展陈物品滑移隔震平台设计

程子晗

（合肥市第六中学）

展陈物品滑移隔震平台设计

程子晗

（合肥市第六中学）

在深入分析现有隔震装置的基础上，采用V型圆弧滚道和可调摩擦轮的设计，研发可隔离水平方向冲击扰动的机械式滑移隔震台。模拟冲击实验表明，水平方向传导比达到1/10。该隔震台具有结构简单、运动平稳、隔震周期连续可调、长期免维护等特点，可推广应用于各种小型浮放物品的隔震控制。

滑移隔震；圆弧滚道；摩擦轮；双圆弧

0 引言

珍贵文物、艺术品等多以浮放的方式进行展陈，易受到人为误扰动或地震冲击等影响。意外撞击或地震引起的剧烈振动和冲击，可能导致展柜内的易碎展陈物品发生倾倒、碰撞、损坏，甚至造成不可挽回的损失。国内的展陈物品目前多通过捆绑、粘接等方式固定，不仅影响观赏性，而且可能给表面脆弱的物品带来新的损伤，因此小型展陈浮放物品的隔震问题是防灾领域的重要课题。

国内对展陈物品隔震相关的减震材料及机械装置有较多理论研究[1-3]，但多为实验室阶段。与国内相比，美国、日本等发达国家广泛使用被动式机械隔震平台，放置在展陈物品底部[4-7]，在外界扰动力的作用下往复运动，隔离震动峰值加速度，耗散冲击能量，从而保护展陈物品。本文从物品隔震的基本原理出发，分析对比国内外隔震平台的结构特点，基于V型双圆弧滚道和线性可调张紧摩擦轮的设计，提出一种适用于小型展陈物品的二维滑移隔震平台。最后计算分析了平台关键设计参数对隔震性能的影响，并搭建测试系统验证了平台减震效果。

1 水平隔震平台

机械式隔震平台具有结构简单、造价低、稳定可靠的特点，因此在国外展馆中应用广泛。这类隔震平台大多通过弹簧材料变形、滑动摩的方式来减小震动能量和改变振动频率，以达到吸收外界震动冲击，实现隔震的目的[8-9]。由于扰动力及地震力大多为水平力，因此机械式隔震台多为水平隔震装置。本文主要研究适用于小型物品可隔离水平方向扰动力的机械式隔震台。

水平隔震平台一般有滚轮式、滚珠式和滑块式3种滚动体结构形式。它们的隔震原理相似，即装置受到外力扰动时，承载物品的平台可沿滚道或滑道自由移动，由保持弹簧或自身重力产生回复力。滚动体的形式决定了整个平台在滑移过程中摩擦阻力的大小，同时也决定了平台的震荡周期和隔震效果。水平隔震平台主要由3个关键部分组成：滚动体、滚道和摩擦阻尼装置。根据隔震部件组成结构形式的不同，物品隔震平台可分为以下几类：

1) 滚轮式

滚轮式隔震平台的结构原理如图1所示，一维方向的隔震台由装有双弧面滚道的底座、滚轮和载物台组成。载物台下部装有一对滚轮，滚轮的中心距和轨道弧底的中心距相同。底座在外力作用下横向移动时，载物台可在自重回复力的作用下往复运动。系统阻尼力由滚轮与滚道、滚轮与滚轴之间的摩擦力提供，可使系统往复摆动后停摆在初始位置。垂直方向上正交重叠设置2个这样的运动机构，可实现水平方向上的滑移隔震。

2) 滚珠式

滚珠式滑台如图2所示，主要通过夹在上、下两块凹形面间滚珠的相对运动来达到隔震的目的。在正常情况下，钢珠在凹形面的中心；受到扰动时，钢珠在凹形面内自由滚动，上滑台可始终保持水平。该类隔震装置只需设置4个凹形面，4颗钢珠便可实现水平方向上的隔震需求，结构简单紧凑，隔震效果良好。但钢珠难以限位，且行程较小，阻尼力也很小，难以设置合适的阻尼力让系统短时间内稳定下来。当扰动过大时，钢珠容易飞出凹形曲面。

图1 滚轮式滑台

图2 滚珠式滑台

3) 弹簧滑块式

弹簧滑块式隔震装置的特点是隔震功能由滑块的水平滑移实现。隔震台主要由压缩弹簧、导杆、滑块等组成，如图3所示。其水平方向的隔震机理是，当滑台受外力扰动时，滑台随滑块沿水平轨道自由滑动，安装在滑块两侧的压缩弹簧可分别提供阻力和恢复力，使滑台系统沿水平滑道来回做简谐运动，装置的阻尼力由滑块与滑道、弹簧与导杆之间的摩擦力提供。该装置的隔震效果比前2种稍弱，结构也较为复杂，弹簧弹性系数的选择和阻尼力的调整是该隔震台的关键技术。

图3 弹簧滑块式隔震平台

4) 其他

除了以上的滑移隔震结构，还有采用磁性材料作为非线性回复力的磁石式隔震台；利用记忆合金在常温下自动恢复能力的隔震台；利用层叠橡胶水平滑移能力较强、竖直承载较大特性，为贵重物品提供隔震保护。这些类型的结构组成复杂，作用效果和使用范围有限。

2 滑移隔震平台结构设计

在综合分析现有滑移隔震平台特点后，将物品隔震台的外形尺寸设计为400 mm×400 mm×100 mm，由2个一维滑移台堆叠而成。隔震平台主要由橡胶垫片、载物台、中间层、基座、滑轨（16根）、钢球（8个）、张紧轮组（2对）、摩擦片（2条）、限位片（4对）等组成，如图4所示。中间层同时装有上下2层滑轨，隔震台可在水平面内自由运动。

图4 滑移隔震平台组成结构

与已有水平隔震平台相比，本设计主要有以下2个特点：

1) V型双圆弧滚道设计

一维滑台的滚道采用上下双圆弧面配钢珠，该组合形式可以保证滑台在滑移过程中，既可由重力自行产生回复力，又可保持载物台的水平。如图5所示，圆弧面滚道设计为V型开口滚道，可限制滚珠的侧滑；钢珠与轨道之间为点接触，滑台摩擦阻力小，可有效降低每层轨道4个滚珠之间摩擦阻力的不一致性，从而有效改善滑台的整体运动特性。

图5 V型双圆弧滚道

2) 线性可调张紧摩擦轮设计

为实现滑台运动阻尼力的连续可调，在滑台内部中间位置设置滑动张紧轮，滚轮使用特氟龙塑料制成，由一对弹簧压紧到摩擦板上，弹簧中穿有调整螺钉，通过旋转调整螺钉可调整滚轮的压紧力，从而控制一维滑台阻尼力的大小，如图6所示。为保证受力平衡，在摩擦板左右两侧各设置了一组该装置。滚轮与摩擦板之间为线接触，通过弹簧压紧，避免了摩擦片的平整度及滚轮的圆柱度对摩擦阻力的影响，保证滚动阻力稳定不变。通过运动方程分析可知，摩擦轮张紧力的连续可调可实现隔震台运动周期可调，最终使隔震平台实现不同质量、外形的物品隔震。

图6 可调运动阻尼装置

3 隔震平台运动方程

当滑台在滚道内往复单摆运动时，滚珠受到沿滚道切向的滑台重力分量F和阻力f的影响，其中阻力f由滚珠与滚道的摩擦阻力f1和张紧摩擦轮的恒定阻力f2组成，如图7所示。假设滑台的运动质量为m，滑轨半径为R，受冲击后滚珠的初始高度为h0，滑台的摆动角为θ，滚珠与滚道的摩擦系数为u（约为0.02），摩擦片的恒定阻力f2为常数值。

图7 圆弧滚道受力分析图

由于一般情况下，R的半径比较大（1 m～3 m），而滑台的行程较小，约为0.2 m ～0.5 m，因此滑台的摆动角θ一般小于3°。为方便计算，cosθ可近似等于1。在滚珠的第1个1/4运动周期内，其角运动加速度a1为

第2个1/4运动周期内，其角运动加速度a2为

由式(1)可看出滚珠运动角加速度a1与位移角θ的关系，为求解隔震平台第1个1/4运动周期内位移与时间关系，需求解微分方程组

根据式(3)可解得位移时间函数，获得位移角θ=0时的滑台角速度v1和时间t1。以此作为输入求解式(4)。

依次类推，便可不断求得下一个1/4周期内滑台的速度时间函数，通过累加可得到摩擦单摆完成一个完整周期的速度时间函数。

设运动台质量m=5 kg，滚珠初始摆动角为θ=3º，摩擦系数u=0.02，滚道半径R=1 m，设置运动阻尼的摩擦力f2为2种情况：0 N和3 N。用Matlab编程实现式(3)、式(4)的计算过程，可绘制隔震平台的角速度—时间曲线，如图8所示。

图8 隔震平台自由振动角速度—时间曲线

在没有摩擦轮阻力时，隔震平台的运动周期约为2.8 s；摩擦轮阻力f2=3 N时，运动周期约为3.7 s。在隔震平台实际使用中，可通过调整运动阻尼来调节运动周期，以扩大其适用范围。

4 实验及结果

隔震平台主要有滑移行程、隔震周期、传导比等参数。这里将隔震后物品的加速度峰值与输入模拟加速度峰值之比，定义为传导比。传导比是隔震台关键参数，直接反映了系统的隔震效果。

传导比测试实验的原理如图9所示。设物品重心相对载物台高度为H，质量为m；物品与载物台接触面为圆面，半径为R；物品与载物台间的摩擦系数为u。给底座一个振动冲击力，使底座产生最大为a1的加速度。假设系统的传导比为k，则载物台加速度a2=a1/k；于是，物品在惯性的作用下，产生了倾覆力矩M1=F1H=ma2H。当倾覆力矩M1大于重力矩M2=mgR时，物品会绕边缘翻倒。因此可推导获得k小于某一数值时，物品会翻倒。

图9 传导比测试实验原理图

为使冲击测试过程中物品不翻倒，且物品与载物台之间不相对滑动，需f=umg>F1。因此采用粘性橡胶垫代替普通橡胶垫，放置在物品与载物台之间。粘性橡胶垫较软，表面密布菱形摩擦孔，与其他物品间的摩擦系数可达0.5以上，可有效避免滑移现象。

按照图9搭建测试系统，将隔震平台固定在模拟振动台上，底座和载物台分别安装加速度传感器1和加速度传感器2。承载物品质量约4 kg，重心高度约240 mm。使用振动台为隔震台底座输入冲击震动，设备同时记录2个传感器的数值，对比获得平台的传导比k。实验按照典型8级地震冲击的加速度峰值进行模拟，即输入的加速度峰值约0.2 g（约2 m/s2）[10]。为方便数据的处理，将二维隔震平台分为X向和Y向独立测试，在测试中锁定不测试的滚道层。模拟实验结果如图10、图11所示。

5 结论

本文提出一种机械式物品隔震平台，采用V型圆弧滚道和可调摩擦轮设计，平台可有效隔离水平方向的外界扰动力。并建立了平台的运动微分方程，获得平台运动过程中的角速度—时间曲线。仿真结果表明，运动阻尼系统能有效改变系统运动周期。模拟振动试验表明：在8级地震的加速度峰值输入条件下（2 m/s2），隔震平台在两个方向均可将外部冲击振动有效地隔离。系统传导比可达1/10，很好地实现了隔震效果。

图10 X向滑台测试结果

图11 Y向滑台测试结果

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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，学生。主要研究方向为精密机械及机电设计。E-mail: xinchen1985@126.com