CN110388406A - 轴承式运动解耦三维隔振支座 - Google Patents

Abstract

本申请属于振动及噪声控制领域，提供一种轴承式运动解耦三维隔振支座；其包括上连接板，中作板，下连接板，碟形弹簧，螺旋弹簧，定位加载环，叠层橡胶支座，直线轴承和轴承导杆；上连接板、中作板、下连接板从上向下依次设置，叠层橡胶支座安装在上连接板与中作板之间，竖向隔振系统安装在中作板与下连接板之间；水平向隔振系统采用叠层橡胶支座；竖向隔振系统采用碟形弹簧、螺旋弹簧与定位加载环构成的带刚度自适应的装置；通过在中作板与下连接板之间设置直线轴承与轴承导杆来实现该轴承式运动解耦三维隔振支座水平向与竖向的运动解耦；本申请能够对多种类型振源，以及水平和竖向多维度振动输入具有良好的隔振效果。

Description

轴承式运动解耦三维隔振支座

技术领域

本申请涉及一种轴承式运动解耦三维隔振支座，属于振动及噪声控制领域。

背景技术

隔振技术在机械设备振动控制和建筑结构抗震领域已得到了广泛的研究和应用。隔振的基本原理是通过在隔振物体与基础之间设置隔振支座或者特殊构造，得到水平刚度较小的隔振层，通过滤波效应减小外部环境振动或者地震对隔振物体影响或者阻止隔振物体产生振动向地面传播。现代隔振技术已有70多年的历史，属于一种被动的振动控制技术。

然而，现有隔振装置存在着以下不足：一是不能满足多种类型振动隔离的需求。不少高精尖仪器设备，国家战略设施以及重要历史文物等，需要同时考虑隔离地震作用和周围环境振动的影响。然而地震和机械振动的特性截然不同，地震具有幅值高，频谱广，频率低的特点；而机械振动具有幅值低，频谱窄，频率高的特点，传统的线性隔振装置往往难以满足兼顾优化两类振源隔离的需求。二是传统的隔振设备通常仅在水平或者竖向单方向进行隔振，而振动的影响通常是三维输入。既有的一些具有三向隔振功能的装置，存在着竖向与水平向力学性能严重耦合，隔振效果不佳的缺点。

发明内容

本申请的目的在于设计一种轴承式运动解耦三维隔振支座，能够对多种类型振源，以及水平和竖向多维度振动输入具有良好的隔振效果。

为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：

一种轴承式运动解耦三维隔振支座，包括上连接板、中作板、下连接板、水平向隔振系统、竖向隔振系统、直线轴承和轴承导杆。

其中，上连接板、中作板、下连接板从上向下依次设置，水平向隔振系统安装在上连接板与中作板之间，竖向隔振系统安装在中作板与下连接板之间；水平向隔振系统采用叠层橡胶支座，通过水平向变形发挥隔振作用；竖向隔振系统采用碟形弹簧、螺旋弹簧与定位加载环构成的带刚度自适应的装置，通过竖向变形发挥隔振作用；通过在中作板与下连接板之间设置直线轴承与轴承导杆来实现该轴承式运动解耦三维隔振支座水平向与竖向的运动解耦。

进一步，上连接板与被隔振体连接；下连接板与基础地面进行连接，起到固定竖向隔振系统。

进一步，水平向隔振系统可根据需求，采用叠层天然橡胶支座，叠层铅芯橡胶支座，高阻尼橡胶支座，摩擦摆支座等。

进一步，还可通过变换叠层橡胶支座的尺寸，橡胶层厚度，是否内置铅芯等，独立地实现水平向隔振的不同性能需求。

进一步，竖向隔振系统为带刚度自适应的装置，其包括碟形弹簧、螺旋弹簧、定位加载环；定位加载环包括底部定位加载环、内定位加载环和外定位加载环；外定位加载环、底部定位加载环从上向下依次设置于中作板与下连接板之间；两个或多个碟形弹簧从上向下依次设置于外定位加载环、底部定位加载环之间，且相邻两个碟形弹簧之间各通过一个内定位加载环串联，通过内定位加载环进行力的传递；螺旋弹簧位于中作板、下连接板之间，并依次穿过外定位加载环、通过内定位加载环串联的碟形弹簧、底部定位加载环。

进一步，通过内定位加载环串联的碟形弹簧为上下直接并联的两个或多个碟形弹簧。由此，在本申请中，碟形弹簧可以采用多组串联的形式，也可以采用多组串联多组并联的形式；串联、并联在一起的碟形弹簧，在结构的重力荷载下会产生变形，在振动作用时也会产生变形，且在振动作用时定位加载环会随着碟簧变形一起运动变形。

在本申请中，底部定位加载环、内定位加载环和外定位加载环的共同特征为：(1)加载环均设置有环形尖端，与碟形弹簧接触但不固定，在起到力传递作用的同时允许碟形碟簧与加载环之间发生微量滑移变形；(2)加载环均具有一定高度，能够允许在极限受力情况下使碟形弹簧发生翻转变形；(3)通过调整加载环的直径大小，可以控制碟形弹簧的受力位置，从而调整系统的受力和变形特性。

进一步，底部定位加载环、内定位加载环和外定位加载环三者的不同之处在于：底部定位加载环放置于系统最底部；内定位加载环置于串联的碟形弹簧之间，其环直径较小；外定位加载环置于串联的碟形弹簧外部，其环直径较大。

在本申请中，中作板通过定位加载环将其上部竖向重力传递到竖向隔振系统；定位加载环起到传递力、固定碟形弹簧位置以及为碟形弹簧提供更大变形能力的作用。

进一步，可以在下连接板的中心开设槽口，将螺旋弹簧放置在下连接板的槽口内，起到定位作用；必要时还可设计导杆插入螺旋弹簧内半径孔中以防止螺旋弹簧加载失稳。

进一步，竖向隔振系统可根据需求，设计碟形弹簧的尺寸、串并联数量、定位加载环尺寸等，控制竖向隔振系统的力学特征，实现竖向隔振系统承载和变形能力的调节。

进一步，根据隔振需求不同，竖向隔振系统也可用其他类型竖向隔振装置来代替，例如螺旋弹簧，空气弹簧，厚肉橡胶垫等。

进一步，直线轴承固定于下连接板上，轴承导杆固定于上连接板并穿过直线轴承的内圈。直线轴承在外圈之内装有钢球保持架，钢球保持架中装有多个滚珠，可做无限循环运动。此部分的作用是利用直线轴承能允许轴承导杆在其内圈中竖向顺畅滑动而阻止其水平向运动的特点，使轴承导杆在直线轴承内以非常低的摩擦系数作竖向相对运动，同时限制中作板与下连接板之间的水平向的变形，从而实现该轴承式运动解耦三维隔振支座水平向与竖向的运动解耦。

进一步，可以根据需求设置多个直线轴承以及与直线轴承一一相应的轴承导杆；在优选的实施方式中，多个直线轴承以及与其一一相应的轴承导杆均匀分布在竖向隔振系统的外周。

进一步，根据隔振需求的不同，还可在中作板与下连接板之间增设黏滞阻尼耗能装置。

本申请中，通过直线轴承与轴承导杆的配合设计，将中作板与下连接板之间的水平相对位移及相对转角锁定，使得两者之间仅能产生竖向相对运动。利用轴承式的构造实现运动解耦的目的，一是使水平向隔振系统和竖向隔振系统能够相对独立工作，这对于装置设计过程十分重要；二是有效避免由于隔振层在振动激励情况下出现过大转角，导致上部被隔振体的摇摆倾覆的现象。

本申请中，竖向隔振系统中碟形弹簧与螺旋弹簧并联设置，具有较高的承载和变形能力，并带有刚度自适应特性。当承受竖向重力时，碟形弹簧受压产生位于压平位置附近变形，为系统提供非线性负刚度；螺旋弹簧提供线性正刚度。

本申请是一种适用于水平双向和竖向的三维被动的非线性振动控制技术，可用于受环境振动影响精密仪器设备与结构物等，且在隔离环境振动的同时可以具有隔离地震动和冲击的效果。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

(1)能够实现多振源类型，水平双向和竖向多方向振源隔离的效果；

(2)基于直线轴承构造设计，能够为该轴承式运动解耦三维隔振支座提供顺畅的运动解耦效果，使得水平向隔振系统和竖向隔振系统能相对独立工作，并取得更优化的隔振效果；

(3)竖向带刚度自适应的隔振系统，具有承载力大，变形能力强，设计灵活，隔振效果好的特点。

附图说明

图1为本申请实施例提供的轴承式运动解耦三维隔振支座的剖面图；

图2为本申请实施例提供的轴承式运动解耦三维隔振支座的的立体装配图；

图3为本申请实施例提供的竖向组合隔振装置细部配合构造剖面图；

图4为本申请实施例提供的串联两组碟形弹簧加载配合示意图；

图5为本申请实施例提供的串联两组并联两组碟形弹簧配合示意图；

图6为本申请实施例提供的直线轴承配合构造剖面图；

图中标号：1下连接板，2直线轴承，3底部定位加载环，4内定位加载环，5外定位加载环，6螺旋弹簧，7碟形弹簧，8轴承导杆，9中作板，10叠层橡胶支座，11上连接板，12滚珠。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本申请作进一步说明。

如图1所示，一种轴承式运动解耦三维隔振支座，包括下连接板1，直线轴承2，底定位加载环3，内定位加载环4，外定位加载环5，螺旋弹簧6，碟形弹簧7，轴承导杆8，中作板9，叠层橡胶支座10，上连接板11。

图2为本申请的立体装配图，说明了各部件之间的配合关系。下连接板1通过螺栓与基础地面进行连接，上连接板11通过螺栓与隔振体进行连接。叠层橡胶支座10设置内螺栓孔，叠层橡胶支座10与上连接板11和中作板9之间采用内六角螺栓紧密连接。中作板9通过定位加载环，将其上部重力荷载传递到由碟形弹簧7，螺旋弹簧6，底定位加载环3，内定位加载环4和外定位加载环5组成的竖向隔振系统。直线轴承2通过螺栓固定于下连接板1，轴承导杆8通过焊接或螺栓连接于中作板9，直线轴承2与轴承导杆8之间的相互配合实现了装置的运动解耦。

图3说明了竖向刚度自适应隔振系统部件之间的配合关系。包括碟形弹簧7、螺旋弹簧6、定位加载环；定位加载环包括底部定位加载环3、内定位加载环4和外定位加载环5；外定位加载环5、底部定位加载环3从上向下依次设置于中作板9与下连接板1之间；两个或多个碟形弹簧7从上向下依次设置于外定位加载环5、底部定位加载环3之间，且相邻两个碟形弹簧7之间各通过一个内定位加载环4串联，通过内定位加载环4进行力的传递；螺旋弹簧6位于中作板9、下连接板1之间，并依次穿过外定位加载环5、通过内定位加载环4串联的碟形弹簧7、底部定位加载环3。定位加载环起到传递力，固定碟形弹簧位置以及为碟形弹簧7提供更大变形能力的作用。

图4为串联两组碟形弹簧加载配合示意图。碟形弹簧7之间的串联通过碟形弹簧7与内定位加载环4之间的配合方式实现，通过碟形弹簧7的串联实现增强竖向隔振系统的变形能力。

图5为串联两组并联两组碟形弹簧的配合示意图。通过碟形弹簧7的并联实现增强竖向隔振系统的承载能力。碟形弹簧7的串、并联构造需根据竖向隔振需求而设计。

图6为直线轴承配合构造剖面图。通过直线轴承2中设置滚珠12的构造，实现了轴承导杆8在轴承中的顺畅直线滑动，并实现了装置的运动解耦。

以上是本申请的典型实例，本申请的实施不限于此。

综上可知，本申请结合了叠层橡胶支座作为水平向隔振装置，带刚度自适应特性的组合系统作为竖向隔振装置，并利用直线轴承式设计，实现了隔振装置水平向与竖向运动的解耦。

本申请水平向采用叠层橡胶支座，为一种较为传统的隔振装置，该类型支座不但具有性能稳定可靠，工业界应用广泛的特点，而且具有较高的竖向刚度和竖向承压能力，同时能为水平向提供较小的刚度，有利于取得良好隔振效果。在实际设计时，可根据被隔振物体的实际动力特性以及隔振目标需求，设计采用天然叠层橡胶支座或铅芯叠层橡胶支座，铅芯叠层橡胶支座在支座中部设置了铅芯棒，能起到耗散振动能量的作用。

本申请竖向采用带刚度自适应特性的组合系统，刚度自适应是指系统的刚度随着位移不同而产生变化，属于一种被动的非线性特性，该系统的刚度自适应是指当支座竖向振动位移较小时，系统提供较小刚度，利于取得更优化的隔振效果；振动位移过大时，提供较大刚度，利于抑制过大位移产生的系统失效；本申请中竖向隔振系统由碟形弹簧、螺旋弹簧和定位加载环组合而成，可根据隔振承载力和隔振效果需求，对碟形弹簧的尺寸，碟形弹簧串并联数量，螺旋弹簧尺寸，加载环尺寸等进行设计。

本申请基于直线轴承设计，实现了隔振装置水平向与竖向的运动解耦，直线轴承是一种精度高、成本低、摩擦阻力小的直线运动系统，通过直线轴承与轴承导杆的组合使用，利用直线轴承中滚珠的滚动实现了高精度、低摩擦的平稳直线运动，并且限制了水平向的相对运动。

Claims (9)

1.一种轴承式运动解耦三维隔振支座，包括上连接板(11)、中作板(9)、下连接板(1)、水平向隔振系统、竖向隔振系统，上连接板(11)、中作板(9)、下连接板(1)从上向下依次设置，水平向隔振系统安装在上连接板(11)与中作板(9)之间，竖向隔振系统安装在中作板(9)与下连接板(1)之间；其特征在于：还包括直线轴承(2)和轴承导杆(8)；

直线轴承(2)固定于下连接板(1)上，轴承导杆(8)固定于上连接板(11)并穿过直线轴承(2)的内圈；直线轴承(2)的外圈设置有若干滚珠(12)；通过轴承导杆(8)在直线轴承(2)内的竖向相对运动，实现该轴承式运动解耦三维隔振支座水平向与竖向的运动解耦。

2.根据权利要求1所述的轴承式运动解耦三维隔振支座，其特征在于：中作板(9)与下连接板(1)之间设置有多个直线轴承(2)以及与直线轴承(2)一一相应的轴承导杆(8)。

3.根据权利要求2所述的轴承式运动解耦三维隔振支座，其特征在于：多个直线轴承(2)以及与其一一相应的轴承导杆(8)均匀分布在竖向隔振系统的外周。

4.根据权利要求1所述的轴承式运动解耦三维隔振支座，其特征在于：竖向隔振系统为带刚度自适应的装置，其包括碟形弹簧(7)、螺旋弹簧(6)、定位加载环；

定位加载环包括底部定位加载环(3)、内定位加载环(4)和外定位加载环(5)；外定位加载环(5)、底部定位加载环(3)从上向下依次设置于中作板(9)与下连接板(1)之间；两个或多个碟形弹簧(7)从上向下依次设置于外定位加载环(5)、底部定位加载环(3)之间，且相邻两个碟形弹簧(7)之间各通过一个内定位加载环(4)串联；

螺旋弹簧(6)位于中作板(9)、下连接板(1)之间，并依次穿过外定位加载环(5)、通过内定位加载环(4)串联的碟形弹簧(7)、底部定位加载环(3)。

5.根据权利要求4所述的轴承式运动解耦三维隔振支座，其特征在于：通过内定位加载环(4)串联的碟形弹簧(7)为上下直接并联的两个或多个碟形弹簧(7)。

6.根据权利要求4所述的轴承式运动解耦三维隔振支座，其特征在于：下连接板(1)的中心开设槽口，将螺旋弹簧(6)放置在下连接板(1)的槽口内。

7.根据权利要求1所述的轴承式运动解耦三维隔振支座，其特征在于：竖向隔振系统采用螺旋弹簧，或空气弹簧，或厚肉橡胶垫。

8.根据权利要求1所述的轴承式运动解耦三维隔振支座，其特征在于：水平向隔振系统采用叠层天然橡胶支座，或叠层铅芯橡胶支座，或高阻尼橡胶支座，或摩擦摆支座。

9.根据权利要求1至8任一所述的轴承式运动解耦三维隔振支座，其特征在于：中作板(9)与下连接板(1)之间增设有黏滞阻尼耗能装置。