CN107795621A - 一种被动隔震装置及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种被动隔震装置，包括多个T型减震器；所述多个T型减震器均通过固定件固定在安装板上，且所述固定件从下至上依次贯穿所述安装板和对应的T型减震器；所述固定件超出所述T型减震器的顶端和超出所述安装板的底端直径均大于所述固定件中部直径。本发明隔震装置结构简单，能够有效地减小载荷的结构振动响应，隔振效果可靠且高效，本发明可以更快、更科学地确定被动隔振装置中橡胶减振垫的尺寸、邵氏硬度、阻尼比等技术参数，不仅可减少厂家的试验成本，而且缩短了其研发周期，可以大大地降低厂家的生产成本。

Description

一种被动隔震装置及其设计方法
技术领域
本发明涉及各类机械、汽车、铁路机车、水上运输工具、飞机及航空航天等行业的隔震装置，特别是一种被动隔震装置。
背景技术
橡胶隔振器由于其特有的综合力学性能，被广泛应用于各类机械、汽车、铁路机车、水上运输工具、飞机及航空航天等行业。传统的橡胶隔振器往往需要通过大量的不同胶种和反复的调正配方来改变橡胶的刚度和阻尼，从而达到系统隔振效率的要求，研发的过程中，不仅耗时费力、效率低下，而且试验成本高。
发明内容
本发明旨在提供一种被动隔震装置及其设计方法，有效地减小载荷的结构振动响应，改善隔震效果，更加科学地确定隔震装置中减震器的技术参数，缩短隔震装置的研发周期，大大地降低厂家的生产成本。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种被动隔震装置，包括n个T型减震器；所述n个T型减震器均通过固定件固定在安装板上，且所述固定件从下至上依次贯穿所述安装板和对应的T型减震器；所述固定件超出所述T型减震器的顶端和超出所述安装板的底端直径均大于所述固定件中部直径。
所述固定件顶端下表面通过弹簧垫片与对应的T型减震器顶端接触，弹簧垫片能够使系统载荷在振动的环境下确保T型减振器固定牢靠。
所述弹簧垫片与所述T型减震器顶端之间设有限位垫片，限位垫片可以保证T型减振器不发生径向偏移，进一步保证本发明隔震装置的可靠性。
所述固定件底端上表面通过防松垫片与所述安装板下表面接触，防松垫片能够使系统载荷在振动的环境下确保T型减振器固定牢靠。
所述T型减震器包括上部和下部，所述上部和下部均为圆柱体结构，且所述上部圆柱体底面直径大于所述下部圆柱体底面直径，所述上部圆柱体下底面与所述安装板接触，该结构保证隔震装置更加稳固。
所述T型减震器材料为金属弹簧或者橡胶，本发明的T型减振器的材料优选橡胶。
所述T型减震器受压面积计算公式为：AL＝nπa2，其中，n为T型减振器的总个数，a为T型减振器上部圆柱体的底面半径。
T型减振器表观弹性模量Eap满足以下等式：Eap＝(3+4.95S2)G；其中，S为橡胶形状变量，S＝a/2h，a为T型减振器上部圆柱体的底面半径，h为T型减振器上部圆柱体的高度，G为橡胶的剪切弹性模量，HA为橡胶的邵氏硬度，k1、k2为经验系数。
该装置隔震效率β的计算公式为：
其中，ξ为被动隔震装置阻尼比，f为被动隔震装置激励频率，M为被动隔震装置载荷的参振总质量，h为T型减振器上部圆柱体的高度，HA为橡胶的邵氏硬度，n为T型减振器的总个数，k1、k2为经验系数，a为T型减振器上部圆柱体的底面半径。
本发明中，k1：0.6～0.85；k2：4.0～7.0。
相应地，本发明还提供了一种被动隔震装置的设计方法，按照以下参数设计：
T型减震器受压面积计算公式为：AL＝nπa2，其中，n为T型减振器的总个数，a为T型减振器上部圆柱体的底面半径；
T型减振器表观弹性模量Eap满足以下等式：Eap＝(3+4.95S2)G；其中，S为橡胶形状变量，S＝a/2h，a为T型减振器上部圆柱体的底面半径，h为T型减振器上部圆柱体的高度，G为橡胶的剪切弹性模量，HA为橡胶的邵氏硬度，k1、k2为经验系数；
隔震效率β的计算公式为：
其中，ξ为被动隔震装置阻尼比，f为被动隔震装置激励频率，M为被动隔震装置载荷的参振总质量，h为T型减振器上部圆柱体的高度，HA为橡胶的邵氏硬度，n为T型减振器的总个数，k1、k2为经验系数，a为T型减振器上部圆柱体的底面半径。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明隔震装置结构简单，能够有效地减小载荷的结构振动响应，隔振效果可靠且高效，本发明可以更快、更科学地确定被动隔振装置中减震器的尺寸、邵氏硬度、阻尼比等技术参数，不仅可减少厂家的试验成本，而且缩短了其研发周期，可以大大地降低厂家的生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例剖视图；
图2为本发明实施例俯视图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明实施例包括n个T型减震器4；所述n个T型减震器4均通过固定件固定在安装板5上，且所述固定件从下至上依次贯穿所述安装板5和对应的T型减震器4；所述固定件超出所述T型减震器4的顶端和超出所述安装板5的底端直径均大于所述固定件中部直径。本发明中，固定件为螺栓1，该螺栓两端设螺母7，T型减震器、安装板5设置于两个螺母7之间的螺栓1上。
本实施例中，T型减震器包括上部圆柱体和下部圆柱体，为了方便螺栓固定，上部圆柱体和下部圆柱体沿轴向均开设通孔。
本发明中，上部是指图1中弹簧垫片2所在的一端，下部则反之。
T型减振器4通过螺栓1固定在系统载荷的安装板5上，弹簧垫片2和防松垫片6能够使系统载荷在振动的环境下确保T型减振器固定牢靠，限位垫片3可以保证T型减振器不发生径向偏移，更进一步保证本发明装置的可靠性。本发明中的T型减振器的材料可以为橡胶、金属弹簧等弹性支撑元件，但本发明的T型减振器的材料优选橡胶，其尺寸、剪切弹性模量、邵尔硬度、阻尼比等具体参数满足以下设计条件，其它材料可参考以下设计思路。
由试验经验公式得，
式(1)中，G为橡胶的剪切弹性模量；
HA为橡胶的邵氏硬度；
k1、k2为经验系数。
由材料力学微小变形的知识可知，
P＝nKδ＝nEapALε (2)
式(2)中，P为载荷；
K为单个T型减振器的初始拉伸(压缩)弹性系数；
δ为T型减振器拉伸(压缩)变形量；
Eap为T型减振器表观杨氏模量；
AL为T型减振器受压面积；
n为T型减振器的总个数；
ε为T型减振器拉伸(压缩)变形应变，满足
ε＝δ/h (3)
(h为T型减振器大头圆环端的高度)。
本发明T型减振器优选圆环柱形(即沿轴线方向开孔的圆柱体)，则
T型减振器受压面积AL
AL＝nπa2 (4)
式(4)中，a为T型减振器大头圆环端(上部圆柱体)的外圆(即最外圈)半径。又由应变能原理可知，圆柱形T型减振器表观弹性模量Eap满足以下等式：
Eap＝(3+4.95S2)G (5)
式(5)中，S为橡胶形状变量。其中
S＝a/2h (6)
由振动知识可知，系统载荷刚度K
K＝(2πf0)2M (7)
式(7)中，f0为系统载荷的固有频率；M为系统载荷的参振总质量。
由振动知识可知，当单自由度系统存在一定阻尼时，
系统振动传递率u
式(8)中，ξ为系统阻尼比。
r为频率比，r＝f/f0,f为系统激励频率。 (9)
系统隔振效率β
β＝1-u (10)
联立式(1)—(10)得
在此隔振效率的公式中，阻尼比取值范围为0.01～0.4；T型减振器的邵氏硬度取值范围50～70；系统隔振效率≥80％。通过大量试验验证该公式，可知本发明能够更快更科学地确定被动隔振装置中橡胶减振垫的尺寸、邵氏硬度、阻尼比等技术参数，不仅可减少厂家的试验成本，而且缩短其研发周期，大大地降低厂家的生产成本。

Claims (10)

1.一种被动隔震装置，其特征在于，包括n个T型减震器(4)；所述n个T型减震器(4)均通过固定件固定在安装板(5)上，且所述固定件从下至上依次贯穿所述安装板(5)和对应的T型减震器(4)；所述固定件超出所述T型减震器(4)的顶端和超出所述安装板(5)的底端直径均大于所述固定件中部直径。
2.根据权利要求1所述的被动隔震装置，其特征在于，所述固定件顶端下表面通过弹簧垫片(2)与对应的T型减震器(4)顶端接触。
3.根据权利要求2所述的被动隔震装置，其特征在于，所述弹簧垫片(2)与所述T型减震器(4)顶端之间设有限位垫片(3)。
4.根据权利要求2所述的被动隔震装置，其特征在于，所述固定件底端上表面通过防松垫片(6)与所述安装板(5)下表面接触。
5.根据权利要求1～4之一所述的被动隔震装置，其特征在于，所述T型减震器(4)包括上部和下部，所述上部和下部均为圆柱体结构，且所述上部圆柱体底面直径大于所述下部圆柱体底面直径，所述上部圆柱体下底面与所述安装板(5)接触。
6.根据权利要求5所述的被动隔震装置，其特征在于，所述T型减震器(4)材料为橡胶。
7.根据权利要求6所述的被动隔震装置，其特征在于，所述T型减震器(4)受压面积计算公式为：AL＝nπa2，其中，n为T型减振器的总个数，a为T型减振器上部圆柱体的底面半径。
8.根据权利要求6所述的被动隔震装置，其特征在于，T型减振器表观弹性模量Eap满足以下等式：Eap＝(3+4.95S2)G；其中，S为橡胶形状变量，S＝a/2h，a为T型减振器上部圆柱体的底面半径，h为T型减振器上部圆柱体的高度，G为橡胶的剪切弹性模量，HA为橡胶的邵氏硬度，k1、k2为经验系数。
9.根据权利要求6所述的被动隔震装置，其特征在于，该装置隔震效率β的计算公式为：
<mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <mn>64</mn> <msup> <mi>&amp;pi;H&amp;xi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>h</mi> <mn>3</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>100</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msup> <mi>na</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>H</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>12</mn> <msup> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>4.95</mn> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi>na</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>H</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>12</mn> <msup> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>4.95</mn> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mn>16</mn> <msup> <mi>&amp;pi;Mf</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>h</mi> <mn>3</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>100</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <msup> <mi>&amp;xi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </msqrt> </mrow>
其中，ξ为被动隔震装置阻尼比，f为被动隔震装置激励频率，M为被动隔震装置载荷的参振总质量，h为T型减振器上部圆柱体的高度，HA为橡胶的邵氏硬度，n为T型减振器的总个数，k1、k2为经验系数，a为T型减振器上部圆柱体的底面半径。
10.一种被动隔震装置的设计方法，其特征在于，按照以下参数设计：T型减震器受压面积计算公式为：AL＝nπa2，其中，n为T型减振器的总个数，a为T型减振器上部圆柱体的底面半径；
T型减振器表观弹性模量Eap满足以下等式：Eap＝(3+4.95S2)G；其中，S为橡胶形状变量，S＝a/2h，a为T型减振器上部圆柱体的底面半径，h为T型减振器上部圆柱体的高度，G为橡胶的剪切弹性模量，HA为橡胶的邵氏硬度，k1、k2为经验系数；
隔震效率β的计算公式为：
<mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <mn>64</mn> <msup> <mi>&amp;pi;H&amp;xi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>h</mi> <mn>3</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>100</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msup> <mi>na</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>H</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>12</mn> <msup> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>4.95</mn> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi>na</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>H</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>12</mn> <msup> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>4.95</mn> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mn>16</mn> <msup> <mi>&amp;pi;Mf</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>h</mi> <mn>3</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>100</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <msup> <mi>&amp;xi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </msqrt> </mrow>
其中，ξ为被动隔震装置阻尼比，f为被动隔震装置激励频率，M为被动隔震装置载荷的参振总质量，h为T型减振器上部圆柱体的高度，HA为橡胶的邵氏硬度，n为T型减振器的总个数，k1、k2为经验系数，a为T型减振器上部圆柱体的底面半径。
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