CN111305632A - 一种带滑动斜弹簧的三维隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带滑动斜弹簧的三维隔震/振装置，由上下串联的水平和竖向隔震/振单元组成。水平隔震/振单元为第一形状系数较大的薄叠层橡胶支座，包含高纯度铅芯耗能单元；竖向隔震/振单元由第一形状系数较小的厚叠层橡胶支座和连接竖向重负荷线性导轨的斜向矩形压缩弹簧并联组成，通过低硬度高阻尼橡胶弹性变形、线性导轨联动的斜向矩形弹簧拉压变形，共同隔离竖向震/振动，还可改变厚叠层橡胶支座的第一形状系数和矩形弹簧的刚度系数，减小不同频率和振幅的竖向振动，实现三维隔震/振。本发明属于一种被动式震/振动控制手段，可广泛应用于城市轨道交通上盖结构的隔震层和重要的大中型机械设备底部。

Description

一种带滑动斜弹簧的三维隔振装置

技术领域

本发明涉及一种带滑动斜弹簧的三维隔振装置，属于土木工程和机械工程隔振技术领域。

背景技术

随着城市用地紧张，传统的二维布局纯交通开发模式已无法满足城市系统的发展，利用交通车辆段上层空间开发形成一种三维立体城市功能的叠加，成为新的发展模式。城市轨道交通上盖建筑物即新三维布局下的产物，可在节约土地资源的基础上，进一步发展我国交通建设。目前，上盖建筑物的开发均需设置转换层，即大厚度的盖板，结构整体呈上重下轻的特点，从而导致结构整体抗震性能不佳，而将层间隔震技术应用于上盖开发设计中，可解决大底盘和上盖建筑物直接转换带来的刚度突变的不利影响，提高结构整体抗震性能。同时，城市轨道交通上盖建筑物的基础直接布置在地铁引起的振源激励上，导致其对环境造成的影响比轨道沿线的建筑物要大，带来城市轨道交通引起振动和噪声污染等问题，有必要采取相应的振动控制措施来减小上盖建筑物的车辆激励振动。

另一方面，对于地铁沿线的建筑物内对振动敏感的大中型精密仪器，要求工作环境苛刻，其运行状态的好坏直接影响仪器的安全性和数据可靠性，然而城市轨道交通引起的水平和竖向振动会对其正常工作造成影响，因此需要采取措施减小此类设备的振动。

较为成熟的隔震技术方案是采用叠层橡胶支座，然而该类支座竖向刚度大，只能隔离建筑物内的水平振动，无法减小建筑物和大中型设备中的竖向振动。目前也有学者提出三维隔震装置，但大多数隔震装置竖向隔振目标单一，无法适应较大范围内的支座刚度的调整，且竖向刚度不明确，如单一的厚叠层橡胶支座竖向刚度过小会导致水平刚度无法满足结构需求，无法适用于城市轨道交通上盖建筑物和大中型精密仪器。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种带滑动斜弹簧的三维隔振装置，可通过水平隔振单元使上部结构或设备隔离水平地震动或其他振动，改变厚叠层橡胶支座的形状系数和矩形压缩弹簧的刚度系数，隔离地震动和不同类型的环境振动，实现三维隔振。

本发明提供了如下的技术方案：

一种带滑动斜弹簧的三维隔振装置，其特征在于，包括框架机构、水平隔振单元和竖向隔振单元；所述水平隔振单元和竖向隔振单元之间为串联功能关系；所述竖向隔振单元包括厚叠层橡胶支座和减振装置；

所述框架机构包括上连接板1、内部上连接板2、内部下连接板9、下连接板25；所述下连接板25包括侧壁251、顶板252、底板253；所述下连接板25设计成箱式结构，厚叠层橡胶支座和减振装置安装于下连接板25箱体内，厚叠层橡胶支座和减振装置两者为并联功能关系，且减振装置布置在厚叠层橡胶支座外围；内部下连接板9设置于下连接板25顶部，用于与水平隔振单元连接，下连接板25通过其底板253与工作台固定连接；所述上连接板1、内部上连接板2之间设置和安装水平隔振单元，所述上连接板1与被隔振机械设备连接；所述内部上连接板2、内部下连接板9通过螺栓连接。

所述水平隔振单元通过上连接板(1)与上部结构或设备相连，同时通过内部上连接板(2)与竖向隔振单元相连；中间通过夹层环形钢板(3)和环形薄叠层橡胶(4)交错叠置制作而成，且外部包覆有围绕内部夹层的上部保护橡胶(5)，并在支座中部设置高纯度的铅芯(6)，用于调整阻尼，提高上部支座的变形能力。

所述厚叠层橡胶支座通过夹层圆形钢板(10)和圆形厚叠层橡胶(11)交错叠置制作而成，并包覆有围绕内部夹层的外部保护橡胶(12)；所述减振装置包括若干减振功能单元，平面内各个单元围绕自适应刚度单元均匀布置，各自独立；每个减振功能单元包括转换能量的滑块机构和用于提供正负刚度的斜向弹簧机构，所述滑块机构包括重负荷线性导轨(13)、竖向滑块(15)，所述斜向弹簧机构包括圆柱钢套筒(16)、阻尼橡胶垫(17)、矩形压缩弹簧(18)、带螺纹的连接件(19)、传动套筒(20)、十字轴(21)和传动轴(22)，其中：所述重负荷线性导轨(13)通过螺栓与下连接板(25)的侧壁251固定连接；所述竖向滑块(15)与重负荷线性导轨(13)咬合以约束竖向滑动的运动形式；所述竖向滑块(15)，其竖向通过内部下连接板(9)输入外部传递的振动，其斜向侧与所述斜向弹簧机构连接；所述竖向滑块(15)通过螺栓与内部下连接板(9)连接；所述矩形压缩弹簧(18)设置于圆柱钢套筒(16)内，并与传动套筒(20)的输入端连接；具体的，所述矩形压缩弹簧(18)与传动套筒(20)之间设置阻尼橡胶垫(17)，并通过带螺纹的连接件(19)实现二者的连接；所述传动轴(22)与下连接板(25)的底板253固定连接，其活动端通过十字轴(21)与传动套筒(20)的输出端连接，即形成万向节；所述圆柱钢套筒(16)通过螺栓与竖向滑块(15)连接；所述传动轴(22)通过螺栓与下连接板(25)的底板253连接。

下连接板(25)通过设置上部顶板，限制竖向滑块的大幅变形，防止弹性势能过大而脱离下部连接板，同时设置限位橡胶垫(14)，减小由于竖向滑块(15)惯性作用对下连接板(25)的顶板造成的冲击。

优选的，所述水平隔振单元第一形状系数选择为30～37，竖向刚度大，主要用于隔离水平地震动和水平振动，同时利用高纯度的铅芯消耗能量。

优选的，所述厚叠层橡胶支座第一形状系数选择为3～5，竖向刚度小，主要利用圆形厚叠层橡胶减小结构或设备的竖向震/动，且针对不同频率和振幅的竖向振动，可通过改变支座的形状系数隔离目标振动。

优选的，所述圆形厚叠层橡胶采用低硬度高阻尼橡胶，提高厚叠层橡胶支座竖向变形能力，以适应斜向矩形压缩弹簧的变形，二者协同变形，不产生相互影响。

优选的，所述竖向滑块内部设置内部钢珠，可无限滚动循环，使竖向滑块沿重负荷线性导轨做高精度线性运动。

优选的，所述竖向滑块设置有油嘴，首次使用前先擦拭干净防锈油，然后通过油嘴添加润滑油，保证导轨使用的精准度和润滑流畅度。

本发明所述的三维隔振装置具有如下有益效果：

(1)本发明的三维隔振装置，具有装配方便、耗能高效等优点，所有部件通过螺栓连接，可实现工厂制作的装配化，同时在现场安装时，通过螺栓与上部结构或设备连接，提高了现场安装效率，具有广阔的应用前景。

(2)本发明的三维隔振装置，由上下串联的水平和竖向隔振单元组成，水平方向主要通过薄叠层橡胶支座隔离振动，竖直方向主要通过厚叠层橡胶支座和减振装置减小振动，三向隔振目标明确、工作效率高。

(3)本发明的三维隔振装置，上部水平隔振单元易于更换，大震作用下，内部铅芯屈服，消耗能量，延长结构周期，达到隔离地震动效果，震后可更换上部水平隔振单元，重新恢复装置的三维隔振效果。

(4)本发明的三维隔振装置，在制作过程中，施加矩形压缩弹簧预压力的被动控制手段，在安装完成后，竖向振动作用下，将竖向滑块的动能转化为矩形压缩弹簧的弹性势能，随后矩形压缩弹簧回弹，将弹性势能转化为滑块的动能，在这一过程中，向上运动的作用时间增加，从而力的作用时间减小，能量在这一过程中得到耗散，并且具有自复位的功能，同时在顶部设置连接板上顶板和限位橡胶垫，减小竖向滑块的惯性冲击力。

(5)本发明的三维隔振装置，通过圆柱钢套筒和万向节的共同工作，保证矩形压缩弹簧只发生纵向的变形，避免了弹簧的扭转变形，充分利用矩形压缩弹簧的变形能力消耗能量，减小竖向振动。

(6)本发明的三维隔振装置，采用低硬度高阻尼的厚叠层橡胶材料与线性导轨联动的斜向矩形压缩弹簧协同变形，可通过改变厚叠层橡胶支座的第一形状系数和斜向矩形弹簧的刚度系数，减小不同频率和振幅的振动，既可应用于竖向负荷重的轨道交通上盖建筑物，又可应用于竖向负荷小的大中型精密仪器。

附图说明

图1为本发明一种带滑动斜弹簧的三维隔振装置剖面图；

图2为本发明一种带滑动斜弹簧的三维隔振装置正视图；

图3为本发明一种带滑动斜弹簧的三维隔振装置俯视图；

图4为本发明竖向隔振单元俯视图；

图5为本发明可滑动的矩形压缩弹簧装置立体图；

图6为本发明去除圆柱钢套筒的可滑动的矩形压缩弹簧装置立体图；

图7为本发明万向节立体图；

图8为本发明带螺纹的连接件立体图；

图9为本发明圆柱钢套筒立体图；

图中标号：

框架机构：上连接板1、内部上连接板2、内部下连接板9、下连接板25；侧壁251、顶板252、底板253；

水平隔振单元：环形钢板3、环形薄叠层橡胶4、上部保护橡胶5、铅芯6；

厚叠层橡胶支座：圆形钢板10、圆形厚叠层橡胶11、外层保护橡胶12；

竖向滑块机构：重负荷线性导轨13、限位橡胶垫14、竖向滑块15；

斜向弹簧机构：圆柱钢套筒16、阻尼橡胶垫17、矩形压缩弹簧18、带螺纹的连接件19、传动套筒20、十字轴21、传动轴22；

螺栓等零部件：螺栓一7、螺栓二8、螺栓三23、螺栓四24、螺栓五26、螺栓六27；油嘴28。

具体实施方式

下面通过实施例、附图进一步说明本发明。

本发明公开了一种带滑动斜弹簧的三维隔振装置，由上下串联的水平和竖向隔振单元组成。水平隔振单元为第一形状系数较大的薄叠层橡胶支座，包含高纯度铅芯耗能单元；竖向隔振单元由第一形状系数较小的厚叠层橡胶支座和连接竖向重负荷线性导轨的斜向矩形压缩弹簧并联组成，通过低硬度高阻尼橡胶弹性变形、线性导轨联动的斜向矩形弹簧拉压变形，共同隔离竖向振动，还可改变厚叠层橡胶支座的第一形状系数和矩形弹簧的刚度系数，减小不同频率和振幅的竖向振动，实现三维隔振。本发明属于一种被动式振动控制手段，可广泛应用于城市轨道交通上盖结构的隔震层和重要的大中型机械设备底部。

实施例1：

参见图1、图2和图3，仅作为例子。

图4为竖向隔振单元俯视图。本实施例共设置4组可滑动的矩形压缩弹簧装置，竖向振动作用下，4组可滑动的矩形压缩弹簧装置联动，共同减小竖向振动，4组装置对称放置，防止振幅过大而使结构或设备失稳。

图5和图6为可滑动的矩形压缩弹簧装置立体图。竖向滑块15向下运动，动能转化为矩形压缩弹簧18的弹性势能，随后矩形压缩弹簧18回弹，将弹性势能转化为竖向滑块15的动能，振动作用时间变长，幅值减小，使竖向振动产生的能量在支座中耗散。

图7、图8和图9分别为本发明万向节、带螺纹的连接件和圆柱钢套筒立体图。万向节和圆柱钢套筒16通过带螺纹的连接件19连接，保证矩形压缩弹簧只发生纵向的变形，避免了弹簧的扭转变形，可充分利用矩形压缩弹簧的变形能力消耗能量，减小竖向振动。

图5-图7为减振装置构造示意图。制作过程中，施加矩形压缩弹簧预压力的被动控制手段，在安装完成后，竖向振动作用下，将竖向滑块的动能转化为矩形压缩弹簧的弹性势能，随后矩形压缩弹簧回弹，将弹性势能转化为竖向滑块的动能，在这一过程中，向上运动的作用时间增加，从而力的作用时间减小，能量在这一过程中得到耗散，并且具有自复位的功能，同时在顶部设置连接板上顶板和限位橡胶垫，约束竖向滑块的运动，减小竖向滑块的惯性冲击力。竖向滑块内部设置钢珠，可无限滚动循环，使竖向滑块沿重负荷线性导轨做高精度线性运动。竖向滑块上部设置有油嘴，首次使用前先擦拭干净防锈油，然后通过油嘴添加润滑油，保证导轨使用的精准度和润滑流畅度。

所述竖向滑块随着竖向振动而向下运动，矩形压缩弹簧压缩，动能转化为弹性势能，随后弹性势能转化为动能，振动作用时间变长，幅值减小，使竖向振动产生的能量在支座中耗散。

所述螺栓一(7)为M6 8.8级高强螺栓，所述螺栓二(8)M20 10.9级高强抗剪螺栓，所述螺栓三(23)、螺栓五(26)、螺栓六(27)均为M14 10.9级高强抗剪螺栓，所述螺栓四(24)为M8 8.8级高强螺栓。

所述铅芯(6)与上连接板(1)和内部上连接板(2)通过螺栓一(7)连接。

所述内部上连接板(2)与内部下连接板(9)通过螺栓二(8)连接。

所述内部下连接板(9)与竖向滑块(15)通过螺栓三(23)连接。

所述竖向滑块(15)与圆柱钢套筒(16)通过螺栓四(24)连接。

所述传动轴(22)与下连接板(25)通过螺栓五(26)连接。

所述重负荷线性导轨(13)与下连接板(25)的侧壁251通过螺栓六(27)连接。

所述预压矩形弹簧和矩形压缩弹簧均采用高应力、高耐热性的优质弹簧钢，弹性性能好、精密度高，且针对不同竖向振动幅值，可选用不同荷重的矩形弹簧，满足减振需求。

线性导轨采用重负荷直线合金钢导轨，其含碳量为0.15％～0.5％。

竖向滑块可以采用优质结构钢，例如45钢。

圆柱钢套筒、传动套筒、十字轴、传动轴均采用Q235普通碳素结构钢来制作。

矩形压缩弹簧(18)采用高应力、高耐热性的优质弹簧钢(其含碳量为0.6％～0.9％，该类钢要求具有高的抗拉强度、弹性极限、高的疲劳强度)，弹性性能好、精密度高，且针对不同竖向振动幅值，可选用不同荷重的压缩弹簧，满足减振需求。

以上是本发明的典型实例，本发明的实施不限于此。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (1)

1.一种带滑动斜弹簧的三维隔振装置，其特征在于，包括框架机构、水平隔振单元和竖向隔振单元；所述水平隔振单元和竖向隔振单元之间为串联功能关系；所述竖向隔振单元包括厚叠层橡胶支座和减振装置；

所述框架机构包括上连接板1、内部上连接板2、内部下连接板9、下连接板25；所述下连接板25包括侧壁251、顶板252、底板253；所述下连接板25设计成箱式结构，厚叠层橡胶支座和减振装置安装于下连接板25箱体内，厚叠层橡胶支座和减振装置两者为并联功能关系，且减振装置布置在厚叠层橡胶支座外围；内部下连接板9设置于下连接板25顶部，用于与水平隔振单元连接，下连接板25通过其底板253与工作台固定连接；所述上连接板1、内部上连接板2之间设置和安装水平隔振单元，所述上连接板1与被隔振机械设备连接；所述内部上连接板2、内部下连接板9通过螺栓连接；

所述水平隔振单元通过上连接板(1)与上部结构或设备相连，同时通过内部上连接板(2)与竖向隔振单元相连；中间通过夹层环形钢板(3)和环形薄叠层橡胶(4)交错叠置制作而成，且外部包覆有围绕内部夹层的上部保护橡胶(5)，并在支座中部设置高纯度的铅芯(6)，用于调整阻尼，提高上部支座的变形能力；

所述厚叠层橡胶支座通过夹层圆形钢板(10)和圆形厚叠层橡胶(11)交错叠置制作而成，并包覆有围绕内部夹层的外部保护橡胶(12)；

所述减振装置包括若干减振功能单元，平面内各个单元围绕自适应刚度单元均匀布置，各自独立；

每个减振功能单元包括转换能量的滑块机构和用于提供正负刚度的斜向弹簧机构，所述滑块机构包括重负荷线性导轨(13)、竖向滑块(15)，所述斜向弹簧机构包括圆柱钢套筒(16)、阻尼橡胶垫(17)、矩形压缩弹簧(18)、带螺纹的连接件(19)、传动套筒(20)、十字轴(21)和传动轴(22)，其中：

所述重负荷线性导轨(13)通过螺栓与下连接板(25)的侧壁251固定连接；所述竖向滑块(15)与重负荷线性导轨(13)咬合以约束竖向滑动的运动形式；

所述竖向滑块(15)，其竖向通过内部下连接板(9)输入外部传递的振动，其斜向侧与所述斜向弹簧机构连接；

所述竖向滑块(15)通过螺栓与内部下连接板(9)连接；

所述矩形压缩弹簧(18)设置于圆柱钢套筒(16)内，并与传动套筒(20)的输入端连接；具体的，所述矩形压缩弹簧(18)与传动套筒(20)之间设置阻尼橡胶垫(17)，并通过带螺纹的连接件(19)实现二者的连接；

所述传动轴(22)与下连接板(25)的底板253固定连接，其活动端通过十字轴(21)与传动套筒(20)的输出端连接，即形成万向节；

所述圆柱钢套筒(16)通过螺栓与竖向滑块(15)连接；

所述传动轴(22)通过螺栓与下连接板(25)的底板253连接。

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