CN109268418B - 一种耐候耐久性全金属多点选频抑振结构 - Google Patents

一种耐候耐久性全金属多点选频抑振结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐候耐久性全金属多点选频抑振结构，该结构包括开设有方形孔的支架板以及若干组设置于支架板上的抑振组件，所述抑振组件包括质量块、弹性模块以及垫块，所述弹性模块一端位于方形孔中，该端部上粘接所述质量块，弹性模块的另一端位于支架板上表面，所述垫块设置在支架板下表面，位于弹性模块的下方，所述弹性模块包括由上至下呈阶梯状设置的第一材料层、第二材料层以及第三材料层。该结构为平面结构，厚度较小，尺寸可灵活设计，在各种狭小的机械设备中易于布置，整体结构简单，组装方便，所需材料均为常规材料，易于批量化加工、生产，值得在业内推广使用。

Description

一种耐候耐久性全金属多点选频抑振结构
技术领域
本发明属于振动控制及复合材料技术领域，具体涉及一种耐候耐久性全金属多点选频抑振结构。
背景技术
在机械工程领域，振动可以说是无处不在的，而振动往往对于大多数工程结构和机械设备都是有害的。机械振动不但会造成一些零件结构的疲劳损坏，降低精密测量仪器的测量精度，甚至会对设备的使用性能和寿命产生较大影响甚至导致设备结构破坏。对于载人机械设备而言，低频振动会严重危害乘员生理健康，造成人体器官平衡失调，引起头晕、头沉、疲劳、注意力下降等，有时还可能产生心血管系统和运动系统的障碍。由于低频振动衰减慢，能轻易穿越阻隔物，所以低频振动的治理是机械工程领域现阶段一大难题。
在实际工程应用中，常使用隔振材料及阻尼材料来降低振动，传统的隔振材料包括弹簧，橡胶，泡沫塑料等能产生弹性变形的材料，但此种材料只能阻隔大于其系统固有频率的振动(即高频振动)，对低频振动的阻隔能力较弱，若频率相近，还会产生共振。另外，橡胶塑料类的材料易老化，性能随环境变化较大，使用局限性较大；阻尼材料对中高频振动的减振效果比较显著，对低频振动的减振相对较弱，且阻尼材料由于需要大面积贴附，并且在生产回收过程中会产生较大的污染，已经越来越受限制。
由于传统材料在实际工程应用中的诸多限制，超材料成为人们关注的焦点，其具有自然材料所难以拥有的特性。超材料的概念最初就是为了实现减振降噪而提出的，它的亚波长特性，克服了一些传统材料的不足。可以通过设计大大减少中低频振动，提供无振动工作环境，提高工作精度和可靠性，并延长设备的使用寿命。通过“局域共振”特性，超材料结构可以有效突破低频振动控制中存在的技术瓶颈，实现通过小尺寸控制大波长机械振动的特殊效果。
相关领域已公开的专利中，黄骁鸣，莫遗华，温雄军等人发明的“一种橡胶动力吸振器”(CN 104696428 A)，可以通过调节橡胶在垂直方向上的压缩或拉伸变形量来自由调整刚度，从而针对不同频率的抑振要求。但该结构对频率的控制较为粗糙，且橡胶易老化，在使用过程中其抑振频率可能会发生偏移，当工作环境较为恶劣，如高温、光照下，其性能会发生较大变化。王鹏飞，温卓群，张雁等人发明的“一种减振结构”，由单元晶胞周期性排列而成，单元晶胞包括连接件和连接体，在减振结构受力时，单元晶胞发生微小弹性形变从而起到减振作用。该结构虽然可以通过调节连接件和连接体的组合来改变减振频率，但减振频率无法精确设计，实际应用受限，且体积较大，无法应用于一些狭窄部位。
综上所述，对于工程中振动问题，传统使用的隔振材料及阻尼材料都有其一定的缺陷，效果不明显。一些新型的减振材料又无法在低频段精确控制减振频率，且存在易老化，适用能力差的缺陷。而局域共振型超材料的出现为低频振动噪声的有效控制提供了全新的思路。运用该原理可解决中低频振动控制的瓶颈问题、因此，迫切需要发明一种耐候耐久性全金属多点选频抑振结构。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种耐候耐久性全金属多点选频抑振结构，该结构能够克服传统抑振技术结构对中低频振动控制的不足，可精确控制减振频率，耐候性耐久性好。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种耐候耐久性全金属多点选频抑振结构，该结构包括开设有方形孔的支架板以及若干组设置于支架板上的抑振组件，所述抑振组件包括质量块、弹性模块以及垫块，所述弹性模块一端位于方形孔中，该端部上粘接所述质量块，弹性模块的另一端位于支架板上表面，所述垫块设置在支架板下表面，位于弹性模块的下方，所述弹性模块包括由上至下呈阶梯状设置的第一材料层、第二材料层以及第三材料层。
优选地，该结构中，一组抑振组件和对应该组抑振组件的支架局部组成单个抑振晶胞，所述各个抑振晶胞中的弹性模块的尺寸并不完全一致，各个抑振晶胞中的质量块与弹性模块的组合方式不同。
上述各个抑振晶胞中的质量块与弹性模块的组合方式包括：保持质量块各长度、宽度、高度不变，增加弹性模块中第三层的宽度、厚度，并减小其长度，能使本发明结构的抑振频率上移；反之，保持弹性模块中第三层的各参数不变，增加质量块的质量，使本发明结构的抑振频率下移，从而能抑制不同频率的振动。
上述各个抑振晶胞中的质量块与弹性模块的组合方式包括：根据实际需要减小第一材料层与第二材料层的厚度与长度，增加其对单峰值的抑振效果；根据实际需要增大第一材料层与第二材料层的厚度与长度，扩展抑振频率范围。
优选地，所述弹性模块的表层还设有散热涂层。
优选地，所述第一材料层、第二材料层和第三材料层采用抗疲劳的金属材料或金属复合材料制成。
优选地，所述质量块采用高密度金属材料制成。
优选地，所述支架板采用可塑性较强的金属复合材料制成，，适用于不同表面。
优选地，所述垫块采用磁性材料制成。
优选地，所述支架局部、垫块、质量块以及弹性模块之间采用高粘性阻尼胶粘接。
优选地，所述第一材料层、第二材料层以及第三材料层之间在支架局部上方部分采用高粘性阻尼胶粘接，伸出支架局部的部分紧密贴合。
优选地，第一材料层与第二材料层的厚度为0.05-0.1mm，第三材料层的厚度为0.1-0.2mm，第一材料层长度为15-18mm，第二材料层长度为22-25mm，第三材料层长度为38-42mm。
本发明的创新点在于：本发明的耐候耐久性全金属多点选频抑振结构，基于局域共振原理，可通过设计改变其质量块和弹性模块的组合精确调节单个晶胞的模态频率，当基体振动频率接近晶胞模态频率时，晶胞发生共振，能量导入到晶胞中，基体振动减弱。
本发明提供的耐候耐久性全金属多点选频抑振结构具有以下有益效果：该结构采用可塑性强的支架，适用于各种不平表面的抑振。垫块为磁性材料，易于安装在某些机械设备上，且保证了质量块和弹性模块的工作空间。该结构可以通过调节质量块和弹性模块的组合设计中心抑振点位置，可将多个质量块与弹簧模块进行不同组合，达到多个频率点的抑振。此外，通过调节弹性模块的三层材料层的厚度与长度能够在一定范围内扩展抑振频率点，弹性模块在工作环境下三层材料层间相互摩擦产热，也可迅速衰减振动。弹性模块上设置的散热涂层能够将振动能量转化的热能散发到大气中，适用于长时间工作环境。进一步的，该结构为全金属结构，能适用于各种环境，耐候性强；总体而言，该结构为平面结构，厚度较小，尺寸可灵活设计，在各种狭小的机械设备中易于布置，整体结构简单，组装方便，所需材料均为常规材料，易于批量化加工、生产，值得在业内推广使用。
附图说明
图1是本发明耐候耐久性全金属多点选频抑振结构的整体结构示意图；
图2是本发明耐候耐久性全金属多点选频抑振结构单个晶胞的结构示意图；
图3是本发明耐候耐久性全金属多点选频抑振结构单个晶胞的半剖立体图；
图4是本发明耐候耐久性全金属多点选频抑振结构中弹性模块的半剖剖面图；
图5是本发明在32Hz附近有抑振效果时应用前后的减振效果对比图；
图6是本发明在32Hz与70Hz附近有抑振效果时应用前后的减振效果对比图。
附图标记说明：1、支架局部；2、垫块；3、质量块；4、弹性模块；5、第一材料层；6、第二材料层；7、第二材料层；8、散热涂层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。需要指出的是，以下实施例中提到的方向用语，顺序用语，如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
如图1所示，本发明的耐候耐久性全金属多点选频抑振结构，包括开设有方形孔的支架板以及数组设置于支架板上的抑振组件。在本实施例中，方形孔的数量为五个，每个方形孔中设置五组抑振组件，抑振组件首尾交错排列。方形孔和抑振组件的数量可以根据实际应用进行相应设计，并不限于本实施例。
如图2所示，一组抑振组件和对应该组抑振组件的支架局部1组成单个抑振晶胞。支架局部1即为支架板上方形孔上/下框部分。抑振组件包括垫块2、质量块3以及弹性模块4。弹性模块4一端位于方形孔中，该端部上粘接质量块3。弹性模块4的另一端粘接于支架局部1上表面，垫块2粘接在支架板下表面，位于弹性模块4的下方。弹性模块4包括第一材料层5、第二材料层6以及第三材料层7，第一材料层5、第二材料层6以及第三材料层7由上至下呈阶梯状设置。
在本实施例中，支架板为长方形薄片结构，厚度为0.2-0.5mm。支架板采用可塑性较强的金属复合材料制成，如铝合金、钛合金等，可在外力作用下发生形变并保持形变。支架板具有一定可塑性能够适合多种不同表面。垫块2为长方体结构，厚度为2mm左右，采用磁性材料制成，如铝镍钴合金，钛钴合金等。采用磁性材料制成垫块使本发明易于安装在某些机械设备上，且保证了质量块和弹性模块的工作空间。垫块2的设置需保证质量块33和弹性模块44的工作空间。质量块3为长方体结构，采用高密度金属材料制成，如铅块、铁块、铜块等，较小的体积即可提供需要的质量。需要说明的是，质量块3的形状并无特殊的限制，具体的形状可根据需要设计，如圆柱形或其他形状均可。此外，垫块2，支架板的具体形状也不限于本实施。弹性模块4由三层材料层构成，第一材料层5与第二材料层6的厚度为0.05-0.1mm，第三材料层7的厚度为0.1-0.2mm，第一材料层5长度为15-18mm，第二材料层6长度为22-25mm，第三材料层7长度为38-42mm。通过此三层尺寸的不同组合，可适当扩展中心抑振点。第一材料层5、第二材料层6以及第三材料层7的具体尺寸可根据不同宽带需要设计。第一材料层5、第二材料层6以及第三材料层7采用金属材料或金属复合材料制成，如优质碳素结构钢，合金钢等。在弹性模块4的外层还附有一层散热涂层8。第一材料层5与第二材料层6能随振幅的增大逐渐发生形变，提供非线性刚度。支架局部1、垫块2、质量块3以及弹性模块4之间采用高粘性的高粘性阻尼胶粘接。弹性模块4的材料层之间支架局部1上方部分也通过高粘性高粘性阻尼胶粘接，伸出支架局部1的部分紧密贴合，随着弹性模块4本身的上下振动，这部分金属之间不断摩擦，耗散能量。
以下对本发明的工作过程和原理进行进一步的说明，以进一步展示本发明的优点：
在工作环境下，本发明结构所吸附的表面振动带动支架板的振动，再引起质量块3和弹性模块4的振动，且随着质量块3位移的增大，弹性模块4中第一材料层5和第二材料层6的形变也会增大，从而使弹性模块4形成非线性刚度，由于此两层厚度较薄，不会对主要抑振频率产生较大偏移影响，但会产生轻微波动，从而使抑振点可适当扩展。长时间在此工作环境下，弹性模块4本身的不断形变，导致层与层材料(金属)之间的摩擦加剧，产生大量热量，弹性模块4表层的散热涂层8能提高表面的散热效率，将热量以辐射和热交换的形式传到大气中，快速耗散振动能量，保证本发明能长时间高强度工作。
本发明可通过调节质量块3和弹性模块4的组合来达到定点抑振的目的，具体为：保持质量块3的长度、宽度、高度不变，增加弹性模块4中第三材料层7的宽度、厚度，并减小其长度，能使本发明结构的抑振频率上移；反之，保持弹性模块4中第三材料层7的各参数不变，增加质量块3的质量，使本发明结构的抑振频率下移，从而能抑制不同频率的振动。且可以通过调节弹性模块4的第一材料层5和第二材料层6的厚度与长度来适当扩展抑振点，具体为：处理频率较集中的振动时，可适当减小前两层结构的厚度与长度，增加其对单峰值的抑振效果；处理频率较分散或者可能波动的振动时，可适当增大前两层结构的厚度与长度，扩展抑振频率范围。
在实际工程应用中，可根据需要对结构中的支架板，垫块2，质量块3，弹性模块4进行设计，形成几种不同减振效果的晶胞，改变其排列方式，从而达到对多点进行抑振以及扩展减振点的目的。
为进一步展现本发明的优点，以下对本发明的对减振效果进行展示说明：
如图5所示，为本发明结构在32Hz附近有抑振效果是的减振效果对比图，根据本发明方法原理设计一种在32Hz附近有抑振效果的抑振结构，将减小两个离散点频率的振动。虚线为某结构的振动加速度曲线，原始状态表示不加任何减振结构，实线为加了本抑振结构的减振效果。
如图6所示，为本发明结构在32Hz附近有抑振效果是的减振效果对比图，根据本发明方法原理设计一种在32Hz与70Hz附近有抑振效果的抑振结构，将减小两个离散点频率的振动。虚线为该结构的振动加速度曲线，原始状态表示不加任何减振结构，实线为加了本抑振结构的减振效果。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种耐候耐久性全金属多点选频抑振结构，其特征在于：该结构包括开设有方形孔的支架板以及若干组设置于支架板上的抑振组件，所述抑振组件包括垫块（2）、质量块（3）以及弹性模块（4），该结构中，一组抑振组件和对应该组抑振组件的支架局部（1）组成单个抑振晶胞，所述单个抑振晶胞中的质量块（3）与弹性模块（4）的组合方式不同；支架局部（1）即为支架板上方形孔上/下框部分；所述弹性模块（4）一端位于方形孔中，弹性模块（4）的端部上粘接所述质量块（3），弹性模块（4）的另一端粘接于支架板上表面，所述垫块（2）粘接在支架板下表面，位于弹性模块（4）的下方，所述弹性模块（4）包括由上至下呈阶梯状设置的第一材料层（5）、第二材料层（6）以及第三材料层（7）；
所述弹性模块（4）的表层还设有散热涂层（8）；
所述第一材料层（5）、第二材料层（6）和第三材料层（7）采用优质碳素结构钢或合金钢制成；
所述质量块（3）为长方体结构，采用铅块、铁块或铜块制成；
所述支架板为长方形薄片结构，厚度为0.2-0.5mm，采用铝合金或钛合金制成，能够在外力作用下发生形变并保持形变；
所述垫块（2）为长方体结构，厚度为2mm，采用镍钴合金或钛钴合金制成；
所述支架局部（1）、垫块（2）、质量块（3）以及弹性模块（4）之间采用高粘性阻尼胶粘接；
所述第一材料层（5）、第二材料层（6）以及第三材料层（7）之间在支架局部（1）上方部分采用高粘性阻尼胶粘接，伸出支架部分紧密贴合，第一材料层（5）与第二材料层（6）能随振幅的增大逐渐发生形变，提供非线性刚度；
第一材料层（5）与第二材料层（6）的厚度为0.05-0.1mm，第三材料层（7）的厚度为0.1-0.2mm，第一材料层（5）长度为15-18mm，第二材料层（6）长度为22-25mm，第三材料层（7）长度为38-42mm。
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