CN101311574B - 复合阻尼弹性支座 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合阻尼弹性支座，用于船用浮动舱室和设备的缓冲基座、车辆弹性座椅、工程建筑和工程设施的抗震基础、各种机电设备和设施的弹性基座，满足工程系统对隔振、抗震和缓冲的综合技术要求，特别是对低频大位移冲击干扰的安全防护要求。由环状弹性主体和阻尼缓冲机构组合而成的复合阻尼弹性支座在正常工作状况下具有拟线性综合刚度特征，而在瞬态大位移工况下自动转换为软化性非线性刚度特征。可使工程系统实现良好的低频隔振效果、冲击安全性和正常工作状态下的平稳性的综合动态技术性能，结构简单，使用寿命长，安全可靠性高，维护成本低。

Description

复合阻尼弹性支座

技术领域

本发明涉及一种复合阻尼弹性支座，用于船舶、车辆、建筑和各类机电设备和设施的抗震、缓冲和振动隔离。

背景技术

船舶、车辆、建筑和各类机电设备和设施系统在一般中、高频小幅振动干扰情况下要求具有平稳的工作环境和合理的振动隔离效果，而在受到不定期的外来大冲击(如爆炸、地震、强颠簸或飞机降落到舰船甲板上时的冲击)时系统又应具备对输入大能量的充分吸收和消耗功能，以降低设备和工作人员身上的冲击响应，并能确保系统不失稳，保护设备正常运行和工作人员的人身安全。在振动控制技术领域这是一个有待继续解决的矛盾性问题。

解决这一矛盾性技术问题，设备的支座或工作人员场所的基础(如船员舱室)应具有自动对不同动态环境的适应性，即具有自动变刚度特性。系统在小幅振动时因刚度比较大，运行平稳且有合理的振动隔离效果；而在大位移冲击来临时自动转换为足够低的刚度以提高系统对冲击的隔离效果，同时还应能保证设备在这种情况下不失稳和处于正常工作状态。

现有技术最普遍采用的是隔振器(减震器)和缓冲器对动态系统作弹性支承。这对中、高频外激励或小位移干扰比较有效，而对低频(一般≤6Hz)外来大位移干扰的隔离控制难于实现，对爆炸类冲击波或地震波的隔离效果更差。为了提高系统对低频干扰的隔离效果，目前工程中采用了空气弹簧或多层钢板夹橡胶形成的隔离技术。空气弹簧由橡胶制成的空气橡胶制成，能满足低频隔振要求，但其最大难题是如何解决胶囊中气体的泄漏和橡胶材料的物理强度与寿命问题，同时，胶囊对瞬态高内压强度的要求很难实现；多层钢板橡胶减震器也同样存在橡胶的物理强度与寿命限制且自重大，同时很难实现低频特性要求；而最关键的是上述产品都不具备自动变刚度功能，对大位移振动冲击干扰的适应能力差且容易产生胶体断裂，这些缺陷难以满足系统对特定的环境要求、运行的稳定性与可靠性要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种具有自动变刚度特性的复合阻尼弹性支座，能自动适应工程系统在不同环境下的隔振、抗震、缓冲和结构安全可靠等综合性技术要求，尤其是大位移冲击输入环境下的安全防护。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

由不锈钢丝经螺旋拧合而成的多股不锈钢丝绞合线按对称排列方式固定在金属夹持板和连接板上，再与安装底板联接，构成本发明复合阻尼弹性支座的环状弹性主体；由阻尼气缸、活塞、锁紧螺母、减震块和缓冲垫组成的阻尼缓冲装置连接在环状弹性主体的安装底板和连接板之间，组成本发明复合阻尼弹性支座。

所述的多股钢丝绞合线是由49-163根不锈钢丝经螺旋拧合而成，丝与丝间在相对滑动时所产生的干摩擦阻尼可有效地消耗外来运动能量，使环状弹性主体呈现非线性阻尼特征，削减系统在振动峰值响应状态下的动力放大系数，且这种放大系数将随系统运动速度的增加而减小。

所述的环状弹性主体是由上述多股钢丝绞合线组装而成，其在垂向受压缩过程中的刚度为非线性软化型特征，即其垂向刚度随着外来振动和冲击干扰幅值的增加而降低，系统对振动和冲击的隔离效果也随外来振动和冲击的干扰幅值增大而提高，使系统实现对不同外来振动与冲击干扰的平稳隔离。改变钢丝的直径、股数、拧合螺栓角、环状体外形尺寸等结构参数，可实现本发明不同的刚度、阻尼特性和垂向承载能力。

所述的阻尼缓冲机构与环状弹性主体并联构成本发明复合阻尼弹性支座。活塞在阻尼缓冲机构气缸体内的有效行程为本发明在承受外来大位移冲击干扰时的瞬间最大位移。阻尼缓冲机构内所设置的减震块按预设计刚度特性要求设计。在初始装配状态下，阻尼缓冲机构内的活塞与环状弹性主体上的连接板相连并预压缩在减震块上，根据本发明静承载能力的设计要求和减震块的刚度特性确定减震块的静态预压缩量，使本发明在初始装配状态下具备有设定的静承载能力和合理的初始刚度。本发明的安装底板借助螺栓与工程基础相联，设备(或工作人员工作室的地板)用螺栓固在本发明的连接板上，从而实现工程基础与设备(或工作人员上)之间的弹性联接。

本发明中的所有金属机构件均由不锈钢、高强度结构钢或高强度铝合金材料制成，结构强度高，能适应各类不同的使用环境要求。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明具有自动变刚度特性，既能满足工程系统在正常工作时的小幅振动干扰下具有平稳性，又能自动实现在瞬间低频大位移干扰下具有显著的隔离效果并确保系统运行的安全稳定。解决了提高低频隔振效果、冲击安全性和正常工作状态下的平稳性三者之间的矛盾。同时，本发明具有非线性刚度和非线性阻尼特性，在不同的动态环境下能自动改善系统对振动冲击的隔离效果。结构简单，使用寿命长、维护成本低。

本发明适用于船用浮动舱室和设备的缓冲基座、车辆弹性座椅、工程建筑和工程设施的抗震基础、各种机电设备和设施的弹性基座，满足工程系统对隔振、抗震和缓冲的技术要求，特别是对低频大位移冲击干扰的安全防护要求。

附图说明：

图1为本发明复合阻尼弹性支座实施例总装配图(剖视图)；

图2为本发明复合阻尼弹性支座实施例总装配图(侧视图)；

图3为本发明复合阻尼弹性支座的环状弹性主体结构示意图

图4为本发明中环状弹性主体的安装底板示意图

图5为本发明复合阻尼弹性支座的阻尼缓冲机构结构示意图

图6～图9为本发明中阻尼缓冲机构内减震块的不同结构示意图

图10为本发明复合阻尼弹性支座的静负载变形特性曲线示意图

具体实施方式：

下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：

如附图1、附图2所示，说明本发明主要由环状弹性主体和阻尼缓冲机构两部分构件组成。阻尼缓冲机构置于环状弹性主体的安装底板3和连接板4的中间位置，阻尼缓冲机构的上端通过活塞2上的螺纹与环状弹性主体的连接板4相联接，下端采用螺钉1与环状弹性主体的安装底板3相联接，从而构成本发明整体。工程应用时，环状弹性主体的安装底板3与基础之间采用螺栓联接，连接板4与工程设备之间也采用螺栓相联，使工程设备与基础间形成隔振缓冲弹性联接。

如附图3所示，为本发明中的环状弹性主体结构示意图。多股钢丝绞合线5是由49-163根不锈钢丝经螺旋拧合而成，再按附图1、附图2所示的左右对称的排列方式将不少于8根等长度多股钢丝绞合线5等距离地排列组装，每根多股钢丝绞合线5的一端采用螺釘6夹紧于二块金属夹持板7中间，另一端采用嵌压方式固定在连接板4的孔中。最后用螺钉8将二组金属夹持板7分别固定在安装底板3的左右两边，构成本发明的环状弹性主体。改变组成钢丝绞合线5的钢丝直径、股数与拧合螺栓角、环状弹性主体的环状尺寸，可改变环状弹性主体在垂向上的压缩刚度和非线性特征。

如附图4所示，为本发明中环状弹性主体内安装底板3的示意图。安装底板3由钢板压延或铸造成型，其与底平面间的角度α可按设计需要确定，一般不大于45°，不同的角度α将会直接影响环状弹性主体在垂向上的压缩刚度大小和非线性特征。

如附图5所示，为本发明中的阻尼缓冲机构结构示意图。主要由阻尼气缸9、活塞2、减震块10、缓冲垫11和锁紧螺母12构成。阻尼气缸9的内腔在垂向的有效空间为系统的预设计垂向最大动态位移量。在气缸内底部圆周方向均匀排列有不少于4个阻尼孔13，合理的阻尼孔的直径和长度可使得活塞在往复运动过程中在气缸内形成的正负压力能最有效地吸收和消耗活塞运动能量。在正常工作状态下，阻尼气缸5内活塞2的上端面依靠环状弹性主体的预压缩恢复力紧紧压缩减震块10，减震块10在预压缩环状下的刚度与环状弹性主体中多股不锈钢丝绞合线5形成的环状体在预压缩状态下的刚度的叠加，形成本发明在正常工作状态下的垂向拟线性综合刚度。改变减震块的刚度特性和环状弹性主体的刚度特性，将改变本发明在正常工作状态下的拟线性综合刚度。设置于阻尼气缸9底部的缓冲垫11用于防止活塞向下运动时与安装底板3产生刚性碰撞。缓冲垫10由橡胶类材料制成。

如附图6～附图9所示，说明本发明的阻尼缓冲机构内设置的减震块10的不同断面结构型状：附图6为Y型，附图7为V型，附图8为◎型，附图9为口型。不同的结构型状将形成减震块不同的垂向压缩刚度特性。减震块10是由橡胶类或不锈钢丝网类材料模压成形。

如附图10所示，说明本发明复合阻尼弹性支座在垂向外加载荷作用下的变形特征。附图10中的点A表示为本发明在正常工作状态下的平衡点，此点所对应的载荷值为正常工作状态下的静载荷，所对应的变形为正常工作状态下的静变形量。附图10中的点B为本发明的刚度转变点，其对应的载荷值为系统在中、高频小振幅外来干扰下的最大力响应值，而其对应的变形也即为这种工况下的最大位移响应值。当系统垂向受到外来低频大位移冲击干扰时，本发明的静载荷-变形特性如附图10中的BC段所示，弹性变形量急速增大，系统的力响应值增幅微小，输入系统大位移运动能量被本发明大量吸收、储存(曲线下的阴影面积表示为本发明所吸收的能量)。整个曲线所表示的刚度特征为二种刚度特征的组合，即正常工况下系统隔振所要求的拟线性刚度特征(OAB段曲线所形成)和大位移冲击工况下系统缓冲抗震所要求的软化性非线性低刚度特征(BC段曲线所形成)。

本发明的工作原理及工作过程：

在静态工况下，本发明复合阻尼弹性支座处于初始静平衡受力状态(即附图10中A点)，其所支承的设备(或工作人员)处于静态稳定工作状态。当外来中、高频小幅振动从基础输入到本发明后，经过环状弹性主体和减震块的弹性隔离，使传递到设备(或人身)上的振动响应幅值降低到预设计要求(其最大幅值不大于附图10中的B点)，系统的振动隔离效果由环状弹性主体和减震块所实现的综合刚度与阻尼特性决定。在这一过程中，活塞与减震块始终处于接触状态。

当外来低频大位移冲击(如爆炸、地震、强颠簸或飞机降落接触舰船甲板等)从基础输入本发明后，活塞将脱开减震块(即附图10中的B点)而迅速下移，气缸内的气体由阻尼孔排出，环状弹性主体产生压缩态大变形，使本发明在垂向上的刚度由原来环状弹性主体与减震块共同形成的拟线性综合刚度自动转换为环状弹性主体的软化性非线性刚度，且这种刚度随位移的增大而降低。环状弹性主体在大变形过程中将大量吸收系统运动能量；在环状弹性主体的非线性干摩擦阻尼和气缸内气流通过阻尼孔的流体阻尼的共同作用下，将明显消耗系统的运动能量，从而显著降低传递到设备(或人身)上的响应，有效地实现设备的运行安全性、人身的安全性与舒适性。

当外来冲击位移向下超过气缸设定的行程时，活塞与预先设置的缓冲垫弹性接触，可避免活塞与安装底板的刚性碰撞。在冲击发生过程中将产生的复位冲击，活塞向上移动，直至与减震块弹性碰撞，同样可避免活塞产生刚性碰撞。

Claims (11)

1.一种复合阻尼弹性支座，其特征是由多股不锈钢丝绞合线(5)、金属夹持板(7)、安装底板(3)和连接板(4)经螺纹联接组成的环状弹性主体与由阻尼气缸(9)、活塞(2)、减震块(10)、缓冲垫(11)和锁紧螺母(12)组装成的阻尼缓冲机构并联而成，环状弹性主体与阻尼缓冲机构之间采用螺纹联接方式；

复合阻尼弹性支座在垂向外加载荷作用下的负载变形曲线表现为二种刚度的组合特征，即正常工作状态下的拟线性刚度和大位移冲击工况下的软化型非线性刚度特征；在正常工作状态下，阻尼气缸(9)内活塞(2)的上端面依靠环状弹性主体的预压缩恢复力紧紧压缩减震块(10)，减震块(10)在预压缩状态下的刚度与环状弹性主体中多股不锈钢丝绞合线(5)形成的环状体在预压缩状态下的刚度的叠加，形成在正常工作状态下的垂向拟线性综合刚度；当外来低频大位移冲击从基础输入后，活塞(2)脱开减震块(10)而迅速下移，阻尼气缸(9)内的气体由阻尼孔(13)排出，环状弹性主体产生压缩态大变形，使在垂向上的刚度由原来环状弹性主体与减震块(10)共同形成的拟线性综合刚度自动转换为环状弹性主体的软化性非线性刚度，且这种刚度随位移的增大而降低。

2.根据权利要求1所述的复合阻尼弹性支座，其特征在于所述的阻尼缓冲机构置于环状弹性主体的安装底板(3)和连接板(4)的中间位置；阻尼缓冲机构的上端通过活塞(2)上的螺纹与环状弹性主体的连接板(4)相联接，下端采用螺钉(1)与环状弹性主体的安装底板(3)相联接。

3.根据权利要求1所述的复合阻尼弹性支座，其特征在于所述的环状弹性主体中的不锈钢丝绞合线(5)是由49-163根不锈钢丝经螺旋拧合而成。

4.根据权利要求1所述的复合阻尼弹性支座，其特征在于所述的环状弹性主体中的安装底板(3)是由钢板压延或铸造而成，其与底平面间夹角α一般不大于45°。

5.根据权利要求1所述的复合阻尼弹性支座，其特征在于在所述的环状弹性主体中采用不少于8根等长度的不锈钢丝绞合线(5)按左右对称式方式沿金属夹持板(7)和连接板(4)的长度方向等距离地排列。

6.根据权利要求1所述的复合阻尼弹性支座，其特征在于所述的环状弹性主体中的不锈钢丝绞合线(5)的两端分别与金属夹持板(7)和连接板(4)固联，每根多股钢丝绞合线(5)的一端采用螺钉(6)夹紧于二块金属夹持板(7)中间，另一端采用嵌压方式固定在连接板(4)的孔中。

7.根据权利要求1所述的复合阻尼弹性支座，其特征在于所述的环状弹性主体是采用螺钉(8)将二组金属夹持板(7)分别固定在安装底板(3)的左右两边，从而使不锈钢丝绞合线(5)形成环状结构，构成环状弹性主体。

8.根据权利要求1所述的复合阻尼弹性支座，其特征在于所述的阻尼缓冲机构中的阻尼气缸的底部圆周方向均匀设置有不少于4个阻尼孔(13)。

9.根据权利要求1所述的复合阻尼弹性支座，其特征在于所述的阻尼缓冲机构中的减震块(10)是由橡胶类或不锈钢丝网类材料经模压成Y型、V型、◎型或□型结构形状。

10.根据权利要求1所述的复合阻尼弹性支座，其特征在于所述的阻尼缓冲机构中的缓冲垫(11)置于阻尼气缸底部，缓冲垫由橡胶类材料制成。

11.根据权利要求1所述的复合阻尼弹性支座，其特征在于除减震块(10)和缓冲垫(11)以外的所有金属结构件均由不锈钢、高强度结构钢或高强度铝合金材料制成。

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