CN111305631A - 一种惯容和橡胶支座组合的三维隔振装置 - Google Patents

一种惯容和橡胶支座组合的三维隔振装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于振动及噪声控制领域，一种惯容和橡胶支座组合的三维隔振装置，包括螺旋弹簧、旋转轴、旋转盘、旋转盘约束部件、线圈、钕磁铁、阻尼液、阻尼杆、上套筒、下套筒、特氟龙套筒、叠层橡胶、铅芯、橡胶保护套、上连接板、下连接板、橡胶支座上下保护板。本发明通过解耦的方式连接惯容隔振系统和橡胶支座以实现三维隔振。通过将螺旋弹簧和惯容系统并联可实现有效的竖向隔振，而橡胶支座能发挥水平隔振作用，由于解耦系统的存在，因此水平和竖向隔振能分别发挥作用，实现三维振动隔离。本发明可广泛应用于有三维隔振需求的地铁上盖建筑和重要仪器设备，三维减振效果优于现有钢弹簧隔振器。

Description

一种惯容和橡胶支座组合的三维隔振装置
技术领域
本发明涉及一种惯容和橡胶支座组合的三维隔振装置，属于振动及噪声控制领域。
背景技术
随着社会经济的快速发展和城市范围的不断扩大，城市交通向着多元化进行发展，在城市道路的基础上，轨道交通已成为解决城市交通拥堵的重要手段。目前，中国已有20多个城市拥有或拟建设地铁轨道线路，总投资金额超过6000亿元人民币。当轨道交通线路通过人口聚集地区时，其长期的运营必然造成振动和噪声污染，振动已被认为是世界七大公害污染之一，振动与噪声的污染必然会对轨道交通线路之上或周边的居民健康造成不利影响，也会对周围重要建筑里的精密仪器构成威胁，因此隔绝或减弱轨道交通造成的振动和噪音污染是一件有必要且有意义的事。
同时随着城市开发的进行城市轨道交通上盖建筑也逐渐得到发展，对于城市轨道交通上盖建筑而言，这类建筑将会长期直接受城市轨道交通振动的影响，影响这类建筑内工作与居住的舒适度，长期的振动也会对这类建筑内的居住者健康造成不良影响。
大型精密设备由于精度要求对振动要求很高，而城市区域内的交通振动源复杂多样，对大型设备进行三维隔振具有实际的提高生产率的作用。而在工业厂房内，设备的运转也会造成较大的厂房内振动，长期的振动易造成从业工人的疲劳，影响工人的健康与生产的效率。
由此，在城市交通干线附近的建筑，均会受交通工具所产生振动的影响，对建筑物内的居民居住健康和工作效率产生不利的影响；同时环境振动还会严重影响仪器的精度。目前采用隔振的方法进行振动控制通常采用钢弹簧，而钢弹簧钢弹簧隔振频率单一，无法兼顾竖向承载和隔振效果，在三维隔振上表现欠佳无法很好的实现隔振的目标，应用也具有一定的局限性，因此研发更高效的三维隔振装置具有很好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了解决城市轨道交通上盖建筑、建筑物内楼板和重要仪器设备三维隔振问题，并提高隔振效率，提供一种惯容和橡胶支座组合的三维隔振装置，通过将惯容系统和摩擦摆进行并联，通过解耦系统对整体系统所受的振动进行解耦，使惯容系统仅承受竖向振动，而橡胶支座部分仅承受水平向振动，使二者分别发挥其特定方向的隔振效果，从而实现三维隔振的目的。
为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
一种惯容和橡胶支座组合的三维隔振装置，包括解耦系统、水平隔振系统和竖向 隔振系统，水平隔振系统采用橡胶支座实现，竖向隔振系统采用惯容系统原理设计实现。惯容系统部分和橡胶支座部分竖向中心线保持一致；橡胶支座与上部结构相连；惯容系统设置于橡胶支座下方，与基础相连。
第一部分：解耦系统系统
所述解耦系统实现了水平与竖向运动解耦，包括下套筒(1)、特氟龙套筒(10)和上套筒(11)依次相互嵌套，所述特氟龙套筒(10)嵌套于下套筒(1)外部，然后其外部再嵌套上套筒(11)，上述三个套筒形成解耦系统，特氟龙套筒(10)起到减小摩擦力的作用。
第二部分：水平隔振系统
橡胶支座包括下连接板12、上连接板13、橡胶下保护板14、橡胶上保护板15、叠层橡胶16、铅芯17和橡胶保护套18，所述上套筒11上表面通过螺栓连接下连接板12，下连接板12往上依次连接橡胶下保护板14、叠层橡胶16、橡胶上保护板15、上连接板13；铅芯17放置于叠层橡胶16中心，用于增加水平向的阻尼力；橡胶保护套18围护在叠层橡胶16外围，用于保护叠层橡胶。
第三部分：竖向隔振系统
所述惯容系统包括螺旋弹簧(2)、旋转轴(3)、旋转盘(4)、旋转盘约束部件(5)、阻尼液(6)、阻尼杆(7)、钕磁铁(8)、线圈(9)；其中，
所述旋转轴(3)，其内部开有圆柱形凹槽(31)，用于安置螺旋弹簧(2)，其外表面开有螺旋纹路(32)，用于与旋转盘(4)进行嵌套连接；
所述旋转盘(4)，其内侧通过螺纹(41)用于更好地嵌套于旋转轴(3)的外表面螺旋纹路(32)内，同时其外边缘设置有转盘约束部件(5)从而获得竖向位置的约束，从而将系统输入的竖向运动转化为旋转盘(4)的转动；
所述旋转盘约束部件(5)包括约束连接块(51)、连接杆(52)、滚珠封盖(53)、和滚珠(54)，滚珠(54)放入约束连接块(51)后，使用滚珠封盖(53)通过螺栓连接于约束连接块(51)将滚珠的位置固定，通过连接杆(52)对约束连接块(51)进行连接，旋转盘约束部件(5)通过约束连接块(51)螺栓连接于下套筒(1)的筒壁上，在连接杆(52)的杆身上缠绕线圈(9)；
在旋转盘(4)边缘设置一圈随动的钕磁铁(8)，同时在下套筒(1)内侧壁相同高度处对应位置也设置一圈静止的钕磁铁(8)，数量保持一致，保持异极相对，当旋转盘(4)转动时产生动态变化的磁场，静止的线圈(9)切割动态磁场中的磁力线，通过电磁感应消耗能量；
在旋转盘(4)下表面固接有阻尼杆(7)，同时在所述下套筒(1)内存放阻尼液(6)用于浸没阻尼杆(7)；在旋转盘(4)转动时阻尼杆(7)随之作刚体转动，通过搅动阻尼液(6)消耗能量，为隔振系统提供阻尼力。
本发明可适用于城市轨道交通轨道上盖建筑、振动敏感建筑、重要设备基座、轨道浮置板和浮置楼板的隔振，也可用于其余以三维振动为危害的领域的隔振。
本发明的有益效果是：
(1)本装置通过螺旋弹簧进行承载可具有稳定的承载力。
(2)本装置在振动运动过程中由于解耦系统的存在，可同时实现水平向和竖向振动的隔离。
(3)本装置对竖向振动隔离由于是包含螺旋弹簧组成的惯容系统，同时具有正刚度和负刚度的特性，通过合理的选取设计参数可实现较小的系统动刚度，相比只有螺旋弹簧的情况具有更好地隔振效果；
(4)采用钕磁铁和线圈直接的电磁感应和阻尼杆搅动阻尼液提供阻尼力，可实现较好的能量耗散；
(5)采用磁流变阻尼液，可将钕磁铁和线圈之间产生的感应电流用于磁流变阻尼液的控制，具有较合理的能量循环利用构造；
(6)所用材料成本低廉，构造简单、拼装方便，便于更换；
(7)可广泛应用对三向振动隔振有较高需求的地铁上盖建筑或重要仪器设备。
附图说明
图1是本发明一种惯容和橡胶支座组合的三维隔振装置剖切立体示意图；
图2是本发明一种惯容和橡胶支座组合的三维隔振装置轴侧立体示意图；
图3是本发明惯容系统立体示意图；
图4是本发明下套筒立体示意图；
图5是本发明螺旋弹簧立体示意图；
图6是本发明旋转轴立体示意图；
图7是本发明旋转盘立体示意图；
图8是本发明旋转盘约束部件立体示意图；
图9是本发明阻尼杆立体示意图；
图10是本发明钕磁铁立体示意图；
图11是本发明特氟龙套筒立体示意图；
图12是本发明上套筒立体示意图；
图13是本发明叠层橡胶立体示意图；
图14是本发明铅芯立体示意图；
图15是本发明橡胶保护套立体示意图；
图中标号：
下套筒1、特氟龙套筒10、上套筒11；
螺旋弹簧2、旋转轴3、旋转轴圆柱形凹槽31、旋转轴螺纹32、旋转盘4、旋转盘螺纹41、旋转盘约束部件5、阻尼液6、阻尼杆7、钕磁铁8、线圈9；
旋转盘约束部件5：约束连接块51、预紧连接杆52、滚珠封盖53、滚珠54；
水平隔振系统:下连接板12、上连接板13、橡胶下保护板14、橡胶上保护板15、叠层橡胶16、铅芯17和橡胶保护套18。
具体实施方式
下面结合附图进一步介绍本发明技术方案。
如图1至图15所示：
一种惯容和橡胶支座组合的三维隔振装置，包括解耦系统、水平隔振系统和竖向 隔振系统，水平隔振系统采用橡胶支座实现，竖向隔振系统采用惯容系统原理设计实现。惯容系统部分和橡胶支座部分竖向中心线保持一致；橡胶支座与上部结构相连；惯容系统设置于橡胶支座下方，与基础相连。外部三维振动激励传入该装置时，首先通过解耦系统将三维振动解耦，由橡胶支座部分对水平向的振动进行隔离，由惯容系统对竖向振动进行隔离。
第一部分：解耦系统系统
所述解耦系统实现了水平与竖向运动解耦，包括下套筒(1)、特氟龙套筒(10)和上套筒(11)依次相互嵌套，所述特氟龙套筒(10)嵌套于下套筒(1)外部，然后其外部再嵌套上套筒(11)，上述三个套筒形成解耦系统，特氟龙套筒(10)起到减小摩擦力的作用。
第二部分：水平隔振系统
橡胶支座包括下连接板12、上连接板13、橡胶下保护板14、橡胶上保护板15、叠层橡胶16、铅芯17和橡胶保护套18，所述上套筒11上表面通过螺栓连接下连接板12，下连接板12往上依次连接橡胶下保护板14、叠层橡胶16、橡胶上保护板15、上连接板13；铅芯17放置于叠层橡胶16中心，用于增加水平向的阻尼力；橡胶保护套18围护在叠层橡胶16外围，用于保护叠层橡胶。水平向橡胶隔振支座的振动控制效果较稳定。
作为举例而非限定，叠层橡胶16采用橡胶层和钢板层叠合而成。
橡胶下保护板下表面通过螺栓连接橡胶支座下连接板，上表面通过螺栓连接叠层橡胶部分。
橡胶上保护板通过螺栓连接于叠层橡胶上表面，其上表面连接橡胶支座上连接板。
作为举例而非限定，上套筒11的上表面可为任意形状，与橡胶支座下连接板12形状保持一致，以便于连接。
第三部分：竖向隔振系统
外部竖向振动会带动旋转轴和螺旋弹簧的竖向运动，在竖向运动的过程中螺旋弹簧提供正刚度，而旋转轴和旋转盘在竖向运动过程中会产生负刚度，通过螺旋弹簧和旋转轴并联可以实现较小的动刚度效果，提高隔振效率；在旋转盘转动的过程中，通过连接杆的线圈切割磁感线的电磁感应作用和阻尼杆搅动阻尼液对外部输入振动能量进行耗散，同时采用的阻尼液类型为磁流变阻尼液，可将连接杆的感应电流用于磁流变阻尼液的控制，实现能量的循环利用。本发明装置综合较小的动刚度和较好的阻尼效果，能实现较好的竖向振动控制效果。因此，该装置最终可实现较好的三维振动控制效果。
具体的，所述惯容系统包括螺旋弹簧(2)、旋转轴(3)、旋转盘(4)、旋转盘约束部件(5)、阻尼液(6)、阻尼杆(7)、钕磁铁(8)、线圈(9)；其中，
所述旋转轴(3)，其内部开有圆柱形凹槽(31)，用于安置螺旋弹簧(2)，其外表面开有螺旋纹路(32)，用于与旋转盘(4)进行嵌套连接；
所述旋转盘(4)，其内侧通过螺纹(41)用于更好地嵌套于旋转轴(3)的外表面螺旋纹路(32)内，同时其外边缘设置有转盘约束部件(5)从而获得竖向位置的约束，从而将系统输入的竖向运动转化为旋转盘(4)的转动；
所述旋转盘约束部件(5)包括约束连接块(51)、连接杆(52)、滚珠封盖(53)、和滚珠(54)，滚珠(54)放入约束连接块(51)后，使用滚珠封盖(53)通过螺栓连接于约束连接块(51)将滚珠的位置固定，通过连接杆(52)对约束连接块(51)进行连接，旋转盘约束部件(5)通过约束连接块(51)螺栓连接于下套筒(1)的筒壁上，在连接杆(52)的杆身上缠绕线圈(9)；
在旋转盘(4)边缘设置一圈随动的钕磁铁(8)，同时在下套筒(1)内侧壁相同高度处对应位置也设置一圈静止的钕磁铁(8)，数量保持一致，保持异极相对，当旋转盘(4)转动时产生动态变化的磁场，静止的线圈(9)切割动态磁场中的磁力线，通过电磁感应消耗能量(输出电能，或者产热)；
在旋转盘(4)下表面固接有阻尼杆(7)，同时在所述下套筒(1)内存放阻尼液(6)用于浸没阻尼杆(7)；在旋转盘(4)转动时阻尼杆(7)随之作刚体转动，通过搅动阻尼液(6)消耗能量，为隔振系统提供阻尼力。
阻尼杆7浸没在阻尼液6中，阻尼杆随旋转盘的转动做绕旋转轴的刚体转动的过程中搅动阻尼液从而产生阻尼力，当所使用的阻尼液为磁流变阻尼液时，可以将钕磁铁和线圈相对运动产生的感应电流用于磁流变阻尼液的控制，实现调整减震系统阻尼系数的效果。
当采用磁流变阻尼液时，可在下套筒(1)筒身设置通电线圈对磁流变阻尼液的阻尼系数进行控制，同时由于旋转盘(4)的转动会切割钕磁铁(8)之间的磁感线产生感应电流，可将磁感应电流引导向下套筒(1)筒身设置通电线圈上，从而采用装置内产生的感应电流对磁流变阻尼液(6)进行阻尼系数的控制，在实现隔振效果的同时，可实现对输入振动能量的循环利用。
在旋转盘(4)转动的过程中线圈会切割磁感线，由电磁感应对能量通过发热进行消耗，由于旋转盘约束部件(5)采用分散布置的形式能起到充分的散热作用，达到提供阻尼的目的。
所述旋转轴顶部通过螺栓连接或焊接于上套筒内部中心，随上套筒一起做竖向运动。
作为举例而非限定，旋转轴3顶面采用螺栓连接或焊接于上套筒11的内部中心。
作为举例而非限定，旋转盘(4)下表面通过整体加工、螺栓或焊接的方式将阻尼杆(7)固接。
作为举例而非限定，所述阻尼杆(7)为杆状，可为圆柱或方柱等形式，为增加阻尼杆(7)在刚体转动过程与阻尼液(6)的接触面积，可对阻尼杆(7)设置翼缘，翼缘在不阻碍旋转盘(4)转动的情况下可设置为任意增加面积的形状。
作为举例而非限定，旋转轴3、旋转盘4应保持螺纹咬合一致，螺纹数量根据需要确定，宜对称布置。
如图1和图3所示，所述线圈9缠绕在旋转约束部件5的连接杆52杆身上。
如图1、图3和图9和所示，所述阻尼杆7通过整体加工、螺栓连接或焊接连接等连接方式固接于旋转盘4的下表面，并浸没于阻尼液6中，阻尼杆7随旋转盘4的转动做绕旋转轴3的刚体转动。
如图1所示，阻尼液6可采用甲基硅油基阻尼液，二甲基硅油和磁流变阻尼液等，例如采用磁流变阻尼液时，可选用MRF-350等型号的阻尼液。
如图1、图3和图10所示，所述钕磁铁8分别粘贴在旋转盘4的外边缘和下套筒1的对应高度内侧壁上。

Claims (1)

1.一种惯容和橡胶支座组合的三维隔振装置，包括解耦系统、水平隔振系统和竖向隔 振系统，水平隔振系统采用橡胶支座实现，竖向隔振系统采用惯容系统原理设计实现；惯容系统部分和橡胶支座部分竖向中心线保持一致；橡胶支座与上部结构相连；惯容系统设置于橡胶支座下方，与基础相连；
第一部分：解耦系统系统
所述解耦系统实现了水平与竖向运动解耦，包括下套筒(1)、特氟龙套筒(10)和上套筒(11)依次相互嵌套，所述特氟龙套筒(10)嵌套于下套筒(1)外部，然后其外部再嵌套上套筒(11)，上述三个套筒形成解耦系统，特氟龙套筒(10)起到减小摩擦力的作用；
第二部分：水平隔振系统
橡胶支座包括下连接板12、上连接板13、橡胶下保护板14、橡胶上保护板15、叠层橡胶16、铅芯17和橡胶保护套18，所述上套筒11上表面通过螺栓连接下连接板12，下连接板12往上依次连接橡胶下保护板14、叠层橡胶16、橡胶上保护板15、上连接板13；铅芯17放置于叠层橡胶16中心，用于增加水平向的阻尼力；橡胶保护套18围护在叠层橡胶16外围，用于保护叠层橡胶；
第三部分：竖向隔振系统
所述惯容系统包括螺旋弹簧(2)、旋转轴(3)、旋转盘(4)、旋转盘约束部件(5)、阻尼液(6)、阻尼杆(7)、钕磁铁(8)、线圈(9)；其中，
所述旋转轴(3)，其内部开有圆柱形凹槽(31)，用于安置螺旋弹簧(2)，其外表面开有螺旋纹路(32)，用于与旋转盘(4)进行嵌套连接；
所述旋转盘(4)，其内侧通过螺纹(41)用于更好地嵌套于旋转轴(3)的外表面螺旋纹路(32)内，同时其外边缘设置有转盘约束部件(5)从而获得竖向位置的约束，从而将系统输入的竖向运动转化为旋转盘(4)的转动；
所述旋转盘约束部件(5)包括约束连接块(51)、连接杆(52)、滚珠封盖(53)、和滚珠(54)，滚珠(54)放入约束连接块(51)后，使用滚珠封盖(53)通过螺栓连接于约束连接块(51)将滚珠的位置固定，通过连接杆(52)对约束连接块(51)进行连接，旋转盘约束部件(5)通过约束连接块(51)螺栓连接于下套筒(1)的筒壁上，在连接杆(52)的杆身上缠绕线圈(9)；
在旋转盘(4)边缘设置一圈随动的钕磁铁(8)，同时在下套筒(1)内侧壁相同高度处对应位置也设置一圈静止的钕磁铁(8)，数量保持一致，保持异极相对，当旋转盘(4)转动时产生动态变化的磁场，静止的线圈(9)切割动态磁场中的磁力线，通过电磁感应消耗能量；
在旋转盘(4)下表面固接有阻尼杆(7)，同时在所述下套筒(1)内存放阻尼液(6)用于浸没阻尼杆(7)；在旋转盘(4)转动时阻尼杆(7)随之作刚体转动，通过搅动阻尼液(6)消耗能量，为隔振系统提供阻尼力。
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Application publication date: 20200619

Assignee: Tongji University Architectural Design and Research Institute (Group) Co.,Ltd.

Assignor: TONGJI University

Contract record no.: X2022310000153

Denomination of invention: A Three dimensional Vibration Isolation Device Combining Inertial Capacity and Rubber Bearing

Granted publication date: 20211116

License type: Common License

Record date: 20221026

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