展陳物品滑移隔震平臺設計

程子晗

（合肥市第六中學）

展陳物品滑移隔震平臺設計

程子晗

（合肥市第六中學）

在深入分析現有隔震裝置的基礎上，采用V型圓弧滾道和可調摩擦輪的設計，研發可隔離水平方向沖擊擾動的機械式滑移隔震臺。模擬沖擊實驗表明，水平方向傳導比達到1/10。該隔震臺具有結構簡單、運動平穩、隔震周期連續可調、長期免維護等特點，可推廣應用于各種小型浮放物品的隔震控制。

滑移隔震；圓弧滾道；摩擦輪；雙圓弧

0 引言

珍貴文物、藝術品等多以浮放的方式進行展陳，易受到人為誤擾動或地震沖擊等影響。意外撞擊或地震引起的劇烈振動和沖擊，可能導致展柜內的易碎展陳物品發生傾倒、碰撞、損壞，甚至造成不可挽回的損失。國內的展陳物品目前多通過捆綁、粘接等方式固定，不僅影響觀賞性，而且可能給表面脆弱的物品帶來新的損傷，因此小型展陳浮放物品的隔震問題是防災領域的重要課題。

國內對展陳物品隔震相關的減震材料及機械裝置有較多理論研究[1-3]，但多為實驗室階段。與國內相比，美國、日本等發達國家廣泛使用被動式機械隔震平臺，放置在展陳物品底部[4-7]，在外界擾動力的作用下往復運動，隔離震動峰值加速度，耗散沖擊能量，從而保護展陳物品。本文從物品隔震的基本原理出發，分析對比國內外隔震平臺的結構特點，基于V型雙圓弧滾道和線性可調張緊摩擦輪的設計，提出一種適用于小型展陳物品的二維滑移隔震平臺。最后計算分析了平臺關鍵設計參數對隔震性能的影響，并搭建測試系統驗證了平臺減震效果。

1 水平隔震平臺

機械式隔震平臺具有結構簡單、造價低、穩定可靠的特點，因此在國外展館中應用廣泛。這類隔震平臺大多通過彈簧材料變形、滑動摩的方式來減小震動能量和改變振動頻率，以達到吸收外界震動沖擊，實現隔震的目的[8-9]。由于擾動力及地震力大多為水平力，因此機械式隔震臺多為水平隔震裝置。本文主要研究適用于小型物品可隔離水平方向擾動力的機械式隔震臺。

水平隔震平臺一般有滾輪式、滾珠式和滑塊式3種滾動體結構形式。它們的隔震原理相似，即裝置受到外力擾動時，承載物品的平臺可沿滾道或滑道自由移動，由保持彈簧或自身重力產生回復力。滾動體的形式決定了整個平臺在滑移過程中摩擦阻力的大小，同時也決定了平臺的震蕩周期和隔震效果。水平隔震平臺主要由3個關鍵部分組成：滾動體、滾道和摩擦阻尼裝置。根據隔震部件組成結構形式的不同，物品隔震平臺可分為以下幾類：

1) 滾輪式

滾輪式隔震平臺的結構原理如圖1所示，一維方向的隔震臺由裝有雙弧面滾道的底座、滾輪和載物臺組成。載物臺下部裝有一對滾輪，滾輪的中心距和軌道弧底的中心距相同。底座在外力作用下橫向移動時，載物臺可在自重回復力的作用下往復運動。系統阻尼力由滾輪與滾道、滾輪與滾軸之間的摩擦力提供，可使系統往復擺動后停擺在初始位置。垂直方向上正交重疊設置2個這樣的運動機構，可實現水平方向上的滑移隔震。

2) 滾珠式

滾珠式滑臺如圖2所示，主要通過夾在上、下兩塊凹形面間滾珠的相對運動來達到隔震的目的。在正常情況下，鋼珠在凹形面的中心；受到擾動時，鋼珠在凹形面內自由滾動，上滑臺可始終保持水平。該類隔震裝置只需設置4個凹形面，4顆鋼珠便可實現水平方向上的隔震需求，結構簡單緊湊，隔震效果良好。但鋼珠難以限位，且行程較小，阻尼力也很小，難以設置合適的阻尼力讓系統短時間內穩定下來。當擾動過大時，鋼珠容易飛出凹形曲面。

圖1 滾輪式滑臺

圖2 滾珠式滑臺

3) 彈簧滑塊式

彈簧滑塊式隔震裝置的特點是隔震功能由滑塊的水平滑移實現。隔震臺主要由壓縮彈簧、導桿、滑塊等組成，如圖3所示。其水平方向的隔震機理是，當滑臺受外力擾動時，滑臺隨滑塊沿水平軌道自由滑動，安裝在滑塊兩側的壓縮彈簧可分別提供阻力和恢復力，使滑臺系統沿水平滑道來回做簡諧運動，裝置的阻尼力由滑塊與滑道、彈簧與導桿之間的摩擦力提供。該裝置的隔震效果比前2種稍弱，結構也較為復雜，彈簧彈性系數的選擇和阻尼力的調整是該隔震臺的關鍵技術。

圖3 彈簧滑塊式隔震平臺

4) 其他

除了以上的滑移隔震結構，還有采用磁性材料作為非線性回復力的磁石式隔震臺；利用記憶合金在常溫下自動恢復能力的隔震臺；利用層疊橡膠水平滑移能力較強、豎直承載較大特性，為貴重物品提供隔震保護。這些類型的結構組成復雜，作用效果和使用范圍有限。

2 滑移隔震平臺結構設計

在綜合分析現有滑移隔震平臺特點后，將物品隔震臺的外形尺寸設計為400 mm×400 mm×100 mm，由2個一維滑移臺堆疊而成。隔震平臺主要由橡膠墊片、載物臺、中間層、基座、滑軌（16根）、鋼球（8個）、張緊輪組（2對）、摩擦片（2條）、限位片（4對）等組成，如圖4所示。中間層同時裝有上下2層滑軌，隔震臺可在水平面內自由運動。

圖4 滑移隔震平臺組成結構

與已有水平隔震平臺相比，本設計主要有以下2個特點：

1) V型雙圓弧滾道設計

一維滑臺的滾道采用上下雙圓弧面配鋼珠，該組合形式可以保證滑臺在滑移過程中，既可由重力自行產生回復力，又可保持載物臺的水平。如圖5所示，圓弧面滾道設計為V型開口滾道，可限制滾珠的側滑；鋼珠與軌道之間為點接觸，滑臺摩擦阻力小，可有效降低每層軌道4個滾珠之間摩擦阻力的不一致性，從而有效改善滑臺的整體運動特性。

圖5 V型雙圓弧滾道

2) 線性可調張緊摩擦輪設計

為實現滑臺運動阻尼力的連續可調，在滑臺內部中間位置設置滑動張緊輪，滾輪使用特氟龍塑料制成，由一對彈簧壓緊到摩擦板上，彈簧中穿有調整螺釘，通過旋轉調整螺釘可調整滾輪的壓緊力，從而控制一維滑臺阻尼力的大小，如圖6所示。為保證受力平衡，在摩擦板左右兩側各設置了一組該裝置。滾輪與摩擦板之間為線接觸，通過彈簧壓緊，避免了摩擦片的平整度及滾輪的圓柱度對摩擦阻力的影響，保證滾動阻力穩定不變。通過運動方程分析可知，摩擦輪張緊力的連續可調可實現隔震臺運動周期可調，最終使隔震平臺實現不同質量、外形的物品隔震。

圖6 可調運動阻尼裝置

3 隔震平臺運動方程

當滑臺在滾道內往復單擺運動時，滾珠受到沿滾道切向的滑臺重力分量F和阻力f的影響，其中阻力f由滾珠與滾道的摩擦阻力f1和張緊摩擦輪的恒定阻力f2組成，如圖7所示。假設滑臺的運動質量為m，滑軌半徑為R，受沖擊后滾珠的初始高度為h0，滑臺的擺動角為θ，滾珠與滾道的摩擦系數為u（約為0.02），摩擦片的恒定阻力f2為常數值。

圖7 圓弧滾道受力分析圖

由于一般情況下，R的半徑比較大（1 m～3 m），而滑臺的行程較小，約為0.2 m ～0.5 m，因此滑臺的擺動角θ一般小于3°。為方便計算，cosθ可近似等于1。在滾珠的第1個1/4運動周期內，其角運動加速度a1為

第2個1/4運動周期內，其角運動加速度a2為

由式(1)可看出滾珠運動角加速度a1與位移角θ的關系，為求解隔震平臺第1個1/4運動周期內位移與時間關系，需求解微分方程組

根據式(3)可解得位移時間函數，獲得位移角θ=0時的滑臺角速度v1和時間t1。以此作為輸入求解式(4)。

依次類推，便可不斷求得下一個1/4周期內滑臺的速度時間函數，通過累加可得到摩擦單擺完成一個完整周期的速度時間函數。

設運動臺質量m=5 kg，滾珠初始擺動角為θ=3o，摩擦系數u=0.02，滾道半徑R=1 m，設置運動阻尼的摩擦力f2為2種情況：0 N和3 N。用Matlab編程實現式(3)、式(4)的計算過程，可繪制隔震平臺的角速度—時間曲線，如圖8所示。

圖8 隔震平臺自由振動角速度—時間曲線

在沒有摩擦輪阻力時，隔震平臺的運動周期約為2.8 s；摩擦輪阻力f2=3 N時，運動周期約為3.7 s。在隔震平臺實際使用中，可通過調整運動阻尼來調節運動周期，以擴大其適用范圍。

4 實驗及結果

隔震平臺主要有滑移行程、隔震周期、傳導比等參數。這里將隔震后物品的加速度峰值與輸入模擬加速度峰值之比，定義為傳導比。傳導比是隔震臺關鍵參數，直接反映了系統的隔震效果。

傳導比測試實驗的原理如圖9所示。設物品重心相對載物臺高度為H，質量為m；物品與載物臺接觸面為圓面，半徑為R；物品與載物臺間的摩擦系數為u。給底座一個振動沖擊力，使底座產生最大為a1的加速度。假設系統的傳導比為k，則載物臺加速度a2=a1/k；于是，物品在慣性的作用下，產生了傾覆力矩M1=F1H=ma2H。當傾覆力矩M1大于重力矩M2=mgR時，物品會繞邊緣翻倒。因此可推導獲得k小于某一數值時，物品會翻倒。

圖9 傳導比測試實驗原理圖

為使沖擊測試過程中物品不翻倒，且物品與載物臺之間不相對滑動，需f=umg>F1。因此采用粘性橡膠墊代替普通橡膠墊，放置在物品與載物臺之間。粘性橡膠墊較軟，表面密布菱形摩擦孔，與其他物品間的摩擦系數可達0.5以上，可有效避免滑移現象。

按照圖9搭建測試系統，將隔震平臺固定在模擬振動臺上，底座和載物臺分別安裝加速度傳感器1和加速度傳感器2。承載物品質量約4 kg，重心高度約240 mm。使用振動臺為隔震臺底座輸入沖擊震動，設備同時記錄2個傳感器的數值，對比獲得平臺的傳導比k。實驗按照典型8級地震沖擊的加速度峰值進行模擬，即輸入的加速度峰值約0.2 g（約2 m/s2）[10]。為方便數據的處理，將二維隔震平臺分為X向和Y向獨立測試，在測試中鎖定不測試的滾道層。模擬實驗結果如圖10、圖11所示。

5 結論

本文提出一種機械式物品隔震平臺，采用V型圓弧滾道和可調摩擦輪設計，平臺可有效隔離水平方向的外界擾動力。并建立了平臺的運動微分方程，獲得平臺運動過程中的角速度—時間曲線。仿真結果表明，運動阻尼系統能有效改變系統運動周期。模擬振動試驗表明：在8級地震的加速度峰值輸入條件下（2 m/s2），隔震平臺在兩個方向均可將外部沖擊振動有效地隔離。系統傳導比可達1/10，很好地實現了隔震效果。

圖10 X向滑臺測試結果

圖11 Y向滑臺測試結果

[1] 趙亞敏,蘇經宇,陸鳴.組合式三維隔震支座力學性能試驗研究[J].工程抗震與加固改造,2010,32(1):57-62,69.

[2] 葛楠,初建宇,蘇幼坡,等.圓弧滑道輥軸摩擦擺隔震系統的研究[J].建筑科學,2009,25(1):1-4,8.

[3] 孟慶利.基底隔震混合控制和三維隔震系統研究[D].哈爾濱:中國地震局工程力學研究所,2005.

[4] 周乾,閆維明,周錫元,等.我國博物館陳列文物防震技術現狀研究[J].災害學,2010,25(S):201-206.

[5] 陸欽年,熊立紅.浮放式設備的抗震設計[C]//中國建筑協會抗震防災研究會.第五屆全國地震工程會議論文集(2).北京，1998:745-751.

[6] Yuan Jian, ROSCH K E Paul. Equation of motion for novel friction pendulum system with dual rollers[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2005, 22(4):276-280.

[7] 范夕森,劉超.組合隔震系統的隔震效果研究[J].山東建筑大學學報,2012,27(3):280-283,297.

[8] 劉昕銘.摩擦擺支座動態性能研究[D].成都:西南交通大學,2011.

[9] 姜畔.滾珠摩擦盤支座—碟形彈簧組合隔震地板分析[D].唐山市:河北聯合大學,2013.

[10] 姜婷,王俊峰,李大望.摩擦擺隔震結構振動臺試驗及結果分析[J].華南港工,2009(3):39-43.

Design of a Showcasing Platform with Sliding Isolation

Chen Zihan

(Hefei No.6 High School)

Based on the existing seismic isolation devices, the type V arc raceway and adjustable friction wheels are used, and a mechanical sliding table that can isolate the horizontal shock disturbance is designed. Impact simulation experiments show that the horizontal transmission ratio can reach to 1/10. The isolator has the advantages of simple structure, stable movement, isolation period continuously adjustable, long-term work with maintenance free etc., and can be applied to control of a variety of small isolated floating objects.

Slippage Isolation; Rolling Pendulum; Friction Wheel; Double-Circular-Arc

程子晗，男，1998年生，學生。主要研究方向為精密機械及機電設計。E-mail: xinchen1985@126.com