CN111005963A - 一种轴承式运动解耦竖向隔振装置 - Google Patents

Abstract

一种轴承式运动解耦竖向隔振装置，其特征在于，包括竖向隔振机构、连接固定机构、防失稳机构、定位机构、运动解耦机构；所述竖向隔振机构为核心机构位于整个装置的中心位置，负责提供隔振所需的竖向自适应刚度特性；整个装置通过连接固定机构发挥连接与承载的作用，连接固定机构的顶部、底部分别固定于结构上，同时其顶部、底部以及位于中部的竖向隔振机构这三者实现竖向力的传递和承载；所述防失稳机构与定位机构设置在竖向隔振机构内弹性元件周围，二者相配合以保障竖向隔振机构性能的稳定性；整个装置的腰部设有运动解耦机构，与连接固定机构配合以实现竖向运动与水平向运动的解耦。综合全面解决了竖向隔振系统出现的失稳、偏心的问题。

Description

一种轴承式运动解耦竖向隔振装置

技术领域

本申请涉及一种轴承式运动解耦竖向隔振装置，属于振动及噪声控制领域。

背景技术

隔振技术属于一种被动的振动控制技术。近70年来，隔振技术不断发展，在机械设备振动控制和建筑结构抗震领域已有广泛的研究和应用。隔振的基本原理是通过在被隔振物体与基础之间设置隔振支座等构造，形成水平刚度较小的隔振层，通过滤波效应减小外部环境振动、地震等对隔振物体的影响，或者阻止隔振物体产生振动向地面传播。

现有隔振装置不能满足多种类型振动隔离的需求。许多精密仪器设备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，而地震、机械振动等特性是截然不同的。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。传统隔振装置往往难以满足兼顾优化两类振源隔离的需求。此外，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、隔振效果不佳等缺点。

中国专利申请2019107633608公开一种《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。给出的技术方案：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。

该专利申请2019107633608《轴承式运动解耦三维隔振支座》中的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。串联的碟簧提供了负刚度，螺旋弹簧提供正刚度,装置的刚度在碟簧压平位置附近接近于零，从而得到较低的起始隔振频率，但该装置在实际工作时，由于水平相对位移导致存在螺旋弹簧侧向失稳以及容易出现碟簧间形心偏移等问题。

发明内容

本申请的目的在于克服现有技术不足，进一步研发，公开一种新型轴承式运动解耦竖向隔振装置，综合全面解决了竖向隔振系统出现的失稳、偏心的问题，为此本申请给出的方法思路：采用组合式防失稳机构，在不影响竖向变形能力的同时保证螺旋弹簧的稳定性；采用与防失稳机构相配合的抗变形定位加载环设计，保证碟簧组形心的对中；通过轴承式套筒设计，节约空间、简化安装的同时，使装置整体仅能在竖向发生低摩擦运动，起到运动解耦、保证装置隔震/振效果的作用。

技术方案

一种轴承式运动解耦竖向隔振装置，其特征在于，包括竖向隔振机构、连接固定机构、防失稳机构、定位机构、运动解耦机构；所述竖向隔振机构为核心机构位于整个装置的中心位置，负责提供隔振所需的竖向自适应刚度特性；整个装置通过连接固定机构发挥连接与承载的作用，连接固定机构的顶部、底部分别固定于结构上，同时其顶部、底部以及位于中部的竖向隔振机构这三者实现竖向力的传递和承载；所述防失稳机构与定位机构设置在竖向隔振机构内弹性元件周围，二者相配合以保障竖向隔振机构性能的稳定性；整个装置的腰部设有运动解耦机构，与连接固定机构配合以实现竖向运动与水平向运动的解耦。

所述竖向隔振机构，为带刚度自适应特性的竖向隔振装置，包括碟形弹簧9、螺旋弹簧8；多个碟形弹簧9串联形成碟簧组，螺旋弹簧8设置在碟簧组中心轴位置，两者为并联关系；当碟簧组处于压平位置附近时，可提供非线性负刚度，与具备线性正刚度的螺旋弹簧8并联，即产生非线性的自适应刚度。

所述连接固定机构由上至下依次包括上连接板12、内套筒4、下连接板1、外套筒3、底板13，上所述连接板12通过螺栓与被隔震体结构连接，所述内套筒4通过螺栓固定于上连接板12，所述外套筒3通过螺栓固定于底板13，所述底板13通过螺栓与基础连接；内套筒4外径小于外套同3内径。被隔振体的重力通过上连接板12与内套筒4传递到竖向隔振机构，再经由底板13传到基础。

所述防失稳机构，包括防失稳上杆10、防失稳下杆11，所述防失稳上杆10 通过螺纹固定于内套筒4，防失稳下杆11通过螺纹固定于与外套筒3；防失稳上杆10的顶部与防失稳下杆11的底部各为半径相等的整圆，而两者的杆壁则为互补关系，即两者拼插后可构成整圆，并形成一个空心杆状的竖向可伸缩的机构。防失稳机构的上下杆空间内部用来安置竖向隔振机构中的螺旋弹簧8，避免其在受压工作状态下发生侧向失稳。

所述定位机构，包括底定位加载环5、内定位加载环6、外定位加载环7，所述底定位加载环5置于外套筒3底部，所述内定位加载环6位于两片内径相邻的碟形弹簧9之间，所述外定位加载环7用于两片外径相邻的碟形弹簧9之间。各个定位加载环的内径与防失稳机构即空心杆状的外径相同，两机构相互配合，以实现定位加载环的精确对中，校正竖向隔振机构中碟形弹簧9的位置，起到定位碟形弹簧、提供变形空间的作用。

所述运动解耦机构，包括直线轴承2、滚珠14，所述直线轴承2通过螺栓固定于下连接板1；装置发生竖向相对位移时，内套筒4在直线轴承2内运动，轴承内滚珠14与内套筒4之间为滚动摩擦，保证内套筒4在轴承中作低摩阻直线运动，实现了水平与竖向运动解耦。

本申请新型轴承式运动解耦竖向隔振装置能够实现的明显效果提升为：

(1)基于防失稳机构的组合式设计，避免了竖向隔振机构中螺旋弹簧受压状态下的侧向失稳现象，保障了竖向隔振机构的稳定性。

(2)基于防失稳机构与定位机构的配合设计，实现了定位加载环的精确化安装，优化了碟形弹簧的对中精度，保证了竖向隔振体系的工作性能；

(3)基于运动解耦机构与连接固定机构的配合设计，顺畅地实现了系统竖向运动与水平向运动的解耦，简化了安装条件。

附图说明

图1为本申请装置剖面图；

图2为本申请立体装配图；

图3为解耦装置剖面图；

图4-1为防失稳杆配合示意图；

图4-2为防失稳杆配合过程示意图；

图5为串联2组碟形弹簧加载配合示意图；

图中标号：1下连接板，2直线轴承，3外套筒，4内套筒，5底定位加载环，6内定位加载环，7外定位加载环，8螺旋弹簧，9碟形弹簧，10防失稳上杆，11防失稳下杆，12上连接板，13底板，14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。

图1所示，本申请包括：竖向隔振机构、连接固定机构、防失稳机构、定位机构、运动解耦机构。所述竖向隔振机构为核心机构位于整个装置的中心位置，负责提供隔振所需的竖向自适应刚度特性；整个装置通过连接固定机构发挥连接与承载的作用，连接固定机构的顶部、底部分别固定于结构上，同时其顶部、底部以及位于中部的竖向隔振机构实现竖向力的传递和承载；所述防失稳机构与定位机构设置在竖向隔振机构内弹性元件周围，二者相配合以保障竖向隔振机构性能的稳定性；整个装置的腰部设有运动解耦机构，与连接固定机构配合以实现竖向运动与水平向运动的解耦。

所述竖向隔振机构，包括碟形弹簧9、螺旋弹簧8组成的带刚度自适应特性的竖向隔振装置。多个碟形弹簧9串联形成碟簧组，螺旋弹簧8设置在碟簧组中心轴位置，两者为并联关系；当碟簧组处于压平位置附近时，可提供非线性负刚度，与具备线性正刚度的螺旋弹簧8并联，即产生非线性的自适应刚度。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，降低隔振起始频率；振动位移较大时，提供较大刚度，避免过大位移产生的系统失效。

所述连接固定机构由上至下依次包括上连接板12、内套筒4、下连接板1、外套筒3、底板13，上所述连接板12通过螺栓与被隔震体结构连接，所述内套筒4通过螺栓固定于上连接板12，所述外套筒3通过螺栓固定于底板13，所述底板13通过螺栓与基础连接；内套筒4外径小于外套同3内径。被隔振体的重力通过上连接板12与内套筒4传递到竖向隔振机构，再经由底板13传到基础。所述防失稳机构，包括防失稳上杆10、防失稳下杆11，所述防失稳上杆10通过螺纹固定于内套筒4，防失稳下杆11通过螺纹固定于与外套筒3；防失稳上杆10的顶部与防失稳下杆11的底部各为半径相等的整圆，而两者的杆壁则为互补关系，即两者拼插后可构成整圆，并形成一个空心杆状的竖向可伸缩的机构。防失稳机构的上下杆空间内部用来安置竖向隔振机构中的螺旋弹簧8，避免其在受压工作状态下发生侧向失稳，从而保障竖向隔振机构中的线性正刚度的螺旋弹簧8隔振部件的侧向稳定。

所述定位机构，包括底定位加载环5、内定位加载环6、外定位加载环7，所述底定位加载环5置于外套筒3底部，所述内定位加载环6位于两片内径相邻的碟形弹簧9之间，所述外定位加载环7用于两片外径相邻的碟形弹簧9之间。各个定位加载环的内径与防失稳机构即空心杆状的外径相同，两机构相互配合，以实现定位加载环的精确对中，从而进一步校正竖向隔振机构中碟形弹簧9的位置，起到定位碟形弹簧、提供变形空间的作用。

所述运动解耦机构，包括直线轴承2、滚珠14，所述直线轴承2通过螺栓固定于下连接板1。装置发生竖向相对位移时，内套筒4在直线轴承2内运动，轴承内滚珠14与内套筒4之间为滚动摩擦，保证内套筒4在轴承中作低摩阻直线运动，实现了水平与竖向运动解耦。图3为解耦装置剖面图。水平向与竖向运动解耦的实现，一方面优化了竖向隔振系统工作条件、简化设计过程；另一方面有效避免由于隔振层在振动激励情况下出现过大转角，而导致的被隔振体摇摆倾覆现象。

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。

图4-1、图4-2为防失稳杆配合示意图及配合过程示意图。采用组合式的防失稳杆，以防止螺旋弹簧发生失稳。工作时，二杆杆肢相互错开，可保证竖向变形空间；同时，内外定位加载环外径不同、内径相同，在保证抗变形能力较强的同时，可在安装时配合防失稳杆对自身及碟形弹簧进行定位，以保证受力均匀。

图5碟形弹簧8通过与内外定位加载环相配合实现串联，以增强竖向隔振系统的变形能力。内定位加载环5与外定位加载环6内径相同，便于安装时配合防失稳杆进行校准，起到传递力、固定碟形弹簧8以及为碟形弹簧8提供更大变形能力的作用。

Claims (6)

1.一种轴承式运动解耦竖向隔振装置，其特征在于，包括竖向隔振机构、连接固定机构、防失稳机构、定位机构、运动解耦机构；所述竖向隔振机构为核心机构位于整个装置的中心位置，负责提供隔振所需的竖向自适应刚度特性；整个装置通过连接固定机构发挥连接与承载的作用，连接固定机构的顶部、底部分别固定于结构上，同时其顶部、底部以及位于中部的竖向隔振机构这三者实现竖向力的传递和承载；所述防失稳机构与定位机构设置在竖向隔振机构内弹性元件周围，二者相配合以保障竖向隔振机构性能的稳定性；整个装置的腰部设有运动解耦机构，与连接固定机构配合以实现竖向运动与水平向运动的解耦。

2.如权利要求1所述的轴承式运动解耦竖向隔振装置，其特征在于，所述竖向隔振机构，为带刚度自适应特性的竖向隔振装置，包括碟形弹簧9、螺旋弹簧8；多个碟形弹簧9串联形成碟簧组，螺旋弹簧8设置在碟簧组中心轴位置，两者为并联关系；当碟簧组处于压平位置附近时，可提供非线性负刚度，与具备线性正刚度的螺旋弹簧8并联，即产生非线性的自适应刚度。

3.如权利要求1所述的轴承式运动解耦竖向隔振装置，其特征在于，所述连接固定机构由上至下依次包括上连接板12、内套筒4、下连接板1、外套筒3、底板13，上所述连接板12通过螺栓与被隔震体结构连接，所述内套筒4通过螺栓固定于上连接板12，所述外套筒3通过螺栓固定于底板13，所述底板13通过螺栓与基础连接；内套筒4外径小于外套同3内径。被隔振体的重力通过上连接板12与内套筒4传递到竖向隔振机构，再经由底板13传到基础。

4.如权利要求1所述的轴承式运动解耦竖向隔振装置，其特征在于，所述防失稳机构，包括防失稳上杆10、防失稳下杆11，所述防失稳上杆10通过螺纹固定于内套筒4，防失稳下杆11通过螺纹固定于与外套筒3；防失稳上杆10的顶部与防失稳下杆11的底部各为半径相等的整圆，而两者的杆壁则为互补关系，即两者拼插后可构成整圆，并形成一个空心杆状的竖向可伸缩的机构。防失稳机构的上下杆空间内部用来安置竖向隔振机构中的螺旋弹簧8，避免其在受压工作状态下发生侧向失稳。

5.如权利要求1所述的轴承式运动解耦竖向隔振装置，其特征在于，所述定位机构，包括底定位加载环5、内定位加载环6、外定位加载环7，所述底定位加载环5置于外套筒3底部，所述内定位加载环6位于两片内径相邻的碟形弹簧9之间，所述外定位加载环7用于两片外径相邻的碟形弹簧9之间。各个定位加载环的内径与防失稳机构即空心杆状的外径相同，两机构相互配合，以实现定位加载环的精确对中，校正竖向隔振机构中碟形弹簧9的位置，起到定位碟形弹簧、提供变形空间的作用。

6.如权利要求1所述的轴承式运动解耦竖向隔振装置，其特征在于，所述运动解耦机构，包括直线轴承2、滚珠14，所述直线轴承2通过螺栓固定于下连接板1；装置发生竖向相对位移时，内套筒4在直线轴承2内运动，轴承内滚珠14与内套筒4之间为滚动摩擦，保证内套筒4在轴承中作低摩阻直线运动，实现了水平与竖向运动解耦。

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