CN104308639A - 移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置，包括与机床主轴箱相连的上支架部分，上支架部分通过高度调节部分和下支架部分相连；上支架部分包括固定安装于机床主轴箱下端面上的小圆环，小圆环下表面上安装有若干与高度调节部分相连的上铰链，小圆环的内孔与机床主轴之间留有间隙；高度调节部分包括与上铰链相连的上连接杆和与下支架部分相连的下连接杆，上连接杆下端部设置有导向孔和导向槽，下连接杆的上端设置有与导向孔相配合的导柱和导向槽，上、下连接杆的连接端通过导向孔、导柱、导向槽及紧固件相连；下支架部分包括大圆环，大圆环上端面上设置有与下连接杆相连的下铰链，大圆环下端面固定安装有内外嵌套的柔性约束袋。

Description

移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置

技术领域

本发明属于振动噪声控制领域，尤其涉及一种移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置。

背景技术

众所周知，蜂窝夹芯结构和类似蜂窝夹芯结构是由薄壁的上下蒙皮和夹芯板通过物理或化学作用制成的一种夹芯结构，其芯材可能是波纹板、筋板、蜂窝芯、泡沫材料等，其制作方法可能是通过挤压、焊接、或粘结等工艺中的任意一种或多种制成。虽然该工艺使薄壁板在材料配置上得到了相对优化，提高了整体结构的承载能力，但是该结构在加工过程中，特别是在镗铣加工过程中，旋转镗铣刀的刀片周期切削蜂窝夹芯结构和类似蜂窝夹芯结构中的薄壁蒙皮和芯材，使整个结构中的薄壁板产生剧烈的振动，加之结构本身的薄壁空腔，从而辐射出刺耳的噪声，严重影响整个车间的工作环境和现场人员的身心健康。传统的阻尼结构包括自由阻尼结构、约束阻尼结构和阻尼插入结构等都是利用粘弹性材料损耗因子大的特点，将其黏贴在需要减振降噪结构的表面，或敷设在加工件的表面，以耗散结构的振动能量，实现减振降噪的目的。由于这种蜂窝夹芯结构和类似蜂窝夹芯结构在镗铣加工过程中，旋转镗铣刀的刀片在切削蜂窝夹芯结构和类似蜂窝夹芯结构中的薄壁蒙皮和芯材的同时，加工主轴也要完成进给运动，所以这样的阻尼结构会影响刀具对加工区的加工。加之传统的阻尼结构容易老化、脱落，很快就丧失了原来粘弹性阻尼材料的功能。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置，包括与机床主轴箱相连的上支架部分，上支架部分通过高度调节部分和下支架部分相连；

所述上支架部分包括固定安装于机床主轴箱下端面上的小圆环，所述小圆环下表面上安装有若干与高度调节部分相连的上铰链，所述小圆环的内孔与机床主轴之间留有间隙，并保持小圆环内孔中心与机床主轴的同轴度在0.10mm之内，以防止机床主轴和装在主轴上的加工刀具与下支架部分的大圆环和柔性约束袋在工作时发生干涉，

所述高度调节部分包括与上铰链相连的上连接杆和与下支架部分相连的下连接杆，所述上连接杆下端部设置有导向孔和导向槽，下连接杆的上端设置有与导向孔相配合的导柱和导向槽，上、下连接杆的连接端通过导向孔、导柱、导向槽及紧固件相连；

所述下支架部分包括大圆环，大圆环上端面上设置有与下连接杆相连的下铰链，大圆环下端面固定安装有内外嵌套的柔性约束袋。

所述上铰链共三个，均匀设置于小圆环下表面上。

所述上铰链为平面铰链或球铰链。

所述大圆环下端面中开有一环形槽，内外嵌套的柔性约束袋的一侧边通过压环和螺丝压紧固定于所述环形槽中。

所述内外嵌套的柔性约束袋包括由金属不锈钢细丝致密编织物组成的外层和由高强度纤维编织布组成的内层，内层中填充有非阻塞阻尼减振降噪的小颗粒体。

所述内外嵌套的柔性约束袋的内层是由致密的高强度纤维编织布通过缝制工艺加工成圆环形封闭空间，该圆环形封闭空间的直径为加工刀具直径的1.2—10倍，且倍数的选择与加工刀具直径的大小有关，即直径小的刀具要选大值，直径大的刀具要选小值，以不与切削刀具加工时产生干涉为宜。

所述内外嵌套的柔性约束袋的外层为金属不锈钢细丝致密编织成的圆环形封闭保护外袋，圆环形封闭保护外袋固定于大圆环下端面。

所述内外嵌套的柔性约束袋采用将长方形高强度纤维编织布和金属不锈钢细丝编织物沿长度方向首尾相缝接，沿长度方向的中心线，将高强度纤维编织布和金属不锈钢细丝编织物的两侧边对折，高强度纤维编织布和金属不锈钢细丝编织物分别为柔性约束袋的内层和外层，内层中填充非阻塞阻尼减振降噪的小颗粒体，再将对折的高强度纤维编织布和金属不锈钢细丝编织物侧边通过压环和紧固件安装于大圆环下端面中。

所述小颗粒体的粒径为3mm-8mm，小颗粒体在内外嵌套的柔性约束袋中填充率为60-80％；小颗粒体为金属钨、铅、铁或砂石子，

所述下铰链共三个，均匀设置于大圆环上表面上。

所述下铰链为平面铰链或球铰链。

发明原理：小颗粒体柔性约束阻尼是20世纪九十年代提出的一种新型抗恶劣环境的阻尼减振降噪技术。它通过在柔性约束体中填充小颗粒体，利用小颗粒在结构振动时产生的反冲作用来减小结构体的振动；同时还利用小颗粒体之间和小颗粒体与柔性约束之间在振动运动中产生碰幢、干摩擦，及它们之间发生的能量转换、发热、粘滞剪切变形等来吸收或耗散振动能量。经测试表明：在梁的孔洞中以90％的填充率填充钨微颗粒，可在梁的一阶固有频率处振幅降低60倍以上，梁的阻尼比由原来的0.000148增加到0.109，提高了近三个数量级，而填充的钨粉颗粒只占梁重的5％左右，足见小颗粒体阻尼技术的有效性。

把预先制造好的直径在3mm-8mm的小颗粒体填料灌入柔性约束的圆环形袋中，填充率为60—80％，该圆环形袋内层是由致密的高强度纤维编织布制成。为了防止加工面上金属棱边将高强度编织布袋划伤或坚硬的金属小颗粒划伤被加工表面，该内袋外层为金属不锈钢细丝编织的致密圆环形保护袋，整个柔性约束的内外嵌套的圆环形袋连接在一个支架下部的金属大环上。

金属大环与3个长度可伸缩的等间距分布的连接杆铰接，柔性约束袋内的小颗粒体在重力作用下，为柔性约束袋和加工面板间提供一定的压力，确保小颗粒体能间接压在加工的蜂窝夹芯结构和类似蜂窝夹芯结构的蒙皮面上。3个长度可伸缩并在圆环上等间距分布的连接杆的另一端与支架上部的小圆环也等间距铰接，这个支架上部的小圆环直接与加工机床主轴箱的下部端面连接，并且保持整个装置的中心线与机床主轴中心线的同轴度误差在0.10mm以内，还要求小圆环不能与机床旋转主轴产生干涉。

注意支架下部金属大圆环和内外嵌套的柔性约束袋的直径大小要适中，圆环直径太小的柔性袋在自重的作用下，会和加工刀具干涉；直径太大会影响整个装置对振动噪声的治理效果，该圆环直径一般为加工刀具直径的1.2—10倍，直径小的刀具要选倍数大点值，直径大的刀具要选倍数小点值，以不与加工刀具产生干涉为宜。

圆环形内外嵌套的柔性袋的横截面也是圆形，该圆的直径也不宜过大或过小，一般在50—300mm内选取，该直径与小颗粒体填料的材质有关，也与加工刀具的直径有关，一般选取应不要与加工刀具产生干涉而且保证整个柔性约束袋内填料的重量适中为原则。

通常内外嵌套的柔性约束袋填放的小颗粒体材质可以是钨、铅、铁等，甚至可以是小颗粒的砂石子，还可以是其它一些抗氧化、不生锈的材料制成的金属小颗粒体。总的来说，密度大的材质在相同的振动频率和振幅情况下，反冲的能量会大一些，然而密度过大的颗粒体会增加整个结构的重量，影响机床主轴的进给运动，所以设计时要根据具体情况，灵活选择。

当这样制成的移动柔性约束大型立式机床非阻塞阻尼减振降噪装置工作时，机床的刀具切割蜂窝夹芯结构和类似蜂窝夹芯结构板壳时(这里的壳体弧面要有足够大的弧面半径)，会激起整个结构振动，由于小颗粒的相对运动与结构的振动速度方向不完全一致，小颗粒体之间和小颗粒体与柔性约束之间在振动运动中产生反冲、碰幢、干摩擦，及它们之间发生的能量转换、发热、粘滞剪切变形等将在很大程度上消耗整体结构的振动能量，阻碍了整体结构的振动，达到从根本上减少结构振动幅值降低加工噪声的目的。

该移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置能很好地抑制蜂窝夹芯结构和类似蜂窝夹芯结构板壳在大型立式机床上加工时的振动噪声，尤其是低频的振动噪声问题。具有实用性、可靠性、经济性等优点，推广前景非常广泛。

本发明提出使用移动的柔性约束小颗粒体阻尼减振技术，设计了一个随立式加工机床主轴一起做进给运动的支架，该支架上部直接连接到机床主轴箱的下端面上，支架下部与阻尼减振的小颗粒体柔性约束袋相连，在重力的作用下，非阻塞阻尼减振降噪小颗粒体所在的柔性约束袋的下部会柔性地压在蜂窝夹芯结构或类似蜂窝夹芯结构的蒙皮上，通过小颗粒体的冲击阻尼技术，从而降低了加工现场的振动和噪声。该结构简单、易行、可靠、寿命长，特别适用高速运转的大型立式镗床、立式铣床、立式加工中心、立式车床、摇臂钻床等在对大型蜂窝夹芯结构和类似蜂窝夹芯结构板壳的加工中使用。

附图说明

图1a是移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置的装配图；

图1b图1a的左视图；

图1c是图1a中A-A向剖面图；

图2是图1b中1号位置局部放大视图；

图3是图1a中2号位置局部放大视图；

图4是图1a中3号位置局部放大视图；

图5a是图1a中K向旋转放大视图；

图5b是图5a中K-K向剖面图。

图中：1.立式加工机床主轴箱，2.小圆环，3.连接螺钉，4.上铰链，5.机床主轴，6.上连接杆，7.下连接杆，8.高度调节槽，9.下铰链(可以是球铰链也可以是平面铰链)，10.大圆环(注意大圆环直径要大于小圆环直径)，11.内外嵌套柔性约束袋的压环，12.内外嵌套的柔性约束袋，13.金属不锈钢细丝的致密编织物，14.高强度纤维编织布，15.非阻塞阻尼减振降噪的小颗粒体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明基于非阻塞阻尼减振降噪理论，并利用立式加工机床和蜂窝夹芯结构及类似蜂窝夹芯结构板壳的特点(这里的壳体弧面要有足够大的弧面半径)，通过利用柔性约束的小颗粒体在结构振动时产生反冲作用，小颗粒体之间和小颗粒体与柔性约束之间在振动运动中产生碰幢、干摩擦、粘滞剪切变形等作用，来吸收或耗散振动能量。本发明的实施主要分三部分：一、新型移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪的支架；二、内外嵌套的柔性约束袋；三、非阻塞阻尼减振降噪小颗粒体的选用及其在内外嵌套的柔性约束袋中填充。从而使本发明得以实施，达到较好的阻尼减振降噪效果。

1.小颗粒体柔性约束非阻塞阻尼减振降噪的支架

本发明的整体装配关系如1a、图1b、图1c所示，图2、图3和图4分别是图1b、图1a中局部位置的放大图，图5a是图1a中K向旋转放大视图，其中支架的结构主要由三小部分组成，分别为与机床相连接的上支架部分，高度调节部分和下支架部分。如图1a、图1b、图1c所示的上支架部分主要用来和加工机床主轴箱1连接，它包括小圆环2、连接螺钉3和上铰链4(也可以是平面铰链本发明实施时装的是球铰链)。其中小圆环2通过螺钉3将本发明固定在立式加工机床的主轴箱上，注意安装时小圆环内孔与机床主轴5之间要留有间隙，并保持小圆环内孔中心与机床主轴的同轴度在0.10mm之内，以防止机床主轴5和装在主轴上的加工刀具与下支架部分的大圆环和柔性约束袋在工作时发生干涉，同时在小圆环2的下部安装有三个铰链4，用来和高度调节部分相连。

这里的高度调节部分主要用来调节整个装置的高度，使该装置适用不同高度的加工刀具，这个部分包括：带导向孔和导向槽的上连接杆6、带导柱和导向槽的下连接杆7、高度调节槽8和下铰链9(也可以是平面铰链本发明实施时装的是球铰链)，其中高度调节部分的放大结构如图5a、图5b所示，主要通过调节带导向孔和导向槽的上连接杆6和带导柱和导向槽的下连接杆7在调节槽中的位置来实现的，当下连接杆7从调节槽的导向孔中拉出后再拧紧固定螺丝，支架的高度就增加，反之就降低。

在高度调节部分的下面通过下铰接链9与下支架部分相连接，下支架部分包括大圆环10和安装于大圆环10下端面的内外嵌套的柔性约束袋12，大圆环10上端面与下铰接链9固定连接。在内外嵌套的柔性约束袋12(该柔性约束袋是由外层的金属不锈钢细丝致密编织物13和内层的高强度纤维编织布14组成)的内层中填充有非阻塞阻尼减振降噪的小颗粒体15。

整个装置高度调节过程为：松开3个高度调节槽8中的6个螺钉，调整机床的刀具，使之满足对蜂窝夹芯结构或类似蜂窝夹芯结构板壳的加工高度要求，并留出一定上下运动余量，这时让柔性约束袋里的小颗粒体全部都压在被加工的面板上，拧紧6个螺钉，这样移动的柔性约束大型立式加工机床非阻塞阻尼减振降噪装置的高度就调整好了。

2.内外嵌套的柔性约束袋

内外嵌套的柔性约束袋有两种制作方式：

一是，直接约束小颗粒体的内袋是由致密的高强度纤维编织布通过缝制工艺加工成圆环形封闭空间，该圆环形封闭空间的直径一般为加工刀具直径的1.2—10倍，设计时注意直径小的刀具要选大值，直径大的刀具要选小值，以不与切削刀具加工时产生干涉为宜。内袋的任意一横截面也是圆形的，该园的直径一般在50—300mm内选取，设计时要考虑内装小颗粒体填料的材质，密度大的材质如金属钨制成的小颗粒体，横截面直径可以取较小值；密度小的材质如小颗粒的石子，横截面直径可以取较大点值。同时还要考虑加工刀具工作时内外嵌套的柔性约束袋应不与刀具干涉为原则，而且保证整个柔性约束袋填装填料后的重量要适中，否则影响机床主轴正常运行。

为了防止加工面上金属棱边将高强度编织布袋划伤或坚硬的金属小颗粒体划伤被加工表面，该内袋外层为金属不锈钢细丝致密编织成的圆环形封闭保护外袋，该圆环形封闭保护外袋的直径应该与圆环形封闭内袋直径一样，但是金属不锈钢细丝编织成的圆环形封闭外袋的横截面直径应稍大于高强度纤维编织布制成圆环内袋的横截面直径。

第二种是，内外嵌套的柔性约束袋在制作时先截取两块长方形的料，一块为高强度纤维编织布，另一块为金属不锈钢细丝致密编织物，沿长度方向将两块编织物的首尾各自分别缝合连接，然后再沿长度方向的中心线，将缝合起来的两侧对折，注意该长方形的长等于或微大于封闭圆环的周长(即压边环内圆周长)，宽度大于横截面圆的周长，长出部分用作压边环压边用，然后将直径在3mm-8mm的小颗粒体填料加入柔性约束的圆环形封闭袋中，确保填冲率为60—80％，把多出部分压在压环11和大环10中间，具体结构如图1a、图1b、图1c所示，将开口部分按照图2所示将内外嵌套的柔性约束袋12完全压紧在压环11和大环10中间(注意压边长度要一致，且小颗粒体不能留出口)，这样整个移动的柔性约束大型立式机床非阻塞阻尼减振降噪装置就安装到位了。

3.小颗粒体的选用及其在内外嵌套的柔性约束袋中填充

一般填充物的小颗粒体粒度直径在3mm-8mm之间，填充率在60％-80％,填放的小颗粒体材质可以是金属钨、铅、铁等，甚至是小颗粒体的砂石子，还可以是其它一些抗氧化、不生锈的材料制成的金属小颗粒体，设计时应根据现场振动噪声的强弱，选择不同材质的小颗粒体，依据阻尼减振理论，在其它条件相同，填充不同种类的小颗粒体，获得的减振降噪效果是不同的，颗粒的密度越大，效果越好。反之效果就会变差。当然小颗粒体的砂石子作填充物时材料来源比较容易、经济，但是密度相对较低，要达到同样的减振降噪效果，会曾大整个结构的尺寸。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置，其特征是，包括与机床主轴箱相连的上支架部分，上支架部分通过高度调节部分和下支架部分相连；

所述上支架部分包括固定安装于机床主轴箱下端面上的小圆环，所述小圆环下表面上安装有若干与高度调节部分相连的上铰链，所述小圆环的内孔与机床主轴之间留有间隙，并保持小圆环内孔中心与机床主轴的同轴度在0.10mm之内；

所述高度调节部分包括与上铰链相连的上连接杆和与下支架部分相连的下连接杆，所述上连接杆下端部设置有导向孔和导向槽，下连接杆的上端设置有与导向孔相配合的导柱和导向槽，上、下连接杆的连接端通过导向孔、导柱、导向槽及紧固件相连；

所述下支架部分包括大圆环，大圆环上端面上设置有与下连接杆相连的下铰链，大圆环下端面固定安装有内外嵌套的柔性约束袋。

2.如权利要求1所述的移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置，其特征是，所述上、下铰链均有三个，三个上铰链均匀设置于小圆环下表面上，三个下铰链均匀设置于大圆环上表面上。

3.如权利要求1所述的移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置，其特征是，所述上、下铰链为平面铰链或球铰链。

4.如权利要求1所述的移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置，其特征是，所述内外嵌套的柔性约束袋包括由金属不锈钢细丝致密编织物组成的外层和由高强度纤维编织布组成的内层，内层中填充有非阻塞阻尼减振降噪的小颗粒体。

5.如权利要求4所述的移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置，其特征是，所述内外嵌套的柔性约束袋的内层是由致密的高强度纤维编织布通过缝制工艺加工成圆环形封闭空间，该圆环形封闭空间的直径为加工刀具直径的1.2—10倍，且倍数的选择与加工刀具直径的大小有关，即直径小的刀具要选大值，直径大的刀具要选小值，以不与切削刀具加工时产生干涉为宜。

6.如权利要求5所述的移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置，其特征是，所述内外嵌套的柔性约束袋的外层为金属不锈钢细丝致密编织成的圆环形封闭保护外袋，圆环形封闭保护外袋固定于大圆环下端面。

7.如权利要求5所述的移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置，其特征是，所述大圆环下端面中开有一环形槽。

8.如权利要求7所述的移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置，其特征是，所述内外嵌套的柔性约束袋采用将长方形高强度纤维编织布和金属不锈钢细丝编织物沿长度方向首尾各自分别相缝接，沿长度方向的中心线，将高强度纤维编织布和金属不锈钢细丝编织物的两侧边对折，高强度纤维编织布和金属不锈钢细丝编织物分别为柔性约束袋的内层和外层，内层中填充非阻塞阻尼减振降噪的小颗粒体，再将对折的高强度纤维编织布和金属不锈钢细丝编织物侧边通过压环和螺丝压紧固定于所述环形槽中。

9.如权利要求1所述的移动的柔性约束非阻塞阻尼减振降噪装置，其特征是，所述小颗粒体的粒径为3mm-8mm，小颗粒体在内外嵌套的柔性约束袋中填充率为60-80％；小颗粒体为金属钨、铅、铁或砂石子。