CN106567900A - 超材料隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明属于减振降噪技术领域，特别涉及隔振器。一种超材料隔振器，它包括：超材料隔振部件与作为结构部件的其它零部件：上端盖，限位保护罩，下底板，表面包胶层，紧固螺栓，底部植入骨架，上部植入骨架，橡胶堵头以及密封垫片；本发明利用超材料技术，突破传统隔振材料某些表观自然规律的限制，实现超出原有基材固有的普通性质的超常材料功能，从而能很好地调节隔振器低固有频率与大静变形之间的矛盾，兼顾隔振器的主承载方向隔振效果与非承载方向抗摇摆性能，为舰船减振降噪提供了一种新途径。

Description

超材料隔振器

技术领域

本发明属于减振降噪技术领域，特别涉及隔振器。

背景技术

随着现代工业的发展，机械设备逐渐向大型化、高速化、复杂化方向发展，振动和噪声问题日趋突出。舰船作为海权争夺的最主要平台，对水声隐身性能的要求日益升高，而机械噪声的低频振动是舰船的主要噪声源之一。

采用隔振器是降低机械噪声的有效方法，要提高机械设备低频段的隔振效果，则需要降低隔振器的垂向刚度，但是传统隔振器往往三个方向的刚度难以同时兼顾，其在降低垂向刚度的同时，其非承载方向上往往有一个刚度过低，大大降低了隔振系统的抗冲击与摇摆性能。以BE、EA、WH型隔振器为例，BE400隔振器固有频率10Hz，Z垂向额定载荷下的静刚度为1000N/mm，动刚度为1610N/mm，但其有一个侧向动刚度为1480N/mm，抗摇摆能力弱；EA400固有频率20Hz，Z垂向静刚度为2857N/mm,动刚度为6500N/mm,同样存在因一个侧向动刚度为1700N/mm,而抗摇摆能力弱的问题；WH400固有频率6Hz，Z垂向静刚度为380N/mm，动刚度为690N/mm,其一个侧向静刚度仅为330N/mm,动刚度为590N/mm，也存在抗摇摆能力弱的问题。

超材料设计方法是近十年来新兴的一种颠覆性技术，超材料具有天然材料所不具备的超常物理性质，通过在材料关键物理尺度上的结构有序设计，突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。然而，由于超材料自身结构的复杂性，且精度需求高，传统的诸如橡胶硫化工艺方法无法保证其结构精细化设计需求，难以实现其超常物理性能的目标。

发明内容

本发明的目的是：提供一种超材料隔振器，突破隔振基材性能对隔振器设计的限制，在保证主承载方向的隔振效果同时,兼顾其它方向的抗摇摆、抗冲击性能。

本发明的技术方案是：一种超材料隔振器，它包括：超材料隔振部件与作为结构部件的：上端盖，限位保护罩，下底板，表面包胶层，紧固螺栓，底部植入骨架，上部植入骨架，橡胶堵头以及密封垫片；

超材料隔振部件由超材料单胞呈蜂窝状排列而成，单胞几何外形为上下设有凸起的六边形；超材料隔振部件的左右两端呈凹凸状，上下两端为延伸至设定厚度的平面结构；超材料隔振部件左右端的上、下侧均开设两条在同一水平面且垂直于单胞孔的方形贯穿槽，每条方形贯穿槽上开设两个圆形定位及螺栓紧固用沉头孔，两个沉头孔之间开设一个抗剪切方形沉孔；方形贯穿槽宽度B1为20～30mm，高度H1为3～8mm，槽间距L0为10～15mm；沉头孔半径R1取值范围为6～15mm，方形沉孔宽度与方形贯穿槽宽度相等，长L1取值范围为30～40mm，沉头孔圆心与方形沉孔中心均位于方形贯穿槽中心轴上，孔深相等，深度值H2为3～5mm；

上端盖和下底板分别位于超材料隔振部件的上、下端；上端盖中心带有凸台；

上部植入骨架和底部植入骨架上开设金属螺纹孔接口，分别植入超材料隔振部件上、下两端的方形贯穿槽，与方形贯穿槽过盈配合；

上端盖与超材料隔振部件的配合面涂敷双组份AB胶，通过机械锁固螺栓与上部植入骨架机械锁紧；下底板与超材料隔振部件的配合面涂敷双组份AB胶，通过机械锁固螺栓与底部植入骨架机械锁紧，由此形成超材料隔振器的主体；

限位保护罩位于超材料隔振器主体的外层；限位保护罩顶部开设有圆孔，其限位功能由其自身与上端盖之间的间距实现，其中主承载方向的压缩限位间距H取值范围为0～12mm，拉伸限位H0取值范围为0～7mm；周向限位B取值范围为0～5mm；

表面包胶层通过硫化包覆丁腈橡胶处理包覆于上端盖外圆周面、限位保护罩外圆周面和下底板的底面；

橡胶堵头封堵下底板并由紧固螺栓紧固；

密封垫片采用软质橡胶垫圈，置于限位保护罩与上端盖外圆周面的表面包胶层之间。

有益效果:(1)本发明打破了传统隔振器设计对基材性能的依赖性，通过超材料技术，对单胞关键尺度进行精细化结构设计，获得隔振部件特定宏观性能。有效地缩短了隔振产品的开发周期，拓宽了隔振材料的基材选用范围。

(2)本发明利用超材料技术，突破传统隔振材料某些表观自然规律的限制，实现超出原有基材固有的普通性质的超常材料功能，从而能很好地调节隔振器低固有频率与大静变形之间的矛盾，兼顾隔振器的主承载方向隔振效果与非承载方向抗摇摆性能，为舰船减振降噪提供了一种新途径。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的超材料隔振部件单胞结构示意图；

图3为本发明的超材料隔振部件结构示意图；

图4为本发明的机械锁固和胶结复合连接方法原理图；

图5为本发明的外观及限位原理图。

具体实施方式

参见附图1、5，一种超材料隔振器，它包括：超材料隔振部件11与作为结构部件的其它零部件：上端盖1，限位保护罩4，下底板6，表面包胶层2、3、7，紧固螺栓5、8，底部植入骨架10，上部植入骨架12，橡胶堵头9，密封垫片13；

参见附图2、3，超材料隔振部件11基材为高分子材料；超材料隔振部件11由人工设计的超材料单胞呈蜂窝状周期性排列而成，单胞几何外形为上下端面设有凸起的六边形结构；所形成的超材料隔振部件11的左右两端呈凹凸状，上下两端为延伸至设定厚度的平面结构；超材料隔振部件11左右两端的上、下侧均开设两条在同一水平面且垂直于单胞孔111的方形贯穿槽112，超材料隔振部件11上下两侧的平面上对应每个方形贯穿槽112开设两个圆形定位及螺栓紧固用沉头孔113，两沉头孔113之间开设一个抗剪切方形沉孔114；方形贯穿槽112宽度B1为20～30mm，高度H1为3～8mm，槽间距L0为10～15mm；沉头孔113半径R1取值范围为6～15mm，方形沉孔114宽度与方形贯穿槽112宽度相等，长L1取值范围为30～40mm，沉头孔113圆心与方形沉孔114中心均位于方形贯穿槽112中心轴上，孔深相等，深度值H2为3～5mm；

上端盖1和下底板6分别位于超材料隔振器上、下端，用于承载、传力和固定超材料隔振器；上端盖1中心带有凸台，凸台中心开设螺纹安装孔，螺纹孔的规格由被隔振设备的接口尺寸确定；下底板6呈长方形，四个角处均开设有用于螺栓紧固的通孔，通孔尺寸由基座的接口尺寸确定；

上部植入骨架12和底部植入骨架10上开设金属螺纹孔接口，分别植入超材料隔振部件11上、下两装配端的方形贯穿槽112，与方形贯穿槽112过盈配合；

参见附图4，上端盖1与超材料隔振部件11的配合面涂敷双组份AB胶，通过机械锁固螺栓21与上部植入骨架12机械锁紧；下底板6与超材料隔振部件11的配合面涂敷双组份AB胶，通过机械锁固螺栓与底部植入骨架10机械锁紧；实现承载部件与隔振部件的可靠连接；由此形成超材料隔振器的主体；

限位保护罩4位于超材料隔振器主体的外层，用于对形成主体的各结构部件限位和全密封保护，防止超材料隔振器的主体被压塌；限位保护罩4顶部开设有圆孔，其限位功能由其自身与上端盖1之间的间距实现，其中主承载方向（轴向）的压缩限位间距H取值范围为0～12mm，拉伸限位H0取值范围为0～7mm；周向限位B取值范围为0～5mm；

表面包胶层2、3、7通过硫化包覆丁腈橡胶处理分别包覆于上端盖1外圆周面、限位保护罩4外圆周面和下底板6底面，用于防腐、隔离高频噪声传递和美化外观；

橡胶堵头9封堵下方并由紧固螺栓5、8紧固通孔，用于防腐蚀；

密封垫片13采用软质橡胶垫圈，置于限位保护罩4与上端盖1外圆周面的表面包胶层之间，用于防尘、防硬质夹杂物和腐蚀介质入侵。

上述方案中：超材料隔振部件11在基材（加工原材料）压缩模量为100～150MPa时，单胞几何结构参数为：单胞沿水平、竖直方向几何对称，其斜边长度L的取值范围为10～12mm，斜边与水平方向之间的夹角θ的取值范围为6～7°，斜边的壁厚tl的取值范围为2.5～3.5mm，单胞上、下两组斜边的内切圆角半径R的取值为1.5～3.0mm，竖边的壁厚th取值范围为4～5mm，单胞内轮廓的贯穿深度D的取值范围为40～180mm；单胞的加工工艺采用精密微铣削和金刚石线切割加工，加工尺寸误差△＜±0.15mm，角度误差∠＜±0.2°；

限位保护罩4材料为DP590～DP980系列高强钢；

密封垫片13材质选用低压缩模量大压缩变形的弹性硅橡胶材料，其邵氏硬度值范围为20～35。

超材料隔振器设计制造方法，包括以下步骤：

A.超材料隔振部件11的设计，根据选用的特定高分子材料，通过力学压缩试验，测试出基材的压缩模量，随后采用超材料设计技术，根据隔振系统需要，逆向定制隔振器的主承载方向刚度；通过确定的超材料单胞的周期排列参数，明确单个单胞的刚度目标，并调控超材料单胞结构中拉伸、压缩、弯曲及扭转综合效应，兼顾其它非承载方向的刚度，最终获得单胞各结构参数的最优解；

B.根据步骤A计算出的隔振部件结构，采用精密微铣削和金刚石线切割的方法获得原理样机，随后进行试验验证，直至循环迭代设计加工出合格的超材料隔振部件11；

C.根据被隔振设备和隔振基座的结构、尺寸确定上端盖1和下底板6的结构、尺寸，加工制造出上端盖1和下底板6，并对外表面进行硫化包丁腈橡胶处理；

D.根据隔振系统的限位需求，确定超材料隔振器的最大限位值，明确限位保护罩4与上端盖1之间的限位间隙，最终确定限位保护罩4的结构、尺寸；限位保护罩4的加工制造采用金属折弯主体部件，激光焊接拼接成形的复合制造工艺，并对最终成形的限位保护罩4进行外表面硫化包丁腈橡胶处理；

E.向超材料隔振部件11中植入开有螺纹孔的上部植入骨架12和底部植入骨架10，并在上端盖1和下底板6与超材料隔振部件11的配合面上涂敷约0.1mm厚的双组份AB胶，装配后使用螺栓将结构件中的承载部件与金属植入骨架锁紧，形成“承载部件/AB胶/隔振部件”三层夹板机构，完成超材料隔振器主体部件的装配；

F.将限位保护罩4与超材料隔振器主体部件进行装配，装配面通过螺栓紧固，并使用密封垫片13对限位保护罩4与上端盖1之间的间隙进行动密封；

G.使用橡胶堵头9对下底板6下方螺栓紧固通孔进行封堵密封，形成橡胶全包覆的完整外观面，获得超材料隔振器产品。

实施例2，选取超材料隔振部件11为某橡胶材料，基材压缩模量为110MPa,隔振器设计目标为额定载荷200Kg,静刚度1000N/mm。经超材料设计方法计算出超材料单胞结构参数如下：斜边长度L的取值为11.66mm，斜边与水平方向之间的夹角θ的取值为6.5°，斜边的壁厚tl的取值为2.92mm，竖边的壁厚th为4.12mm，单胞两组斜边在水平方向的内切圆半径R取值为2.1mm：单胞内轮廓的贯穿深度D的取值范围为80mm。超材料隔振部件11的上、下两装配端均开设两条垂直于单胞孔111的方形贯穿槽112，每条方形贯穿槽112上开设两个圆形定位及螺栓紧固用沉头孔113，开设一个抗剪切方形沉孔114；沉头孔113半径R1取值为8mm，方形沉孔114的宽度25mm，长L1取值36mm，沉头孔113与方形沉孔114的孔深H2为3.8mm。方形贯穿槽112宽度B1为25mm，高度H1为4mm，槽间距L0为12mm。植入金属骨架的作用一方面提供金属螺纹连接孔，另一方面增大连接界面的受力面积，缓解应力集中，防止隔振部件使用过程中局部撕裂。

装配时，在上端盖1、下底板6及超材料隔振部件11的配合面涂敷约1mm后双组份AB胶，随后通过M6螺栓对承载部件与植入的金属骨架进行紧固，形成“承载部件/AB胶/隔振部件”夹板效应。其中机械锁紧促进了AB胶在胶结界面的均匀分布与加速固化，胶结则提供连接作用，兼顾填充连接面之间的间隙，增大了隔振部件的受力面，能有效缓解界面应力集中，增加连接界面的强度与耐疲劳性能，防止连接界面使用过程中剥落。

超材料隔振器的限位如图5所示，取压缩方向的限位值H=10mm，当隔振器压缩位移大于10mm时，刚性限位保护罩直接支撑隔振设备，可以防止隔振部件过载压塌；取拉伸方向限位值H0=5mm为，当设备受冲击过载产生拉伸位移大于5mm时，刚性限位保护罩直接约束隔振器上端盖，发挥防脱落保护作用；取侧向限位值B=5mm，即隔振器过载时，侧向位移大于5mm时，限位保护罩发挥限位保护作用。

超材料隔振器活动部位的动密封如图1所示，采用低压缩模量大压缩变形的硅橡胶密封垫圈，其邵氏硬度为30；隔振器内用于连接隔振部件与承载部件的螺栓沉头孔处均采用丁晴橡胶堵头密封，隔振器外观面均采取硫化包胶处理，包胶材料为耐油基丁腈橡胶，表面进行磨砂处理，最终的超材料隔振器产品如图5所示。

按照上述实施例设计制造的超材料隔振器，额定载荷2000N，主承载Z方向固有频率13Hz，静刚度961N/mm，动刚度1395N/mm，达到设计预期（静刚度1000N/mm）。非承载方向X向静刚度1686N/mm，动刚度2363N/mm；Y向静刚度1375N/mm，动刚度1938N/mm。非承载方向的静刚度与动刚度均大于主承载方向，弥补了传统BE/EA/WH型隔振器的不足，有利于提高隔振系统的抗侧滑、抗纵倾、抗横摇能力。并且按所述实施例设计制造的超材料隔振器在额定载荷危险频率（共振频率）下，以振幅大于1mm的工况进行超过33万次的振动，其固有频率变化低于6%,超材料隔振器结构保持完整，结构部件与隔振部件之间的界面未发生任何脱胶、剥落现象。

Claims (3)

1.一种超材料隔振器，其特征是：它包括：超材料隔振部件(11)与作为结构部件的：上端盖(1)，限位保护罩(4)，下底板(6)，表面包胶层，紧固螺栓，底部植入骨架(10)，上部植入骨架(12)，橡胶堵头(9)以及密封垫片(13)；

所述超材料隔振部件(11)由超材料单胞呈蜂窝状排列而成，所述单胞几何外形为上下设有凸起的六边形；所述超材料隔振部件(11)的左右两端呈凹凸状，上下两端为延伸至设定厚度的平面结构；所述超材料隔振部件(11)左右端的上、下侧均开设两条在同一水平面且垂直于所述单胞孔(111)的方形贯穿槽(112)，每条所述方形贯穿槽(112)上开设两个圆形定位及螺栓紧固用沉头孔(113)，两个所述沉头孔(113)之间开设一个抗剪切方形沉孔(114)；所述方形贯穿槽(112)宽度B1为20～30mm，高度H1为3～8mm，槽间距L0为10～15mm；所述沉头孔(113)半径R1取值范围为6～15mm，所述方形沉孔(114)宽度与所述方形贯穿槽(112)宽度相等，长L1取值范围为30～40mm，所述沉头孔(113)圆心与所述方形沉孔(114)中心均位于所述方形贯穿槽(112)中心轴上，孔深相等，深度值H2为3～5mm；

所述上端盖(1)和所述下底板(6)分别位于所述超材料隔振部件(11)的上、下端；所述上端盖(1)中心带有凸台；

所述上部植入骨架(12)和所述底部植入骨架(10)上开设金属螺纹孔接口，分别植入所述超材料隔振部件(11)上、下两端的所述方形贯穿槽(112)，与所述方形贯穿槽(112)过盈配合；

所述上端盖(1)与所述超材料隔振部件(11)的配合面涂敷双组份AB胶，通过机械锁固螺栓(21)与所述上部植入骨架(12)机械锁紧；所述下底板(6)与所述超材料隔振部件(11)的配合面涂敷双组份AB胶，通过机械锁固螺栓与所述底部植入骨架(10)机械锁紧，由此形成所述超材料隔振器的主体；

所述限位保护罩(4)位于所述超材料隔振器主体的外层；所述限位保护罩(4)顶部开设有圆孔，其限位功能由其自身与所述上端盖(1)之间的间距实现，其中主承载方向的压缩限位间距H取值范围为0～12mm，拉伸限位H0取值范围为0～7mm；周向限位B取值范围为0～5mm；

所述表面包胶层通过硫化包覆丁腈橡胶处理包覆于所述上端盖(1)外圆周面、所述限位保护罩(4)外圆周面和所述下底板(6)的底面；

所述橡胶堵头(9)封堵所述下底板(6)并由所述紧固螺栓紧固；

所述密封垫片(13)采用软质橡胶垫圈，置于所述限位保护罩(4)与所述上端盖(1)外圆周面的表面包胶层之间。

2.根据权利要求1所述的超材料隔振器，其特征是：

所述超材料隔振部件(11)在基材压缩模量为100～150MPa时，所述单胞几何结构参数为：所述单胞沿水平、竖直方向几何对称，其斜边长度L的取值范围为10～12mm，所述斜边与水平方向之间的夹角θ的取值范围为6～7°，所述斜边的壁厚tl的取值范围为2.5～3.5mm，所述单胞上、下两组斜边的内切圆角半径R的取值为1.5～3.0mm，竖边的壁厚th取值范围为4～5mm，所述单胞内轮廓的贯穿深度D的取值范围为40～180mm；所述单胞的加工工艺采用精密微铣削和金刚石线切割加工，加工尺寸误差△＜±0.15mm，角度误差∠＜±0.2°；

所述限位保护罩(4)材料为DP590～DP980系列高强钢；

所述密封垫片(13)材质选用低压缩模量大压缩变形的弹性硅橡胶材料，其邵氏硬度值范围为20～35。

3.根据权利要求1所述的超材料隔振器，其特征是：所述上端盖(1)凸台中心开设有用于和被隔振设备相连的螺纹安装孔；所述下底板(6)四个角处均开设有用于和基座接口固定的螺栓紧固的通孔。