CN105136444B - 颗粒链减震阻尼装置及颗粒链减震阻尼测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种颗粒链减震阻尼装置，包括：空心圆筒、亚克力玻璃球、挡板和多条颗粒链；空心圆筒的底部镶嵌亚克力玻璃球，亚克力玻璃球用于减少震动强度，并且防止颗粒链从空心圆筒的底部滑落；空心圆筒的上部设置挡板；多条颗粒链放置在空心圆筒内部，每条颗粒链包括至少8个颗粒，每条颗粒链的初始摆放状态为螺旋式摆放在空心圆筒内部的下表面上；以及一种颗粒链减震阻尼测试方法。本发明的减震阻尼装置减震效果明显、结构简单坚固、容易维护、可在很宽范围的温湿度与振动频率内工作以及耗散效率容易调节；其减震阻尼测试方法测试了减震阻尼装置的减震效果。

Description

颗粒链减震阻尼装置及颗粒链减震阻尼测试方法

技术领域

本发明涉及减震阻尼器领域，尤其涉及一种颗粒链减震阻尼装置及其颗粒链减震阻尼测试方法。

背景技术

现实生活中存在的液体阻尼器，是利用固定容器中的液体的惯性和粘性耗能来减小结构的振动，可是液体阻尼器存在减震频带较窄的问题。

因此本领域迫切需要一种减震频带较宽、适用范围较宽且减震效果明显的减震阻尼器。

发明内容

本发明的实施例旨在克服以上技术问题，提出一种结构简单、减震频带宽、对容器不敏感、减震效果又好并且减震效率可以调节的颗粒链减震阻尼装置及其颗粒链减震阻尼测试方法。

为解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种颗粒链减震阻尼装置，其中，

包括：空心圆筒、亚克力玻璃球、挡板和多条颗粒链；

所述空心圆筒的底部镶嵌所述亚克力玻璃球，所述亚克力玻璃球用于减少震动强度、并且防止所述颗粒链从所述空心圆筒的底部滑落；

所述空心圆筒的上部设置所述挡板；

所述多条颗粒链放置在所述空心圆筒内部，每条颗粒链包括至少8个颗粒，每条颗粒链的初始摆放状态为螺旋式摆放在所述空心圆筒内部的下表面上。

根据本发明的第二方面，提供一种颗粒链减震阻尼装置，其中，所述挡板为多孔介质挡板。

根据本发明的第三方面，提供一种颗粒链减震阻尼装置，其中，所述多孔介质挡板在所述空心圆筒上的位置可调节。

根据本发明的第四方面，提供一种颗粒链减震阻尼装置，其中，所述多孔介质挡板通过螺丝可拆卸固定在所述空心圆筒上。

根据本发明的第五方面，提供一种颗粒链减震阻尼装置，其中，所述多孔介质挡板采用吸能材料，所述吸能材料为泡沫塑料。

根据本发明的第六方面，提供一种颗粒链减震阻尼装置，其中，所述颗粒为空心钢球或有机玻璃球。

根据本发明的第七方面，提供一种颗粒链减震阻尼装置，其中，所述空心圆筒的材质为塑料材质。

根据本发明的第八方面，提供一种颗粒链减震阻尼测试方法，其中，所述测试方法包括以下步骤：

(a)、将亚克力玻璃球镶嵌在空心圆筒的底部，然后将多条颗粒链以螺旋式的初始摆放状态摆放在所述空心圆筒的内部的下表面上，每条颗粒链包括至少8个颗粒，最后将挡板可拆卸固定在所述空心圆筒的上部，最终形成颗粒链减震阻尼装置；

(b)、在水平地面放置固定支架，用于固定光滑玻璃导管，所述光滑玻璃导管为上下开口的导管，其半径大于所述空心圆筒的外径，所述颗粒链减震阻尼装置放置在所述光滑玻璃导管的内部，所述光滑玻璃导管用于引导所述颗粒链减震阻尼装置在竖直方向上运动，并且保证所述颗粒链减震阻尼装置每次从同一高度自由下落；

(c)、用高速摄像机记录所述颗粒链减震阻尼装置的下落过程，所述高速摄像机拍摄设置为200张/秒或600张/秒；

(d)、用图像处理软件处理所述高速摄像机拍摄的图片，提取并计算出运动学数据，所述运动学数据包括所述颗粒链减震阻尼装置在竖直方向上的运动位置h、速度v、加速度a、下落过程的总时间t及反弹瞬间所述颗粒链减震阻尼装置的碰撞恢复系数ε。

根据本发明的第九方面，提供一种颗粒链减震阻尼测试方法，其中，所述颗粒链减震阻尼装置中装有合适质量的颗粒链时，在下落接触地面后不会出现再次反弹，此时所述颗粒链减震阻尼装置的速度为0，所述合适质量为0.74ε₀M_c，其中，ε₀是所述颗粒链减震阻尼装置空载时与地面相撞的恢复系数，M_c是所述颗粒链减震阻尼装置空载时的质量。

根据本发明的第十方面，提供一种颗粒链减震阻尼测试方法，其中，所述颗粒链减震阻尼装置弹跳过程中，在其底部安放铁质圆柱，所述铁质圆柱的下方设置有防震垫。

本发明的颗粒链减震阻尼装置具有以下有益效果：减震效果明显、结构简单坚固、容易维护、可在很宽范围的温湿度与振动频率内工作以及耗散效率容易调节。

本发明的颗粒链减震阻尼装置的测试方法测试了颗粒链减震阻尼装置的减震过程以及减震效果。

附图说明

图1为本发明的颗粒链减震阻尼装置的测试方法的结构示意图；

图2为本发明的颗粒链减震阻尼装置的结构示意图；

图3为本发明的颗粒链减震阻尼装置从下降到反弹的过程示意图；

图4为有无阻尼器时容器下落后反弹高度与时间的对应关系图；

图5为阻尼器恢复系数与弹跳次数的对应关系图。

附图标记说明：

1、颗粒链减震阻尼装置 11、空心圆筒

12、亚克力玻璃球 13、挡板

14、颗粒链 2、固定支架

3、光滑玻璃导管 4、高速摄像机

5、铁质圆柱 6、防震垫

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构及技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例一

为保护下降着陆装置，需要尽可能衰减冲击。例如宇航探测器的着陆，就通过结构设计与冲击衰减装置，实现安全着陆。因为颗粒材料可通过颗粒之间的摩擦与非弹性碰撞，其具有良好的能量耗散能力，可以起到一定的减震效果，为此本发明实施例一提供了一种颗粒链减震阻尼装置1。

图1为本发明的颗粒链减震阻尼装置的测试方法的结构示意图，图2为本发明的颗粒链减震阻尼装置的结构示意图。如图1和图2所示，颗粒链减震阻尼装置1包括：空心圆筒11、亚克力玻璃球12、挡板13和多条颗粒链14。其中，空心圆筒11的底部镶嵌有亚克力玻璃球12，该亚克力玻璃球12用于减少震动强度，并且防止颗粒链14从空心圆筒11的底部滑落；多条颗粒链14放置在空心圆筒11的内部，每条颗粒链14包括至少8个颗粒，每条颗粒链14的初始摆放状态为螺旋式摆放在空心圆筒11内部的下表面上。此外，在空心圆筒11的上部设置有挡板13，该挡板13用于防止在颗粒链减震阻尼装置1下降过程中颗粒链14迸溅出空心圆筒11的内部。

在本发明的进一步实施例中，上述挡板13可以为多孔介质挡板13，该多孔介质挡板13在空心圆筒11上的位置为可调节设置，具体地，是通过螺丝将多孔介质挡板13可拆卸地固定在空心圆筒11的上部，或者也可以通过插销将多孔介质挡板13可拆卸地固定在空心圆筒11的上部。这样设置的多孔介质挡板13可以灵活调节空心圆筒11中颗粒链14的可活动空间的大小，其活动空间的大小直接影响到颗粒链减震阻尼装置1的减震效果。为此，在空心圆筒11上可提前设置有多个螺孔或通孔，用于放入螺丝或插销，从而固定多孔介质挡板13。

需要说明的是，本发明中的颗粒链减震阻尼装置1顶部的挡板13位置可调节，其具体位置的放置会直接影响减震效果。由于挡板13位置的放置与减震效果有很大关系，在不同需要冲击保护的装置中可以选择合适的位置，然后用螺丝或插销将挡板13固定在空心圆筒11上。

该颗粒链减震阻尼装置1的结构简单，减震效果明显又能够控制能量耗散效率，其制作过程也简单快捷，具体如下：

在空心圆筒11底部镶嵌一个亚克力玻璃球12，顶部设置有位置可调节的挡板13，在挡板13固定之前在空心圆筒11的内部放置多个颗粒链14，每条颗粒链包括至少8个颗粒，这即是一简易颗粒链减震阻尼装置1。

本发明中的颗粒链14设置为每链至少8个球，是为了保证本发明中颗粒链14尽量为颗粒长链，这样构成的颗粒链阻尼器装置1可以区别于传统的颗粒阻尼器，并且相对于颗粒阻尼器来说，其减震效果也更强更好。需要说明的是，本发明中颗粒链14上的颗粒优选采用空心钢球或有机玻璃球，这样既可以保证本发明的颗粒链减震阻尼装置1在冲击过程中颗粒的完整性又起到一定的减震效果。

本发明的颗粒链减震阻尼装置1能够固定在需要冲击保护的装置上，用于保护装置内部物品的安全性。为了保证运动过程中颗粒链减震阻尼装置1及需要冲击保护的装置的安全性与稳定性，本发明的空心圆筒11的材质选用塑料材质，这样设置是为了在下降过程中不易摔坏，可以重复多次使用，此外塑料材质属于吸能材料，在下降过程中可以提高颗粒链减震阻尼装置1的减震效果。

另外，为了提高减震效果，本发明中的颗粒链减震阻尼装置1中的挡板13采用吸能材料，优选的，吸能材料可以为泡沫塑料，这样可以保证本发明的颗粒链减震阻尼装置1可以在冲击瞬间能够快速消耗大量能量，从而起到保护装置的作用。

为了保证颗粒链减震阻尼装置1减震效果的稳定性以及检测数据的可靠性，本发明的初始条件中颗粒链14均采用螺旋式的初始摆放状态摆放在空心圆筒11内部的下表面上。需要说明的是，空心圆筒11内的颗粒链14数量或质量可根据具体情况调节。

本发明的颗粒链减震阻尼装置1可以安装在需要冲击保护的装置上，根据减震效果要求在需要冲击保护的装置上可以安装一个或多个本发明的颗粒链减震阻尼装置1。本发明的颗粒链减震阻尼装置1与传统液体或者单体颗粒减震阻尼器相比，颗粒链减震阻尼装置1具有以下优点：减震效果更强，结构简单坚固，容易维护，可在很宽范围的温度、湿度与振动频率范围内工作，耗散效率容易调节。需要说明的是，颗粒链减震阻尼装置1也可简称为颗粒链减震阻尼器。

实施例二

本实施例提供了一种颗粒链减震阻尼测试方法，该测试方法包括以下步骤：

(a)、将亚克力玻璃球12镶嵌在空心圆筒11的底部，然后将多条颗粒链14以螺旋式的初始摆放状态摆放在空心圆筒11内部的下表面上，每条颗粒链包括至少8个颗粒，最后将挡板13可拆卸固定在空心圆筒11的上部，最终形成颗粒链减震阻尼装置1；

(b)、在水平地面上放置固定支架2，用于固定光滑玻璃导管3，该光滑玻璃导管3为上下开口的导管，其半径略大于空心圆筒11的半径，颗粒链减震阻尼装置1放置在光滑玻璃导管3的内部。其中，光滑玻璃导管3设置的目的是为了引导颗粒链减震阻尼装置1在竖直方向上运动，即满足一维方向的运动，并且还可以保证颗粒链减震阻尼装置1每次均从同一高度自由下落。

需要说明的是，本发明是在如下实验条件下得到的测试结果：

温度范围为：10℃-80℃；

湿度范围为：10％-90％；

振动频率范围为：1-1000Hz。

(c)、用高速摄像机4记录颗粒链减震阻尼装置1的下落过程，高速摄像机4拍摄照片时设置为200张/秒或者600张/秒，也可根据具体情况设置其他参数。

(d)、用图像处理软件处理高速摄像机4拍摄的图片或视频，提取并计算出运动学数据，该运动学数据包括颗粒链减震阻尼装置1在竖直方向上的运动位置h、速度v、加速度a、下落过程的总时间t及反弹瞬间颗粒链减震阻尼装置1的碰撞恢复系数ε。需要说明的是，图像处理软件可以采用GetData、Photoshop等图像处理软件，或者还可以使用Matlab软件辅助处理图片，或者各软件结合处理图片，即可得出运动学数据值。

本发明的颗粒链减震阻尼测试方法中的上述测试步骤对应的具体下落过程如下，如图3所示(图中规定向上为正方向)：

图(i)为颗粒链减震阻尼装置1在光滑玻璃导管3内开始下降，此时定义颗粒链减震阻尼装置1在与地面碰撞前空心圆筒11与颗粒链14两者的共同速度为-v₀(“—”号表示方向向下)。

图(ii)为颗粒链减震阻尼装置1与地面碰撞瞬间示意图，由图中可以看出空心圆筒11与地面碰撞后激发冲击波通过颗粒链14，在碰撞结束后颗粒链14的平均速度为而颗粒链减震阻尼装置1的运动速率为ε_ov₀(方向向上)。

图(iii)为颗粒链减震阻尼装置1与地面碰撞结束后颗粒链14与空心圆筒11充分作用后颗粒链14的平均速度为而颗粒链减震阻尼装置1的运动速率为ν_c(方向向上)。

如图3中图(i)-(iii)所示，颗粒链减震阻尼装置1从开始下降到接触地面到碰撞结束的整个过程，随着颗粒链14质量的改变，颗粒链14最终获得的平均速度也发生改变。另外，根据需要冲击保护的装置不同，需要不同能量耗散效率的颗粒链减震阻尼装置1，以此来保护需要冲击保护的装置内部的物品。其中针对同一颗粒链减震阻尼装置1可通过如下方式来改变能量耗散效率：

1)、通过改变颗粒链14的质量，包括通过改变颗粒链14的数量或者改变颗粒链14上的颗粒的材质类型两种方式；

2)、通过改变挡板13的位置，本发明中的挡板13位置为任意可调节设置。挡板13优选选用吸能材料，在本发明中采用泡沫塑料。

其中，当颗粒链减震阻尼装置1中装有合适质量的颗粒链14时，本发明的颗粒链减震阻尼装置1在下落接触地面后不会出现再次弹跳，此时颗粒链减震阻尼装置1的速度为0，即所有的冲击能量将被颗粒链14之间以及颗粒链14与空心圆筒11之间的相互作用消耗掉，安装有颗粒链减震阻尼装置1的需要冲击保护的装置将会在使用过程中避免多次碰撞造成损害。需要说明的是，合适质量的颗粒链14为颗粒链减震阻尼装置1在碰撞地面后不再发生弹跳的临界质量，该临界质量为M_chain＝0.74ε₀M_c，这里ε₀是颗粒链减震阻尼装置1空载时与地面相撞时的恢复系数，M_c是颗粒链减震阻尼装置1空载时的质量。

为了保证整个下落过程中颗粒链减震阻尼装置1弹跳的稳定性，可以在颗粒链减震阻尼装置1的底部安放一个表面抛光足够平整的大质量铁质圆柱5，即在固定支架2上的光滑玻璃导管3的正下方安放一个表面抛光足够平整的大质量铁质圆柱5，其下方还可以再铺设有防震垫6，如图1所示，以防止周围环境对本发明使用过程中的系统带来扰动。

需要说明的是，颗粒链减震阻尼装置1也可简称为颗粒链减震阻尼器。在测试过程中，本发明测试了在有无颗粒链减震阻尼装置1时选用的需要减震效果的容器下落过程。图4为有无阻尼器时容器下落后反弹高度与时间的对应关系图，如图4所示，图中两条曲线分别代表有无阻尼器情况时的容器下落后在一定时间内的反弹高度，反弹高度的计量单位为毫米。从图4中可以看出，在有阻尼器的容器在下落过程中，弹跳次数较少，减震效果明显。其中，a段为无阻尼器时容器在冲击地面之前的下降曲线和有阻尼器时容器在冲击地面之前的下降曲线的重合段，b段为无阻尼器时容器在冲击后的震荡曲线，c段为有阻尼器时容器在冲击后的运动曲线，发现有阻尼器后容器在冲击后不再发生弹跳，即该减震装置减震效果明显。图5为阻尼器恢复系数与弹跳次数的对应关系图，如图5所示，通过多次测试得出的在无阻尼器、弱阻尼器和强阻尼器三种情况下的阻尼恢复系数与弹跳次数的对应关系情况。从图5中可以看出三种情况下，在强阻尼状态下阻尼恢复系数较小，且弹跳次数少，即强阻尼情况下减震效果明显且耗时较短。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神及范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围及边界、或者这种范围及边界的等同形式内的全部变化及修改例。

Claims (10)

1.一种颗粒链减震阻尼装置，其特征在于，

包括：空心圆筒、亚克力玻璃球、挡板和多条颗粒链；

所述空心圆筒的底部镶嵌所述亚克力玻璃球，所述亚克力玻璃球用于减少震动强度，并且防止所述颗粒链从所述空心圆筒的底部滑落；

所述空心圆筒的上部设置所述挡板；

所述多条颗粒链放置在所述空心圆筒内部，每条颗粒链包括至少8个颗粒，每条颗粒链的初始摆放状态为螺旋式摆放在所述空心圆筒内部的下表面上。

2.根据权利要求1所述的颗粒链减震阻尼装置，其特征在于，所述挡板为多孔介质挡板。

3.根据权利要求2所述的颗粒链减震阻尼装置，其特征在于，所述多孔介质挡板在所述空心圆筒上的位置可调节。

4.根据权利要求3所述的颗粒链减震阻尼装置，其特征在于，所述多孔介质挡板通过螺丝可拆卸固定在所述空心圆筒上。

5.根据权利要求2所述的颗粒链减震阻尼装置，其特征在于，所述多孔介质挡板采用吸能材料，所述吸能材料为泡沫塑料。

6.根据权利要求1所述的颗粒链减震阻尼装置，其特征在于，所述颗粒为空心钢球或有机玻璃球。

7.根据权利要求1所述的颗粒链减震阻尼装置，其特征在于，所述空心圆筒的材质为塑料材质。

8.一种颗粒链减震阻尼测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：

(a)、将亚克力玻璃球镶嵌在空心圆筒的底部，然后将多条颗粒链以螺旋式的初始摆放状态摆放在所述空心圆筒的内部的下表面上，每条颗粒链包括至少8个颗粒，最后将挡板可拆卸固定在所述空心圆筒的上部，最终形成颗粒链减震阻尼装置；

(b)、在水平地面放置固定支架，用于固定光滑玻璃导管，所述光滑玻璃导管为上下开口的导管，其半径大于所述空心圆筒的外径，所述颗粒链减震阻尼装置放置在所述光滑玻璃导管的内部，所述光滑玻璃导管用于引导所述颗粒链减震阻尼装置在竖直方向上运动，并且保证所述颗粒链减震阻尼装置每次从同一高度自由下落；

(c)、用高速摄像机记录所述颗粒链减震阻尼装置的下落过程，所述高速摄像机拍摄设置为200张/秒或600张/秒；

(d)、用图像处理软件处理所述高速摄像机拍摄的图片，提取并计算出运动学数据，所述运动学数据包括所述颗粒链减震阻尼装置在竖直方向上的运动位置h、速度v、加速度a、下落过程的总时间t及反弹瞬间所述颗粒链减震阻尼装置的碰撞恢复系数ε。

9.根据权利要求8所述的颗粒链减震阻尼测试方法，其特征在于，所述颗粒链减震阻尼装置中装有合适质量的颗粒链时，在下落接触地面后不会出现再次反弹，此时所述颗粒链减震阻尼装置的速度为0，所述合适质量为0.74ε₀M_c，其中，ε₀是所述颗粒链减震阻尼装置空载时与地面相撞的恢复系数，M_c是所述颗粒链减震阻尼装置空载时的质量。

10.根据权利要求8所述的颗粒链减震阻尼测试方法，其特征在于，所述颗粒链减震阻尼装置弹跳过程中，在其底部安放铁质圆柱，所述铁质圆柱的下方设置有防震垫。