CN102639899B - 用于改善振动隔离的装置 - Google Patents

Abstract

一种振动隔离器具有上壳体限定出的上流体腔体，下壳体限定出的下流体腔体，弹性地设置在上壳体和下壳体中的活塞，由活塞限定出的调节通道，该调节通道用于在上流体腔体和下流体腔体之间提供流体连通，设置在调节通道、上流体腔体、和下流体腔体中的调节流体。与上流体腔体流体连通的存储器用于提供振动隔离器的压力控制。在振动隔离器维修和操作期间，扩展的蓄能器区域用于提供保持增加压力。

Description

用于改善振动隔离的装置

技术领域

本申请通常涉及一种主动振动控制。本申请尤其涉及一种用于隔离结构或主体中的机械振动的装置，该结构或主体易受到谐波或振荡位移或压力的影响。本申请非常适用于飞行器领域，特别是，直升机和其他水平螺旋桨飞机。

背景技术

多年以来，人们竭力设计一种用于将振动主体从传输它自身的振动到其他主体中隔离出来的装置。这样的装置适用于各种技术领域，在上述技术领域中希望从结构的其他部分中隔离振荡或振动装置的振动，例如发动机的振动。典型的振动隔离和衰减装置（“隔离器”）采用各种机械系统部件（弹簧和块）的组合以调整整个系统的频率响应特性，从而使系统中的重要结构获得可接受的振动水平。这些隔离器大量使用的一个领域是飞行器，其中利用振动隔离系统将飞行器的机身或其他部分从机械振动中隔离出来，例如谐波振动，这些机械振动与推进系统有关，由飞行器的发动机、变速器和螺旋桨或水平旋翼产生。

振动隔离器区别于在现有技术中被错误的称为“隔离器”的减震装置。一个用于振动的简单的力学公式如下：

$F=m\stackrel{\·\·}{x}+c\stackrel{\·}{x}+\mathrm{kx}$

振动隔离器利用惯性力抵消弹力（kx）。另一方面，减震装置是利用耗散效果去除来自振动系统的能量。

在飞行器振动隔离系统的设计中一个重要的工程目标是减小包括隔离装置横截面积在内的长度、重量和整个尺寸。这是关于飞行器所有工程效果的基本目标。在设计和制造直升机和其他水平螺旋桨飞机中，例如倾转旋翼机，需要盘旋以克服飞行器的静负载，以及与固定翼飞机相比要限制其有效负载是尤其重要的。

在振动隔离系统的设计中另外的一个重要工程目标是保存工程资源，这些工程资源在飞行器其他方面的设计或振动隔离系统中已经付出了。换句话说，在振动隔离系统的性能中进行增量式改进是一个很重要的工业目标，而不需要彻底的重组工程或对已有的振动隔离系统的所有组件的完全再设计。

特别是在用于飞行器和直升机的振动隔离领域中的一个明显的背离，在1980年12月2日公开的美国专利号为4236607名为“振动抑制系统”，属于Halwes等人（Halwes’607）的申请中公开了。Halwes’607在此合并引用。Halwes’607公开了一种振动隔离器，在该隔离器中稠密的、低粘度的流体被用作调节块以自动抵消、或相互抵消通过隔离器传输的振荡力。这个隔离器使用振荡块在其位移方向上反相180°的加速度原理。

在Halwes’607中，我们认识到稠密的、低粘度的流体的惯性特性与由活塞安装引起的液压增益混合，可以克服反相的加速度而产生平衡力以减弱或抵消振动。Halwes’607提供了一个比现有技术中提供的隔离器更加紧凑的，可靠的和有效的隔离器。Halwes’607预期的原始稠密的、低粘度的流体是有毒的和高腐蚀性的水银。

自Halwes’早期的发明以来，在这个领域中人们致力于替代水银作为流体或改变信号隔离器的动态响应以减弱不同的振动模式。后来的例子在1995年8月8日公开的美国专利号为5439082，名为“液压惯性振动隔离器”属于McKeown等人（McKeown’082）的申请中公开了。McKeown’082在此合并引用。

几个因素影响Halwes型隔离器的性能和特性，包括使用的流体的稠密度和粘度、隔离器的相对尺寸，以及类似的参数。在这样的隔离器设计中的一个进步，在2000年1月4日公开的美国专利号为6009983，名为“用于改善隔离的方法和装置”属于Stamps等人的申请（Stamps’983）中公开了。在Stamps’983中，在每个调节通道的终端采用复合半径以在隔离器的性能中得到显著进步。Stamps’983在此合并引用。

在Halwes型隔离器的设计中的另一个进步的地方是已经致力于一种用于改变隔离器的频率的装置从而在操作的过程中增加隔离器的效率。在这样的隔离器的设计中的一个发展，在1995年7月25日公开的美国专利号为5435531，名为“振动隔离系统”属于Smith等人的申请（Smith’531）中公开了。在Smith’531中，在调节通道的内壁中使用轴心伸缩套筒从而改变了调节通道的长度，因此改变了隔离频率。在可调节的Halwes型隔离器的设计中的另一个发展，在1998年1月6日公开的美国专利号为5704596，名为“振动隔离系统”属于Smith等人的申请（Smith’596）中公开了。在Smith’596中，在调节通道的内壁中使用了套管从而改变调节通道自身的横截面面积，因此在操作期间改变了隔离频率。Smith’531和Smith’596均是对于主动调节隔离器值得注意的尝试。

在振动隔离领域另外的发展是可调节的振动隔离器，在2004年2月24日公开的美国专利号为6695106，名为“用于改善振动隔离的方法和装置”属于Smith等人的申请公开了，上述申请在此合并引用。

参见图1和2，在图1中，示出了隔离器101的透视图。图2是沿着图1中剖面线II-II的隔离器101的截面图。隔离器101具有上壳体113，下壳体115，活塞117，存储器109，观察孔111。存储器109是用于保存调节流体105和气体103的容器。使用阀107为存储器109加压，同时测试存储器109内的压力。为了在没有流体汽浊的情况下有效的操作隔离器101跨越整个操作温度范围，存储器109必须保持受压。

隔离器101的一个缺点是在操作和维护过程中难以保持存储器109受压。因为存储器109容量很小，所以微小的压力泄漏能够导致存储器109快速失压，从而导致隔离器101失效。在存储器109中压力保持期间通过阀107的检查可能会引起气体103微小的泄漏，从而导致存储器109中压力大幅减小。

尽管前述的发展已经在振动隔离领域取得了巨大进步，但是还存在许多缺陷。

附图说明

被认为是本申请特性的新特征在附加的权利要求中描述。但是，通过参见下列详细描述与附图的结合可以很好的理解申请的本身也就是使用的优选模式，及其进一步的目标和特点，其中：

图1是现有技术中振动隔离器的透视图；

图2是图1中显示的现有技术中的振动隔离器沿着剖面线II-II的截面视图；

图3是根据本申请的优选实施例的振动消除器的截面视图；

图4是根据本申请的可选择的实施例的振动消除器的截面视图。

具体实施方式

参见图3，根据本申请的优选实施例示出了振动隔离器201的截面图。振动隔离器201包括上壳体227和下壳体229。至少部分设置在上壳体227和下壳体229内的活塞209。活塞209典型地耦合到振动主体，例如飞行器的变速器（未示出）。下壳体229典型地耦合到与振动隔离开的主体，例如飞行器的顶部结构（未示出）。在这样的设置中，飞行器结构作为从振动隔离开的主体，飞行器的变速器作为振动主体。上弹性部件213密封并且弹性地定位活塞209在上壳体227的内部。相同的，下弹性部件211密封并且弹性地定位活塞209在下壳体229内部。弹性部件211和213至少具有弹簧的功能，以允许活塞209相对于壳体227和229移动或振荡。当没有负载时，配置弹性部件211和213通常定位活塞209在上壳体227和下壳体229的中间位置。活塞209的内部限定出一个细长的调节通道207。上流体腔体203通常由上壳体227的内部、活塞209和上弹性部件213限定出来。相同地，下流体腔体205通常由下壳体229、活塞209和下弹性部件211限定出来。

调节通道107通过活塞209的纵向轴在中心延伸，因此上流体腔体203和下流体腔体205流体连通。调节流体217设置在上流体腔体203、下流体腔体205和调节通道207中。调节流体217优选地具有低粘度、相对高的密度、和非腐蚀性的特性。

将轴向压力引入到活塞209上，以使得活塞209相对于上壳体227和下壳体229轴向平移。活塞209的移动迫使调节流体217以与活塞209平移方向相反的方向通过调节通道207。调节流体217的移动产生惯性力，该力以离散频率，如隔离频率，抵消或隔离来自活塞209的力。

蓄能器组件221与上壳体227成为一体，功能是至少在压力下提供流体217到上流体腔体203、下流体腔体205和调节通道207。存储器235由蓄能器221的内部空间构成。存储器235包括扩展的蓄能器区域231和下部区域233。通道225提供在存储器235和上流体腔体203之间流体连通的手段。蓄能器组件221包括用于引导气体219进入存储器235的阀215。

为了隔离器201具有想要的功能，在存储器235中的流体217和气体219应当加压，例如到大约100psi（磅/平方英寸）。在隔离器201的操作中，可能发生气体219或流体217的泄漏；这样的泄漏导致隔离器201内的气体219和流体217压力降低。如果气体219和流体217大幅减少，操作隔离器201可能会导致一些流体217汽化成气体，也就是所熟知的流体汽蚀217，这将导致隔离器201性能的降级。另外，在隔离器201维护中，隔离器201内的压力通过阀215测量。阀215优选双向阀，例如施克拉德阀（Schrader valve）；然而，应当理解阀215也可以是其他类型的阀，例如单向阀。从阀215获得的传统的压力测量导致部分气体219通过阀215出来，因而导致压力损失。然而，存储器235的扩展的蓄能器区域231提供了在存储器235中的补充气体容量。扩展的蓄能器区域231减小了隔离器201气体或流体泄漏的敏感度，以及维护压力检查期间持续气体泄漏的敏感度。扩展的蓄能器区域231优选配置为具有内部圆柱形凹孔237的圆柱体。应当理解充分考虑到扩展的蓄能器区域231可以是各种几何形状。扩展的蓄能器区域231内的内部凹孔237提供了一个用于阀215的保护区域，以便减小来自维修人员和操作危害对于阀215的损坏。应当理解即使扩展的蓄能器区域231描述成与存储器235开放的流体连通，但是一个或多个部件例如管道，电子管，气缸，和类似的能够用于在扩展的蓄能器区域231和存储器235之间提供流体连通的部件也是可用的。因为除了下部区域233，扩展的蓄能器区域231提供用于气体219的补充容量，所以在隔离器201内剧烈的压力损失会减轻。在一个优选的实施例中，气体219是氮气，但是气体219也可以是其他气体成分和混合物，例如空气。配置观察孔223以方便查看蓄能器组件221中的流体217的数量。

现在参见附图中的图4，示出了振动消除器301的可选择的实施例的截面图。振动隔离器301包括上壳体327和下壳体329。活塞309至少部分的设置在上壳体327和下壳体329内。活塞309典型地耦合到振动主体，例如飞行器的变速器（未示出）。下壳体到329典型地耦合到将振动隔离开的主体上，例如飞行器的顶部结构（未示出）。在这样的设置中，飞行器结构作为从振动隔离开的主体，飞行器的变速器作为振动主体。上弹性部件313密封并且弹性地定位活塞309在上壳体327的内部。相同的，下弹性部件211密封并且弹性地定位活塞309在下壳体329内部。弹性部件311和313至少具有弹簧的功能，以允许活塞309相对于壳体327和329移动或振荡。当没有负载时，配置弹性部件311和313通常定位活塞309在上壳体327和下壳体329的中间位置。活塞309的内部限定出一个细长的调节通道307。上流体腔体303通常由上壳体327的内部、活塞309和上弹性部件313限定出来。相同地，下流体腔体305通常由下壳体329、活塞309和下弹性部件311限定出来。

调节通道307通过活塞309的纵向轴在中心延伸，因此上流体腔体303和下流体腔体305流体连通。调节流体317设置在上流体腔体303、下流体腔体305和调节通道307中。调节流体317优选地具有低粘度、相对高的密度、和非腐蚀性的特性。

将轴向压力引入到活塞309上，使得活塞309相对于上壳体327和下壳体329轴向平移。活塞309的移动迫使调节流体317以与活塞309平移方向相反的方向通过调节通道307。调节流体317的移动产生惯性力，该力以离散频率，如隔离频率，抵消或隔离来自活塞309的力。

蓄能器组件321与上壳体327成为一体，并且包括存储器335和观察孔323。存储器335由蓄能器组件321的内部空间构成。存储器335的功能是至少在压力下提供流体317到上流体腔体303、下流体腔体305和调节通道307。通道325提供在蓄能器组件321和上流体腔体303之间液体连通的手段。为了隔离器301具有想要的功能，在存储器335中的流体317和气体319应当加压，例如，加压到大约100psi。

分区蓄能器331耦合到蓄能器组件321上，以提供用于气体319的补充容量。分区蓄能器331优选地通过粘合剂337与蓄能器组件321结合在一起。应当理解分区蓄能器331能耦合到蓄能器组件321上使用的手段不限于粘合剂结合；例如，焊接、机械耦合、或关于它们的任何组合，在这里仅给出几个例子。应当理解分区蓄能器331与蓄能器组件321的耦合可以包括至少机械紧固件和相关的密封，密封的设置有助于防止泄漏。分区腔体341由分区蓄能器331的内部空间构成。分区腔体341配置为通过蓄能器通道333与存储器335流体连通。应当理解即使蓄能器通道333描述成开放的物理通道，但是一个或多个部件，例如管道、电子管、气缸，和类似的能够用于在分区腔体341和存储器335之间提供流体连通的部件也是可用的。

在隔离器301的操作中，可能发生气体319或流体317的泄漏；这样的泄漏导致隔离器301内的气体319和流体317压力降低。如果气体319和流体317大大的减少，操作隔离器301可能会导致一些流体317汽化成气体，也就是所熟知的流体汽蚀317，这将导致隔离器301性能的降级。在目前的实施例中，阀315优选单向阀；然而，应当理解阀315也可以是其他类型的阀，例如双向阀。因为阀315优选单向阀，气体319不能通过阀315出来，但是气体319能够通过阀315导入蓄能器331中。同样的，在维修操作中，阀315没有配置提供压力测量，但是维修人员能在理想的压力下引导气体直到气体不再流过阀315，意味着内部压力处在理想的压力。

分区蓄能器331内的分区腔体341为蓄能器组件321提供气体容量。分区腔体341减小了隔离器301气体319或流体317泄漏的敏感度，和维护压力检查期间持续气体319泄漏的敏感度。因为分区腔体341使得装满气体319容量的大量增加，所以一定量的气体319和流体317的泄漏不会引起压力的大量减少。优选地气体319是氮气，但是气体319也可以是其他气体成分和混合物，例如空气。配置观察孔323以方便查看存储器335中的流体317的数量。

应当理解分区蓄能器331配置为具有现场更新图1和2中所示的隔离器101的改造能力。通常，将隔离器101改装成隔离器301包括去除阀107和机械去除阀107周围的阀保护器。随后，分区蓄能器331能通过粘合剂339耦合到存储器109上，或其他文中指出的合适手段。

很明显本申请的显著的优点已经描述和示出了。尽管本申请示出的是有限的形式，但是不能限定于这些形式，而是服从不脱离本申请精神的任何变化和修改的形式。

Claims (19)

1.一种振动隔离器，包括： 

由上壳体限定出的上流体腔体； 

由下壳体限定出的下流体腔体； 

弹性地设置在上壳体和下壳体内的活塞； 

由活塞限定出的调节通道，其用于在上流体腔体和下流体腔体之间提供流体连通； 

设置在调节通道、上流体腔体和下流体腔体内的调节流体；和 

从上壳体整体延伸的蓄能器组件；该蓄能器组件包括： 

由蓄能器组件内部空间限定出的存储器，该存储器包括： 

容纳气体和调节流体的下部区域；和 

提供用于气体的补充容量的扩展的蓄能器区域； 

配置为用于方便气体导入存储器的外部阀，该外部阀在蓄能器组件和上、下流体腔体的外部； 

用于在存储器和上流体腔体之间提供流体连通的通道。 

2.根据权利要求1的振动隔离器，其中该气体包括氮气。 

3.根据权利要求1的振动隔离器，其中蓄能器组件进一步包括用于查看振动隔离器中流体数量的观察孔。 

4.根据权利要求1的振动隔离器，其中阀是双向阀，其用于可选择的增加和减少来自存储器的气体。 

5.根据权利要求1的振动隔离器，其中阀是单向阀。 

6.根据权利要求1的振动隔离器，其中流体和气体加压到大约100psi。 

7.根据权利要求1的振动隔离器，其中扩展的蓄能器区域具有圆柱外型和内凹孔，内凹孔配置为阀提供保护区域。 

8.一种振动隔离器，包括： 

由上壳体限定出的上流体腔体； 

由下壳体限定出的下流体腔体； 

弹性地设置在上壳体和下壳体内的活塞； 

由活塞限定出的调节通道，其用于在上流体腔体和下流体腔体之间提供流体连通；设置在调节通道、上流体腔体和下流体腔体内的调节流体；和 

从上壳体整体延伸的蓄能器组件；该蓄能器组件包括： 

由蓄能器组件内部空间限定出的存储器，存储器与上流体腔体流体连通； 

耦合到蓄能器组件的分区蓄能器，该分区蓄能器包括： 

装满气体的分区腔体，该分区腔体配置为与存储器流体连通； 

用于在存储器和上流体腔体之间提供流体连通的通道；和 

用于在分区腔体和存储器之间提供流体连通的蓄能器通道；和 

与上、下流体腔体流体连通的外部阀，该外部阀在蓄能器组件和分区蓄能器以及上、下流体腔体的外部； 

其中存储器部分地装满气体和部分地装满液体。 

9.根据权利要求8的振动隔离器，其中该气体包括氮气。 

10.根据权利要求8的振动隔离器，其中蓄能器组件进一步包括用于查看存储器中流体数量的观察孔。 

11.根据权利要求8的振动隔离器，其中分区蓄能器进一步包括用于选择性地控制存储器和分区腔体中气体压力的阀。 

12.根据权利要求11的振动隔离器，其中阀是单向阀。 

13.根据权利要求11的振动隔离器，其中阀是双向阀。 

14.根据权利要求8的振动隔离器，其中流体和气体加压到大约100psi。 

15.一种配置为对振动隔离器作更新改进的分区蓄能器，该振动隔离器具有上壳体，下壳体，弹性地设置在上壳体和下壳体内的活塞，由活塞限定出的调节通道，设置在调节通道中的调节流体，从上壳体整体延伸的蓄能器组件，由蓄能器组件内部限定出的存储器，分区蓄能器包括： 

配置为气体提供容量的分区腔体； 

用于在分区腔体和存储器之间提供流体连通的蓄能器通道； 

用于选择性地控制分区腔体内压力的外部阀，该外部阀在蓄能器组件和上、下壳体的外部； 

其中分区蓄能器配置为耦合到蓄能器组件。 

16.根据权利要求15的分区蓄能器，其中阀是单向阀。 

17.根据权利要求15的分区蓄能器，其中分区蓄能器通过粘合剂与蓄能器组件耦合。 

18.根据权利要求15的分区蓄能器，其中分区蓄能器通过焊接与蓄能器组件耦合。 

19.根据权利要求15的分区蓄能器，其中分区蓄能器通过至少一个机械紧固件与蓄能器组件耦合。