1. 引言

随着现代交通和工业技术的迅速发展，移动设备在各个领域的应用日益广泛。然而，对于数据柜等精密设备在移动设备运行过程中，由于路面不平、发动机振动、风阻等多种因素的影响，产生的振动大大影响设备的性能和寿命。因此，在移动场景下实现有效的隔振成为了亟待解决的问题。

隔振平台作为一种重要的振动控制装置，在移动设备中扮演着至关重要的角色。它通过减少或消除振动提高数据柜等精密设备的性能和寿命。然而，传统的隔振平台在移动场景下往往难以满足高效隔振、适应性强、轻量化设计等多方面的需求。

阻尼材料的典型代表为橡胶，其具有良好的黏弹性，是最常应用于减振的产品，大多用于轨下基础减振。目前，研究橡胶阻尼材料在不同频率振幅、温度以及温度下的非线性动态阻尼性能已成为国内外重难点。屈壮俊[1]表示经过大量实际数据作对比，表征橡胶材料动态阻尼性能的模型已经达到很高精度，同时随着研究的深入，越来越多橡胶材料在减振领域的新应用出现。

Rome [2]在2005年首次提出一种悬浮背囊，宣称能够有效降低6.25%的负重行走代谢成本，垂直加速度力的峰值下降82%。此后，陆续有研究者提出自己的悬浮背囊设计，并均通过实验验证其能够实现一定的减负效果[3]-[5]。然而，上述研究者所设计的悬浮背囊系统的刚度和阻尼都是固定的，这表明他们的悬浮背囊系统不能进行参数调节以适应运动工况的改变。

理论仿真研究表明，悬浮系统的固有频率是质量和弹簧系数的函数，并且该系统在较低的固有频率下可能具有更好的性能[5]；同时，Hoover等[6]指出应将悬浮背包的刚度设计为小于共振刚度的一半，以在给定的步行速度下将动态负载降至最低。这表明，调节悬浮背囊系统参数以适应不同的运动工况(如速度、负重质量等)具有重要意义。而目前关于悬浮背囊系统参数调节的研究较少，Leng等[7]设计了一个利用不等距弹簧调节刚度的悬浮背囊，Yang等[8]设计了一个利用电机调节系统阻尼的悬浮背囊，两者的局限都在于无法实现悬浮背囊参数的准确调节。

因此，针对数据柜等精密仪器在移动场景中的研究具有重要的现实意义和应用前景。本研究旨在探索适用于移动场景的隔振平台技术，以满足高效隔振、适应性强、轻量化设计等多方面的需求。通过开发新型隔振材料、优化隔振结构等措施，提高隔振平台的隔振性能和适应性，降低其重量和成本，以满足不同移动设备在复杂移动环境下的隔振需求。

本研究借鉴悬浮背包结构，将柔性材料与悬浮背包结构进行结合，设计了一种可以用于数据柜在移动场景下的隔振平台得出了一个方案，降低移动场景下振动对数据柜的影响。通过理论和仿真相结合的方法，探索所设计结构减振的可行性，为移动设备的高效、稳定、安全运行提供保障。

2. 设计方案及理论分析

2.1. 主减振Y方向设计

文献[9]-[14]描述一种平衡背包减振方案，其结构使得背包在平衡位置上下移动，从而达到减少冲击力的效果，如图1所示，在主减振Y方向上(移动方向)，采用滑块、滑轨、弹性带、滑轮的共同作用，使得滑轨受到地震Y方向上冲击时，滑块始终保持在平衡位置，以达到减振的效果。特别对于高频振动的减振具有灵敏度高的优势。

Figure 1. The main damping structure for Y-direction

图1. 主减振Y方向的结构

设计采用上述零件联合使用，使用弹性带将地震横波带来的力进行吸收，通过滑轮传递，最终通过动滑块与滑轨之间的往复运动将其释放，以达到对横波能量的削弱。原理如图2所示。

Figure 2. Y-direction vibration damping model

图2. Y方向减振模型

当直线导轨机构在工作中承受力矩载荷时，需要将每个滑块承受的力矩载荷换算为径向的等效载荷，式(1)：

$P=K\times M$ (1)

其中，P：滑块的等效载荷，N；K：力矩等效系数(三个方向分别为KA/KB/KC)；M：滑块的力矩载荷，N*m。

这种安全余量用静安全系数来表示，大小为滑块额定静载荷与滑块实际承受的最大工作载荷之比，或滑块允许静力矩与滑块实际承受的负载力矩之比，式(2)：

$\begin{array}{c}{F}_S=\frac{C_0}{P}\end{array}$ (2)

其中，fs：静安全系数；C：额定静载荷，N；P：滑块允许的最大工作载荷，N。寿命计算参用式(3)：

$L=50{\left(\frac{f_H{f}_T{f}_C}{f_W}\cdot \frac{C}{P_C}\right)}^3$ (3)

其中，L：用行走距离表示的滑块预期寿命，km；C：额定动载荷，N；PC：各滑块实际工作平均载荷中的最大值，N；𝑓_𝐻：硬度系数；𝑓_𝑇：温度系数；𝑓_𝐶：接触系数；𝑓_𝑊：载荷系数，大小按表确定。

$\begin{array}{c}{L}_h=\frac{L\times {10}^6}{2S_{n1}\times 60}\end{array}$ (4)

其中，L_h：用工作时间表示的滑块预期额定寿命，h；L：用行走距离表示的滑块预期额定寿命，km；S：工作行程长度，mm；𝑛₁：直线导轨机构每分钟往复运动次数，15 次/min。

$\begin{array}{c}\alpha =\alpha \left(T\right)\end{array}$ (5)

$\begin{array}{c}G=M\cdot g\end{array}$ (6)

$\begin{array}{c}F=\alpha \cdot G\end{array}$ (7)

其中：α：最大振动影响系数；G：重力；F：振动力；g：重力加速度。

2.2. 副减振X方向设计

副减振方向上采用柔性橡胶材料的结构，柔性橡胶支座与凸轮结合(图3)，使之达到对沿橡胶支座方向上的振动的减弱，同时对竖直方向上也有一定的减振效果，主要结构参数采用式(8)式(9)式(10)计算获得。

Figure 3. Actual profile and theoretical profile

图3. 实际廓线与理论廓线

$s=\frac{h}{2}\left[1-\cos \left(\frac{\pi }{{\delta }_0}\right)\right]$ (8)

$\begin{array}{c}v=\frac{\pi h\omega }{2{\delta }_0}\sin \left(\frac{\pi }{{\delta }_0}\delta \right)\end{array}$ (9)

$\begin{array}{c}a=\frac{{\pi }^{2}h{\omega }^2}{2{\delta }_0^2}\sin \left(\frac{\pi }{{\delta }_0}\delta \right)\end{array}$ (10)

式中：s：中间板位移；v：中间板速度；a：中间板加速度；h：中间板行程；δ：凸轮转角；δ₀：凸轮推程运动角；ω：凸轮运动角速度。

凸轮的压力角为从动件的移动方向与轴的方向有关。为了使整个机构具有良好的受力状态，避免自锁，减小力的作用，在设计时，要尽可能将压力角设计的小一点。不仅要保证整个机构的承载能力，还要保证该机构的结构比较紧凑。而基圆半径r₀，偏距e与凸轮压力角𝛼的关系如式(11)：

$\tan \alpha =\frac{\left|\frac{d_s}{d_{\phi }}-\text{e}\right|}{s+s_0}=\frac{\left|\frac{d_s}{d_{\phi }}-\text{e}\right|}{s+\sqrt{r_0^2-{\text{e}}^2}}$ (11)

$P=\frac{F}{S}\le \left[P\right]$ (12)

式(12)中：F：作用在导轨面上的法向力，N；S：为导轨的承载面积，S = L × a，mm；L：为导轨接触面长度，mm；A：为导轨接触宽度，mm；[P]：为许用压强，MPa。

3. 理论建模

基于前文的计算，在三维建模软件UG中进行模型的建立，对建立好的零件进行装配，对非运动部件进行模型的简化。

3.1. 模型处理

为了确保仿真的效率和准确性，在将三维模型导入Adams View仿真软件时，需要提前对模型进行简化和合并。简化模型通常涉及减少多边形的数量和移除等不必要的细节，合并模型则是将多个独立的部件或组件组合成一个单一的实体，以减少仿真过程中的计算量。

对于本装置模型来说，需要将弹簧阻尼器装置在板上的定位孔保存，中层隔振结构需要将弹性带和滑轮等效为弹簧阻尼，将其中一些固定连接的进行合并。

3.2. 约束设置

模型导入成功后，首先对导入的物体进行重命名操作，方便后续判断约束的建立，然后设置全局重力，并统一单位，详细的模型约束如表1所示。

Table 1. Model constraint

表1. 模型约束

3.3. 负载的确定

本装置用于对移动中的数据柜进行减振，将数据柜的振动函数暂定为正弦函数。

3.4. 驱动添加

对底板和大地之间采用移动约束，再对移动副添加驱动函数，输入函数后要对其进行验证，可行后方可继续，以模拟移动时给底板的力。为了方便计算，本次仿真采用正弦函数驱动。

函数为10*sin (2*3.14*6*time)，频率为6 Hz。如图4。

Figure 4. Adding driver functions

图4. 驱动函数的添加

3.5. 仿真处理

完成上述步骤后，对模型进行仿真。观察各部件之间的运动是否合理，在后处理部分调出曲线。

4. 结果分析

4.1. 对X方向上的仿真分析

Figure 5. Upper plate motion curve

图5. 上板运动情况曲线图

在本装置中，下板为主动控制系统，上板是被动控制系统。在移动的时候，下板会受到力的作用，此作用通过驱动函数来模拟，以此对数据柜移动时该减振平台的隔振情况进行模拟，并对此时上板的振动情况进行检测，以此来查看减振效果。

观察下板的运动情况，再添加移动副驱动，并添加一个正弦函数驱动，再进行仿真后，在后处理界面得出图5，通过观察可以知道下板的运动情况与驱动函数一致；再次在后处理界面添加上板的运动曲线图6，我们可以看到，经过本装置的作用，上板的运动曲线有明显变化。

Figure 6. Comparison of vibration amplitude between upper plate and lower plate

图6. 上板和下板振动幅度对比

在图6中，蓝色虚线为下板受振动波影响下的振动情况，红色实线为振动波通过下层柔性减振，中层隔振，传递到上板后，上板的振动情况。

由图6可以得到下板的振幅为10 mm；由图5可以得到经过隔振平台后，上板的振幅为3 mm。对上下板运动曲线的分析，可以得出，在额定载荷的作用下，经过本装置的减振，可以减少振动的幅度为原来的30%。经过仿真分析，本装置可以满足减振需求。

4.2. Y方向上的仿真与分析

对Y方向上的减振本装置采用滑块与滑轨的设计，并将同步带在仿真软件中等效为拉压弹簧阻尼器。

Figure 7. Constrained model diagram

图7. 约束后的模型图

如图7所示，下板为主动控制系统，上板是被动控制系统。在数据柜发生移动时，下板会受到力的作用，此作用通过驱动函数来模拟，以此对移动时该减振平台的隔振情况进行模拟，并对此时上板的振动情况进行检测，以此来查看减振效果。

Figure 8. Upper plate vibration curve

图8. 上板振动情况曲线图

上板在经过本减振装置后，运动情况如图8所示，下板的运动情况与添加的驱动函数一致，如图9所示，经过观察上下板的振动情况，可以明显观察到振动的幅度有显著降低。

Figure 9. Comparison of vibration of upper and lower plates

图9. 上下板振动情况对比图

由图9可知下板的振动幅度为10 mm；经过隔振装置作用后，上板的振动幅度为0.05 mm。对比分析得出，本装置可以减少振动的幅度为原来的0.6%，可以满足减振需求。

5. 结论

本文针对数据传输的设备在运输过程易受到振动而出现损坏的风险，提出了一种高效减振装置，该装置可以吸收部分振动能量，减少振动的幅度和频率，对数据传输及精密装备等在运输中提供有效保护。

设计采用了弹簧阻尼器，滑块滑轨机构、柔性减振机构、载物板、弹性带等多种减振机制，形成了一个多维度的减振系统，可以有效地降低系统的振动幅度和频率，提高系统的稳定性和可靠性，从而保证设备在运输或移动时提供减振保护，避免数据传输失效。

通过Adams软件进行运动学仿真，验证了减振平台的减振性能，得到的仿真结果显示，本装置对主方向Y方向振幅减少为原来的0.6%；副方向X方向上振幅减少为原来的30%。总之，本设计实现了多维度的减振效果，是一种高效、可靠的减振方案。

基金项目

江苏省大学生创新创业训练计划项目(项目编号为202211276079Y)。

参考文献