CN105937573B - 一种失重环境下的颗粒阻尼吸振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种失重环境下的颗粒阻尼吸振装置，所述装置包括阻尼颗粒、动力吸振结构以及装有所述阻尼颗粒和动力吸振结构的壳体。所述动力吸振结构包括两个弹簧‑质量块系统，具体包括两个轻质圆柱螺旋压缩弹簧和两个圆筒状质量块；所述壳体包括一个两端开有内螺纹的圆筒外壳、两个螺塞和两个用以对动力吸振结构中质量块的运动起导向作用的导杆。所述装置利用两个与振动系统不同弹性连接的质量块对失重环境下颗粒的连续冲击，促使颗粒间发生不断的碰撞、摩擦和挤压以耗散振动系统的振动能量。

Description

一种失重环境下的颗粒阻尼吸振装置

技术领域：

本发明属于结构振动被动控制领域，特别涉及一种失重环境下的颗粒阻尼吸振装置。

背景技术：

非阻塞性微粒颗粒阻尼技术，是一种相对较新的振动被动控制技术。它通过在结构体上制作一些孔洞或者附加一些中空容器，再用具有特定形状组分和尺寸的阻尼颗粒材料将其填充，利用颗粒物质间和颗粒物质与结构体间的相互作用耗散外界输入的振动能量，从而达到减轻结构体振动的目的。由于其具有可靠性高、适用于恶劣环境等优点，特别适合应用于航天结构的减振。但是，在太空这种特殊的环境中(失重条件下)，颗粒脱离了重力的束缚，颗粒会松散地随机悬浮分布于整个容器空腔内而无法发挥阻尼效果。由于地面环境的颗粒阻尼器的设计原则在失重环境下不一定适用，并且受到试验条件的限制，目前对于失重环境下颗粒阻尼的应用研究还相对较少。

发明内容：

基于此，本发明公开了一种失重环境下的颗粒阻尼吸振装置；

所述装置包括阻尼颗粒、动力吸振结构和壳体；

所述阻尼颗粒和动力吸振结构位于壳体中；

所述阻尼颗粒用于耗散外界输入的振动能量；

所述动力吸振结构用于保证失重环境下阻尼颗粒振动能量的持续耗散；

所述壳体为阻尼颗粒提供密封空间。本发明包括以下技术效果：

(1)本发明利用动力吸振结构中两质量块的振动速度差不断地以冲击的方式将受控对象的振动能量转移至阻尼颗粒，促使阻尼颗粒间以及阻尼颗粒与容器壁间不断发生着碰撞、摩擦和挤压，能保证失重环境下阻尼颗粒的持续耗散作用；

(2)本发明结构形式简单，尺寸变化灵活，能整体植入被控对象内部，既能保证较小的附加质量比又能节省空间以满足结构要求。

附图说明

图1是本发明一个实施例中颗粒阻尼吸振装置的结构示意图；

图2(a)是本发明一个实施例中颗粒阻尼吸振装置第一螺塞(2)的主视图；图2(b)是本发明一个实施例中颗粒阻尼吸振装置第一螺塞(2)的俯视图；

图3(a)是本发明一个实施例中颗粒阻尼吸振装置第一质量块(2)的左视图；图3(b)是本发明一个实施例中颗粒阻尼吸振装置第一质量块(2)的主视图；

图4(a)是本发明一个实施例中颗粒阻尼吸振装置第一连杆(2)的主视图；图4(b)是本发明一个实施例中颗粒阻尼吸振装置第一连杆(2)的左视图；

图5(a)是本发明一个实施例中颗粒阻尼吸振装置圆筒外壳的主视图；图5(b)是本发明一个实施例中颗粒阻尼吸振装置圆筒外壳的左视图；

图6是本发明一个实施例中颗粒阻尼吸振装置结构装配体(未填颗粒)。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述，本实施例并不限制本发明，凡是采用本发明的相似原理、方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

在一个实施例中，本发明公开了一种失重环境下的颗粒阻尼吸振装置，所述装置包括阻尼颗粒、动力吸振结构和壳体；

所述阻尼颗粒和动力吸振结构位于壳体中；

所述阻尼颗粒用于耗散外界输入的振动能量；

所述动力吸振结构用于保证失重环境下阻尼颗粒振动能量的持续耗散；

所述壳体为阻尼颗粒提供密封空间。

在本实施例中，所述装置利用动力吸振结构中两质量块的振动速度差不断地以冲击的方式将受控对象的振动能量转移至阻尼颗粒，促使阻尼颗粒间以及阻尼颗粒与容器壁间不断发生着碰撞、摩擦和挤压，能保证失重环境下阻尼颗粒的持续耗散作用；本实施例所述装置得结构形式简单，尺寸变化灵活，能整体植入被控对象内部，既能保证较小的附加质量比又能节省空间以满足结构要求。

在一个实施例中，所述壳体包括圆筒外壳、第一螺塞、第二螺塞、第一导杆和第二导杆；

所述动力吸振结构包括第一弹簧-质量块系统和第二弹簧-质量块系统：第一弹簧-质量块系统包括第一弹簧和第一质量块，第二弹簧-质量块系统包括第二弹簧和第二质量块；

所述第一螺塞和第二螺塞固定连接于圆筒外壳的两端，所述第一导杆和第二导杆分别与第一螺塞和第二螺塞固定连接；第一弹簧的两端分别与第一螺塞和第一质量块固定连接，第二弹簧的两端分别与第二螺塞和第二质量块固定连接。

所述阻尼颗粒位于由圆筒外壳、第一、第二质量块相应端面以及第一、第二导杆相应端面组成的圆柱形密闭空间内。

在本实施例中，如图1所示，所述的颗粒阻尼吸振装置包括圆筒外壳、第一弹簧、第二弹簧、第一导杆、第二导杆、第一螺塞、第二螺塞、第一质量块、第二质量块和阻尼颗粒。第一螺塞和第二螺塞结构和尺寸均相同，第一螺塞结构图如图2(a)和2(b)所示，第一螺塞和第二螺塞分别旋入圆筒外壳(如图5(a)和5(b)所示)两端，第一导杆和第二导杆的结构和径向尺寸对应相同，并且第一导杆和第二导杆的一端均开有外螺纹(如图4(a)和4(b)所示)用以分别与第一螺塞和第二螺塞固定连接，圆筒外壳、第一螺塞和第二螺塞及第一导杆和第二导杆共同构成本发明的颗粒阻尼吸振装置的壳体。实际应用中本装置可以整体“移植”入被控对象内部，壳体与被控对象刚性连接，可看作被控对象的一部分。

在一个实施例中，所述圆筒外壳的两端开有内螺纹，用以将第一螺塞和第二螺塞旋入；

所述第一螺塞和第二螺塞旋入圆筒外壳端的端面均开有内螺纹孔，用以分别旋入第一导杆、第二导杆的外螺纹端，所述第一、第二螺塞结构和尺寸均相同。

在本实施例中，所述第一导杆和第二导杆用于对第一质量块和第二质量块起导向作用，第一螺塞和第二螺塞用于分别固定第一导杆和第二导杆。

在一个实施例中，所述第一弹簧位于第一螺塞和第一质量块之间，所述第二弹簧位于第二螺塞和第二质量块之间；

所述第一、第二弹簧均为圆柱压缩弹簧但刚度不同；

所述第一、第二质量块和第一、第二螺塞一个端面均开有用内螺纹

所述第一、第二弹簧的一端分别旋入第一、第二质量块的开有内螺纹的端面，另一端分别旋入第一螺塞、第二螺塞开有内螺纹的端面。

在本实施例中，由第一质量块和第一弹簧组成的第一弹簧-质量块系统与由第二质量块和第二弹簧组成的第二弹簧-质量块系统产生的弹簧预紧力促使阻尼颗粒间在初始状态下处于接触状态(而不是松散地自由悬浮)，颗粒之间存在有接触力；为使阻尼颗粒获得足够大的冲击，第一弹簧和第二弹簧以及第一质量块和第二质量块的选择应使得两个弹簧-质量块系统的固有频率与受控对象的共振频率一致，而不同刚度的第一弹簧和第二弹簧导致不同质量的第一质量块和第二质量块之间产生位移差和速度差，位移差和速度差的出现使得动力吸振装置中的阻尼颗粒之间持续的碰撞、挤压和摩擦。

在一个实施例中，所述第一质量块和第二质量块均为圆筒块状结构，两者质量不同但内、外径尺寸相同。

在本实施例中，所述第一、第二质量块的结构设计为圆筒块状结构是为了和圆筒壳体的结构相似；第一和第二质量块的质量不同是为了使两个质量块之间产生位移差和速度差，进一步保证阻尼颗粒之间在动力吸振机构中持续的碰撞、挤压和摩擦。

在一个实施例中，所述第一、第二质量块的外径比所述圆筒外壳内径小，具体以能沿着其轴向运动不受阻为准；

所述第一、第二质量块的内径分别比第一导杆、第二导杆的无螺纹端的外径大，具体以能沿着其轴向运动不受阻为准。

在本实施例中，所述第一、第二质量块位于圆筒外壳内，能够沿着圆筒作轴向不受阻运动；所述第一导杆、第二导杆要穿过第一、第二质量块的内径，并沿着第一、第二质量块的内径作轴向运动，所以第一、第二质量块内径分别比第一导杆、第二导杆的无螺纹端的外径大。

在一个实施例中，所述第一、第二导杆无螺纹端的外径相同，并分别伸入第一、第二质量块的内孔至第一、第二导杆端面分别与第一、第二质量块无螺纹孔端面平齐。

在本实施例中，由于第一、第二质量块的内径相同，而第一、第二导杆要穿过第一、第二质量块的内径，所以也要求第一、第二导杆的无螺纹端的外径相同，这样，第一、第二质量块能够沿着相同的直线作轴向运动。

在一个实施例中，所述第一、第二弹簧分别与第一、第二导杆同轴；

所述第一、第二弹簧的内径大小以不接触或大于第一和第二导杆无螺纹端直径为准，第一、第二弹簧外径大小以不接触或小于圆筒外壳内径为准。

在本实施例中，所述第一、第二弹簧的内径和外径大小的要求是为了减小他们与其他部件间的摩擦。

在一个实施例中，所述阻尼颗粒的尺寸大于所述圆筒外壳内径与两质量块外径之间的间隙，并大于两导杆无螺纹端直径与两质量块内孔径之间的间隙，以间隙不泄露或卡塞颗粒为准；

所述装置填充的阻尼颗粒数目由整个装置沿其轴心线与重力方向垂直放置时两弹簧的状态决定，具体为阻尼颗粒将第一质量块和第二质量块之间空间100％填充，并使第一弹簧或第二弹簧开始出现压缩变形即可。

在本实施例中，第一、第二弹簧的具体压缩变形量还要根据实际工况做出调整。

在一个实施例中，所述第一和第二质量块的轴向高度能够通过选取的材料来调整；

所述第一、第二质量块与第一、第二弹簧的旋合的内螺纹深度以能够固定第一和第二弹簧不脱落为准；

所述第一、第二导杆的长度分别由第一、第二质量块的高度和第一和第二弹簧的最大伸缩量决定，以运动过程中质量块不脱离导杆为准。

在本实施例中，所述第一、第二质量块的轴向高度通过选取的材料(如铅、铜、钢等)来调整，以每个质量块的质量能够满足动力吸振结构的工作需要为准，具体可参考动力吸振器设计中质量比的选取原则。

在一个实施例中，所述颗粒阻尼吸振装置的第一质量块和第二质量块的结构和径向尺寸相同(如图3(a)和3(b)所示)，第一弹簧和第二弹簧是刚度不同的两圆柱压缩弹簧，并且第一、第二弹簧两端分别旋入第一、第二螺塞(2)和第一、第二质量块(2)相应端面上的内螺纹孔(分别如图2(a)中n和图3(a)中m所示)以固定，以形成两个动力吸振结构将受控振动对象的动能转移至阻尼颗粒。

在一个实施例中，如图6所示，第一导杆和第二导杆的非螺纹端分别伸入第一质量块和第二质量块的内孔，并且两导杆端面分别与两质量块无螺纹孔端的端面平齐。在工作过程中，分别在第一导杆和第二导杆的“导向”下，第一质量块和第二质量块都会沿整个装置的轴心线方向与壳体(圆筒外壳、第一螺塞和第二螺塞、第一导杆和第二导杆)产生相对运动。第一导杆和第二导杆的长度L(如图4(a)所示)分别由第一质量块和第二质量块的轴向高度H(如图3(a)所示)和第一弹簧和第二弹簧的刚度(最大伸缩量)决定，具体以运动着的质量块不会脱离导杆为准。

在一个实施例中，填充的阻尼颗粒数目以将整个装置沿其轴心线与重力方向垂直放置时(如图6所示)两弹簧的状态决定，具体来说，阻尼颗粒要将第一质量块和第二质量块之间空间100％填充，使第一弹簧或第二弹簧(或两弹簧都)开始出现压缩变形即可，两弹簧具体需要的压缩变形量还要根据实际工况做出调整。

在失重环境下，当容器内的颗粒层与空壳体的间隙过大或容器的振动水平较小，颗粒将随着受控对象的振动慢慢聚集形成一个松散的颗粒团悬浮于空腔结构中央，容器无法将能量注入给颗粒，颗粒之间的相互作用不明显，阻尼效果无法得到继续发挥。本发明的颗粒阻尼吸振装置就是针对这种情况而设计，具体来说，通过两边弹簧-质量块系统的弹簧预紧力促使阻尼颗粒间在初始状态下处于接触状态(而不是松散地自由悬浮)，颗粒之间存在有接触力。实际工作状态下，为使阻尼颗粒获得足够大的冲击，第一弹簧和第二弹簧以及第一质量块和第二质量块的选择应使得两个弹簧-质量块的固有频率与受控对象的共振频率一致，而不同刚度的第一弹簧和第二弹簧导致不同质量的第一质量块和第二质量块之间产生位移差和速度差：位移差的出现使得第一质量块和第二质量块之间初始的间隙增大，造成原本彼此紧密接触的阻尼颗粒因接触斥力的作用有瞬间“炸开”的趋势，而速度差的产生使得质量块将自身从受控对象不断“吸取”的动能以“冲击”的形式不断地转移给阻尼颗粒以阻止其进一步“炸开”。这样一来，随着受控对象的不断振动，第一质量块和第二质量块之间的位移差和速度差不断变化，促使阻尼颗粒的状态在动力吸振结构的作用下在“冲压-炸开”间循环往复，从而保证阻尼颗粒之间持续的碰撞、挤压和摩擦，使得本发明的颗粒阻尼吸振装置的阻尼效果很好地维持下去。

本发明主要针对特定阶的振动控制，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本领域技术人员在不脱离本发明原理的前提下还可以对本发明做出改进，但这些改进均在本发明的保护范围之内；另外，本发明不仅仅适用于失重环境，本发明由于动力吸振结构和导杆联合使用带来的“活塞”扰动作用亦能明显增强重力场下阻尼颗粒之间的耗散作用，因此，根据本发明此方面的揭示做出的任何适用于重力场环境下的结构修改也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种失重环境下的颗粒阻尼吸振装置，其特征在于：

所述装置包括阻尼颗粒、动力吸振结构和壳体；

所述阻尼颗粒和动力吸振结构位于壳体中；

所述阻尼颗粒用于耗散外界输入的振动能量；

所述动力吸振结构用于保证失重环境下阻尼颗粒振动能量的持续耗散；

所述壳体为阻尼颗粒提供密封空间；所述壳体包括圆筒外壳、第一螺塞、第二螺塞、第一导杆和第二导杆；

所述动力吸振结构包括第一弹簧-质量块系统和第二弹簧-质量块系统：第一弹簧-质量块系统包括第一弹簧和第一质量块，第二弹簧-质量块系统包括第二弹簧和第二质量块；

所述第一螺塞和第二螺塞固定连接于圆筒外壳的两端，所述第一导杆和第二导杆分别与第一螺塞和第二螺塞固定连接；第一弹簧的两端分别与第一螺塞和第一质量块固定连接，第二弹簧的两端分别与第二螺塞和第二质量块固定连接；所述阻尼颗粒位于由圆筒外壳、第一、第二质量块相应端面以及第一、第二导杆相应端面组成的圆柱形密闭空间内。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述圆筒外壳的两端开有内螺纹，用以将第一螺塞和第二螺塞旋入；

所述第一螺塞和第二螺塞旋入圆筒外壳端的端面均开有内螺纹孔，用以分别旋入第一导杆、第二导杆的外螺纹端，所述第一、第二螺塞结构和尺寸均相同。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述第一弹簧位于第一螺塞和第一质量块之间，所述第二弹簧位于第二螺塞和第二质量块之间；

所述第一、第二弹簧均为圆柱压缩弹簧但刚度不同；

所述第一、第二质量块和第一、第二螺塞一个端面均开有用内螺纹；

所述第一、第二弹簧的一端分别旋入第一、第二质量块的开有内螺纹的端面，另一端分别旋入第一螺塞、第二螺塞开有内螺纹的端面。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述第一质量块和第二质量块均为圆筒块状结构，两者质量不同但内、外径尺寸相同。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述第一、第二质量块的外径比所述圆筒外壳内径小，具体以能沿着其轴向运动不受阻为准；

所述第一、第二质量块的内径分别比第一导杆、第二导杆的无螺纹端的外径大，具体也以能沿着其轴向运动不受阻为准。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述第一、第二导杆无螺纹端的外径相同，并分别伸入第一、第二质量块的内孔至第一、第二导杆端面分别与第一、第二质量块无螺纹孔端面平齐。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述第一、第二弹簧分别与第一、第二导杆同轴；

第一、第二弹簧的内径大小以不接触或大于第一和第二导杆无螺纹端直径为准，第一、第二弹簧外径大小以不接触或小于圆筒外壳内径为准。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述阻尼颗粒的尺寸大于所述圆筒外壳内径与两质量块外径之间的间隙，并大于两导杆无螺纹端直径与两质量块内孔径之间的间隙，以间隙不泄露或卡塞颗粒为准；

所述装置填充的阻尼颗粒数目由整个装置沿其轴心线与重力方向垂直放置时两弹簧的状态决定，具体为阻尼颗粒将第一质量块和第二质量块之间空间100％填充，并使第一弹簧或第二弹簧开始出现压缩变形即可。

9.根据权利要求2-8任一项所述的装置，其特征在于：

所述第一、第二质量块的轴向高度由选取的材料决定；

所述第一、第二质量块与第一、第二弹簧的旋合的内螺纹深度以能够固定第一和第二弹簧并使第一和第二弹簧不脱落为准；

所述第一、第二导杆的长度分别由第一、第二质量块的高度和第一和第二弹簧的最大伸缩量决定，以运动过程中质量块不脱离导杆为准。