CN105546034B - 一种叶轮式惯性和阻尼设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶轮式惯性和阻尼设备，属于机械力的控制领域，本发明所述设备包括叶轮杆、液压缸筒、质量式叶轮、滚动轴承、自由活塞、气室、上吊耳和下吊耳；所述液压缸筒内设有叶轮杆，叶轮杆上通过滚动轴承连接质量式叶轮；质量式叶轮可以随着油液的流动绕叶轮杆进行旋转，将油液的部分动能转化为叶轮的动能。本发明将惯性设备与阻尼设备集成为一体化的机构，有效降低了力控制系统的结构复杂度并减少了空间占用率；同时，设备一体化之后在响应速度上会优于其它分体式设备。本发明与现有技术相比具有隔振效果好、元件集成化程度高、响应快、可靠性高、可移动部件少、安装与布置容易、节省隔振系统空间、节约成本、生产效率高等优点。

Description

一种叶轮式惯性和阻尼设备

技术领域

本发明属于机械力的控制领域，尤其是应用动力吸振的力控制设备领域。本发明涉及一种控制机械力(例如振动力)的设备，特别是一种叶轮式惯性和阻尼设备。

背景技术

机械结构与系统在运动中不可避免的会产生振动，对于复杂的结构与系统而言，仅依靠优化设计是不能解决振动问题的，因此，采用力控制设备是一个重要有效的隔振方法，可以用于诸多领域，例如车辆隔振领域，桥梁、建筑物隔振领域等。

基于传统隔振理论的隔振系统不能解决隔振效果的优异性与设备工作空间、动载荷之间的矛盾，隔振效果不够理想，阻碍了隔振技术的进一步发展。依据机电相似理论，将机械系统中的力流与电学系统中的电流，机械系统中的速度与电学系统中的电压分别对应起来。弹簧两端点的力相位滞后于两端点的速度相位，阻尼设备两端点的力相位与两端点的速度相位始终相同，力控制设备两端点的力相位超前于两端点的速度相位。基于上述结论在原有弹簧、阻尼两元件结构的基础上增加惯性设备，实现既能够缓冲并衰减高频振动和冲击，也能缓冲并衰减低频振动和冲击的动力吸振式隔振结构。

目前应用动力吸振的力控制设备有齿轮齿条式、滚珠丝杠、液力发生式、杠杆质量式、扭转式、少齿差行星齿轮式、摆线钢球式等多种形式的设备结构。但是，这些应用动力吸振的力控制设备都存在相当多的移动部件，造成机构加工工艺复杂，制造成本较高，且不易于实际布置，并且部件之间摩擦较多，造成最后机构的隔振效果与预期效果还是有一定的差距。

中国专利CN201110360046.0提出了一种惯容器与阻尼同轴并联的一体式减振器，其飞轮安装与液压缸之上，使得机构总高度较大，不易于实际布置；中国专利CN201210107000.2所提出的惯容器与阻尼并联的减振器装置，其飞轮置于液压缸外部，需要管路连接，所占空间较大，并且相应速度也相对较慢；中国专利CN201410721244.9提出了一种惯容和阻尼一体式充气减振器，结构简单，组件较少，但是相对于本发明多了金属螺旋管等部件。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种叶轮式惯性和阻尼设备，将惯性设备集成于阻尼设备之中，设备的移动元件数量显著减少，并且将质量元件融入阻尼设备之内，减少了布置空间，可有效解决现有含惯性质量元件的隔振系统结构复杂，所需布置空间大，机构寿命短，加工与安装困难等问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种叶轮式惯性和阻尼设备，包括叶轮杆、液压缸筒、质量式叶轮、滚动轴承、自由活塞、气室、上吊耳和下吊耳。

所述液压缸筒中设有叶轮杆，所述叶轮杆与质量式叶轮通过滚动轴承相连，所述质量式叶轮可以沿轴向绕叶轮杆旋转；所述叶轮杆顶端焊接有上吊耳，所述叶轮杆的底端下方设有自由活塞；所述自由活塞在上下移动的过程中将液压缸筒隔出气室；所述液压缸筒底部焊接有下吊耳。

进一步，所述质量式叶轮的材料为金属。

进一步，所述质量式叶轮在叶轮杆上可以呈一定的间距布置一个或多个。

更进一步，所述液压缸筒内装有普通减振器油或磁流变液，用于实现阻尼系数与惯质系数的可控。

再进一步，所述一种叶轮式惯性和阻尼设备的布置方式可以采用单筒式、双筒式或多筒式。

本发明可以达到的有益效果是：

1.本发明所实现的惯性设备与阻尼设备一体化的布置方式，能够有效减少隔振系统所占用的空间，方便布置，并且设备一体化之后在响应速度上要优于分体式结构，即能够更快的吸收机械的振动，对于设备的一体化与轻量化都具有非常重要的意义。

2.本发明通过将惯性设备与阻尼设备两元件的一体化，使结构更加精巧，同时故障率也会相应的减小，解决现有含动力吸振元件的隔振系统结构过于复杂，加工与安装困难，生产成本高以及生产效率低下等问题，装置具有更强的实用性。

附图说明

图1为本发明一种叶轮式惯性和阻尼设备的结构示意图；

图2为本发明一种叶轮式惯性和阻尼设备的工程示意图；

图3为本发明质量式叶轮的主视图；

图4为本发明质量式叶轮的俯视图。

图中：1-叶轮杆；2-液压缸筒；3-质量式叶轮；4-滚动轴承；5-自由活塞；6-气室；7-上吊耳；8-下吊耳；9-防尘套；10-密封组件。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种叶轮式惯性和阻尼设备，其布置方式可以采用单筒式、双筒式或多筒式；本发明优选单筒式的叶轮式惯性和阻尼设备。

如图1所示，一种叶轮式惯性和阻尼设备的结构示意图，包括叶轮杆1、液压缸筒2、质量式叶轮3、滚动轴承4、自由活塞5、气室6、上吊耳7和下吊耳8；

所述液压缸筒2中设有叶轮杆1，所述叶轮杆1与质量式叶轮3通过滚动轴承4相连，所述质量式叶轮3可以沿轴向绕叶轮杆1旋转产生惯性力，代替了传统的飞轮，形成了本发明的力控制设备；所述叶轮杆1顶端焊接有上吊耳7，所述叶轮杆1的底端下方设有自由活塞5，所述自由活塞5是有一定厚度的橡胶制成的圆柱体；所述自由活塞5在上下移动的过程中将液压缸筒2隔出气室6；所述液压缸筒2底部焊接有下吊耳8。

所述质量式叶轮3的材料优选为金属，在一些腐蚀性较强或其他特殊要求的工作环境之下，可以采用特种塑料或特种陶瓷材料。

所述质量式叶轮3在叶轮杆1上可以呈一定的间距布置一个或多个，图1中采用了多叶轮方式，可以根据不同的车型增加或减少叶轮数量，使得设备获得最佳的惯质系数，使隔振系统能够发挥最大的隔振效果。

所述质量式叶轮3为质量不可忽略的叶轮机构，质量式叶轮3随着液压缸筒2内液体的流动而以叶轮杆为轴旋转，产生惯性力，从而存储了一部分的动能，起到了惯性质量元件的作用，很好地代替了传统的飞轮，形成了质量叶轮式的力控制设备；改变质量式叶轮3的参数，即可改变质量式叶轮3的惯质系数以及本发明设备的阻尼系数。

所述液压缸筒2内优选为普通减振器油，用于实现阻尼系数与惯质系数的可控；本发明所述液压缸筒2内也可装有磁流变液(MR)，磁流变液(MR)是一种含有悬浮的较大密度铁离子的液体，通过外加磁场可以调节液体的粘度；当改变磁流变液周围的磁场环境时，可以改变质量式叶轮3的惯质系数以及本发明设备的阻尼系数。

所述气室6中充有氮气或者空气，起到充气式减振器的作用，既可以消减由于叶轮杆1的位移产生的体积差，又可以使液压缸筒2工作更平稳。

另外，本发明还可以通过增加控制装置来调节质量式叶轮3的数量，实现阻尼系数与惯质系数可控。在滚动轴承4处，可以设置控制器(如电磁阀)，控制质量式叶轮3的旋转，本发明优选采用电磁阀控制，当电磁阀关闭时，质量式叶轮3可以旋转；当电磁阀打开时，质量式叶轮3不可以旋转或仅部分可以旋转，以此调节阻尼系数与惯质系数。

在实际布置时，本发明所述的一种叶轮式惯性和阻尼设备需要与弹簧元件(≥1根)并联使用，形成一个隔振系统，防止隔振设备被需隔振设备的重力压坏导致击穿，丧失隔振功能。

图2为一种叶轮式惯性和阻尼设备的工程示意图，图中防尘套9在实际使用中可起到防尘作用，延长设备使用寿命；密封组件10是为了防止油液从叶轮杆1与液压缸筒2接触处泄露。图中，通过在液压缸筒2内布置质量式叶轮3，质量式叶轮3通过滚动轴承与叶轮杆1相连接的结构设计；使得质量式叶轮3同时充当了阻尼设备的流通阀与惯性设备的储能元件。将质量元件融入阻尼元件之中，能够有效减少设备所占用的空间，方便布置，同时一体化之后设备在响应速度上要优于分体式结构，即能够更快的吸收机械的振动，对于隔振设备的一体化与轻量化都具有非常重要的意义。

图3、4分别为本发明质量式叶轮3的主视图和俯视图；质量式叶轮3的横截面积为S，则其中D为质量式叶轮3的直径，d为叶轮杆1的直径；

质量式叶轮3的惯质系数可表示为：

式中η为传动效率，J为叶轮转动惯量，μ为通过叶轮的流量与叶轮的角速度之比。

公式(1)表明，可以通过选取合适的叶轮几何尺寸、质量、轮叶片数等参数，设计出能够满足要求的质量式叶轮的惯质系数，控制机械力。图3中的高度参数H可根据滚动轴承的参数进行选择。

下面将结合该设备的工作过程来进一步说明。

叶轮杆1顶端的上吊耳7连接振动产生源，液压缸筒2底部下吊耳8连接需隔振设备，叶轮式惯性和阻尼设备并联一根弹簧元件。当产生振动时，振动力作动于叶轮杆1上，并带动质量式叶轮3在液压缸筒2内运动，油液流过质量式叶轮3时推动其绕叶轮杆1旋转，产生惯性蓄能效应，即将振动的能量转化为叶轮旋转的动能存储起来。由于叶轮杆1进入液压缸筒2内部使缸内面积减小，所以设置气室6做补偿，液压缸筒2内部的液体通过对自由活塞5施加压力，进而压缩气室6内的气体，使其体积减小以补偿叶轮杆1进入液压缸筒2的体积。当需要对隔振设备参数进行控制时，可以控制电磁阀的开关来实现；当电磁阀关闭时，质量式叶轮3可以旋转；当电磁阀打开时，质量式叶轮3不可以旋转或仅部分可以旋转。

本发明所述的一种叶轮式惯性和阻尼设备，可用于车辆、工程机械、桥梁、建筑物、直升机螺旋桨等诸多领域的减振。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种叶轮式惯性和阻尼设备，其特征在于，包括叶轮杆(1)、液压缸筒(2)、质量式叶轮(3)、滚动轴承(4)、自由活塞(5)、气室(6)、上吊耳(7)和下吊耳(8)；

所述液压缸筒(2)中设有叶轮杆(1)，所述叶轮杆(1)与质量式叶轮(3)通过滚动轴承(4)相连，所述质量式叶轮(3)可以沿轴向绕叶轮杆(1)旋转；所述叶轮杆(1)顶端焊接有上吊耳(7)，所述叶轮杆(1)的底端下方设有自由活塞(5)；所述自由活塞(5)在上下移动的过程中将液压缸筒(2)隔出气室(6)；所述液压缸筒(2)底部焊接有下吊耳(8)。

2.根据权利要求1所述的一种叶轮式惯性和阻尼设备，所述质量式叶轮(3)的材料为金属。

3.根据权利要求1所述的一种叶轮式惯性和阻尼设备，所述质量式叶轮(3)在叶轮杆(1)上布置一个或呈一定的间距布置多个。

4.根据权利要求1所述的一种叶轮式惯性和阻尼设备，所述液压缸筒(2)内装有普通减振器油或磁流变液，用于实现阻尼系数与惯质系数的可控。

5.根据权利要求1所述的一种叶轮式惯性和阻尼设备，其布置方式采用单筒式、双筒式或多筒式。