CN108108571A - 一种隔震装置的可调节锁定装置及解锁设计方法 - Google Patents

Abstract

一种隔震装置的可调节锁定装置及解锁设计方法，其中可调节锁定装置包括卡座、销轴、保护盒、转轴、凸轮、承托件和惯性块；卡座固定连接在隔震装置上板底面上，且卡座上开有插接销轴的盲孔；销轴上端插入卡座的盲孔中、下端穿入保护盒内；保护盒左侧面上开设有洞口；转轴沿纵向设置在销轴底部下方；转轴的两端对应转动连接在保护盒的前侧面和后侧面上；凸轮的一端与转轴固定连接，凸轮的另一端托接在销轴的底部；承托件水平设置在凸轮的底部，承托件的一端与凸轮固定连接，承托件另一端穿过保护盒的洞口、伸出保护盒外部；惯性块浮放在承托件位于保护盒外侧的端部。本发明解决了隔震装置在地震状态与非地震状态时实现不同运动状态切换的技术问题。

Description

一种隔震装置的可调节锁定装置及解锁设计方法

技术领域

本发明涉及减隔震技术领域，特别是一种用于展柜及文物防震保护技术领域的隔震装置的可调节锁定装置及解锁方法。

背景技术

我国现有的博物馆，60%以上处在强震多发地震带上，存在突发地震下大规模损毁的风险；例如，在2008年5.12汶川地震中，就有2700余件馆藏文物损毁。因此为了改善博物馆文物的防震保护现状，近几年我国博物馆大量配置文物隔震装置，以减轻文物在地震时的振动效应，使文物达到免遭破坏的目的。

为实现参观人员、工作人员无法推动展柜，需要设置一种锁定装置，以保持隔震装置静止，不产生相对运动；同时在地震作用下需要锁定装置自动解锁，隔震装置进入工作状态，使展柜与建筑地面发生相对运动，从而实现减震效果。启动加速度是锁定装置自动解锁时的建筑地面地震响应加速度，由于我国各地区抗震设防烈度的不同，致使锁定装置的启动加速度存在较大差别，因此需要锁定装置具有可调节功能，以适应不同地区的启动加速度要求。

发明内容

本发明涉及一种隔震装置的可调节锁定装置及解锁设计方法，要解决隔震装置在地震状态与非地震状态时实现不同运动状态切换的技术问题，以达到隔震装置在非地震状态下保持静止、地震作用下可以实现自由运动的目的；还要解决可调节锁定装置能够实现在不同抗震设防烈度地区对启动加速度的可调节性的技术问题。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案。

一种隔震装置的可调节锁定装置，设置在隔震装置的隔震装置上板与隔震装置下板之间，包括有由上而下依次连接的卡座、销轴和保护盒；所述卡座固定连接在隔震装置上板的底面上、并且卡座上开有插接销轴的盲孔；所述销轴竖向连接在卡座和保护盒之间，其中，销轴的上端插入卡座上的盲孔中，销轴的下端穿入保护盒内；所述保护盒呈矩形立体结构，在保护盒的盒顶、对应卡座上盲孔的位置处开设有通孔；所述保护盒的左侧面上开设有洞口；

所述隔震装置的可调节锁定装置还包括有转轴、凸轮、承托件和惯性块；所述转轴沿纵向设置在销轴底部下方、且位于保护盒的左侧面与销轴之间；其中，转轴的两端对应转动连接在保护盒的前侧面和后侧面上；所述凸轮设置在转轴与销轴之间，凸轮的一端与转轴固定连接，凸轮的另一端托接在销轴的底部；所述承托件水平设置在凸轮的底部，承托件的一端与凸轮固定连接，承托件另一端穿过保护盒上的洞口、伸出保护盒的外部；所述惯性块浮放在承托件位于保护盒外侧的端部。

优选的，所述卡座上的盲孔为柱形孔，并且盲孔的侧壁为光滑曲面；所述保护盒顶部的通孔的侧壁为光滑曲面。

优选的，所述承托件包括有压杆；其中，压杆的一端与凸轮固定连接，压杆的另一端穿过保护盒上的洞口、伸出保护盒的外部，并且在压杆伸出保护盒外侧的端部设有托接板；所述惯性块浮放在托接板上，惯性块的长度大于等于托接板的长度，惯性块的宽度大于等于托接板的宽度。

优选的，所述保护盒前侧面和后侧面的内壁上、对应与转轴连接的位置处开设有水平的插槽；所述转轴的两端分别对应插接在插槽中。

优选的，所述凸轮与销轴相连接一端的表面为弧形光滑面，且当凸轮与销轴相连接的一端移动时，销轴在凸轮上产生相对滑动。

优选的，所述惯性块为钢块或者为铅块或者为锡块或者为铜块。

一种隔震装置的可调节锁定装置的解锁设计方法，包括步骤如下。

步骤一，进行计算机数值模拟分析建筑物在地震作用下的动力响应，得到可调节锁定装置发生自动解锁时建筑物的楼面地震响应加速度a₁。

步骤二，确定隔震装置的启动加速度a：启动加速度a为可调节锁定装置发生自动解锁时建筑物的楼面地震响应加速度a₁，即a=a₁。

步骤三，确定惯性块的重心位置与惯性块几何特性的关系；惯性块在地震作用下先产生以两侧底边为支点的来回晃动，进而发生倾覆；令惯性块宽度为b，高度为h，惯性块重心距离支点的水平距离为b₀，距离支点的竖向高度为h₀，因此b=2b₀，h=2h₀。

步骤四，得出在地震作用下惯性块将发生以底边为支点的摇晃时，惯性块的抗转动力矩M₁和惯性块的转动力矩M₂：惯性块在地震作用下的抗转动力矩M₁由重力产生，M₁=m×g×b₀，其中m为惯性块的质量，g为重力加速度；惯性块在地震作用下的转动力矩M₂由地震作用产生，地震作用使惯性块产生的加速度为a₂，M₂=m×a₂×h₀。

步骤五，得出在地震作用下惯性块即将发生以底边为支点的摇晃的加速度a₃；当转动力矩M₂=M₁时，即a₂=g/(h/b)，为惯性块产生晃动的临界点；当a₃＞a₂时惯性块首先发生以底边为支点摇晃。

步骤六，进行地震模拟振动台试验，测定惯性块倾覆时的加速度a₄。

步骤七，得出惯性块运动状态由摇晃至倾覆时的修正系数K₁，即K₁=a₄/a₃。

步骤八，确定隔震装置的启动加速度a与惯性块几何特性的关系；惯性块倾覆时，锁定装置解锁，得出a₁=a₄；从而得出a=a₄，即当隔震装置的启动加速度a>K₁×g/(h/b)时，锁定装置解锁。

步骤九，测的惯性块实际的高度h₁和宽度b₁，并将隔震装置的启动加速度a与K₁×g/(h₁/b₁)进行比较；若a>K₁×g/(h₁/b₁)，设计结束。

优选的，步骤一中计算机数值模拟分析建筑物在地震作用下的动力响应具体为：根据建筑物自身的材料特性、边界约束条件和阻尼比，得到建筑物自身各个部位在地震作用下的响应加速度，从上述计算结果中提取隔震装置所在的楼层的响应加速度a₁。

优选的，当步骤九中a≤K₁×g/(h₁/b₁)时，调整惯性块实际的高度h₁和/或宽度b₁，直至满足a>K₁×g/(h₁/b₁) ，设计结束。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。

1、本发明构造简单、原理清晰；卡座与隔震装置上板固定，保护盒与隔震装置下板固定，两者之间无接触，卡座与保护盒之间通过销轴锁定，从而实现隔震装置在非地震状态下保持静止；而当地震发生时，由于惯性，惯性块倾覆，凸轮转动，销轴滑落，销轴脱离卡座并滑落至保护盒内，从而实现隔震装置在地震作用下自由运动。

2、本发明装置解锁的条件是为惯性块的转动力矩大于抗转动力矩，通过改变惯性块高宽比即可调隔震装置的启动加速度a的大小，满足不同情况下的隔震装置工作使用要求，保证了在参观人员推动、工作人员布展等情况下，文物展柜不发生相对运动或晃动；并且在地震作用下锁定装置可以实现自动解锁，满足隔震装置的工作使用要求。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明中可调节锁定装置的立体结构示意图。

图2为本发明中可调节锁定装置的横剖面示意图。

图3为本发明中可调节锁定装置的纵剖面示意图。

附图标记：1－销轴、2－卡座、3－保护盒、4－凸轮、5－转轴、6－隔震装置上板、7－隔震装置下板、8-惯性块、9-承托件、9.1-压杆、9.2-托接板、10-洞口。

具体实施方式

如图1-3所示，这种隔震装置的可调节锁定装置，设置在隔震装置的隔震装置上板6与隔震装置下板7之间，包括有由上而下依次连接的卡座2、销轴1和保护盒3；所述卡座2固定连接在隔震装置上板6的底面上、并且卡座2上开有插接销轴1的盲孔；所述卡座2上的盲孔为柱形孔，并且盲孔的侧壁为光滑曲面；所述销轴1竖向连接在卡座2和保护盒3之间，其中，销轴1的上端插入卡座2上的盲孔中，销轴1的下端穿入保护盒3内；所述保护盒3呈矩形立体结构，在保护盒3的盒顶、对应卡座2上盲孔的位置处开设有通孔，通孔的侧壁为光滑曲面；所述保护盒3的左侧面上开设有洞口10；

所述隔震装置的可调节锁定装置还包括有转轴5、凸轮4、承托件9和惯性块8；所述转轴5沿纵向设置在销轴1底部下方、且位于保护盒3的左侧面与销轴1之间；其中，转轴5的两端搭接连接在保护盒3的前侧面和后侧面上，并且可以自由转动；所述所述凸轮4放置于保护盒3内、设置在转轴5与销轴1之间，凸轮4的一端与转轴5固定连接、可以随着转轴5一起转动，凸轮4的另一端托接在销轴1的底部，为销轴1提供支撑；所述承托件9水平设置在凸轮4的底部，承托件9的一端与凸轮4固定连接，承托件9另的一端穿过保护盒3上的洞口10、伸出保护盒3的外部；所述惯性块8浮放在承托件9位于保护盒3外侧的端部。

本实施例中，惯性块8与销轴1分别位于转轴5的两侧，形成杠杆，转轴5为杠杆的支点，利用杠杆原理，惯性块8的重力，通过承托件9传递至凸轮4，为销轴1提供支撑。

本实施例中，根据杠杆原理，能够通过调节承托件9的长度，即可调整惯性块8与销轴1的质量比，承托件9的长度越长，可以采用更轻的惯性块8或者更重的销轴1。

本实施例中，通过调节销轴1与转轴5的水平距离，即可调整杠杆体系中销轴1重力的力臂，改变销轴1重力产生力矩的大小，从而使惯性块8在地震作用下发生倾覆后，凸轮4旋转加速度的得到调节；即销轴1与转轴5的水平距离越大，力矩越大，凸轮4的旋转加速度越大；同理，调整销轴1的重量，改变销轴1的重力大小，也可以实现凸轮4旋转加速度的调整。

本实施例中，所述承托件9包括有压杆9.1；其中，压杆9.1的一端与凸轮4固定连接，压杆9.1的另一端穿过保护盒3上的洞口10、伸出保护盒3的外部，并且在压杆9.1伸出保护盒3外侧的端部设有托接板9.2；所述惯性块8浮放在托接板9.2上，惯性块8的长度大于等于托接板9.2的长度，惯性块8的宽度大于等于托接板9.2的宽度。

本实施例中，所述保护盒3前侧面和后侧面的内壁上、对应与转轴5连接的位置处开设有水平的插槽；所述转轴5的两端分别对应插接在插槽中。

本实施例中，所述凸轮4与销轴1相连接一端的表面为弧形光滑面，且当凸轮4与销轴1相连接的一端移动时，销轴1在凸轮4上产生向右下方的滑动。

当然在其他实施例中，凸轮4作为销轴1的支撑点，通过调节凸轮4的形状，可以改变销轴1支撑点的运动轨迹，从而实现销轴1行程的调整。

本实施例中，所述惯性块8可以为钢块也可以为铅块也可以为锡块也可以为铜块。

本实施例中，卡座2与保护盒3之间通过销轴1锁定，即可限定隔震装置上板6和隔震装置下板7之间无相对水平运动，实现隔震装置的锁定，保证隔震装置在非地震作用下保持静止；在地震发生时，由于惯性，惯性块8倾覆，从托接板9.2上掉落，转轴5两侧的杠杆失衡，销轴1的重力使凸轮4向下转动，导致销轴1的支撑点下移，销轴1脱离卡座2并滑落至保护盒3内，从而实现隔震装置在地震作用下自由运动。

本实施例中，凸轮4向下转动导致销轴1的支撑点下移的距离大于销轴1插入卡座2上盲孔的深度；其中，凸轮4向下转动导致销轴1的支撑点下移的距离为5~10mm，销轴1插入卡座2上盲孔的深度为3~8mm。

这种隔震装置的可调节锁定装置的解锁设计方法，包括步骤如下。

步骤一，根据建筑物自身的材料特性、边界约束条件和阻尼比等因素进行计算机数值模拟，分析建筑物在地震作用下的动力响应，得到建筑物自身各个部位在地震作用下的响应加速度，从上述计算结果中提取可调节锁定装置发生自动解锁时建筑物的楼面地震响应加速度a₁；

步骤二，确定隔震装置的启动加速度a：启动加速度a为可调节锁定装置发生自动解锁时建筑物的楼面地震响应加速度a₁，即a=a₁。

步骤三，确定惯性块的重心位置与惯性块几何特性的关系；惯性块在地震作用下先产生以两侧底边为支点的来回晃动，进而发生倾覆；令惯性块宽度为b，高度为h，惯性块重心距离支点的水平距离为b₀，距离支点的竖向高度为h₀，惯性块在地震作用下的运动状态可简化为密度均匀的刚体运动，因此b=2b₀，h=2h₀。

步骤四，由于地震作用的往复性，惯性块的初始运动状态为摇晃，随着地震作用的增大，惯性块的转动幅度增大，导致倾覆，当在地震作用下惯性块将发生以底边为支点的摇晃时，惯性块的抗转动力矩M₁和惯性块的转动力矩M₂：惯性块在地震作用下的抗转动力矩M₁由重力产生，M₁=m×g×b₀，其中m为惯性块的质量，g为重力加速度；惯性块在地震作用下的转动力矩M₂由地震作用产生，地震作用使惯性块产生的加速度为a₂，M₂=m×a₂×h₀。

步骤五，得出在地震作用下惯性块即将发生以底边为支点的摇晃的加速度a₃；当转动力矩M₂=M₁时，即a₂=g/(h/b)，为惯性块产生晃动的临界点；当a₃＞a₂时惯性块首先发生以底边为支点摇晃。

步骤六，进行地震模拟振动台试验，测定惯性块倾覆时的加速度a₄。

步骤七，当惯性块运动状态由摇晃至倾覆时，需考虑修正系数K₁，对转动力矩M₂进行修正，得出惯性块运动状态由摇晃至倾覆时的修正系数K₁，即K₁=a₄/a₃。

步骤八，确定隔震装置的启动加速度a与惯性块几何特性的关系；惯性块倾覆时，可调节锁定装置解锁，得出a₁=a₄；从而得出a=a₄，结合步骤四至步骤七得到的a₂=g/(h/b)、a₃＞a₂以及K₁=a₄/a₃，即当隔震装置的启动加速度a>K₁×g/(h/b)时，可调节锁定装置解锁。

步骤九，测的惯性块实际的高度h₁和宽度b₁，并将隔震装置的启动加速度a与K₁×g/(h₁/b₁)进行比较；若a>K₁×g/(h₁/b₁)，设计结束，若a≤K₁×g/(h₁/b₁)时，调整惯性块实际的高度h₁和/或宽度b₁，直至满足a>K₁×g/(h₁/b₁) ，设计结束。

当然在其他实施例中，为了增加本装置对地震的灵敏程度，还可以减小惯性块8的长度和宽度，使惯性块的长度小于托接板的长度，使惯性块的宽度小于托接板的宽度；并且让惯性块产生以托接板两侧边为支点的晃动。

综上所述，可以通过上述多项措施实现装置启动加速度的修正，理论上，该隔震装置的可调节锁定装置可以设计的非常敏感，即在一个很小的初始工作加速度a₁的情况下也可以解锁该隔震装置。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现型式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.一种隔震装置的可调节锁定装置，设置在隔震装置的隔震装置上板（6）与隔震装置下板（7）之间，包括由上而下依次连接的卡座（2）、销轴（1）和保护盒（3）；所述卡座（2）固定连接在隔震装置上板（6）的底面上、并且卡座（2）上开有插接销轴（1）的盲孔；所述销轴（1）竖向连接在卡座（2）和保护盒（3）之间；其中，销轴（1）的上端插入卡座（2）上的盲孔中，销轴（1）的下端穿入保护盒（3）内；所述保护盒（3）呈矩形立体结构，在保护盒（3）的盒顶、对应卡座（2）上盲孔的位置处开设有通孔；其特征在于：所述保护盒（3）的左侧面上开设有洞口（10）；

所述隔震装置的可调节锁定装置还包括有转轴（5）、凸轮（4）、承托件（9）和惯性块（8）；所述转轴（5）沿纵向设置在销轴（1）底部下方、且位于保护盒（3）的左侧面与销轴（1）之间；其中，转轴（5）的两端对应转动连接在保护盒（3）的前侧面和后侧面上；所述凸轮（4）设置在转轴（5）与销轴（1）之间，凸轮（4）的一端与转轴（5）固定连接，凸轮（4）的另一端托接在销轴（1）的底部；所述承托件（9）水平设置在凸轮（4）的底部，承托件（9）的一端与凸轮（4）固定连接，承托件（9）的另一端穿过保护盒（3）上的洞口（10）、伸出保护盒（3）的外部；所述惯性块（8）浮放在承托件（9）位于保护盒（3）外侧的端部。

2.根据权利要求1所述的一种隔震装置的可调节锁定装置，其特征在于：所述卡座（2）上的盲孔为柱形孔，并且盲孔的侧壁为光滑曲面；所述保护盒（3）顶部的通孔的侧壁为光滑曲面。

3.根据权利要求1所述的一种隔震装置的可调节锁定装置，其特征在于：所述承托件（9）包括有压杆（9.1）；其中，压杆（9.1）的一端与凸轮（4）固定连接，压杆（9.1）的另一端穿过保护盒（3）上的洞口（10）、伸出保护盒（3）的外部，并且在压杆（9.1）伸出保护盒（3）外侧的端部设有托接板（9.2）；所述惯性块（8）浮放在托接板（9.2）上，惯性块（8）的长度大于等于托接板（9.2）的长度，惯性块（8）的宽度大于等于托接板（9.2）的宽度。

4.根据权利要求3所述的一种隔震装置的可调节锁定装置，其特征在于：所述保护盒（3）前侧面和后侧面的内壁上、对应与转轴（5）连接的位置处开设有水平的插槽；所述转轴（5）的两端分别对应插接在插槽中。

5.根据权利要求1所述的一种隔震装置的可调节锁定装置，其特征在于：所述凸轮（4）与销轴（1）相连接一端的表面为弧形光滑面，且当凸轮（4）与销轴（1）相连接的一端移动时，销轴（1）在凸轮（4）上产生相对滑动。

6.根据权利要求1所述的一种隔震装置的可调节锁定装置，其特征在于：所述惯性块（8）为钢块或者为铅块或者为锡块或者为铜块。

7.一种权利要求1-6中任意一项所述的隔震装置的可调节锁定装置的解锁设计方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一，进行计算机数值模拟分析建筑物在地震作用下的动力响应，得到可调节锁定装置发生自动解锁时建筑物的楼面地震响应加速度a₁；

步骤二，确定隔震装置的启动加速度a：启动加速度a为可调节锁定装置发生自动解锁时建筑物的楼面地震响应加速度a₁，即a=a₁；

步骤三，确定惯性块的重心位置与惯性块几何特性的关系；惯性块在地震作用下先产生以两侧底边为支点的来回晃动，进而发生倾覆；令惯性块宽度为b，高度为h，惯性块重心距离支点的水平距离为b₀，距离支点的竖向高度为h₀，因此b=2b₀，h=2h₀；

步骤四，得出在地震作用下惯性块将发生以底边为支点的摇晃时，惯性块的抗转动力矩M₁和惯性块的转动力矩M₂：惯性块在地震作用下的抗转动力矩M₁由重力产生，M₁=m×g×b₀，其中m为惯性块的质量，g为重力加速度；惯性块在地震作用下的转动力矩M₂由地震作用产生，地震作用使惯性块产生的加速度为a₂，M₂=m×a₂×h₀；

步骤五，得出在地震作用下惯性块即将发生以底边为支点的摇晃的加速度a₃；当转动力矩M₂=M₁时，即a₂=g/(h/b)，为惯性块产生晃动的临界点；当a₃＞a₂时惯性块首先发生以底边为支点摇晃；

步骤六，进行地震模拟振动台试验，得出惯性块倾覆时的加速度a₄；

步骤七，得出惯性块运动状态由摇晃至倾覆时的修正系数K₁，即K₁=a₄/a₃；

步骤八，确定隔震装置的启动加速度a与惯性块几何特性的关系；惯性块倾覆时，锁定装置解锁，得出a₁=a₄；从而得出a=a₄，即当隔震装置的启动加速度a>K₁×g/(h/b)时，锁定装置解锁；

步骤九，测的惯性块实际的高度h₁和宽度b₁，并将隔震装置的启动加速度a与K₁×g/(h₁/b₁)进行比较；若a>K₁×g/(h₁/b₁)，设计结束。

8.根据权利要求7所述的隔震装置的可调节锁定装置的解锁设计方法，其特征在于：步骤一中计算机数值模拟分析建筑物在地震作用下的动力响应具体为：根据建筑物自身的材料特性、边界约束条件和阻尼比，得到建筑物自身各个部位在地震作用下的响应加速度，从上述计算结果中提取隔震装置所在的楼层的响应加速度，得到可调节锁定装置发生自动解锁时建筑物的楼面地震响应加速度a₁。

9.根据权利要求7所述的隔震装置的可调节锁定装置的解锁设计方法，其特征在于：当步骤九中a≤K₁×g/(h₁/b₁)时，调整惯性块实际的高度h₁和/或宽度b₁，直至满足a>K₁×g/(h₁/b₁) ，设计结束。