CN110701230B - 一种非线性刚度周期性隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非线性刚度周期性隔振器，包括：底板，提供安装及承载支撑；外壳，呈筒状，一端敞口，另一端有端面；敞口端安装在底板上；端面上具有开口；隔振内芯，在外壳的轴向呈周期性弹性结构，位于底板与外壳围设的空间内；周期性弹性结构中具有弹性的部分由能够提供非线性刚度形变特性的多孔弹性材料制成；承载平台，呈台阶状，大径段安装在所述隔振内芯上，小径段从外壳端面的开口内伸出，大径段直径大于所述外壳端面的开口。解决现有技术中低频状态下形变增加导致设备稳定性和安全性降低及中高频共振等问题，降低在动态重载作用下引起的位移，从而减小对设备的安全、可靠、稳定、舒适运行带来的不利影响，并提升对中高频隔振性能。

Description

一种非线性刚度周期性隔振器

技术领域

本发明涉及隔振器技术领域，具体是一种非线性隔振器。

背景技术

机械结构振动会引起结构疲劳、断裂、爆炸等严重事故，其降低产品的使用寿命并形成辐射噪声环境污染。隔振器是阻碍振动传递的重要减振部件，在舰艇、高速列车、铁路、地铁、建筑等结构中广泛使用，能有效提升结构的振动噪声抑制性能。各项工程应用对低频、抗剪切且小变形的隔振器需求迫切。

当前隔振器存在以下不足：(1)为了降低隔振频率通常需降低隔振器刚度，但是线性隔振器的刚度不会随着变形量的变化而变化，降低刚度意味着增加隔振器变形，使在动态的重载作用下引起较大位移(例如列车的行驶过程)，反而对装备的安全、可靠、稳定、舒适运行带来更严重的不利影响；(2)隔振器中不可避免地使用多种弹性部件，这些部件在中高频产生的共振导致中高频隔振性能降低。

发明内容

本发明提供一种隔振器，用于克服现有技术中隔振器刚度与变形量呈线性变化导致使用设备的安全、可靠及稳定性能降低等缺陷，通过提供一种刚度与变形量呈非线性变化的非线性隔振器，降低在动态重载作用下引起的位移，从而减小对设备的安全、可靠、稳定、舒适运行带来的不利影响；通过周期结构提升对中高频隔振性能。

为实现上述目的，本发明提供一种非线性刚度周期性隔振器，包括：

底板，用于提供安装及承载支撑；

外壳，呈筒状，一端敞口，另一端具有端面；敞口端安装在所述底板上；端面上具有开口；

隔振内芯，在外壳的轴向为周期性弹性结构，位于所述底板与外壳围设的空间内；所述周期性弹性结构中具有弹性的部件由能够提供非线性刚度形变特性的多孔弹性材料制成；

承载平台，呈台阶状，大径段安装在所述隔振内芯上，小径段从所述外壳端面的开口内伸出，所述大径段直径大于所述外壳端面的开口。

本发明提供的非线性刚度隔振器，使用时，可通过底板将隔振器安装在设备上，当隔振器承载平台承受轴向静态载荷时，由于隔振内芯在轴向具有周期性弹性结构，多孔弹性材料制成的弹性部件受载产生变形，并随着载荷动态增加产生的变形量增加，且刚度随着变形量增加呈现硬刚度非线性变化趋势而迅速增大，进而抑制变形，使得隔振器产生小变形量，保持动态加载情况下被隔振设备运动的稳定性、安全、可靠及舒适性；此外，周期性内芯可形成Bragg带隙能有效抑制中高频结构共振。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1(a)、1(b)为本发明优选实施例中隔振器结构示意图，其中：图1(a)为隔振器立体示意图；图1(b)为过隔振器中心轴的剖面图；

图2为隔振器内芯带凹槽的不锈钢板立体图；

图3为侧向隔振圆筒结构立体图；

图4为制备的金属橡胶样品图；

图5为试验测试的单块金属橡胶压缩加载、卸载变形曲线；

图6为采用工业高温修补剂粘接的金属橡胶样品图；

图7为粘接后的金属橡胶拉伸加载、卸载变形曲线；

图8(a)、8(b)为实施例中有限元方法计算的波传递率和振动传递率，其中：图8(a)为无重物情况下的波传递率；图8(b)为负载1吨重物情况下的振动传递率；

图9为实施例中有限元方法计算的不同厚度金属橡胶对带隙和波传递率的影响图；

图10为实施例中所加工的由四层周期结构构成的内芯的压缩变形曲线及其拟合曲线；

图11(a)、11(b)为实施例中1吨重载下实验测试的隔振器振动传递率曲线；图11(a)低频振动传递率；图11(b)全频带振动传递率。

附图标号说明：

1、轴向弹性体；2、刚性板；3、刚性体；4、径向弹性体；5、载荷平台；6、外壳；7、抗拉层；8、底板；9、连接螺栓孔；10、第一限位槽。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如附图1-3所示，本实施例提供一种非线性刚度周期性隔振器，包括底板8、外壳6、隔振内芯和承载平台5；

底板8用于提供安装及承载支撑；外壳6呈筒状，一端敞口，另一端具有端面；敞口端安装在所述底板8上；端面上具有开口81；隔振内芯在外壳6的轴向为周期性弹性结构，位于所述底板8与外壳6围设的空间内；所述周期性弹性结构中具有弹性的部件由能够提供非线性刚度形变特性的多孔弹性材料制成；承载平台5呈台阶状，大径段安装在所述隔振内芯上，小径段从所述外壳端面的开口内伸出，所述大径段直径大于所述外壳端面的开口。

周期性弹性结构在本发明一实施例中由多个弹性块和连接件，连接件用于将弹性块在轴向上连接起来，每个弹性块在轴向上的弹性用于提供隔振功能；弹性块与连接件的结构在此不限。

多孔弹性材料在压缩载荷作用下具有显著的非线性载荷-变形特征，通常其刚度随着压缩量的增加而增加，为大载荷下的小变形隔振器设计提供技术思路。金属橡胶是由金属丝缠绕压缩而成的多孔非线性材料，其制备技术较成熟，其刚度随着压缩变形量呈指数级增加。多孔弹性材料包括但不限于高分子材料、橡胶、特质海绵、金属橡胶等。

振动以弹性波的形式在结构中传播。声学超材料是一种人工周期结构，它的弹性波带隙能够高效反射弹性波传播，从而能够有效抑制结构振动，为隔振器设计提供了新思路。据此，采用周期性弹性结构抑制中高频结构的振动。

隔振器结构呈圆柱形状。隔振内芯包括沿所述外壳轴向排列的多个轴向弹性单元，每个所述轴向弹性单元由软质层和硬质层叠加构成，所述软质层由非线性弹性材料制成，为圆环形结构；软质层为金属橡胶材料。所述硬质层由金属材料制成，所有金属橡胶接触的硬质层面均加工出用于限定软质层径向移动的槽；所述轴向周期性内芯具有由Bragg散射形成的带隙，带隙频率范围由软质金属橡胶层的厚度调节，增加软质层厚度能降低带隙频率范围。

具体轴向弹性单元包括轴向弹性体1(相当于软质层)和刚性板2(相当于硬质层)：轴向弹性体1呈圆盘状；刚性板2位于相邻两轴向弹性体1之间，通过设置在刚性板2两面同轴心的第一限位槽10连接两弹性体；相邻两轴向弹性体1靠近所述刚性板的一端夹持于邻近的第一限位槽10内，所述轴向弹性体1的轴向尺寸大于第一限位槽10深度的两倍，以确保轴向弹性体1能够在受载后并产生形变。第一限位槽10与轴向弹性体1端部结构适配；例如：轴向弹性体1呈圆柱状，第一限位槽10呈圆形，且径向尺寸相当，轴向弹性体1与刚性板2之间固定连接，本实施例中采用粘结。结构简单易于实现。

更进一步地，为降低隔振器重量，在所述轴向弹性体1内部设置轴向的内孔；横截面呈圆环性，所述刚性板的第一限位槽10与所述轴向弹性体1的端面形状适配，均呈圆环形。参见图1(b)和图2。

软质层即轴向弹性体1由金属橡胶制成，厚度为h₁；优选地，硬质层即刚性板2由不锈钢板构成。如图2所示，不锈钢板有圆环槽，圆环槽的外径等于金属橡胶外径，圆环槽内径等于金属橡胶内径，槽的深度为h_2c；优选地，h₁/10<h_2c<h₁/2；刚性板2双侧槽底面之间的厚度为h₂。内芯不锈钢层外径为R_c。所述软质层和硬质层的总层数由整个隔振器的高度以及带隙频率确定；优选地，软质层的数量要大于等于4。

为限定隔振内芯在径向上移动，所述底板8上靠近所述隔振内芯的一面以及所述承载平台5的大径段靠近所述隔振内芯的一面均设置有与所述轴向弹性体端面适配的第二限位槽82；所述隔振内芯中靠近所述承载平台5的轴向弹性体的端部置于大径段的第二限位槽82内；所述隔振内芯中靠近所述底板1的轴向弹性体的端部至于所述底板的第二限位槽82内。轴向弹性体1与承载平台5之间以及轴向弹性体1与底板8之间固定连接，本实施例中采用粘结。

优选地，所述承载平台5大径段与所述外壳6之间设置有抗拉层7，所述抗拉层粘结在所述外壳6内壁顶部；所述抗拉层7由能够提供非线性刚度形变特性的多孔弹性材料制成。抗拉层7的外臂面与外壳6的内臂面接触，其内径外R_7I，R_t<R_7I<R_c。优选地，在受压状态下，顶部抗拉层7的下表面与隔振内芯顶部之间保持一定间隙。抗拉层7能够提高隔振器的抗拉性能。顶部抗拉层使隔振器具有优异的非线性抗拉变形特性，防止拉拔失效。

如图2所示，优选地，所有与金属橡胶固定连接的刚性部件(不锈钢板/筒)表面都采用喷砂工艺处理，使表面粗糙；优选地，金属橡胶与不锈钢粗糙表面之间采用金属高温修补剂粘接，以提高粘接强度和耐高温性能。解决了普通高分子橡胶材料的耐高温和抗拉拔能力差的问题。粗糙表面高温修补剂粘接工艺抗拉强度高，可靠性高；所有材料和粘接剂都可以耐受高温、高湿、辐照环境。

为便于安装，所述抗拉层7与所述承载平台5的大径段靠近的端面之间具有间隙。为了进一步降低隔振器施加静载时的变形，隔振器封装时施加一定的预压缩载荷。

为提升隔振器抗剪切性能，隔振器还包括径向隔振装置，位于所述隔振内芯与所述外壳6之间；所述径向隔振装置轴向与所述外壳6之间以及与所述底板8之间均具有轴向间隙；所述径向隔振装置在径向上与所述外壳6固定连接。轴向间隙用于为隔振器在承受轴向载荷产生形变提供空间。

优选地，所述径向隔振装置包括径向弹性体4和刚性体3；径向弹性体4由能够提供非线性刚度形变特性的多孔弹性材料制成,且远离外壳6中心轴线的一侧固定在所述外壳6内周壁上，靠近外壳6中心轴线的一侧与刚性体3固定连接；所有所述刚性体3形成一个轴向空间，所述隔振内芯被限定在所述轴向空间内，并能相对刚性体3轴向移动。径向弹性体4可以呈圆筒形，也可以包括若干弹性块，弹性块环绕外壳6内壁一周排列，在径向上靠近外壳6的一端与外壳6内壁粘结，在径向上靠近外壳中心轴线的一端与刚性体3粘结，刚性体3可以是一个整体圆筒，也可以由多片弧形片围设形成一个圆柱形空间。

优选地，所述径向弹性体4和所述刚性体3均呈筒形；所述刚性体3的内径与所述隔振内芯的外径及承载平台大径段外径相适配，且所述承载平台5与所述隔振内芯形成的整体能在所述刚性体3内轴向移动。侧向结构即径向隔振装置也具有硬非线性特性，隔振器切向小变形时刚度低、隔振效果好，大变形时刚度快速增加从而保护被隔振结构，因此具有优异的动态抗剪切能力。

载荷安装台5的半径为R_t且R_t<R_c。

如图1和图3所示，侧向非线性隔振筒呈圆筒状，由一层刚性体3和一层弹性体4构成。弹性体4由金属橡胶材料构成；优选地，刚性体3由不锈钢制成。不锈钢圆筒3内径为R_3I，优选地，0.02mm<R_3I-R_c<0.5mm从而使侧向隔振结构与内芯之间构成间隙配合，内芯硬质层2可沿着硬质圆筒3的内壁滑动。

所述多孔材质为金属橡胶，所述金属橡胶由卷曲的金属丝缠绕形成，例如弹簧钢丝制成。如图4所示。

所述金属橡胶的压缩载荷F与压缩量s之间的关系可用指数函数描述，F＝Ae^B·s-A，参数A>0，B>0。那么，整个隔振器的刚度为K＝A·B·e^B·s。可见，刚度K随着变形量s的增加而指数倍增加，因此隔振器的轴向、切向都具有硬刚度非线性变形特性。

为了进一步说明本发明提供的隔振器的隔振效果，以下结合具体实施例对其进行说明。

设计隔振器内芯的参数为：h₁＝25mm，h₂＝5mm，h_2c＝6mm；R_c＝88mm，内芯金属橡胶层1的外径与内径分别为74.5mm和47mm。内芯软质层的数量为4层。仿真计算时，设内芯软质层的材料参数为：弹性模量7MPa，泊松比0.45，密度2000kg/m³，则单块软质层的刚度为4660N/mm。

试验制备的金属橡胶环如图4所示，金属橡胶的非线性特性可由金属丝的丝径和密度确定，实验测试得到的典型的金属橡胶压缩载荷-变形曲线如图5所示，可见其存在显著的非线性特征。

由工业金属高温修补剂所粘接的一组“不锈钢板-金属橡胶-不锈钢板”夹心结构如图6所示。本实施例测试了粘接结构的拉伸特性，如图7所示，采用拉伸测试这组粘接结构的特性表明，金属橡胶本身抗拉性能较差，因此隔振器需要采用顶部抗拉层防止内芯产生过大拉伸变形。此外，拉伸测试还表明，即使金属橡胶出现显著的拉伸塑性变形，但是粘接依然没有失效，因此粘接技术方案可行。

本实施例采用有限元法计算了隔振器的隔振特性。图8(a)为隔振结构在没有负载情况下的线性弹性波传递率，结果表明，对于具有相同刚度的均质材料，不仅存在低频共振，高频共振模态同样十分密集，但是本发明实施例的隔振器结构在710-1020Hz以及1480-1825Hz频率范围内产生两个中高频带隙，带隙有效抑制了弹性波的传播。图8(b)为隔振器在1吨重载下的振动传递率，可见，相比无周期的均质结构，超材料的带隙能显著降低隔振传递率，有效提升中高频隔振性能。

所述周期性内芯特征在于，具有由Bragg散射形成的带隙，带隙频率范围由硬质层厚度、软质金属橡胶层的厚度和刚度调节；第一个带隙的下限频率的估算公式为

上限频频率的估算公式为

其中K(s)表示变形量为s时软质层的刚度，m₁和m₂为软质层或硬质层的质量，且约定m₁>m₂，即m₁为重量较大的体。此公式表明，控制硬质层的重量与厚度，降低软质层的刚度或增加其重量能(降低弹性模量或增加厚度)能使带隙频率向低频偏移。

本发明实施例采用有限元方法计算了不同厚度的金属橡胶对带隙频率的影响，如图9所示。结果表明，当将金属橡胶的厚度从25mm增加至40mm时，带隙频率显著向低频偏移，带隙数量也增加，中高频共振抑制能力显著提升。

进而，本发明的实施例制备了一个隔振器样机并在1吨重载下完成了隔振试验测试，样机的内芯由四块金属橡胶和不锈钢板叠加而成。首先测试了内芯轴向的静态压缩变形曲线，如图10所示，该曲线可用指数函数F＝250e^0.422S-250进行拟合，其中F的单位为N，压缩量S的单位为mm。其次，开展了动态试验，试验中小激励模拟线性隔振器，大激励足够激励起超材料隔振器的非线性特性。图11(a)呈现了非线性隔振器的低频隔振曲线，结果表明，超材料隔振器具有良好的低频隔振性能，激励幅值增加出现非线性会使隔振频率向低频偏移显著偏移50％，低频振动传递率平均降低10dB，因此非线性隔振器比线性隔振器具有更优异的隔振性能。解决了普通线性隔振器隔振频率不随激励幅值而变化，难以调控的问题。试验测试的全频带结果如图11(b)所示，试验证明，超材料结构的带隙能有效抑制中高频共振。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种非线性刚度周期性隔振器，其特征在于，包括：

底板，用于提供安装及承载支撑；

外壳，呈筒状，一端敞口，另一端具有端面；敞口端安装在所述底板上；端面上具有开口；

隔振内芯，在外壳的轴向为周期性弹性结构，位于所述底板与外壳围设的空间内；所述周期性弹性结构中具有弹性的部件由能够提供非线性刚度形变特性的多孔弹性材料制成；所述周期性弹性结构能产生带隙；

承载平台，呈台阶状，大径段安装在所述隔振内芯上，小径段从所述外壳端面的开口内伸出，所述大径段直径大于所述外壳端面的开口；

其中，所述隔振内芯包括沿所述外壳轴向排列的多个周期性轴向弹性单元，每个所述轴向弹性单元包括轴向弹性体以及刚性板，所述轴向弹性体呈圆盘状，所述刚性板位于相邻两轴向弹性体之间，通过设置在刚性板两面同轴心的限位槽连接两轴向弹性体；相邻两轴向弹性体靠近所述刚性板的一端夹持于邻近的一限位槽内，所述轴向弹性体由非线性弹性材料制成。

2.如权利要求1所述的非线性刚度周期性隔振器，其特征在于，隔振内芯包括沿所述外壳轴向排列的多个轴向弹性单元，每个所述轴向弹性单元包括：

轴向弹性体，呈圆盘状；

刚性板，位于相邻两轴向弹性体之间，通过设置在刚性板两面同轴心的限位槽连接两轴向弹性体；

相邻两轴向弹性体靠近所述刚性板的一端夹持于邻近的一限位槽内，所述轴向弹性体的轴向尺寸大于限位槽深度的两倍。

3.如权利要求2所述的非线性刚度周期性隔振器，其特征在于，所述轴向弹性体内部具有轴向的内孔；

所述刚性板的限位槽与所述轴向弹性体的端面形状适配。

4.如权利要求2或3所述的非线性刚度周期性隔振器，其特征在于，所述底板上靠近所述隔振内芯的一面以及所述承载平台的大径段靠近所述隔振内芯的一面均设置有与所述轴向弹性体端面适配的限位槽；

所述隔振内芯中靠近所述承载平台的轴向弹性体的端部置于大径段的限位槽内；

所述隔振内芯中靠近所述底板的轴向弹性体的端部至于所述底板的限位槽内。

5.如权利要求1所述的非线性刚度周期性隔振器，其特征在于，所述承载平台大径段与所述外壳之间设置有抗拉层，所述抗拉层粘结在所述外壳上；

所述抗拉层由能够提供非线性刚度形变特性的多孔弹性材料制成。

6.如权利要求5所述的非线性刚度周期性隔振器，其特征在于，所述抗拉层与所述承载平台的大径段靠近的端面之间具有间隙。

7.如权利要求1所述的非线性刚度周期性隔振器，其特征在于，还包括径向隔振装置，位于所述隔振内芯与所述外壳之间；

所述径向隔振装置轴向与所述外壳之间以及与所述底板之间均具有轴向间隙；

所述径向隔振装置在径向上与所述外壳固定连接。

8.如权利要求7所述的非线性刚度周期性隔振器，其特征在于，所述径向隔振装置包括：

径向弹性体，由能够提供非线性刚度形变特性的多孔弹性材料制成，远离外壳中心轴线的一侧固定在所述外壳内周壁上，靠近外壳中心轴线的一侧与刚性体固定连接；

所述刚性体，形成一个轴向空间，所述隔振内芯被限定在所述轴向空间内。

9.如权利要求8所述的非线性刚度周期性隔振器，其特征在于，所述径向弹性体和所述刚性体均呈筒形；

所述刚性体的内径与所述隔振内芯的外径及承载平台大径段外径相适配，且所述承载平台与所述隔振内芯形成的整体能在所述刚性体内轴向移动。

10.如权利要求1所述的非线性刚度周期性隔振器，其特征在于，所述多孔弹性材料为金属橡胶，所述金属橡胶由卷曲的金属丝缠绕形成。

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