CN110513421B - 一种船用大载荷低频隔振装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船用大载荷低频隔振装置及其安装方法，包括一端开口的缸体，贯穿缸壁安装支撑架，位于缸体内部的支撑架端部安装钢丝绳，钢丝绳以螺旋形的方式卷绕在支撑架与缸体内壁之间；缸体开口端的内部安装沿其滑动的活塞块，活塞块与缸体共同形成封闭的腔体，腔体内填充剪切增稠液；支撑架顶部的设备平台用于安装设备，支撑架底部的上板位于缸体内部并用于卷绕钢丝绳，设备平台与上板之间通过立柱相连，支撑架以立柱为导向相对于缸体上下移动；本发明综合应用了剪切增稠液的低频剪切耗能特性和钢丝绳的摩擦耗能特性及承受负荷能力，使得设备在低频振动频率范围内产生显著的隔振效果，尤其适用于船舶大载荷低转速设备的振动噪声控制。

Description

一种船用大载荷低频隔振装置及其安装方法

技术领域

本发明涉及振动控制技术领域，尤其是一种船用大载荷低频隔振装置及其安装方法。

背景技术

舰船上安装有各种机械装置、武器装备和电器设备等，它们产生的机械振动与噪声通过基座等支撑系统传递到船体结构，并向水中辐射振动和声。对于高隐身性能的舰船，机舱部分的局部振动消除尤其困难，采用隔振措施减小机械设备所产生的振动的传播是控制结构振动和噪声传递的有效手段，即在设备与支撑之间插入隔振装置以进行机械振动的隔离。为此，研发了各种类型的隔振装置，例如单层隔振装置、双层隔振装置，以及由双层隔振装置发展而来的浮筏隔振装置以及更为复杂的空间舱筏隔振装置。

对于单台机械设备，通常在设备和基座或者浮筏结构之间插入一层隔振器，利用隔振器的弹性使传递到基座上的动态激励力小于设备激励力。理论分析表明只有当隔振装置固有频率达到动力机械激励频率的

以下时才能隔振。现有技术中，动力机械激励频率有的已降至5Hz，而现有隔振装置中使用性能较好、应用较多的隔振器，例如橡胶隔振器，在设计成受剪切力的情况，可隔离低至10Hz左右的激励频率，但是不能承受较大的载荷；当承受荷载较大时，需要做成承压式，但是共振频率相对较高，主要用于隔离高频振动；钢丝绳隔振器的固有频率一般可低至7Hz左右，气囊隔振器的固有频率可低至5Hz左右。

随着船舶大型机械设备振动噪声控制向更低频域发展，以及浮筏、舱筏隔振系统等大型船舶隔振系统的应用，对大载荷、低频隔振装置提出了新的需求，传统隔振装置需要进一步改进才能满足要求。近年来智能阻尼材料如电流变液(ERF)、磁流变液(MRF)、形状记忆合金(SMA)以及压电材料(PZT)的出现为提高传统隔振装置的性能提供了可能，引起了广泛的关注。然而，这些智能材料构成的阻尼器件或装置，其振动控制行为往往取决于外界能量的输入。以电流变液(ERF)阻尼器为例，其阻尼力的大小取决于外加电流的大小，且单一的ERF阻尼器所提供的阻尼力和初始刚度比较有限难以满足大型机械设备低频振动噪声控制需求。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的船用大载荷低频隔振装置及其安装方法，从而大大改善了设备在低频振动频率范围内的隔振，效果明显。

本发明所采用的技术方案如下：

一种船用大载荷低频隔振装置，包括一端开口的缸体，贯穿缸体的缸壁安装有支撑架，位于缸体内部的支撑架端部安装有钢丝绳，所述钢丝绳以螺旋形的方式卷绕在支撑架与缸体内壁之间；所述缸体开口端的内部安装有沿其滑动的活塞块，所述活塞块与缸体共同形成封闭的腔体，所述腔体内填充有剪切增稠液。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述缸体的结构为：包括中空长方体结构的缸本体，所述缸本体端部开口并在开口端向外延伸有筒形部，所述活塞块安装于筒形部的内部；所述缸本体顶部开有多个贯穿缸壁的立柱孔，所述缸本体内底面向内部延伸有下板，所述下板上开有均布的下接孔，所述下接孔上卷绕有钢丝绳。

所述筒形部两端端头均向内延伸有凸起，两端凸起形成活塞块滑动时的两端限位；位于两端凸起之间的筒形部内壁设有供活塞块滑动的滑槽。

所述支撑架的结构为：包括相互平行并间隔设置的设备平台和上板，所述设备平台上开有用于安装设备的螺栓孔；所述设备平台与上板之间安装有多根立柱，立柱贯穿缸体的缸壁，所述上板位于缸体内部，上板上开有均布的上接孔，所述上接孔上卷绕有钢丝绳。

所述立柱为实心圆柱结构，立柱与缸体之间安装有密封件；所述支撑架以立柱为导向相对于缸体运动。

所述缸体外壁上还固装有螺纹杆，所述缸体通过螺纹杆与船体固装。

一种所述的船用大载荷低频隔振装置的安装方法，包括如下步骤：

第一步：将支撑架上的设备平台单独加工；

第二步：将缸体的顶部单独加工，即缸体的底部、侧壁及筒形部构成顶部敞口的缸本体，该敞口缸本体与缸体顶部分别独立加工；

第三步：将上板放置于第二步中的敞口缸本体中，在上板与下板之间卷绕钢丝绳，使得钢丝绳依次通过下接孔和上接孔，钢丝绳卷绕呈螺旋形结构；

第四步：在敞口缸本体的筒形部处安装活塞块；

第五步：在缸体内加入剪切增稠液，且剪切增稠液将上板完全浸没；

第六步：将第二步中缸体顶部通过立柱孔穿过立柱，并将缸体顶部与侧壁焊接形成为一体；

第七步：缸体顶部与立柱之间安装密封件，进行密封处理；

第八步：将设备平台焊装于立柱上并形成为一体。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过“钢丝绳+剪切增稠液(STF)+活塞块”的组合隔振结构形式，综合应用钢丝绳的结构承载功能和摩擦耗能特性，以及STF的低频剪切耗能特性，充分发挥钢丝绳及剪切增稠液的作用，实现了主要由钢丝绳承载、剪切增稠液耗能减振的一体化低频隔振装置的设计，改善了传统隔振装置的低频隔振性能；隔振装置产生动态位移时，一是钢丝绳的股与股、丝与丝之间产生摩擦阻尼；二是缸体内的STF在振动较小时呈液态，其在缸体中运动时会产生流动阻尼；三是隔振装置在较大幅值振动情况下，迫使STF产生剪切增稠行为，STF由液体转变成固体或类固体后，与钢丝绳、上板下板、立柱以及缸体内壁等相接触的零部件产生摩擦从而提供另外的高阻尼力；四是缸体内的STF随着钢丝绳的动态变形，推动活塞块做往复运动，进一步消耗振动能量，从而使被隔振的机械设备在低频振动频率范围内产生显著的隔振效果，尤其适用于船舶大载荷、低转速设备的振动噪声控制。

本发明还包括如下优点：

设备平台上设有多个螺栓孔，用于隔振设备的安装，以便于设备通过螺栓方便地安装到支撑架上；

隔振装置底部设置有多个螺纹杆，以便于装置整体安装至船体上；

立柱为实心圆柱，起到连接设备平台和上板的作用，其在缸体内的长度与钢丝绳向上的行程、以及钢丝绳的回弹位移息息相关；

缸体为空心长方体结构，其内部除钢丝绳及相应安装组件外，充满了剪切增稠液；较大的填充空间更有利于剪切增稠液作用的更好发挥；

活塞块为圆柱形结构，其通过往复运动耗散振动能量；当设备振动位移向下时，压缩剪切增稠液推动活塞块向腔体外运动；当设备振动位移向上时，剪切增稠液向腔体内回流，带动活塞块向腔体方向运动；同样，当设备产生纵向向前振动位移时，压缩剪切增稠液推动活塞块向腔体外运动；当设备产生纵向向后振动位移时，剪切增稠液向腔体内回流，带动活塞块向腔体方向运动；往复运动过程中，活塞块与腔壁不断摩擦产生热量，耗散振动能量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的侧视图(全剖视图)。

图3为本发明缸体的全剖视图。

图4为图3中A部的局部放大图。

图5为图3的俯视图。

图6为本发明支撑架的结构示意图。

图7为图6的俯视图。

其中：1、支撑架；2、剪切增稠液；3、钢丝绳；4、缸体；5、螺纹杆；6、活塞块；11、设备平台；12、立柱；13、上板；14、上接孔；15、螺栓孔；41、缸本体；42、下板；43、筒形部；44、立柱孔；45、下接孔；431、滑槽；432、凸起。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实施例的一种船用大载荷低频隔振装置，包括一端开口的缸体4，贯穿缸体4的缸壁安装有支撑架1，位于缸体4内部的支撑架1端部安装有钢丝绳3，钢丝绳3以螺旋形的方式卷绕在支撑架1与缸体4内壁之间；缸体4开口端的内部安装有沿其滑动的活塞块6，活塞块6与缸体4共同形成封闭的腔体，腔体内填充有剪切增稠液2。

通过“钢丝绳+剪切增稠液(STF)+活塞块”的组合隔振结构形式，综合应用钢丝绳3的结构承载功能和摩擦耗能特性，以及STF的低频剪切耗能特性，充分发挥钢丝绳3及剪切增稠液2的作用，实现了主要由钢丝绳3承载、剪切增稠液2耗能减振的一体化低频隔振装置的设计，改善了传统隔振装置的低频隔振性能；隔振装置产生动态位移时，一是钢丝绳3的股与股、丝与丝之间产生摩擦阻尼；二是缸体4内的STF在振动较小时呈液态，其在缸体4中运动时会产生流动阻尼；三是隔振装置在较大幅值振动情况下，迫使STF产生剪切增稠行为，STF由液体转变成固体或类固体后，与钢丝绳3、上板13下板42、立柱12以及缸体4内壁等相接触的零部件产生摩擦从而提供另外的高阻尼力；四是缸体4内的STF随着钢丝绳3的动态变形，推动活塞块6做往复运动，进一步消耗振动能量。

活塞块6为圆柱形结构，其通过往复运动耗散振动能量；当设备振动位移向下时，压缩剪切增稠液2推动活塞块6向腔体外运动；当设备振动位移向上时，剪切增稠液2向腔体内回流，带动活塞块6向腔体方向运动；同样，当设备产生纵向向前振动位移时，压缩剪切增稠液2推动活塞块6向腔体外运动；当设备产生纵向向后振动位移时，剪切增稠液2向腔体内回流，带动活塞块6向腔体方向运动；往复运动过程中，活塞块6与腔壁不断摩擦产生热量，耗散振动能量。

如图3和图5所示，缸体4的结构为：包括中空长方体结构的缸本体41，缸本体41端部开口并在开口端向外延伸有筒形部43，活塞块6安装于筒形部43的内部；缸本体41顶部开有多个贯穿缸壁的立柱孔44，缸本体41内底面向内部延伸有下板42，下板42上开有均布的下接孔45，下接孔45上卷绕有钢丝绳3；缸体4内部除钢丝绳3及相应安装组件外充满了剪切增稠液2，较大的填充空间更有利于剪切增稠液2作用的更好发挥。

如图4所示，筒形部43两端端头均向内延伸有凸起432，两端凸起432形成活塞块6滑动时的两端限位；位于两端凸起432之间的筒形部43内壁设有供活塞块6滑动的滑槽431。

如图6和图7所示，支撑架1的结构为：包括相互平行并间隔设置的设备平台11和上板13，设备平台11上开有用于安装设备的螺栓孔15；设备平台11与上板13之间安装有多根立柱12，立柱12贯穿缸体4的缸壁，立柱12起到连接设备平台11和上板13的作用，其在缸体4内的长度与钢丝绳3向上的行程、以及钢丝绳3的回弹位移息息相关；上板13位于缸体4内部，上板13上开有均布的上接孔14，上接孔14上卷绕有钢丝绳3。

立柱12为实心圆柱结构，立柱12与缸体4之间安装有密封件，密封件防止剪切增稠液2的外泄；支撑架1以立柱12为导向相对于缸体4运动。

缸体4外壁上还固装有螺纹杆5，缸体4通过螺纹杆5与船体固装，螺纹杆5便于隔振装置整体安装至船体上。

剪切增稠液(简称STF)，英文名Shear Thickening Fluid，是一种先进的变阻尼、变刚度、吸能的智能新材料。这种新材料一般由纳米级别的分散相和分散介质搅拌混合均匀而成。在常态下，该材料十分柔软，一旦遇到高速的冲撞、大幅值的振动，材料变得非常坚硬从而消耗冲击振动能量，呈现出强烈的非线性刚度和阻尼特征；当外力消失后，材料又会回复到它最初的柔软状态；其是一种无源、自适应的被动减振智能新材料，具有高度非线性力学性能，且无需外界电场或磁场。

对于船舶机械设备，设备振动能量主要集中在低频段。当设备振动能量较大时，STF受到挤压，迫使其发生剪切增稠行为而产生较大的阻尼力，从而吸收设备振动产生的能量。同时，钢丝绳的各股与各丝之间在设备振动时会产生摩擦阻尼耗散能量，并且由于STF的加入及其剪切增稠，钢丝绳与STF之间也会产生摩擦力从而提高其阻尼性能。

本实施例的一种船用大载荷低频隔振装置的安装方法，包括如下步骤：

第一步：将支撑架1上的设备平台11单独加工；

第二步：将缸体4的顶部单独加工，即缸体4的底部、侧壁及筒形部43构成顶部敞口的缸本体，该敞口缸本体与缸体4顶部分别独立加工；

第三步：将上板13放置于第二步中的敞口缸本体中，在上板13与下板42之间卷绕钢丝绳3，使得钢丝绳3依次通过下接孔45和上接孔14，钢丝绳3卷绕呈螺旋形结构；

第四步：在敞口缸本体的筒形部43处安装活塞块6；

第五步：在缸体4内加入剪切增稠液2，且剪切增稠液2将上板13完全浸没；剪切增稠液2距离敞口面的距离不小于钢丝绳3的最大变形量；

第六步：将第二步中缸体4顶部通过立柱孔44穿过立柱12，并将缸体4顶部与侧壁焊接形成为一体；

第七步：缸体4顶部与立柱12之间安装密封件，进行密封处理；

第八步：将设备平台11焊装于立柱12上并形成为一体。

本发明设计巧妙，综合应用钢丝绳的结构承载功能和摩擦耗能特性、剪切增稠液在大幅值振动下的剪切耗能特性，以及活塞块与腔体之间往复摩擦耗能的优势，增加隔振装置在低频段的振动能量耗能，实现低频隔振。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (5)

1.一种船用大载荷低频隔振装置，其特征在于：包括一端开口的缸体(4)，贯穿缸体(4)的缸壁安装有支撑架(1)，位于缸体(4)内部的支撑架(1)端部安装有钢丝绳(3)，所述钢丝绳(3)以螺旋形的方式卷绕在支撑架(1)与缸体(4)内壁之间；所述缸体(4)开口端的内部安装有沿其滑动的活塞块(6)，所述活塞块(6)与缸体(4)共同形成封闭的腔体，所述腔体内填充有剪切增稠液(2)；

所述缸体(4)的结构为：包括中空长方体结构的缸本体(41)，所述缸本体(41)端部开口并在开口端向外延伸有筒形部(43)，所述活塞块(6)安装于筒形部(43)的内部；所述缸本体(41)顶部开有多个贯穿缸壁的立柱孔(44)，所述缸本体(41)内底面向内部延伸有下板(42)，所述下板(42)上开有均布的下接孔(45)，所述下接孔(45)上卷绕有钢丝绳(3)；所述支撑架(1)的结构为：包括相互平行并间隔设置的设备平台(11)和上板(13)，所述设备平台(11)上开有用于安装设备的螺栓孔(15)；所述设备平台(11)与上板(13)之间安装有多根立柱(12)，立柱(12)贯穿缸体(4)的缸壁，所述上板(13)位于缸体(4)内部，上板(13)上开有均布的上接孔(14)，所述上接孔(14)上卷绕有钢丝绳(3)。

2.如权利要求1所述的一种船用大载荷低频隔振装置，其特征在于：所述筒形部(43)两端端头均向内延伸有凸起(432)，两端凸起(432)形成活塞块(6)滑动时的两端限位；位于两端凸起(432)之间的筒形部(43)内壁设有供活塞块(6)滑动的滑槽(431)。

3.如权利要求1所述的一种船用大载荷低频隔振装置，其特征在于：所述立柱(12)为实心圆柱结构，立柱(12)与缸体(4)之间安装有密封件；所述支撑架(1)以立柱(12)为导向相对于缸体(4)运动。

4.如权利要求1所述的一种船用大载荷低频隔振装置，其特征在于：所述缸体(4)外壁上还固装有螺纹杆(5)，所述缸体(4)通过螺纹杆(5)与船体固装。

5.一种权利要求1所述的船用大载荷低频隔振装置的安装方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：将支撑架(1)上的设备平台(11)单独加工；

第二步：将缸体(4)的顶部单独加工，即缸体(4)的底部、侧壁及筒形部(43)构成顶部敞口的缸本体，该敞口缸本体与缸体(4)顶部分别独立加工；

第三步：将上板(13)放置于第二步中的敞口缸本体中，在上板(13)与下板(42)之间卷绕钢丝绳(3)，使得钢丝绳(3)依次通过下接孔(45)和上接孔(14)，钢丝绳(3)卷绕呈螺旋形结构；

第四步：在敞口缸本体的筒形部(43)处安装活塞块(6)；

第五步：在缸体(4)内加入剪切增稠液(2)，且剪切增稠液(2)将上板(13)完全浸没；

第六步：将第二步中缸体(4)顶部通过立柱孔(44)穿过立柱(12)，并将缸体(4)顶部与侧壁焊接形成为一体；

第七步：缸体(4)顶部与立柱(12)之间安装密封件，进行密封处理；

第八步：将设备平台(11)焊装于立柱(12)上并形成为一体。

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