CN102953357B - 固液双组元缓冲器 - Google Patents

Abstract

一种固液双组元缓冲器，包含冲击头，组合弹簧和可变容积的液流腔，在冲击头受到碰撞后，组合弹簧、液流腔会组合吸能，特别对液流腔流量进行机械方式的非线性控制，会大大提高碰撞力的缓解作用。为使冲击结束后冲击头能够自动复位循环，液流腔内设有复位弹簧提供负压力。本发明结构简单紧凑，在实现同样减冲力的情况下，其零件尺寸小，制造工艺简单，安装、维修方便。本发明是一个纯机械系统，动作可行、可靠和安全，特别适应在水下的碰撞工程问题。

Description

固液双组元缓冲器

技术领域

本发明涉及减低碰撞力的一种缓冲机械装置，特别涉及适用于大载荷碰撞的工作环境。

背景技术

物体运动的速度突然改变会产生惯性力，惯性力在数值上等于质量与加速度的乘积，物体的速度改变率越大或物体的质量越大，物体所具有的惯性力就越大。

碰撞是一种物理现象，碰撞力是物体惯性力的外在表现。一个简单的例子，设二个物体在同一直线上运动，前物体运动速度慢，后物体运动速度快，一定时间二物体发生接触碰撞，二物体的运动速度即发生改变，碰撞力就产生在二物之间，这个力是物体的惯性引起。

碰撞的效果会产生比碰撞物自身重量大出几十甚至几千倍的力，因此在工程上或被利用或被防止。例如用锤打夯，就是利用了碰撞。但是，因为操控失误，火车或汽车追尾，大型船只靠岸，船舷与码头的撞击就是因为产生了过大的力造成设备破坏和人员伤亡，这是碰撞的不利例证。

对不期望的碰撞，需要减少它的碰撞力影响。例如，设计中的苏州河防汛闸门是钢筋混凝土箱型结构，长60m，高9m，宽6m，质量约为8，000，000（N*S²/m），门的转轴设在河岸的北侧，门绕门轴开合（术称一字门），其在闭门时会出现碰撞问题。闭门的设计速度为0.052（m/s），速度虽然小，但因闸门质量大，门对门墩框基瞬间的撞击力是巨大的。为了使撞击力在墩基安全指标之内，必须有合适的缓冲装置来减缓闭门碰撞力。

一般缓冲器的经典机械元件常见采用简单的弹簧零件（固体零件），主要以弹簧变形达到减冲目的。但是，针对设计中的苏州河防汛大型水闸门上的缓冲装置，如果采用仅单一以弹簧为主的缓冲元件，缓冲装置的结构尺寸会很大，这不仅使得造价巨高，也带来制造工艺和安装的实施难度。

对于设计中的苏州河防汛大型闸门另外两个特定要求是：闸门关闭时不能有宏观泄漏，即要求闸门与门墩基框保持紧密，因此缓冲装置在门逢内不能出现夹杂；其次装置不得借助电动系统，所以要求必须是纯机械的。

发明内容

本发明的目的是采用弹簧（固态组元）和流体（液态组元）缓冲双组元原理设计的一种缓冲装置，称之为“固液双组元缓冲器”，使之能够在各种工作环境下对大载荷碰撞进行缓冲力降低；该装置尤其可以满足例如像苏州河大型防汛闸门的设计要求，即：为纯机械构造，安装后，在可伸、缩的冲击头设计下不会形成对门的夹杂，由于是双组元缓冲，因此在缓解相同碰撞力的工程问题上其结构可以小型紧凑，使用可靠，装拆维护方便。

本发明的技术方案是提供一种固液双组元缓冲器，其是装设在碰撞物上的筒体结构；筒体内设有一根可以沿轴向往复运动的空心的缓冲主轴，其通过连接若干零件并与筒体配合，形成实现缓冲机理的以下部件，包含：

冲击头，即是所述缓冲主轴的前段部分，其伸出撞击接触平面之外，并在接受撞击时使缓冲主轴向筒体内移动以传递撞击力；

弹簧腔，其是套设在所述缓冲主轴的中段部分上的组合弹簧，对经由所述冲击头传递来的撞击力完成固体吸能；所述缓冲主轴的中段部分，位于筒体的非封闭部位；

对应所述缓冲主轴的后段部分设置的可变容积的液流腔，其密闭的腔体内充满了流体；在所述缓冲主轴的后段部分设置有若干通水孔，在撞击发生后，封闭在液流腔内的流体经由所述若干通水孔流出腔外，实现液态吸能；

在所述液流腔内还设置有复位弹簧，其在一次碰撞结束后，提供可以使冲击头复位的足够负压力。

所述冲击头包含金属筒，以及在该金属筒撞击接触部位设置的橡皮垫；

所述冲击头插入尺寸相匹配的金属门套环，金属门套环固定设置在安装门基上；所述安装门基是预设在碰撞物上的。

所述金属门套环包含金属门环，通过在其后端设置的紧固法兰，将该金属门环与所述安装门基固定连接；

所述金属门套环还包含在其金属门环的内孔壁与所述冲击头的金属筒之间设置的尼龙衬。

所述固液双组元缓冲器的筒体是与所述紧固法兰固定连接的筒状的主套；所述主套的前端设置有非封闭的侧壁部分；

在所述主套非封闭的侧壁部分内，依次向缓冲主轴的中段部分套设了前弹簧衬座，所述组合弹簧，以及后弹簧衬座；

所述前弹簧衬座设置有定位环，其紧靠在所述冲击头的金属筒后面；还设置有弹簧定位凸座，其与所述定位环的后端面固定连接。

所述前弹簧衬座的弹簧定位凸座与所述后弹簧衬座相对的端面，设置为与两者之间布置的组合弹簧形状相匹配的阶梯状，来对该组合弹簧进行定位及支撑。

对应所述可变容积的液流腔的位置，在所述主套内还设置了活动法兰环，其套设在所述缓冲主轴的中段部分至后段部分上，并与所述后弹簧衬座的后端面固定连接；在受到所述缓冲主轴传递的撞击力时，所述活动法兰环会向后移动并给予所述液流腔正压力，以使该液流腔的容积减小；

所述活动法兰环上固定连接有尼龙衬，其至少布置在所述活动法兰环与所述缓冲主轴相接触的位置之间。

所述液流腔设置有后盖，其套设在所述缓冲主轴的后段部分，并与所述主套的最后端固定连接；所述后盖上设置了供所述后段部分的至少一部分轴体移出所述液流腔外的通道；

还设置了与所述后盖固定连接的尼龙衬，其至少布置在所述缓冲主轴的后段部分与所述后盖相接触的位置之间。

所述液流腔容积减小的速度，由所述活动法兰环向后移动的速度调整，其速度由所述缓冲主轴上的若干通水孔的流量来控制。

所述复位弹簧设置在所述主套内，两端分别与所述活动法兰环及所述后盖相抵；

所述后盖上设置有若干单向阀，使流体通过该些单向阀进入所述液流腔，使其容积得到恢复，进而推动所述活动法兰环及所述弹簧腔向前移动，最终使所述冲击头恢复到之前外伸的状态。

对设计中的苏州河防汛水闸门工程，两个碰撞部件是闸门及与之配合的门墩；所述固液双组元缓冲器装设在该闸门上，并在置于水下工作时直接由河水作为其液流腔内的流质。

本发明所述固液双组元缓冲器，其优点在于：由伸出的冲击头来传递撞击力，通过非封闭的弹簧腔和可变容积的液流腔，达到双组元吸能作用。

相比单应用弹簧作为缓冲元件的现有减冲装置，本发明所述固液双组元缓冲器结构紧凑，零件尺寸小，机械加工要求低，降碰撞力效果明显。尤其是液流腔部分，可以根据缓冲的分级要求来设计液流腔的流量，即可事先设定缓冲碰撞力大小，也可使整个碰撞过程的降冲力保持恒定。

对于像应用在苏州河水闸门这类水下工程等的特定环境，本发明的液流腔中所指流体介质可以直接使用河水，所以固液双组元缓冲器应用在水下工程是最经济适合的。

附图说明

图1是本发明所述固液双组元缓冲器的总体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明所述固液双组元缓冲器，尤其适用于河道闸门与门墩之间撞击力的缓冲；该缓冲器通过弹簧及流体作为缓冲组元，其中应用流体及液流腔的缓冲设计是该缓冲器的核心发明。为下文陈述方便，定义所述缓冲器的冲击接触端为“前端”，远离冲击接触端的一端为“后端”。

所述固液双组元缓冲器，整体是架设在闸门上的筒体结构，其缓冲的主要零件是设在该筒体内的一个活塞柱。该活塞柱是在一个中空的缓冲主轴30，可以在筒状的主套40内沿轴向往复运动。该缓冲主轴30的前段部分直径较大，中段部分及后段部分直径较小。

整个缓冲器的工作部件包含冲击头31、弹簧腔及液流腔三大部分段。

其中，冲击头31是所述缓冲主轴30的前段部分，包含一金属筒312及该金属筒312最前端设置的橡皮垫311；该冲击头31伸出撞击体的平面外（即闸门上的接触平面），并在闭门时直接与门墩接触，传递撞击力。

所述弹簧腔是在缓冲主轴30的中段部分上套设的组合弹簧50；该组合弹簧50由所述活塞柱定位，并在其前后两端分别由第一、第二弹簧衬座32、62支撑。撞击力经由所述活塞柱传递至该组合弹簧50时，达到固体吸能的作用。所述主套40对应该组合弹簧50的位置，设置了非封闭的侧壁，以使所述弹簧腔为非封闭腔，因而在该缓冲器置于水下时，流体能够在弹簧腔内自由流通，不形成附加阻力。

所述缓冲主轴30位于液流腔内的后段部分上开设有若干通水孔331，其通过空心的活塞柱与腔体外联通。所述主套40对应的后段部分为形式密闭的结构，其实，所述液流腔为可变容积的封闭腔，腔内充满流体。所述液流腔的容积变化通过以下二个环节联动实现。

第一环节是设置在液流腔前侧的活动法兰环60，其一面与所述后弹簧衬座62连接，对弹簧腔里的组合弹簧50进行支撑；另一面与液流腔内的流体接触；当活动法兰环60承受组合弹簧50的压力，便将其转成对液流腔的压力。第二环节是上述缓冲主轴30上开设的若干通水孔331，在该缓冲主轴30在主套40内向后移动时，至少有一部分所述通水孔331会联通到后盖80之外；在活动法兰环60受组合弹簧50产生推力时，液流腔的腔体受正压，流体即通过通水孔331流出腔外，活动法兰环60的移动会改变液流腔的体积。控制通水孔331的流量，就控制了所述活动法兰环60的移动速度，从而可以实现使用流体的缓冲目的。

鉴于本发明的这一技术特点，在缓冲过程中，冲击头31慢慢缩入装置内直至与撞击接触平面齐平，达到闭门时闸门与门墩之间不会形成夹杂间隙，从而保证闸门关闭的紧密性。在闸门重新开启时，要求所述冲击头31必须复位到外伸状态，以便进行第二次减冲。复位动作主要通过液流腔内设置的一个复位弹簧70实现，复位弹簧70两端分别是所述活动法兰环60及液流腔的后盖80支撑，其弹力仅克服所述活塞柱与液流腔的摩擦阻力。当液流腔在复位弹簧70的作用下受负压时，设在该后盖80上的若干单向阀90即作为进水孔，可持续向液流腔注入液体，保证主轴回复，进而使所述冲击头31恢复到之前外伸的状态。

基于上述固液双组元缓冲器的结构，对其吸能理论进行分析：

1）．吸能元素：

弹簧吸能功

流体吸能功

因而，整个固液双组元缓冲器的吸能耗功为

式中：为缓冲时的实际冲击力，C为弹簧刚度，t为时间，为流质，为流体出入口的口径面积比。

2）．缓冲载荷计算

动能的改变量是

上式中是碰撞过程中的能量损失，即为该缓冲器的耗能总量，实际上它的最大值就是冲击总动能。当作为缓冲装置的目标值后，则应用下式可以建立该缓装置的结构参数和目标缓冲载荷的相互关系。

以下具体介绍所述固液双组元缓冲装置中各部件的设置位置及连接关系（参见图1）：

在闸门上预先设计好的安装门基100上插入金属门套环10，该金属门套环10包含与所述安装门基100固定连接的金属门环11，以及置于该金属门环11内壁的尼龙衬12。一紧固法兰20从所述金属门套的后端与之连接，从而对该金属门环11实施固定。

将缓冲主轴30上尺寸相匹配的前段部分，作为冲击头31插入所述金属门环11中，使所述尼龙衬12环绕该冲击头31并设置在其与所述金属门环11的内壁之间。所述冲击头31的金属筒312前面连接了橡皮垫311，后面与所述前弹簧衬座32设置的定位环321紧靠。所述前弹簧衬座32设置的弹簧定位凸座322与所述定位环321的后端表面连接。所述定位环321、弹簧定位凸座322都是环绕所述缓冲主轴30的中段部分布置。

将所述主套40固定连接至所述紧固法兰20上，将组合弹簧50推入该主套40内对应弹簧腔的位置，套设在所述缓冲主轴30的中段部分上，并与所述弹簧定位凸座322阶梯状的后端表面相配合。

之后，将连接了后弹簧衬座62的活动法兰环60推入所述主套40，也都环绕所述缓冲主轴30的中段至后段的部分设置，并使所述后弹簧衬座62阶梯状的前端表面与所述组合弹簧50的后端相配合。一尼龙衬63与所述活动法兰环60连接，其至少设置在该活动法兰环60与所述缓冲主轴30接触的位置之间。

在所述主套40内对应液流腔的位置放置所述复位弹簧70；将后盖80套设在缓冲主轴30的后段部分，并使其与所述主套40的最后端固定连接。所述复位弹簧70的两端分别与所述活动法兰环60、后盖80相抵。图中所示的尼龙衬63，其与所述活动法兰环60后端面接触位置的面积增大，方便了两者的连接，也可以有效限制所述复位弹簧70与活动法兰环60抵接的位置。该复位弹簧70与后盖80的抵接位置，由后盖80上的凸起结构限定。

在所述后盖80上装设供流体进入该液流腔的所述若干单向阀90。还设置了与后盖80固定连接的尼龙衬81；该尼龙衬81至少套设在所述缓冲主轴30的后段部分，并布置在其与所述后盖80的内壁之间。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种固液双组元缓冲器，其特征在于，所述缓冲器是筒体结构，其设在碰撞物上；筒体内设有一根可以沿轴向往复运动的空心的缓冲主轴（30），其连接若干零件并与筒体配合，形成实现缓冲机理的部件包含：

冲击头（31），即是所述缓冲主轴（30）的前段部分，其伸出撞击接触平面之外，并在接受撞击时使缓冲主轴（30）向筒体内移动以传递撞击力；

弹簧腔，其是套设在所述缓冲主轴（30）的中段部分上的组合弹簧（50），对经由所述冲击头（31）传递来的撞击力完成固体吸能；所述缓冲主轴（30）的中段部分，位于筒体的非封闭部位；

对应所述缓冲主轴（30）的后段部分设置的可变容积的液流腔，其密闭的腔体内充满了流体；在所述缓冲主轴（30）的后段部分设置有若干通水孔（331），在撞击发生后，封闭在液流腔内的流体经由所述若干通水孔（331）流出腔外，实现液态吸能；

在所述液流腔内还设置有复位弹簧（70），其在一次碰撞结束后，提供可以使冲击头（31）复位的足够负压力。

2.如权利要求1所述固液双组元缓冲器，其特征在于，

所述冲击头（31）包含金属筒（312），以及在该金属筒（312）撞击接触部位设置的橡皮垫（311）；

所述冲击头（31）插入尺寸相匹配的金属门套环（10），金属门套环（10）固定设置在安装门基（100）上；所述安装门基（100）是预设在碰撞物上的。

3.如权利要求2所述固液双组元缓冲器，其特征在于，

所述金属门套环（10）包含金属门环（11），通过在其后端设置的紧固法兰（20），将该金属门环（11）与所述安装门基（100）固定连接；

所述金属门套环（10）还包含在其金属门环（11）的内孔壁与所述冲击头（31）的金属筒（312）之间设置的尼龙衬（12）。

4.如权利要求3所述固液双组元缓冲器，其特征在于，所述固液双组元缓冲器的筒体是与所述紧固法兰（20）固定连接的筒状的主套（40）；所述主套（40）的前端设置有非封闭的侧壁部分；

在所述主套（40）非封闭的侧壁部分内，依次向缓冲主轴（30）的中段部分套设了前弹簧衬座（32），所述组合弹簧（50），以及后弹簧衬座（62）；

所述前弹簧衬座（32）设置有定位环（321），其紧靠在所述冲击头（31）的金属筒（312）后面；还设置有弹簧定位凸座（322），其与所述定位环（321）的后端面固定连接。

5.如权利要求4所述固液双组元缓冲器，其特征在于，

所述前弹簧衬座（32）的弹簧定位凸座（322）与所述后弹簧衬座（62）相对的端面，设置为与两者之间布置的组合弹簧（50）形状相匹配的阶梯状来对该组合弹簧（50）进行定位及支撑。

6.如权利要求4所述固液双组元缓冲器，其特征在于，

在所述主套（40）内，对应所述可变容积的液流腔的位置，还设置了活动法兰环（60），其套设在所述缓冲主轴（30）的中段部分至后段部分上，并与所述后弹簧衬座（62）的后端面固定连接；在受到所述缓冲主轴（30）传递的撞击力时，所述活动法兰环（60）会向后移动并给予所述液流腔正压力，以使该液流腔的容积减小；

所述活动法兰环（60）上固定连接有尼龙衬（63），其至少布置在所述活动法兰环（60）与所述缓冲主轴（30）相接触的位置之间。

7.如权利要求6所述固液双组元缓冲器，其特征在于，

所述液流腔设置有后盖（80），其套设在所述缓冲主轴（30）的后段部分，并与所述主套（40）的最后端面固定连接；所述后盖（80）上设置了供所述后段部分的至少一部分轴体移出所述液流腔外的通道；

还设置了与所述后盖（80）固定连接的尼龙衬（81），其至少布置在所述缓冲主轴（30）的后段部分与所述后盖（80）相接触的位置之间。

8.如权利要求7所述固液双组元缓冲器，其特征在于，

所述液流腔容积减小的速度，由所述活动法兰环（60）向后移动的速度调整，也即是由所述缓冲主轴（30）上的若干通水孔（331）的流量来控制。

9.如权利要求7所述固液双组元缓冲器，其特征在于，

所述复位弹簧（50）设置在所述主套（40）内，两端分别与所述活动法兰环（60）及所述后盖（80）相抵；

所述后盖（80）上设置有若干单向阀（90），使流体通过该些单向阀（90）进入所述液流腔，使其容积得到恢复，进而推动所述活动法兰环（60）及所述弹簧腔向前移动，最终使所述冲击头（31）恢复到之前外伸的状态。

10.如权利要求9所述固液双组元缓冲器，其特征在于，

所述撞击物是防汛使用的闸门及与之配合的门墩；所述固液双组元缓冲器装设在该闸门上，并在置于水下时直接由河水作为其液流腔内的流质。