CN106969079A - 一种隔振装置 - Google Patents

Abstract

一种隔振装置，隔振装置，包括第一弹性腔，位于所述第一弹性腔内的至少两种颗粒状物质，其特征在于：每种颗粒状物质的体积、质地、硬度各异。本发明相对于现有技术，既具有抗压承载力，又具有竖向弹性力，减振隔振效果更加。

Description

一种隔振装置

技术领域

本发明涉及一种隔振装置，尤其涉及一种在竖向方向具有良好的隔振减振效果的隔振装置。

背景技术

地铁等轨道交通在带给人们便捷的同时，也因高速运动产生振动和噪音而影响了沿线居民的生活，尤其以地铁运行时竖向方向产生的高频振动对建筑物的不利影响最为显著。隔振装置因其具有水平变形、竖向抗拉能力和自动复位特点，而广泛运用于桥梁、墩台、建筑物等地方。

现有的隔振装置主要包括板式橡胶装置、空气弹簧装置、油阻尼-钢弹簧组合装置。如专利文献1(专利号为ZL200620163864.6，公告号为CN200992679Y的中国实用新型专利《橡胶隔振支架》)公开的橡胶隔振装置，该装置包括上板、下板及位于上板与下板之间的隔振垫，该隔振垫主要由橡胶构成，在橡胶内设有至少两层加强板，相邻两层加强板之间为橡胶层，通过橡胶的弹性和阻尼特性对地铁运行中产生的振动进行削弱，从而达到减振效果。

专利文献2(专利号为ZL201210094206.6，公开号为CN102628486A的中国发明专利申请《变刚度变阻尼空气隔振装置》)公开的一种空气弹簧，该空气弹簧主要包括固定底缸、扣于固定底缸上并与其密封接触的内部充有气体的活动气缸、连接活动气缸和固定底缸的节流管以及位于节流管内部的节流阀片，当有振动从底部传入时，振动经固定底缸使其产生上下振动，固定底缸向上振动时，活动气缸内的气体被压缩，气压增大，从而气体经节流管流向固定底缸，在经过节流阀片时，产生一定阻尼，从而消耗振动的能量。

又如专利文献3(专利号为200920073177.9，公告号为CN201420308Y的中国实用新型专利《钢球-弹簧隔振装置结构》)公开的隔振装置，该装置包括下基座、均匀对称设置于下基座上的钢球以及位于钢球上的上盖板，上盖板和下基座间设有至少一组垂直阻尼弹簧，产生振动时，下基座与上盖板通过钢球产生位移，通过弹簧的恢复作用力，上盖板与下基座恢复至原位，以抵消振动。

上述三种隔振支架均能实现一定程度的减振隔振作用，但专利文献1中板式橡胶装置虽具有足够大的抗压承载力和水平向隔振功能，却难以满足竖向减振隔振的要求；专利文献2中的空气弹簧虽能实现竖向隔振功能，但抗压承载力和阻尼系数不足，无法适用较重的机械设备和建筑；专利文献3中的组合装置虽具有竖向减震隔震功能，但钢弹簧的极限抗压承载力很难提高，且耐介质性和耐腐蚀性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种抗压承载力大，长久耐用的具竖向减振隔振功能的隔振装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种隔振装置，包括第一弹性腔，位于所述第一弹性腔内的至少两种颗粒状物质，其特征在于：每种颗粒状物质的体积、质地、硬度各异。

进一步的，所述多种颗粒状物质为均匀级配砂颗粒、铅珠与弹性颗粒的组合，所述均匀级配砂颗粒粒径＜2mm，所述铅珠粒径为2mm，所述弹性颗粒的粒径为2～4mm，三者按一定比例配合。均匀级配砂颗粒的粒径最小，铅珠的粒径居中，弹性颗粒的粒径最大，粒径大小关系可使得三种物质拌合后处于密实状态，而适当的配合比例能保证隔振装置的隔振效果和抗压效果。

进一步的，所述第一弹性腔体内还包括内部充满气体的第二弹性腔，所述第二弹性腔外接一导管用于充放气以调节第二弹性腔内的气压，所述导管经第一弹性腔的上端上的通孔伸出。该结构方便使用者通过充气或放气来调整第二弹性腔的压强，进而使装置的竖向刚度达到设计值。

进一步的，所述第一弹性腔的上端与下端各向外延伸，分别对应形成第一颈部、第二颈部，所述第一颈部末端设有与其通过固定组件连接的第一封板，所述第二颈部末端设有与其通过固定组件连接的第二封板。封板的设置能增加外界与隔振装置的接触面积，以此提高隔振装置放置的稳定性，从而提高装置的隔振效果。

进一步的，所述固定组件包括螺栓、法兰，所述第一封板、第二封板上对应设有圆周方向排布的装配孔，所述螺栓穿过所述装配孔后，末端经过所述法兰上的穿孔抵接所述第一弹性腔的外壁，所述螺栓的螺帽上边沿与所述第一封板、第二封板齐平，所述法兰的尾部沿颈部形成方向与所述颈部的外壁抵接，从而实现装置整体的稳固性。

进一步的，所述第二弹性腔与导管的交界处采用碳纤维增强橡胶补贴，所述导管与第一弹性腔的上端的交界处为密封橡胶圈。

进一步的，所述第一弹性腔由里层、中间层和外层构成，所述里层为增强橡胶层，中间层为碳纤维布层，外层为橡胶层，所述弹性颗粒为硅胶颗粒或橡胶颗粒，所述第二弹性腔分为里层和外层，该里层为丁基橡胶层，外层为碳纤维增强橡胶层。增强橡胶耐磨性和密封性好，有助于维持装置在自重荷载作用下的外形不变，便于振捣、运输和施工安装；碳纤维布抗拉强度高，能为内部填充颗粒提供足够大的侧向约束，进而使装置具有足够的抗压承载力；橡胶耐介质、耐老化性能佳，能保证装置的耐久性；在装置内部填充颗粒物质，能将装置承受的竖向压力通过均匀级配砂的传力骨架转化为第一弹性腔的侧向拉力，进而为内部填充物提供侧向约束；丁基橡胶的气密性好，碳纤维增强橡胶抗拉强度大且耐磨，用其作为储存气体的介质，能很好的密封气体，确保隔振装置内部的气密性，提高减振效果。

进一步的，所述第一弹性腔由多个子弹性腔并列排布构成，每个子弹性腔内包含第二弹性腔，所述多个子弹性腔的上端、下端分别一体成型。

进一步的，每个子弹性腔内的第二弹性腔为多个，多个所述第二弹性腔由所述导管串联连接。

进一步的，所述第一弹性腔由多个子弹性腔串联一体成型，多个第二弹性腔由所述导管串联连接，每个子弹性腔内至少对应一个所述的第二弹性腔。

进一步的，相邻子弹性腔一体成型时，于连接处形成凹槽，所述凹槽内套设与其适配的环体，所述第一弹性腔、第二弹性腔为球形或椭球形。通过该结构能进一步降低装置的竖向刚度，增加阻尼系数，提高减振隔振效果。

一种设计如上述所述的隔振装置的方法，其特征在于：

设定阻尼设计值和刚度设计值；

根据所述阻尼设计值确定所述隔振装置内所需的铅珠和砂粒体积；

测试铅珠和砂粒二者共同占比为100％时的竖向刚度值；

依据所述竖向刚度值和刚度设计值的差值，确定所需橡胶颗粒的体积；

依据上述所有颗粒拌合后的总体积，确定所述隔振装置的第一弹性腔的体积和尺寸。据此，可通过调整弹性颗粒、铅珠和均匀级配砂颗粒的体积拌合比例，设计隔振装置的竖向刚度和阻尼。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过将砂粒、铅珠与弹性颗粒按照一定比例配合在弹性腔体内构成隔振装置，充分利用弹性材料处于颗粒状态时，颗粒之间能形成类似弹簧串联的效果，减小装置的竖向刚度，利用铅珠能提供竖向减振所需的阻尼，均匀级配砂颗粒处于干燥状态，填充弹性颗粒与铅珠之间的缝隙时，能作为弹性颗粒和铅珠之间的传力骨架，并通过竖向摩擦运动为装置提供耗能阻尼，从而使得隔振装置具有良好的隔振效果和抗压承载能力；且在第一腔体内放置充满气体的第二腔体时，第二腔体内的气体也能通过改变外部颗粒间的传力骨架，为装置提供竖向弹性和恢复力，使得装置既具有抗压承载力，又具有竖向弹性力，减振隔振效果更加。

附图说明

图1为本发明实施例一的隔振装置结构示意图；

图2为本发明实施例一的隔振装置的内部结构图；

图3为本发明实施例二的隔振装置连接导管充放气的内部结构图。

图4为本发明实施例三的隔振装置连接导管充放气的内部结构图；

图5为本发明实施例一设计隔振装置的流程图；

图6为根据本发明实施例一得到的竖向加载力-位移曲线图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一

如图1-2所示，为本发明的一个优选实施例，该隔振装置包括第一封板5、第二封板9，第一封板5与第二封板9之间设置有外包装囊体8，外包装囊体8内部填充颗粒物质11。其中，上、下封板5和9为带有螺栓孔的不锈钢，通过锁紧螺栓6和铝合金法兰7固定在外包装囊体8的上下端，并通过角部预埋螺栓与上、下部建筑结构相连。

外包装囊体8分为三层：里层为耐磨性和密封性好的增强橡胶；中间层为抗拉强度高的碳纤维布；外层为耐介质和耐老化性能佳的橡胶。增强橡胶层有助于维持装置在自重荷载作用下的外形不变，便于振捣、运输和施工安装；高抗拉强度的碳纤维布层可提供足够大的侧向约束，进而使装置具有足够的抗压承载力，可广泛应用于大、中型建筑结构；耐介质和耐老化橡胶层则用于保证装置的耐久性。

内部填充物11由三种不同材料和粒径的颗粒物质拌合而成，分别为粒径为小于2mm的均匀级配砂颗粒、粒径为2mm的铅珠，以及粒径为2～4mm的弹性颗粒，如硅胶或橡胶颗粒。均匀级配砂颗粒的粒径最小，铅珠的粒径居中，弹性颗粒的粒径最大，粒径大小关系可使得三种物质拌合后处于密实状态。外包装囊体8内部填充颗粒物质后，装置的竖向压力通过均匀级配砂的传力骨架转化为外包装囊体的侧向拉力，进而为内部填充物提供侧向约束。

弹性颗粒为装置提供隔振所需的竖向刚度和弹性恢复力。优选的，弹性颗粒可以为硅胶、橡胶或其他弹性材料。当弹性材料处于颗粒状态时，颗粒之间可形成类似弹簧串联的效果，竖向刚度相对于块状时可达到更小。铅珠主要为装置提供竖向减振所需的阻尼，具有自复位功能。均匀级配砂颗粒要求处于干燥状态，主要用于填充弹性颗粒与铅珠之间的缝隙，一方面作为弹性颗粒和铅珠之间的传力骨架，另一方面也通过竖向摩擦运动为装置提供耗能阻尼。

为了设计出合理的隔振装置，可以通过调整弹性颗粒、铅珠和均匀级配砂颗粒的体积拌合比例，设计隔振装置的竖向刚度和阻尼。其设计方法为：首先设定阻尼设计值和刚度设计值；然后由阻尼设计值确定装置所需的铅和砂粒体积；再测试铅和砂颗粒二者共同占比为100％时的竖向刚度值；由上述竖向刚度值和刚度设计值的差别，进一步确定所需橡胶颗粒的体积；由上述所有颗粒拌合后的总体积，确定外包装囊体所需的体积和设计尺寸。设计流程如图5所示。

具体的，实验时按图1设计了外包装囊体最大直径为150mm，且总高度为90mm的上述隔振装置。在表1所示的四个工况下，应用液压万能试验机作竖向加载，测试其竖向刚度和阻尼(阻尼的衡量指标为能量损耗因子)。

表1测试工况

为单独反映阻尼耗能特性，上述试验工况中的砂颗粒和铅珠的体积拌合比例相同，实际工程中可根据传力需要调整两者的拌合比例。随着橡胶颗粒的比例由100％逐渐降低至0％，砂颗粒和铅珠所占比例也逐渐按比例增大。试验得到的力-位移曲线如图6所示，能量损耗因子和竖向刚度测试结果如表2所示。

表2各工况时的竖向刚度和能量损耗因子测试结果

试验结果表明，工况一(橡胶颗粒占100％)时，竖向刚度最小，能量损耗因子也最小。随着橡胶颗粒所占比重逐步减小至75％，50％，25％和0％(工况二至工况五)，竖向刚度也随之大幅增加，说明装置的竖向隔振性能(低刚度特性)主要由橡胶颗粒提供。此外，随着铅颗粒和砂颗粒合占比重由0％逐渐增加至100％(工况一至工况五)，装置的能量损耗因子也由5.8％逐步增加至12.1％，阻尼耗能效果大幅增加。故而，为了得到具有良好隔振效果和抗压能力的装置，需根据需求合理配比砂粒、铅珠和橡胶颗粒的比例。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，其余部分均相同，在此不再赘述，仅对改进之处进行说明。

如图3所示，外包装囊体8内还设置有气囊4，气囊4内充有气体。气囊4可外接一根铜管1，铜管1由第一封板5的中间通孔伸出，气囊4与铜管1的交界处采用碳纤维增强橡胶3补强，当隔振装置的竖向刚度与施工者想要的值偏离较大时，可通过铜管1进行充气或放气，从而使得隔振装置的竖向刚度达到要求值，因为气囊4仅承受周围颗粒物质施加的压力，反之，当气囊充气时，颗粒间的接触更加紧密，隔振装置的高度变高，对应有隔振装置的竖向刚度大，气囊放气时，周围颗粒受到气囊的挤压变小，使得颗粒间的接触变得相对松散，此时隔振装置的高度相对变低，对应着隔振装置的竖向刚度变小，故而可通过调整气囊4承受的压强，来使得隔振装置的竖向刚度达到要求值。铜管1与第一封板5的交界处采用密封橡胶圈密封2，以防漏气。当然，可根据需要将气囊4设计成球形或者椭球形，从而使得气囊表面受压更加均匀，提高减振隔振效果。

内部气囊4的包装由两层橡胶组成，里层采用为丁基橡胶，气密性好；外层为碳纤维增强橡胶，抗拉强度大且耐磨性好。由于气囊采用的材质能使得气囊的橡胶包装层避免受拉现象，使得装置的安全性大幅提升。

该隔振装置在出现向激振时，颗粒间的摩擦运动可为竖向减振提供耗能阻尼，从而使其阻尼系数远大于同体积的空气弹簧，并由于采用特殊材质的橡胶，能耐介质和耐摩擦，从而效果也优于油阻尼-钢弹簧组合装置。

实施例三

实施例三为对实施例二的改进，此处仅对改进处进行说明。

该隔振装置的气囊由多个气囊4通过铜管1串联形成，外包装囊体由多个外包装囊体8串联一体成型，并在相邻成型连接处形成凹槽，每个气囊4分别对应位于相应的外包装囊体8中，在一体成型的外包装囊体的凹槽处也可增设环状部件10，由于单独的外包装囊体与气囊的组合具有竖向弹性，当多个外包装囊体与气囊组合串联形成一个隔振装置时，根据弹簧串联原理可知该装置能进一步降低系统的竖向刚度、增加阻尼系数，从而减振隔振效果更佳。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隔振装置，包括第一弹性腔，位于所述第一弹性腔内的至少两种颗粒状物质，其特征在于：每种颗粒状物质的体积、质地、硬度各异。

2.根据权利要求1所述的隔振装置，其特征在于：所述第一弹性腔内的颗粒状物质为均匀级配砂颗粒、铅珠与弹性颗粒的组合，所述均匀级配砂颗粒粒径＜2mm，所述铅珠粒径为2mm，所述弹性颗粒的粒径为2～4mm。

3.根据权利要求2所述的隔振装置，其特征在于：所述第一弹性腔内还包括内部充满空气的第二弹性腔，所述第二弹性腔外接一导管用于充放气以调节第二弹性腔内的气压，所述导管经第一弹性腔的上端上的通孔伸出。

4.根据权利要求3所述的隔振装置，其特征在于：所述第一弹性腔的上端与下端各向外延伸，分别对应形成第一颈部、第二颈部，所述第一颈部末端设有与其通过固定组件连接的第一封板，所述第二颈部末端设有与其通过固定组件连接的第二封板。

5.根据权利要求4所述的隔振装置，其特征在于：所述固定组件包括螺栓、法兰，所述第一封板、第二封板上对应设有圆周方向排布的装配孔，所述螺栓穿过所述装配孔后，末端经过所述法兰上的穿孔抵接所述第一弹性腔的外壁，所述螺栓的螺帽上边沿与所述第一封板、第二封板齐平，所述法兰的尾部沿颈部形成方向与所述颈部的外壁抵接。

6.根据权利要求5所述的隔振装置，其特征在于：所述第二弹性腔与导管的交界处采用碳纤维增强橡胶补贴，所述导管与第一弹性腔的上端的交界处为密封橡胶圈；所述第一弹性腔由里层、中间层和外层构成，所述里层为增强橡胶层，中间层为碳纤维布层，外层为橡胶层，所述弹性颗粒为硅胶颗粒或橡胶颗粒；所述第二弹性腔分为里层和外层，该里层为丁基橡胶层，外层为碳纤维增强橡胶层。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的隔振装置，其特征在于：所述第一弹性腔由多个子弹性腔并列排布构成，每个子弹性腔内包含第二弹性腔，所述多个子弹性腔的上端、下端分别一体成型；每个子弹性腔内的第二弹性腔为多个，多个所述第二弹性腔由所述导管串联连接。

8.根据权利要求3-6中任一项所述的隔振装置，其特征在于：所述第一弹性腔由多个子弹性腔串联一体成型，多个第二弹性腔由所述导管串联连接，每个子弹性腔内至少对应一个所述的第二弹性腔。

9.根据权利要求8所述的隔振装置，其特征在于：相邻子弹性腔一体成型时，于连接处形成凹槽，所述凹槽内套设与其适配的环体，所述第一弹性腔、第二弹性腔为球形或椭球形。

10.一种设计如上述权利要求1-9所述的隔振装置的方法，其特征在于：

设定阻尼设计值和刚度设计值；

根据所述阻尼设计值确定所述隔振装置内所需的铅珠和砂粒体积；

测试铅珠和砂粒二者共同占比为100％时的竖向刚度值；

依据所述竖向刚度值和刚度设计值的差值，确定所需橡胶颗粒的体积；

依据上述所有颗粒拌合后的总体积，确定所述隔振装置的第一弹性腔的体积和尺寸。