緊固，每個負(fù)剛度壓電梁組件的豎直導(dǎo)軌與載物平臺通過螺栓螺母連接，四個移動凸輪滑槽按照順時針的順序與載物平臺通過螺栓螺母連接，同時負(fù)剛度壓電梁組件中的深溝球軸承滑入相應(yīng)的凸輪滑槽內(nèi)組成凸輪副。

4、優(yōu)選的：將豎直直線導(dǎo)軌通過螺栓螺母安裝到載物平臺上，凸輪滑槽按照圓周陣列方式用螺栓螺母安裝到載物平臺的對應(yīng)位置。

5、優(yōu)選的：正剛度彈簧及導(dǎo)向梁組件包括導(dǎo)桿固定座、豎直導(dǎo)桿、彈簧、直線軸承、直線軸承支座，通過螺栓螺母將導(dǎo)桿固定座安裝到底座上，通過螺栓螺母將直線軸承支座和載物平臺固連，彈簧提供正剛度，如圖2所示剛度曲線表現(xiàn)為線性函數(shù)。

6、優(yōu)選的：壓電梁組件包括彈性基體、壓電材料和固定支座，壓電材料粘貼在彈性基體的負(fù)泊松比位置處且二者寬度相等，彈性基體末端開有螺紋孔，螺栓螺母通過彈性基體末端螺紋孔將彈性基體的兩端分別固定在壓電梁安裝座和壓電梁滑動支座上。

7、優(yōu)選的：六角銅柱、深溝球軸承和緊定螺釘構(gòu)成凸輪副的從動件，從動件的通過六角銅螺柱擰入壓電梁滑動支座的螺紋孔中，將凸輪滑槽用螺栓螺母固定在載物平臺上，深溝球軸承與凸輪滑槽配合，組成凸輪副，通過力分解的方式獲得負(fù)剛度，如圖1所示剛度曲線表現(xiàn)為周期函數(shù)。

8、本發(fā)明與現(xiàn)有產(chǎn)品相比具有以下效果：

9、1、一種可俘獲高熵能源的空間凸輪式多級準(zhǔn)零剛度超低頻隔振器，通過力分解的方式獲得負(fù)剛度，明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的彈簧凸輪結(jié)構(gòu)，凸輪凹槽可以擴展設(shè)計成不同的曲線形狀，如等加速等減速運動曲線、余弦加速度曲線和多項式運動曲線等，并且通過凸輪曲線的周期變化可以得到多段負(fù)剛度區(qū)間，進而與正剛度彈簧耦合獲得多級準(zhǔn)零剛度，故本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)新穎、適應(yīng)多級負(fù)載和可系列化等優(yōu)點；

10、2、本發(fā)明的壓電梁組件在完成與凸輪槽配合提供負(fù)剛度的同時，可以通過彈性基體的變形俘獲振動能量，由于準(zhǔn)零剛度引入的非線性的影響，擴大了俘能帶寬，在較低的頻段能俘獲高熵能源，故本發(fā)明有能夠在較寬頻帶進行低頻俘能的優(yōu)點；

11、3、本發(fā)明的壓電梁彈性基體具有負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)特性，彈性基體所受的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力符號始終相同，使壓電材料受到的總應(yīng)力變大，相比傳統(tǒng)的正泊松比梁式壓電d31模式，本發(fā)明的壓電模式為d31和d32復(fù)合形式俘能，故此發(fā)明有助于提高俘能效率。

技術(shù)特征：

1.一種可俘獲高熵能源的空間凸輪式多級準(zhǔn)零剛度超低頻隔振器，其特征在于：底座(1)、支架(2)、負(fù)剛度壓電梁組件(3)、移動凸輪滑槽(4)、載物平臺(5)和正剛度彈簧及導(dǎo)向梁組件(6)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可俘獲高熵能源的空間凸輪式多級準(zhǔn)零剛度超低頻隔振器，其特征在于：所述滑塊(18)滑入豎直直線導(dǎo)軌(19)，用機螺釘和螺母按照豎直導(dǎo)軌安裝孔(24)的位置將四組直線導(dǎo)軌固定到載物平臺(5)上，用螺栓螺母按照凸輪滑槽安裝孔(22)的位置將四個移動凸輪滑槽(4)以圓周陣列的形式安裝到載物平臺(5)上，將載物平臺(5)和直線軸承支座(11)按照軸承支座安裝孔(20)和軸承支座固定孔(21)的位置對其并用螺栓螺母緊固。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可俘獲高熵能源的空間凸輪式多級準(zhǔn)零剛度超低頻隔振器，其特征在于：所述負(fù)剛度壓電梁組件(3)包括壓電梁后固定板(25)、壓電材料(26)、彈性基體(27)、壓電梁固定座(28)、壓電梁滑動支座(30)、深溝球軸承(32)、緊定螺釘(33)、水平直線導(dǎo)軌(34)、滑塊(35)、壓電梁前固定板(36)。其連接結(jié)構(gòu)如下：將壓電材料(26)粘貼在彈性基體(27)根部呈現(xiàn)負(fù)泊松比的部位，用螺栓螺母將壓電梁后固定板(25)、壓電梁固定座(28)和粘貼好壓電材料的彈性基體(27)按照對應(yīng)的安裝孔緊固，將六角同螺柱(32)旋入壓電梁滑動支座(30)的螺紋孔(31)中擰緊固定，將緊定螺釘(34)穿入深溝球軸承(33)并將緊定螺釘(34)擰入六角銅螺柱(32)，用螺栓螺母將壓電梁前固定板(37)、壓電梁滑動支座(30)和粘貼好壓電材料的彈性基體(27)按照對應(yīng)的安裝孔緊固，將滑塊(36)滑入水平直線導(dǎo)軌(35)，用機螺釘將滑塊(35)安裝到壓電梁滑動支座(30)底部的對應(yīng)位置。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可俘獲高熵能源的空間凸輪式多級準(zhǔn)零剛度超低頻隔振器，其特征在于：所述豎直滑塊固定座(29)通過螺栓螺母將按照豎直導(dǎo)軌支座安裝孔(39)的位置安裝到支架(2)上，將負(fù)剛度壓電梁組件(3)按照壓電梁組件安裝孔(38)和水平導(dǎo)軌安裝孔(40)的位置進行固定，按照順時針的順序，使用螺栓螺母將其余三組壓電梁組件和數(shù)值滑塊固定座分別安裝到支架(2)的對應(yīng)位置，用機螺釘將滑塊(18)和豎直滑塊固定座(29)安裝到一起，將深溝球軸承(33)放入移動凸輪滑槽(4)的滑槽中完成凸輪副的配合。

技術(shù)總結(jié)
一種可俘獲高熵能源的空間凸輪式多級準(zhǔn)零剛度超低頻隔振器，屬于振動隔離和振動俘能技術(shù)領(lǐng)域。以解決傳統(tǒng)準(zhǔn)零剛度隔振裝置受結(jié)構(gòu)限制，難于適應(yīng)多級隔振負(fù)載的問題，并實現(xiàn)傳感器自供能和智能檢測。正剛度彈簧及導(dǎo)向梁組件底部通過螺栓螺母連接到底座上，滑動端與載物平臺通過螺栓螺母連接，按照順時針順序?qū)⑺慕M負(fù)剛度壓電梁組件安裝到支架上，每個負(fù)剛度壓電梁組件的豎直導(dǎo)軌與載物平臺通過螺栓螺母連接，四個移動凸輪滑槽按照順時針的順序與載物平臺通過螺栓螺母連接，同時負(fù)剛度壓電梁組件中的深溝球軸承滑入相應(yīng)的凸輪滑槽內(nèi)組成凸輪副。本發(fā)明能實現(xiàn)多級負(fù)載質(zhì)量隔振和傳感器自供能，具有結(jié)構(gòu)新穎、低頻隔振、寬頻俘能和設(shè)計靈活等優(yōu)點。

技術(shù)研發(fā)人員：單小彪,周春宇,陳一楓,隋廣東
受保護的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10