CN1059587A - 消能装置 - Google Patents

Abstract

一种消能装置具有一个活塞缸组合件，其中有一 个缸和在缸中移动的活塞。一个预加载双作用弹簧 和一个摩擦组合件完全容放在缸中，与活塞同轴相 接。弹簧作用在摩擦组合件上，迫使组合件与缸的内 表面作摩擦接触。摩擦组合件至少有一个楔形件，与 缸的内表面接触。摩擦组合件还有多个相间隔的压 缩环与楔形件交叠，将楔形件在径向上向外推，与缸 的内表面作摩擦接触。

Description

本发明一般涉及消能装置，尤其涉及一种用于吸收振动载荷、消散动能、控制振动和限制载荷移动的系统。

消能装置是众所周知的，在各种工业中广泛应用于各种用途。例如，铁路工业中一般使用摩擦楔减振系统（friction  wedged  shock  sbsorbing  system）消散振动能。

传统减振装置最好的示例，是以豪代尔摩擦缓冲器（Houdaille  Friction  Snubber）为商品名称出售的减振器，由纽约州布伐罗市豪代尔工业公司出售。豪代尔减振器通常包含有管筒，其内装有预压缩弹簧和三个扇形靴块，在工作元件移动时与管筒内侧作摩擦接触。预压缩弹簧将靴块向外推压、使之与管筒接触，产生靴块在管筒内衬上的热摩擦位移。但是靴块的摩擦位移使靴块衬和管筒迅速磨损。因此，传统减振器要求经常保养和更新部件。

虽然豪代尔缓冲器和其它类似的传统装置，吸收支承系统振动造成的动能，但已经证明在消散相当大的瞬时动能方面并不完全成功。在这方面，振动能的消散仅需运动部件热位移产生中度摩擦阻力，诸如靴块在豪代尔缓冲器中造成的热位移等。但是，较大瞬时动能的消散，使减振系统以不可预测和不利的方式运转。这种不利效果最好的示例是“水锤效应”，这是由于阀的迅速作动，或在管道破裂时固定在这类减振器上的破裂管的移动或抖动效应所造成的。

曾有人试求解决与消散大瞬时动能相关的问题，但都没有成功的解决办法。其中一个办法是增大诸如豪代尔缓冲器中靴块之类热阻元件的行程或位移量。另一个试行的办法是增加弹簧的长度。虽然提出过的每一办法都可能使相当大的瞬时动能消散，但都经证明不能完全成功。在这方面，增大抑制元件的位移量，或增长弹簧元件，都使消能装置的总尺寸有不利的增大。因此，这些经试行的办法在某些应用方面不能完全令人满意，因为减振器增大不能在受局限的位置上或空间有限的位置上使用。并且这种试行的办法使制造成本有很大的增高。

因此，极需有一种新颖的改进的消能装置，可用以有效消散瞬时振动能。消能装置应能产生相当大的抑制力，沿抑制路线有最小的位移量。装置的尺寸应相当紧凑，生产费用相当低，并容易安装。还应能以可预测的方式运转，应需要最少量的保养，和部件的更新。

装置应有广泛的现代化应用方面，应有通用性，例如用于机车工业和核动力设备。装置应相当灵敏，重量相当小，尺寸紧凑，以便作军事和宇航上的应用。

因此，本发明的主要目的是提供一种新颖的改进的消能装置，它可产生相当大的抑制力，以有效消散瞬时振动能，同时沿抑制路线有最小的位移量。

本发明的又一目的是提供一种新颖的改进的消能装置，尺寸相当小而紧凑，制造费用低而安装方便。

简言之，本发明的上述及其他目的和特点，可通过提供一种新颖的改进的消能装置来实现，该消能装置包括一个活塞缸组合件，具有缸体和在其中移动的活塞。一个预加载双作用弹簧和摩擦组合件完全放置在缸体中，和活塞同轴接触。弹簧作用在摩擦组合件上，迫使其和缸体的内表面作摩擦接触。

摩擦组合件至少具有一个楔形体，和缸体的内表面接触。摩擦组合件还另有若干相间隔的压缩环，它们和楔形件交替叠放，压迫楔形件在径向上向外与缸体的内表面作摩擦接触。

在本发明的一种形式中，消能装置具有一个摩擦组合件和一个预加载弹簧。因此，当装置承受振动冲击载荷和瞬时动载荷时，产生的能转变为热能，沿缸的内壁消散。在这方面，弹簧向相邻的外压缩环施加轴向力，使之与下一相邻楔形件紧密接触。因此，楔形件被径向向外压，与缸的内壁作摩擦接触。

与此相似，根据施加力的大小，摩擦组合件中的楔形件被推压，与缸的内表面作摩擦接触。

本发明的另一种形式中具有一个消能装置，装置有一对相间隔的摩擦组合件，与弹簧相对放置。

本发明又一种形式的特点，是具有一种消能装置，其中具有一对相间隔的摩擦组合件，相对于弹簧放置，具有一对止动件，限制活塞在缸体内的自由行程，又限制其中的一个摩擦组合件的行程。在一个止动件和相邻的摩按组合件之间设有间隙，使活塞在缸体内有限定的自由行程。本发明的又一种形式，其特点为有一种消振装置，其中具有一个摩擦组合件配置在两个双作用预加载弹簧之间。

发明的装置相当小，尺寸紧凑，造价低，安装方便，以可预测的方式运转。沿较短的抑制路线产生较大的抑制力。本发明的装置相当灵敏，重量相当小，使之可在范围广阔的现代用途中使用。

本发明的上述的以及其他的目的和特点，达到目的和取得特点的方式，以及发明的本身，结合附图并参阅下文对发明各实施方案的叙述，便可有最清晰的了解，附图简单说明如下：

图1  为按本发明制造的一种消能装置的前剖视图，显示支承一个管路结构;

图2  为图1所示消能装置沿线2-2的放大剖视图;

图3  为按本发明制造的另一消能装置的剖视图;

图4  为按本发明制造的又一消能装置的剖视图;

图5  为构成图1中装置一部分的内压缩环的放大侧视图;

图6  为构成图1中装置一部分的楔形件的放大分解侧视图;

图7  为构成图1中装置一部分的外压缩环的放大侧视图;

图8  为按本发明制造的又一消能装置的剖视图。

现参看附图，具体参看图1，图中示出按本发明制造的消能装置10，它固定于一个高压管系11上。这装置10可控制振动，在管系11发生破裂时限制其运动，下文中将有较详细的叙述。

装置10一般包括一个活塞缸组合件12，其一端固定在基本不活动的刚性支架13上，其另一端与管系11连接以进一步支承之。一个预加载双作用弹簧16安装在活塞缸组合件12内，沿轴向作用在摩擦组合件14上。

摩擦组合件14一般具有一组基本相同的相间隔的楔形件，诸如楔25及26，它们在诸如压缩环30、33及36的一组压缩环之间交替配置。仅为图示说明起见，在摩擦组合件14中设有两个楔形件和三个压缩环。但是，本领域普通技术人员易于了解，单一的装置10中可使用多于此数的楔形件和压缩环。

摩擦组合件14与活塞缸组合件12的活塞22同轴相连，并与活塞缸组合件12的缸20的内壁或内周缘21紧密摩擦接触。于是，摩擦组合件14靠在活塞缸组合件12的内壁21上的移动，产生抑制摩擦力，将系统中的动能转变为热能，热能通过活塞缸组合件12的壁消散。

如图6所示，楔形件25一般具有一个环形件40，形成有中心孔50，以便同时与一对互补形状的压缩环30及33连接。图2又示出，楔形件25在周缘上有轴向伸展的隙孔42，当将压缩环30及33向内压入中心孔50内时，楔形件25可在径向上向外伸展，与缸20的内壁21作摩擦接触。这样便可用楔形件25消散振动能及瞬时动能。在这方面，当吸收的能增加时，使楔形件25的伸展可调节，达到与内壁21作更紧密的摩擦接触，将更大量的能消散。

运转时，装置10承受振动冲击载荷，和可能的瞬时动载荷。将产生的能转变为热能，沿缸20的内壁21消散。在这方面，当管系11承受向上的力时，活塞缸组合件12的活塞22在缸11中向上移动。于是预加载弹簧16对下压缩环36施加一个向上的轴向力，下压缩环36的结构和设计大致与图7所示的上压缩环30相似。

弹簧16压迫压缩环36，使其与楔形件26更紧密接触，使楔形件25沿轴向移动，并且在径向上向外伸展，与缸20的内壁21作摩擦接触。楔形件26的轴向位移，使之与下一个相邻的压缩环33的一个斜坡环形偏突表面78接触。压缩环33的另一相对对称设置的斜坡环形偏突表面76，被沿轴向推动到与下一个相邻的楔形件25接触，将其同时在轴向和径向上推压。

楔形件25的轴向位移使之接触压缩环30。压缩环33的偏突表面76接触楔形件25的互补形状的斜坡环形偏突表面65A，将其在径向上向外顶。这样，使开口42向外周扩大，压迫楔形件25与缸20的内壁21作摩擦接触。

当装置10受一个向下的力时，活塞22被在缸20中沿轴向向下推，将上压缩环30与第一楔形件25接触，迫使其沿径向向外，与缸20的内壁21作摩擦接触。于是假如向下的力超过楔形件25的轴向摩擦阻力，便迫使楔形件25在轴向上与压缩环33的台肩76接触，使另一台肩78与下一相邻楔形件26在轴向上接触。

压缩环33与楔形件26的这种轴向接触，使楔形件26在径向上向外伸，与缸20的内壁21作摩擦接触。假如向下的轴向力仍然超过楔形件25与26产生的摩擦阻力，则使整个摩擦组合件14将弹簧16向下压缩。

因此将摩擦组合件14与弹簧16作创造性的组合，增高了装置10的载荷能力。通过实验发现，有三个楔形件和四个压缩环的摩擦组合件14，比单独的弹簧16的载荷能力增高约五倍。因此，本发明摩擦组合件可显著减小装置10的总长度和成本，并大为提高其应用范围。

现详细考虑摩擦组合件14，尤其注意图1、2及5-7，通常有一组压缩环30、33及36，和一组与其交叠的楔形件25及26。楔形件一般彼此相似，因此在下文中仅就楔形件25作详细叙述。

楔形件25通常为一个裂口环形元件40，其全部轴向长度为空心。环形件40有一个在中心上轴向伸展的大致为沙漏形的孔50。孔50形成一个向里倾斜的斜坡偏突面，或台肩65A，和一个相对的向里倾斜的斜坡偏突面63A。内偏突表面或边缘63A的外径，沿着轴向向中心环部61逐渐减小，形成孔50的一个圆锥形部或空间63。

与此相似，内偏突表面65A的外径，在轴向上向中心环部61逐渐减小，形成孔50的一个圆锥形部或空间65。孔部65形成一个斜肩台或边缘65A。空间65在楔形件55的径向对称轴的对侧，大致与空间63对称。中心环形部61有大致圆形的截面，形成一个在环形空间63与65之间的环形空间67。

如图2所示，楔形件25的环形件40一般有一个裂隙状的径向孔42，通过其全部轴向长度和径向厚度，使环形件40可以沿径向向外移动，当诸如压缩环33的压缩环与环形台肩53接触时，环形件40可以沿径向外移，和缸20的壁21接触。有若干基本相似的裂隙状径向孔，诸如孔33，44及45，沿环形件40的外缘在轴向上有相当大的间距。孔43、44及45从中心环部61沿径向伸展，基本通过环形件40的径向厚度而不完全通过。因此孔43、44及45使环形件40可在上面作铰链式的变形，便于在径向上向外与内壁21接触。

现具体参照图1，5及7详细考虑压缩环30、33及36，摩擦组合件14一般具有一对外压缩环30及36和一个内压缩环33。但本领域普通技术人员者可以理解，也可用一个或多个相似的内压缩环。

内压缩环33具有一个环形体34，有一个增大直径的扩大部70，截面大致为圆形，位于外端部72及74之间。斜坡环形偏突面或台肩76及78对称配置在扩大部70的两侧。偏突面76与偏突面65A的形状及尺寸互补，互相接触。偏突面76从扩大部70向外伸，其外径沿着轴向向远端部72逐渐减小。

与此相似，偏突面78的形状及尺寸，与相邻配置的楔形件26的内环形台肩（未示）的倾斜边缘（未示）互补，互相接触。偏突面78从扩大部70向外伸展，其外径沿着轴向向远端部74逐渐减小。一个圆柱形中心长孔81，穿过内压缩环33的全部轴向长度，以便与活塞缸组合件12的活塞22同轴接触，并可沿其轴向长度自由滑动。

外压缩环30及36的设计及结构大致相似，因此在下文中仅参考图7对压缩环30作较详细的叙述。压缩环30具有一个环形体83，有扩大直径的部分87，截面大致为圆形。一个环形斜偏突面或边缘90，形状及尺寸与内压缩环33的斜台肩76大致相似，以便与偏突面63A接触。一个圆柱形长中心孔91，穿过外压缩环30的全部轴向长度，以便与活塞12同轴接触，并可沿其轴向长度自由滑动。孔91的直径与孔81大致相同，轴向长度约为其一半。

现参照图3对按本发明制造的另一消能装置100作详细分析，装置100基本与消能装置10相似。装置100包括一个活塞-缸组合件112，将预加载的弹簧116和一对摩擦组合件114及115完全封在里面。

活塞缸组合件112大致与消能装置10的活塞缸组合件12相似，具有一个长形缸120，沿着全部轴向长度为空心，与缸20相似。一个长杆形活塞122与活塞22相似，与缸120沿轴向相接，并与弹簧116及摩擦组合件114及115同轴接触。

活塞缸组合件112与活塞缸组合件12的不同之处，在于有两个止动件117及118，以限制弹簧116和摩擦组合件114及115在缸120中的移动。在这方面，止动件118有一个螺母形的长管体165，其沿全部轴向长度上为空心，可和活塞122的外端125作可调节的螺纹紧固。

止动件118可沿活塞122的轴向选定位置，与摩擦组合件114的近端126有一个距离，形成其间的一个间隙130，使活塞122在接触摩擦组合件114前有一个有限的自由行程。因此，当有较小的载荷使活塞122在缸120中振动位移时，管形体165的前端135抵靠摩擦组合件114，从而限制活塞122的向前移动。

止动件117完全放置在缸120内的近端140中，抵靠摩擦组合件115，以限制其在缸120内的向前移动。止动件117用管形件142制造，其全部轴向长度中为空心，并且其尺寸与缸120的内壁或周缘121互补，以便紧密相接。

现考虑弹簧116，其设计与结构一般与装置10的弹簧16相似，在缸120内同轴安装在活塞122上。弹簧116配置在摩擦组合件114及115之间，使活塞122在缸120中轴向移动时，装置110可将过多的能消散。因此，当活塞122被在缸120内向前推时，止动件118的前端135抵靠摩擦组合件114，将其沿内壁121向前摩擦推动，使能量得以消散。在活塞122的前进行程中，摩擦组合件115的移动继续受止动件117限制。

与此相似，当将活塞122向后推出缸120时，一个配置在活塞122远方前端150上的盖145，抵靠摩擦组合件115，将其沿内壁121向后摩擦移动，使能量消失。在活塞122向后的行程中，摩擦组合件114的移动继续受缸120近端157上大致圆形的板155限制。

一个板155一般在缸120的近端157上固定，抵靠摩擦组合件114，将弹簧116和摩擦组合件114及115容纳在缸120中。板155具有一个圆孔160，形状及尺寸与止动件118的外径互补，使止动件118的管体165可和缸120连接，通过孔160伸入缸120内。管体165向后伸入一个环形头170，成为一体，环形头的外径大于管体165的外径也大于孔160的直径。于是当止动件118沿活塞122前进时，头部170抵靠板155，其在缸120中的行程受板155的限制。

现详细考虑摩擦组合件114及115，它们的结构形状相似，在图中只作一般表示。因此，下文中仅对摩擦组合件114详细叙述。本领域普通技术人员在阅读了本发明的说明之后可以了解，摩擦组合件可各有不同的结构形式，取决于装置100的应用性质。

摩擦组合件114与消能装置10的摩擦组合件14大致相似，它具有一组基本相似的相间隔的楔形件，诸如楔形件175及180，其设计及结构与楔形件25及26相似。一组压缩环如压缩环187、188及189，与楔形件175及180交叠，它们分别与压缩环30、33及36相似。

现详细考虑按本发明制造的另一消能装置200，具体参见图4，与消能装置110大致相似。装置200包括活塞缸组合件212，它基本与活塞缸组合件112相似，里面容放预加载弹簧216和一对摩擦组合件124及125。

活塞缸组合件212大致与活塞缸组合件112相似，不同之处在于不包含与止动件117相似的止动件。此外，活塞缸组合件212具有一个止动件218，与止动件118相似，而不同者为其前端235持续抵靠摩擦组合件124。于是，当活塞缸组合件212的活塞222被推动时，无论向缸220内推，或从其内向外推，由两摩擦组合件214及215形成的整个组件230，以及中间弹簧226，就按照施力方向，沿着缸220的内壁221摩擦移动。弹簧216的长度不变，因此施加其上的抑制力不变。

现具体参照图8详细考虑按本发明制造的另一消能装置300，这装置大致与消能装置200相似。消能装置300包括一个活塞缸组合件312，一般与活塞缸组合件212相似。活塞缸组合件312另有一个缸320，其中容纳一个摩擦组合件314。

摩按组合件314大致与装置200的摩擦组合件214相似。为了图示说明，图中的摩擦组合件314有三个成组的楔形件320、323和326，它们大致与上面结合装置10说明的楔形件25相似。图示的摩擦组合件314还有四个一组的压缩环330、333、336及337，它们与楔形件320、323及326交叠放置。外压缩环330和337的设计及构造，一般与装置10的外压缩环30相似。内压缩环333和336一般与装置10的压缩环33相似。一对预加载双作用弹簧316及318配置在缸320内，在摩擦组合件314两侧各配置一个。

虽然上面已公开了本发明的各种实施例，但应理解在文后的权利要求书的确实精神和范围内，还可能，并且也考虑作各种不同的变化。因此，本发明人无意以说明书摘要及本文的揭示的实际内容作限制，而应以文后之权利要求书界定发明范围。

Claims (20)

1、一种消能装置，包括；

一个活塞缸组合件，具有一个缸和在该缸中移动的活塞；

一个预加载弹簧，完全容放在该缸内，与该活塞同轴相接；

一个摩擦组合件，完全放置在所述缸内，与所述活塞同轴相接；

所述弹簧作用在该摩擦组合件上，迫使其与所述缸的内表面作摩擦接触；

所述摩擦组合件具有至少一个楔形件，与所述缸的内表面接触；

所述摩按组合件还有若干相间隔的压缩环，与所述楔形件交叠，将所述楔形件沿径向外压，与缸的内表面作摩擦接触。

2、根据权利要求1所述的消能装置，其特征在于所述一组压缩环包括一对外压缩环，在摩擦组合件两端各放一个。

3、根据权利要求2所述的消能装置，其特征在于所述一组压缩环还包括至少一个内压缩环。

4、根据权利要求3所述的消能装置，其特征在于所述楔形件包括一个环形件，在其全部轴向长度中都是空心。

5、根据权利要求4所述的消能装置，其特征在于所述环形件形成有一个大致为沙漏形状的内孔。

6、根据权利要求5所述的消能装置，其特征在于该沙漏形孔由中心环形部和两个圆锥形环形偏突面形成，与对称配置在所述环形部两侧的压缩环接触，每一所述环形偏突表面的外径，向着所述中心环形部逐渐减小。

7、根据权利要求6所述的消能装置，其特征在于所述外压缩环之一有一个环形体，其一端有一个增大直径的扩大部，该扩大部的截面大致为圆形;

所述环形体还具有一个环形斜偏突表面，形状与所述楔形件的所述偏突表面中之一互补，所述环形体的所述环形偏突表面，沿轴向向外逐渐减小，与所述环形边缘的所述偏突表面中之一摩擦接触。

8、根据权利要求7所述的消能装置，其特征在于所述内压缩环包括一个环形体，其全部轴向长度中为空心，有一个在中心上的增大直径的扩大部，该扩大部有同样的圆形截面;

所述环形体还具有两个圆锥形环状偏突表面，在该扩大直径部分的两侧对称配置，每一所述环状偏突表面的外径沿轴向向所述扩大直径部分逐渐增大，与相应的相邻楔形件接触。

9、根据权利要求1所述的消能装置，其特征在于还具有一个第二摩擦组合件，配置在所述弹簧的另一侧，与第一摩擦组合件相对。

10、根据权利要求9所述的消能装置，其特征在于所述活塞缸组合件还具有第一装置，将所述活塞在所述缸中的轴向行程中止动，该第一止动装置与该缸同轴连接。

11、根据权利要求10所述的消能装置，其特征在于所述第一止动装置配置在相邻的摩擦组合件的一定距离处，在其间形成一个间隙，使活塞有一个有限的轴向自由行程。

12、根据权利要求10所述的消能装置，其特征在于所述第一止动装置接触相邻的摩擦组合件。

13、根据权利要求10所述的消能装置，其特征在于所述活塞缸组合件还具有第二装置，对所述第二摩擦组合件在所述缸内的轴向行程进行止动。

14、根据权利要求1所述的消能装置，其特征在于还具有一个第二弹簧配置在该摩擦组合件的另一侧，与第一弹簧相对。

15、一种用于消能装置的摩擦组合件，具有一个活塞缸组合件，有一个预加载弹簧放在缸内，与活塞同轴相接，摩擦组合件包括：

至少一个楔形件，与缸的内表面接触;

多个相间隔的压缩环，与各所述楔形件交叠配置，将各所述楔形件在径向上向外推，使之与缸的内表面作摩擦接触。

16、根据权利要求15所述的摩擦组合件，其特征在于所述一组压缩环包括一对外压缩环，各处于摩擦组合件的一端。

17、根据权利要求16所述摩擦组合件，其特征在于所述一组压缩环还包括至少一个内压缩环。

18、根据权利要求6所述的消能装置，其特征在于所述楔形件至少具有一个轴向的裂隙口。

19、根据权利要求8所述的消能装置，其特征在于所述轴向裂隙口沿所述楔形件的全部径向宽度伸展。

20、根据权利要求8所述的消能装置，其特征在于所述楔形件还具有若干相间隔的裂隙形口，沿所述楔形件的径向宽度局部伸展。

Images