CN107542827B - 一种复合结构声子晶体隔振支座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合结构声子晶体隔振支座，主要由振动输入轴套、隔振衬套、支撑衬套、表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件、外套筒、限位结构和隔振器底座构成，振动输入轴套与隔振衬套相连，隔振衬套与支承轴套相连，支承轴套分别通过表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件与外套筒连接，外套筒与底座连接，限位结构与底座连接为一体。本发明解决了被动式隔振支座隔振频率范围窄，隔振方向单一，隔振效果不明显的问题。所述机构对于由垂向振动、侧向振动以及扭转振动可进行有效隔离，同时可对大振幅振动起到限位作用，该结构可作为各类机械设备、精密仪器等设备的隔振设施。

Description

一种复合结构声子晶体隔振支座

技术领域

本发明属于隔振降噪技术领域，具体涉及一种基于局域共振声子晶体隔振和橡胶隔振的复合结构声子晶体隔振支座。

背景技术

振动是自然界最普遍的现象之一。大至宇宙，小至亚原子粒子，无不存在振动。各种形式的物理现象，包括声、光、热等都包含振动。然而，在许多情况下，振动被认为是有害的。例如，振动会影响精密仪器设备的功能，降低加工精度和光洁度，加剧构件的疲劳和磨损，从而缩短机器和结构物的使用寿命，振动还可能引起结构的大变形破坏，有的桥梁曾因振动而坍毁；飞机机翼的颤振、机轮的抖振往往造成事故；车船和机舱的振动会劣化乘载条件；强烈的振动噪声会形成严重的公害。

隔振就是将振动源与基础或其他物体的刚性连接改成弹性连接，以隔绝或减弱振动能量的传递，从而实现减振降噪的目的。目前，关于振动的隔离措施有许多种，从原理上来讲，主要分为被动隔振和主动隔振。

橡胶隔振是工程上常用的被动隔振手段。橡胶垫、橡胶衬套等都是常用的隔振元件。其结构一般比较简单，便于加工与生产，对于工程低频振动(5-15Hz以内的振动)能起到很好的隔振作用。但是，其主要缺点为橡胶的高频硬化，当振动的频率较高时，橡胶的刚度增加，不利于中高频振动的隔离。

主动隔振技术应用也较为广泛，根据外界工况需要，可以通过自动调整隔振结构内部的参数(如电磁阀位移)等方式进行主动隔振。但其存在结构较为复杂，能量消耗较大，且只能针对某一特定频率或较窄的频带进行振动隔离，成本一般较高，不适用于普通工程设备的推广使用的缺点。

声子晶体是一种具有弹性波禁带的周期性结构功能材料，由于处于弹性波禁带频率范围内的弹性波信号不能进行传递，因而，其成为近年来新兴的一种隔振降噪材料。随着材料组分搭配及周期结构形式的不同，声子晶体的弹性波禁带特性也不同，进而导致其隔振降噪效果的差异。通过设计不同形式的声子晶体结构及相关参数，可对一定频带内的振动信号进行有效隔离，使得声子晶体在隔振降噪领域具有广阔的应用前景。

目前，普通的被动式隔振支座没有外部能量输入，主要利用橡胶或者液压进行振动隔离，且隔振方向一般比较单一、隔振频率范围较窄，不能完全满足各类工程需求。部分隔振结构虽采用声子晶体，但是隔振方向较为单一，隔振效果一般，结构设计一般比较简单，很难实际应用到工程领域。综上所述，如能研发出一种复合结构声子晶体隔振支座，使其在满足各类工况隔振要求的前提下，也便于工程实际安装是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种复合结构声子晶体隔振支座，隔振支座利用局域共振声子晶体具有周期结构和弹性波带隙的特性以及橡胶材料工程低频隔振性能良好的特性，解决了被动式隔振支座隔振频率范围窄，隔振方向单一，隔振效果一般的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种复合结构声子晶体隔振支座，主要由振动输入轴套1、隔振衬套2、支撑衬套3、表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件、外套筒10、限位结构11和隔振器底座12构成；

所述表面式局域共振型隔振组件由散射体Ⅰ4、弹性柱5和冲孔基体板Ⅰ6组成，冲孔基体板Ⅰ6为圆环状，表面均匀分布多个固定片，每个固定片的中部设有一个与弹性柱5相连的圆台，弹性柱5上对应连有散射体Ⅰ4；

所述嵌入式局域共振型隔振组件由散射体Ⅱ7、弹性圆环8和冲孔基体板Ⅱ9组成，冲孔基体板Ⅱ9为圆环状，表面均匀分布多个弹性圆环8，每个弹性圆环8上连有一个散射体Ⅱ7；

所述振动输入轴套1与隔振衬套2插接，隔振衬套2与支撑衬套3插接，支撑衬套3依次插入冲孔基体板Ⅰ6和冲孔基体板Ⅱ9的中部圆孔，且冲孔基体板Ⅰ6和冲孔基体板Ⅱ9沿支撑衬套3轴向周期性交替排布；所述外套筒10固定在表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件外部，且下方与底座12相连；所述限位结构11固定在底座12上，且初始状态下不与振动输入轴套1、隔振衬套2、支撑衬套3及底层冲孔基体板Ⅰ6接触。

所述固定片共16片，以8片为一圈间隔分布在冲孔基体板Ⅰ6上，同一圈相邻2片固定片间间隔45°角；在内外两圈固定片之间还开有一圈圆孔，圆孔共8个，且每个圆心分布位置均不与圆台圆心位于同一半径，径向位置不与两圈固定片圆台圆心的连线共线，相邻2个圆孔间间隔45°角。

所述弹性圆环8共24个，以12个为一圈间隔分布在冲孔基体板Ⅱ9上，同一圈相邻2个弹性圆环8间间隔30°角；在内外两圈弹性圆环8之间开有一圈共12个第一圆孔，相邻2个第一圆孔间间隔30°角；在外圈弹性圆环8上还开有12个第二圆孔，间隔分布在每两个弹性圆环8之间，相邻2个第二圆孔间间隔30°角；第一圆孔、第二圆孔的每个圆心分布位置均不与弹性圆环8圆心位于同一半径，径向位置不与两圈弹性圆环8圆心的连线共线。

所述冲孔基体板Ⅰ6间隔均布在两冲孔基体板Ⅱ9之间。

所述底座12由底部支撑面和与支撑面一体加工的中部圆筒构成，圆筒外侧的支撑面上沿周向设有6个螺栓孔，外套筒10的圆筒底部外壁面与圆筒的内壁面相连，限位结构11固定在圆筒内侧的支撑面上。

所述隔振衬套2与分别振动输入轴套1、支撑衬套3胶接，支撑衬套3分别与冲孔基体板Ⅰ6、冲孔基体板Ⅱ9胶接，外套筒10分别与表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件胶接，底座12分别与外套筒10、限位结构11胶接。

所述振动输入轴套1、支撑衬套3和外套筒10均由铝或碳纤维材料制成。

所述隔振衬套2和限位结构11均由硫化橡胶制成。

所述冲孔基体板Ⅰ6和冲孔基体板Ⅱ9均由碳纤维材料制成，弹性柱5和弹性圆环8均由硅橡胶材料制成，散射体Ⅰ4和散射体Ⅱ7均由钨合金或铅材料制成。

所述底座12由碳纤维或铝材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明综合利用橡胶材料工程低频隔振特性(5-15Hz)与局域共振声子晶体低频(15Hz以上)宽带隔振特性，可以对工程机械常用频率范围内的振动进行有效阻隔，且可以通过调整局域共振声子晶体的周期分布实现隔振范围的频率调节功能，以有效满足不同工程机械的隔振要求；

2、通过综合隔振衬套、表面式和嵌入式局域共振声子晶体可以实现对于垂向振动、侧向振动及平行于底座平面的面内扭转振动进行隔离，解决了隔振方向的单一性；

3、通过调整局域共振声子晶体周期数、隔振衬套的材料参数及尺寸参数可有效增加隔振器隔振量，解决被动式隔振支座隔振效果不理想的问题，且该发明在底座设置限位结构，以防止振幅过大对底座产生刚性冲击造成结构破坏。通过调整该发明的结构参数，可满足不同工程设备及精密仪器的隔振要求，且该结构便于实际工程安装。

附图说明

图1为本发明的一种复合结构声子晶体隔振支座立体结构示意图；

图2为本发明的一种复合结构声子晶体隔振支座爆炸图；

图3为本发明的一种复合结构声子晶体隔振支座中表面式局域共振型隔振组件冲孔基体板结构图；

图4为本发明的一种复合结构声子晶体隔振支座中嵌入式局域共振型隔振组件结构图；

图5为本发明的一种复合结构声子晶体隔振支座中底座及限位结构图。

图中，1.振动输入轴套 2.隔振衬套 3.支撑衬套 4.散射体Ⅰ 5.弹性柱 6.冲孔基体板Ⅰ 7.散射体Ⅱ 8.弹性圆环 9.冲孔基体板Ⅱ 10.外套筒 11.限位结构 12.底座。

具体实施方式

实施例1

结合图1和图2说明，本实施方式的一种复合结构声子晶体隔振支座主要由振动输入轴套1、隔振衬套2、支撑衬套3、表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件、外套筒10、限位结构11和隔振器底座12构成；

表面式局域共振型隔振组件由多个散射体Ⅰ4、多个弹性柱5和冲孔基体板Ⅰ6组成，多个弹性柱5周期均布固定在冲孔基体板Ⅰ6上的固定片上，多个散射体Ⅰ4周期均布固定在多个弹性柱5上，且二者数量一致；

嵌入式局域共振型隔振组件由多个散射体Ⅱ7、多个弹性圆环8和冲孔基体板Ⅱ9组成，每个散射体Ⅱ7均固定在每个弹性圆环8内，且二者数量一致，多个弹性圆环8周期均布固定在冲孔基体板Ⅱ9第一圆形孔内，且二者数量一致；

振动输入轴套1插入到隔振衬套2中，且二者连接在一起，隔振衬套2插入到支承轴套3中，且二者连接在一起，支承轴套3分别插入到表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件中部圆孔内连接在一起，表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件分别与外套筒10内表面相连，限位结构11与底座12连接为一体，外套筒10外表面与底座12二者连接在一起。

按照上述设置，有利于综合利用橡胶材料工程低频隔振特性与局域共振声子晶体低频宽带隔振特性，可以对工程机械常用频率范围内的各个方向的振动进行有效阻隔，同时可以对垂直于底座平面的垂向振动、平行于底座平面的侧向振动以及平行于底座平面的扭转振动起到隔振作用；且可以通过调整局域共振的周期分布实现隔振范围的频率调节功能，可满足不同工程设备及精密仪器的隔振要求。

实施例2

结合图2说明，本实施方式的一种复合结构声子晶体隔振支座的振动输入轴套1插入到隔振衬套2中，且二者胶接在一起，隔振衬套2插入到支承轴套3中，且二者胶接在一起，支承轴套3分别插入到表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件中部圆孔内，且支承轴套3外表面分别与表面式局域共振型隔振组件中部圆孔内表面、嵌入式局域共振型隔振组件中部圆孔内表面胶接在一起，表面式局域共振型隔振组件外圆环表面、嵌入式局域共振型隔振组件外圆环表面分别与外套筒10胶接相连，外套筒10与底座12二者胶接在一起，限位结构11与底座12胶接在一起。按照上述设置，方便各部件之间的连接。其它与具体实施例1相同。

实施例3

结合图2说明，本实施方式的一种复合结构声子晶体隔振支座的表面式局域共振型隔振组件沿支撑衬套3轴向周期性布置，嵌入式局域共振型隔振组件沿支撑衬套3轴向周期性布置，且每层嵌入式局域共振型隔振组件间隔均布在两层表面式局域共振型隔振组件之间。如此设置，在保证支撑刚度的前提下，增加了局域共振声子晶体的周期数，有利于增加该合结构隔振器隔振量。而且通过将嵌入式局域共振型隔振组件间隔均布在两套表面式局域共振型隔振组件之间，可以有效拓宽该复合结构声子晶体隔振支座的隔振频率范围。其它与具体实施例1或实施例2相同。

实施例4

结合图2和图3说明，本实施方式的一种复合结构声子晶体隔振支座的冲孔基体板Ⅰ6中，周期性加工出田字形固定片，间隔角度为45°，圆台圆心位置位于田字形轮廓形心，且直径小于田字形轮廓边长，田字形固定片沿冲孔基体板Ⅰ6径向分布为两层，且在冲孔基体板Ⅰ6上加工出圆孔，间隔角度为45°，且圆心分布位置不与田字形固定片圆心位置于同一半径，径向位置不与两层田字形固定片圆心连线共线。按照上述设置，一方面，通过周期性加工出田字形固定片，可以减小局域共振声子晶体弹性支承刚度，有利于降低局域共振隔振组件起始隔振频率，同时有利于弹性柱5的固定；另一方面，通过在冲孔基体板Ⅰ6上加工出圆孔减少冲孔基体板Ⅰ6的质量，进而增加表面式局域共振型隔振组件的隔振上限频率，可显著拓宽隔振频率范围。此外，通过保证圆心分布位置不与田字形固定片处于同一半径，径向位置不与两层田字形固定片圆心连线共线，从而防止应力集中，满足复合结构声子晶体隔振支座的强度要求，方便工程实际应用。其它与具体实施例3相同。

实施例5

结合图2和图4说明，本实施方式的一种复合结构声子晶体隔振支座的冲孔基体板Ⅱ9中，周期性加工出第一圆形孔，间隔角度为30°，沿冲孔基体板Ⅱ9径向分布为两层，且在冲孔基体板Ⅱ9上加工出第二圆形孔，间隔角度为30°，且圆心分布位置不与第一圆形孔处于同一半径，径向位置不与两层第一圆形孔圆心连线共线。按照上述设置，一方面，通过加工第一圆形孔，有利于局域共振散射体的布置，且方便侧向振动及扭转振动的隔离；另一方面，通过加工第二圆形孔，加工出圆孔减少冲孔基体板Ⅱ9的质量，进而增加嵌入式局域共振型隔振组件的隔振上限频率，可显著拓宽隔振频率范围。此外，通过保证圆心分布位置不与第一圆形孔处于同一半径，径向位置不与两层第一圆形孔圆心连线共线，从而防止应力集中，满足复合结构声子晶体隔振支座的强度要求，方便工程实际应用。其它与具体实施例4相同。

实施例6

结合图2说明，本实施方式的一种复合结构声子晶体隔振支座的振动输入轴套1、支承轴套3、外套筒10均由铝或碳纤维材料制成，隔振衬套2由硫化橡胶材料制成。按照上述设置，一方面采用轻质材料有利于拓宽隔振带隙，且有利于增加复合结构声子晶体隔振支座的强度；另一方面通过将隔振衬套设置为硫化橡胶材料，可充分发挥其工程低频隔振特性，降低复合结构声子晶体隔振支座的低频隔振频率，从而满足工程实际需求。其他与实施例5相同。

实施例7

结合图2说明，本实施方式的一种复合结构声子晶体隔振支座的表面式局域共振型隔振组件中，冲孔基体板Ⅰ6、冲孔基体板Ⅱ9均由碳纤维材料制成，弹性柱5、弹性圆环8均由硅橡胶材料制成，散射体Ⅰ4、散射体Ⅱ7均由钨合金或铅材料制成。按照上述设置，有利于降低复合结构声子晶体隔振支座低频隔振频率，提高复合结构声子晶体隔振支座高频隔振频率，从而实现低频宽带隔振，有利于工程实际应用。其他与具体实施例6相同。

实施例8

结合图2和图5说明，本实施方式的一种复合结构声子晶体隔振支座的限位结构11由硫化橡胶制成，且初始安装状态下，限位结构11上部应与由振动输入轴套1、隔振衬套2、支撑衬套3、表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件组成的结构留出距离。按照上述设置，可以保证在大振幅下，由振动输入轴套1、隔振衬套2、支撑衬套3、表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件组成的隔振系统不会与底座直接接触，而是通过限位机构进行缓冲接触，从而大大减少了冲击，有利于保证该复合结构声子晶体隔振支座的使用寿命。其他与具体实施例7相同。

实施例9

结合图5说明，本实施方式的一种复合结构声子晶体隔振支座的底座12由碳纤维或铝材料制成，且底部支承部位沿周向加工出6个螺栓孔。按照上述设置，一方面可以保证整体结构的强度与轻量化，另一方面可以对底座进行定位安装，有利于工程实际应用。其他与具体实施方例8相同。

工作过程

本发明可以实现低频宽带振动的有效隔离。当工程低频振动经由振动输入轴套输入时，由于隔振衬套的存在，使得工程低频振动得到有效衰减，对工程低频振动的传递进行有效阻隔；当振动频率提高时，经由振动输入轴套传递的振动可经过表面式局域共振型隔振组件和嵌入式局域共振型隔振组件中声子晶体发生局域共振，使得处于带隙频率范围内的振动信号得到衰减。经过衰减后的振动信号由底座传给被连接件。通过调整隔振输入轴套的材料及尺寸参数以及表面式局域共振型隔振组件和嵌入式局域共振型隔振组件中声子晶体的周期数从而实现对不同频率下的振动进行隔离。当振动振幅过大时，经过隔振后的振动信号经限位机构进行限位，减缓了振动信号对于底座的冲击，进而对振动起到缓和隔振作用。

Claims (10)

1.一种复合结构声子晶体隔振支座，其特征在于：主要由振动输入轴套(1)、隔振衬套(2)、支撑衬套(3)、表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件、外套筒(10)、限位结构(11)和隔振器底座(12)构成；

所述表面式局域共振型隔振组件由散射体Ⅰ(4)、弹性柱(5)和冲孔基体板Ⅰ(6)组成，冲孔基体板Ⅰ(6)为圆环状，表面均匀分布多个固定片，每个固定片的中部设有一个与弹性柱(5)相连的圆台，弹性柱(5)上对应连有散射体Ⅰ(4)；

所述嵌入式局域共振型隔振组件由散射体Ⅱ(7)、弹性圆环(8)和冲孔基体板Ⅱ(9)组成，冲孔基体板Ⅱ(9)为圆环状，表面均匀分布多个弹性圆环(8)，每个弹性圆环(8)上连有一个散射体Ⅱ(7)；

所述振动输入轴套(1)与隔振衬套(2)插接，隔振衬套(2)与支撑衬套(3)插接，支撑衬套(3)依次插入冲孔基体板Ⅰ(6)和冲孔基体板Ⅱ(9)的中部圆孔，且冲孔基体板Ⅰ(6)和冲孔基体板Ⅱ(9)沿支撑衬套(3)轴向周期性交替排布；所述外套筒(10)固定在表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件外部，且下方与底座(12)相连；所述限位结构(11)固定在底座(12)上，且初始状态下不与振动输入轴套(1)、隔振衬套(2)、支撑衬套(3)及底层冲孔基体板Ⅰ(6)接触。

2.根据权利要求1所述的一种复合结构声子晶体隔振支座，其特征在于：所述固定片共16片，以8片为一圈间隔分布在冲孔基体板Ⅰ(6)上，同一圈相邻2片固定片间间隔45°角；在内外两圈固定片之间还开有一圈圆孔，圆孔共8个，且每个圆心分布位置均不与圆台圆心位于同一半径，径向位置不与两圈固定片圆台圆心的连线共线，相邻2个圆孔间间隔45°角。

3.根据权利要求1所述的一种复合结构声子晶体隔振支座，其特征在于：所述弹性圆环(8)共24个，以12个为一圈间隔分布在冲孔基体板Ⅱ(9)上，同一圈相邻2个弹性圆环(8)间间隔30°角；在内外两圈弹性圆环(8)之间开有一圈12个第一圆孔，相邻2个第一圆孔间间隔30°角；在外圈弹性圆环(8)上还开有12个第二圆孔，间隔分布在每两个弹性圆环(8)之间，相邻2个第二圆孔间间隔30°角；第一圆孔、第二圆孔的每个圆心分布位置均不与弹性圆环(8)圆心位于同一半径，径向位置不与两圈弹性圆环(8)圆心的连线共线。

4.根据权利要求1所述的一种复合结构声子晶体隔振支座，其特征在于：所述冲孔基体板Ⅰ(6)间隔均布在两冲孔基体板Ⅱ(9)之间。

5.根据权利要求1所述的一种复合结构声子晶体隔振支座，其特征在于：所述底座(12)由底部支撑面和与支撑面一体加工的中部圆筒构成，圆筒外侧的支撑面上沿周向设有6个螺栓孔，外套筒(10)的圆筒底部外壁面与圆筒的内壁面相连，限位结构(11)固定在圆筒内侧的支撑面上。

6.根据权利要求1所述的一种复合结构声子晶体隔振支座，其特征在于：所述隔振衬套(2)与分别振动输入轴套(1)、支撑衬套(3)胶接，支撑衬套(3)分别与冲孔基体板Ⅰ(6)、冲孔基体板Ⅱ(9)胶接，外套筒(10)分别与表面式局域共振型隔振组件、嵌入式局域共振型隔振组件胶接，底座(12)分别与外套筒(10)、限位结构(11)胶接。

7.根据权利要求1所述的一种复合结构声子晶体隔振支座，其特征在于：所述振动输入轴套(1)、支撑衬套(3)和外套筒(10)均由铝或碳纤维材料制成。

8.根据权利要求1所述的一种复合结构声子晶体隔振支座，其特征在于：所述隔振衬套(2)和限位结构(11)均由硫化橡胶制成。

9.根据权利要求1所述的一种复合结构声子晶体隔振支座，其特征在于：所述冲孔基体板Ⅰ(6)和冲孔基体板Ⅱ(9)均由碳纤维材料制成，弹性柱(5)和弹性圆环(8)均由硅橡胶材料制成，散射体Ⅰ(4)和散射体Ⅱ(7)均由钨合金或铅材料制成。

10.根据权利要求5所述的一种复合结构声子晶体隔振支座，其特征在于：所述底座(12)由碳纤维或铝材料制成。