CN111536191B - 一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，属于减震与隔震技术领域。装置包括基板、直线滑轨、曲面轨道、升降滑块组件、丝杠阻尼机构、滚轮和连接框；直线滑轨和曲面轨道呈左右对称固定在基板的表面，连接框的内外两侧分别安装升降滑块组件和滚轮，升降滑块组件和滚轮分别与直线滑轨和曲面轨道配合后实现基板与连接框之间的安装；曲面轨道为连接框返回初始位置提供回复力；升降滑块组件与直线滑轨配合后为连接框的移动提供导向和侧向支撑力，升降滑块组件能够适应连接框沿水平移动过程中高度的变化；丝杠阻尼机构安装在基板和连接框之间。本发明降低了加工和安装精度，同时具有良好的水平解耦能力、自复位功能与阻尼调整能力。

Description

一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置

技术领域

本发明属于减震与隔震技术领域，具体涉及一种模块化组装的可变阻尼隔震装置。

背景技术

博物馆内的展陈文物多处于浮放状态，很容易在地震作用下遭受破坏。目前，除支、粘、卡、绑等传统的抗震措施外，国内外博物馆已开始推广采用文物隔震装置对浮放文物进行保护。该类装置能把文物与展柜或建筑隔开，以降低文物的振动强度，达到免遭破坏的目的。

在博物馆实际应用较多的隔震装置中，除直线滑轨式外，还有一种涉及弧面摩擦体系的隔震装置，典型的应用为滚轮式、滚轴式。它们均设有上下正交双层轨道，利用装置在弧面轨道内运动来隔震。回复力由装置及其上文物的重力提供，隔震周期与文物质量无关，可满足小质量文物的隔震需求。但现有该类装置也存在一些缺陷，如忽视阻尼在减、隔震中的重要作用，没有针对性设计。通常装置的阻尼力由轴与滚轮之间或滚轮与轨道之间的摩擦力提供，这对加工和安装精度有较高的要求且阻尼大小不易控制；另外，由于地震波传播方向的任意性，正交轨道存在水平解耦问题，滚轮侧边常利用轮缘来抵抗侧向力以防止脱轨，使得运动过程中容易出现卡滞，影响隔震性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，装置依据运动复位、水平解耦和阻尼调整等需求拆分成不同的功能模块，采用直线滑轨配合曲面轨道进行组装，降低了加工和安装精度，同时具有良好的水平解耦能力和自复位功能；丝杠阻尼机构能够有效的吸能减震；各功能组件之间相互配合，整体效果优异，具有广阔的应用前景。

一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，包括基板、直线滑轨、曲面轨道、升降滑块组件、丝杠阻尼机构、滚轮和连接框；

所述直线滑轨和曲面轨道呈左右对称固定在基板的表面，连接框的内外两侧分别安装升降滑块组件和滚轮，升降滑块组件和滚轮分别与直线滑轨和曲面轨道配合后实现基板与连接框之间的安装；所述曲面轨道与滚轮配合为连接框提供竖向支撑并为其返回初始位置提供回复力；所述升降滑块组件与直线滑轨配合后为连接框的移动提供导向和侧向支撑力，升降滑块组件能够适应连接框沿曲面轨道移动过程中高度的变化；所述丝杠阻尼机构安装在基板和连接框之间，丝杠阻尼机构为连接框和基板之间的相对运动提供阻尼。

进一步地，所述升降滑块组件包括滑块、导向轴、升降座和螺母堵头；所述滑块的滑槽与直线滑轨为水平嵌入式配合，滑块与直线滑轨之间仅具有水平方向的自由度；所述导向轴的上下部分分别为导向段和法兰结构，导向段用于与升降座进行滑动配合，其顶端的螺纹段用于连接螺母堵头，法兰结构用于与滑块的上表面固定连接；所述升降座具有一个与导向轴配合的光滑通孔，升降座通过该光滑通孔与导向轴配合后再与连接框的内侧面固定连接；所述螺母堵头将连接框与基板连成一整体，防止连接框倾覆或与基板脱离。

进一步地，所述滑块的滑槽内装有滚珠，滑块与直线滑轨之间形成滚动摩擦配合。

进一步地，所述丝杠阻尼机构包括轴承支撑座、丝杠、阻尼器、导向套和驱动套；所述丝杠的两端通过轴承支撑座及轴承进行支撑，阻尼器安装在轴承支撑座上并与丝杠的一端或两端连接；驱动套安装在丝杠上，驱动套设置有供丝杠两端穿过的第一穿孔；驱动套上的第一穿孔所在内壁上安装有与丝杠的螺纹槽滚动配合的滚珠；导向套具有一个与驱动套相配合的内孔，驱动套沿该内孔的轴线方向自由滑动，方向垂直于丝杠轴线；导向套设有供丝杠两端穿过且能够适应高度变化的第二穿孔，第二穿孔的外形为条形孔，其长度方向与导向套内孔的轴线方向一致。

进一步地，所述隔震装置采用两层以上的方式进行层叠错位安装，相邻的隔振装置通过连接框或基板进行固定连接。

进一步地，所述隔振装置之间的错位角度设置在0－90°之间。

进一步地，所述驱动套的第一穿孔始终暴露在所述导向套的第二穿孔的孔内。

进一步地，所述丝杠的螺距为自所述丝杠的中部至所述丝杠的两端逐渐减小。

进一步地，所述丝杠采用单头丝杠或多头丝杠。

进一步地，所述曲面轨道的轨道面为中部低两端高的曲面。

有益效果：

1、本发明采用了直线滑轨和升降滑块组件的配合来对连接框进行连接和导向。由于升降滑块组件中的滑块和导轨采用标准件，两者之间为滚动配合，因此大大降低了装置的加工和组装难度，避免了常规隔震装置中运动部件由于精度的不足产生卡滞造成减震失效；同时，滑块与导轨之间为嵌入式的安装结构，可承受上下左右方向的负荷及弯矩，因而既可舍弃滚轮的轮缘构造，又能避免连接框在地震时发生侧移和倾覆。

2、本发明升降滑块组件中的导向轴和升降座之间采用孔轴配合，可以通过降低两者配合面的摩擦系数的方式使得摩擦力尽量小，由此能够将连接框与基板之间相对运动的阻尼集中到丝杠阻尼机构中，使得装置的阻尼易于调整和控制。

3、本发明采用了曲面轨道支撑上部物体，滚轮在曲面轨道运动过程中可产生竖向支撑力和水平回复力，因此可实现上部承载物的自动复位。由于曲面轨道及滚轮仅起支撑作用，功能简化，从而能够降低它们的设计和加工难度。

4、本发明的丝杠阻尼机构可通过改变螺距以及更换阻尼器的方式来调整装置的阻尼大小，克服了现有的隔震装置没有单独的阻尼件无法有效控制阻尼大小的缺陷。由于具有独立的阻尼机构，其它组件不必再进行阻尼设计，仅需采取措施尽量减小它们之间的摩擦力即可，从而降低了设计与加工难度。

5、本发明的模块化从两个方面进行体现，第一，本发明的隔震装置可以依据实际隔震需求采用多个装置进行多层模块化组装和功能设定，隔振装置之间的错位角度设置在0－90°之间，设置在0°时能够有效增加隔震装置的单向总行程，设置在其它角度区间时能够适应复杂的冲击环境。第二，本发明的隔震装置自身采用模块化的功能设计，将运动复位、水平解耦、阻尼调整和降低安装难度等需求拆分成不同的功能模块，通过直线滑轨配合曲面轨道进行组装能够降低安装难度以及实现运动复位，升降滑块组件和直线滑轨配合实现了水平解耦，丝杠阻尼机构实现阻尼调整，各模块之间又彼此交叉互相配合以实现隔震功能。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图；

图2为图1的主视图；

图3为图1的左视图；

图4为直线滑轨与升降滑块组件的配合关系示意图；

图5为导向轴的结构示意图；

图6为升降座的结构示意图；

图7为丝杠阻尼机构的结构示意图；

图8为导向套的结构示意图；

图9为驱动套的结构示意图；

图10为轴承支撑座的结构示意图；

图11为两个隔震装置呈正交分布的结构示意图；

图12为图11去掉上层隔震装置的基板后的结构示意图。

其中，1－基板、2－直线滑轨、3－曲面轨道、4－升降滑块组件、5－滚轮、6－连接框、7－轴承支撑座、8－丝杠、9－丝杠阻尼机构、10－滑块、11－导向轴、12－升降座、 13－螺母堵头、14－导向套、15－驱动套、16－滚珠、17－阻尼器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1、2和3所示，本发明提供了一种模块化可变阻尼的曲面轨道隔震装置，该装置包括一块基板1、两根直线滑轨2、四根曲面轨道3、四套升降滑块组件4、一套丝杠阻尼机构9、四个滚轮5和一个矩形的连接框6。

两根直线滑轨2呈左右对称固定在基板1的表面，四根曲面轨道3两两一组分别固定在直线滑轨2的外侧，连接框6对应轨道的内外两侧分别安装升降滑块组件4和滚轮5，升降滑块组件4和滚轮5分别与直线滑轨2和曲面轨道3配合后实现基板1与连接框6之间的安装与相对运动；曲面轨道3为连接框6以及连接框6上方安装的文物设施提供支撑并在受震动冲击后返回初始位置提供回复力；直线滑轨2为连接框6的移动提供导向和侧向支撑力；升降滑块组件4 与直线滑轨2配合做水平直线运动的同时还可适应连接框6沿曲面轨道3移动过程中产生的高度差；丝杠阻尼机构9安装在基板1和连接框6之间，丝杠阻尼机构9为连接框6和基板1之间的相对运动提供可变化的阻尼。

如附图4所示，升降滑块组件4包括滑块10、导向轴11、升降座12和螺母堵头13；滑块10的滑槽与直线滑轨2为水平嵌入式配合，滑块10与直线滑轨2 之间仅具有水平方向的自由度；滑块10的滑槽内装有滚珠，滑块10与直线滑轨之间形成滚动摩擦配合。

如附图5所示，导向轴11的下半部分为法兰结构，用于与滑块10的上表面固定连接；导向轴11的上半部分为圆柱形结构的导向段，用于与升降座12上的通孔进行滑动配合，圆柱形结构的顶端有一段螺纹段，用于安装对升降座12进行限位的螺母堵头13。

如附图6所示，升降座12具有一个与导向轴11配合的通孔，升降座12通过通孔与导向轴11配合后再与连接框6的内侧面固定连接。当连接框6沿曲面轨道3移动时带动升降座12同步运动，由于升降座12与导向轴11的上半部分通过孔轴滑动配合，能够适应连接框6沿曲面轨道3移动过程中产生的高度差。在受到地震作用时，升降座12施加给导向轴11的推力分解成带动导向轴11和滑块10共同沿直线滑轨2的长度方向移动的水平分力以及与该方向垂直的水平侧向分力，最终推力传导给固定在基板1上的直线滑轨2上。

如附图7所示，丝杠阻尼机构9包括轴承支撑座7、丝杠8、阻尼器17、导向套14和驱动套15；丝杠8的两端通过轴承支撑座7及轴承进行支撑，轴承支撑座7的结构如附图10所示；阻尼器17安装在轴承支撑座7上并与丝杠8的一端或两端连接，驱动套15安装在丝杠8上，如附图9所示，驱动套15上设置有供丝杠8两端穿过的第一穿孔，驱动套15上的第一穿孔所在内壁上安装有与丝杠的螺纹槽滚动配合的滚珠16；驱动套15安装在导向套14内孔中并能沿导向套14内孔的轴线方向滑动；如附图8所示，导向套14的内孔壁上设有用于丝杠 8两端穿过且能够适应高度变化的第二穿孔，第二穿孔的外形为条形孔，其长度方向与导向套内孔的轴线方向一致。导向套14上的内孔壁与驱动套15的外壁均为光滑表面。在受到地震振动冲击影响时，驱动套15可沿导向套14内孔的轴向方向自由移动；通过上述导向套14内孔孔壁的光滑设计以及与之配合的驱动套 15的外壁光滑设计可以保证两者之间滑动配合更自由。

丝杠阻尼机构9中的导向套14固定在基板1上，两个轴承支撑座7固定在连接框6的内侧表面上。

本申请的工作原理如下：装置的基板1固定在地面基座上，连接框6上固定连接受保护的文物；初始状态时，在重力的作用下，连接框6上的四个滚轮5 均位于曲面轨道3的最低点，如附图2所示。当地震发生时，地震波首先传递给基板1，由于连接框6上方的文物具有一定的重量，因此基板1与连接框6之间会产生相对运动，滚轮5于曲面轨道3上发生滚动，此时升降滑块组件4为运动提供导向；由于曲面轨道3在水平方向存在高度差，升降滑块组件4还能起到适应连接框6在运动过程中高度变化的作用。当连接框6在曲面轨道3上往复运动过程中，丝杠阻尼机构9的作用是将震动能量进行吸收。当连接框6向某个方向运动时，丝杠8与连接框6共同运动，此时导向套14内的驱动套15通过滚珠16限制丝杠8的水平运动并将其转化成绕丝杠8轴线的转动，转动的能量通过阻尼器17进行吸收。同样地，导向套14与驱动套15相互配合以适应丝杠 8随连接框6运动过程中产生的高度变化。

上述曲面轨道隔震装置，利用曲面轨道实现了动能与重力势能的相互转化，在一定程度上削弱了地震时产生的冲击动能，同时利用丝杠阻尼机构进一步实现了能量的持续吸收，最终装置在自身重力作用下实现复位，从而实现水平方向的减隔震功能。

由于地震的冲击波可能来自不同的方向，因此为了使装置能够适应多个方向的冲击，可以将装置设置成多层的结构，每层之间间隔特定的角度，以适应复杂的冲击环境。如附图11所示，将两个隔震装置进行正交布置，上层装置的连接框与下层装置的连接框进行固定连接，此处为两层装置共用一个连接框，上层装置的基板用于连接文物设施，图12为图11去掉基板后的内部结构示意图。

阻尼器17能有效地吸收震动能量，使丝杠8获得平缓的机械运动，提升装置的性能。阻尼器17优选使用粘滞型旋转阻尼器；该粘滞型旋转阻尼器通常内部填充一定粘度的流体介质，利用旋转体在腔中的圆周运动产生粘滞阻尼耗能，是一种与转动速度相关的阻尼器。在地震来临时，粘滞型旋转阻尼器最大限度吸收和消耗了地震的冲击能量，大大缓解了地震对隔震装置上部摆放物体(如文物)的冲击和破坏。

具体的，曲面轨道3的轨道面为中部低两端高的曲面。

具体地，驱动套15第一穿孔始终暴露在导向套14第二穿孔的孔内。上述第一穿孔应当位于第二穿孔内，两者存在上述位置关系。

具体地，丝杠8的螺距为自丝杠8的中部至丝杠8的两端逐渐减小。通过上述设置，丝杠8每转动一圈，滚珠16沿着螺纹槽的运动距离逐渐减小。上述丝杠的中部位置螺距较大，向两端延伸则螺距逐渐减小；在滚珠从丝杠的中部向端部运动过程中，初始阻尼小(即当滚珠位于丝杠中部时)有利于阻尼装置启动，后期阻尼加大(即当滚珠位于丝杠端部时)可避免过大振动时相互碰撞，对文物底座受到的水平方向的冲击力具有更好的缓冲保护效果。需要说明的是，丝杠8的螺距为自丝杠8的中部至丝杠8的两端逐渐减小只是本申请最优的选择。

本申请的丝杠8的螺距还可以使用等螺距设置，等螺距设置的方式，丝杠8 每转动一圈，滚珠16沿着螺纹槽的运动距离是相等的，对文物底座受到的水平方向的冲击力的缓冲减震效果不如本申请的丝杠8的螺距为自丝杠8的中部至丝杠8的两端逐渐减小的方式。

本申请的滚珠16的数量为三个，采用其它数量的滚珠16也是可以的，与丝杠8中的螺纹槽数量相匹配。

具体地，上述曲面轨道隔震装置，还包括法兰；导向套14通过法兰与基板 1连接。利用上述法兰可实现导向套14与基板1的紧固连接方式。另外通过法兰增加导向套14与基板1的接触面积，提高连接强度。

本申请的导向套14和法兰也可设计为一体结构，便于制造加工以及保证整体的结构强度。

具体地，丝杠8的螺纹升角必须大于螺旋副的当量摩擦角，使得驱动套15 不会自锁在丝杠8上，保证文物底座受到冲击力时，通过曲面轨道隔震装置对文物底座能够起到缓冲减震的效果，降低文物底座上的文物受到冲击力，从而降低文物损坏的概率。如果驱动套15自锁在丝杠8上，文物底座受到冲击力时，不能通过曲面轨道隔震装置的阻尼装置对文物底座进行缓冲减震，文物底座上的文物会直接受到损坏，文物损坏的概率较高。

具体地，丝杠8采用单头丝杠或多头丝杠。单头丝杠由于其螺旋升角较小 (不容易滑动)，螺丝和螺母旋合形成的摩擦力较大(有自锁能力)，用在螺纹的锁紧；而多线螺纹由于其螺纹升角较大(容易滑动)，螺丝和螺母旋合形成的摩擦力较小，用于传递动力和运动。多头丝杠比单线丝杠的受力更加均匀，且导程较大，例如同螺距的双线螺纹导程是单线螺纹导程的两倍。

根据上述分析，依据不同的使用条件选用，优选多头丝杠。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，其特征在于，包括基板、直线滑轨、曲面轨道、升降滑块组件、丝杠阻尼机构、滚轮和连接框；

所述直线滑轨和曲面轨道呈左右对称固定在基板的表面，连接框的内外两侧分别安装升降滑块组件和滚轮，升降滑块组件和滚轮分别与直线滑轨和曲面轨道配合后实现基板与连接框之间的安装；所述曲面轨道与滚轮配合为连接框提供竖向支撑并为其返回初始位置提供回复力；所述升降滑块组件与直线滑轨配合后为连接框的移动提供导向和侧向支撑力，升降滑块组件能够适应连接框沿曲面轨道移动过程中高度的变化；所述丝杠阻尼机构安装在基板和连接框之间，丝杠阻尼机构为连接框和基板之间的相对运动提供阻尼。

2.如权利要求1所述的一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，其特征在于，所述升降滑块组件包括滑块、导向轴、升降座和螺母堵头；所述滑块的滑槽与直线滑轨为水平嵌入式配合，滑块与直线滑轨之间仅具有水平方向的自由度；所述导向轴的上下部分分别为导向段和法兰结构，导向段用于与升降座进行滑动配合，其顶端的螺纹段用于连接螺母堵头，法兰结构用于与滑块的上表面固定连接；所述升降座具有一个与导向轴配合的光滑通孔，升降座通过该光滑通孔与导向轴配合后再与连接框的内侧面固定连接；所述螺母堵头将连接框与基板连成一整体，防止连接框倾覆或与基板脱离。

3.如权利要求2所述的一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，其特征在于，所述滑块的滑槽内装有滚珠，滑块与直线滑轨之间形成滚动摩擦配合。

4.如权利要求1、2或3所述的一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，其特征在于，所述丝杠阻尼机构包括轴承支撑座、丝杠、阻尼器、导向套和驱动套；所述丝杠的两端通过轴承支撑座及轴承进行支撑，阻尼器安装在轴承支撑座上并与丝杠的一端或两端连接；驱动套安装在丝杠上，驱动套设置有供丝杠两端穿过的第一穿孔；驱动套上的第一穿孔所在内壁上安装有与丝杠的螺纹槽滚动配合的滚珠；导向套具有一个与驱动套相配合的内孔，驱动套沿该内孔的轴线方向自由滑动，方向垂直于丝杠轴线；导向套设有供丝杠两端穿过且能够适应高度变化的第二穿孔，第二穿孔的外形为条形孔，其长度方向与导向套内孔的轴线方向一致。

5.如权利要求4所述的一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，其特征在于，所述隔震装置采用两层以上的方式进行层叠错位安装，相邻的隔振装置通过连接框或基板进行固定连接。

6.如权利要求5所述的一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，其特征在于，所述隔振装置之间的错位角度设置在0－90°之间。

7.如权利要求4所述的一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，其特征在于，所述驱动套的第一穿孔始终暴露在所述导向套的第二穿孔的孔内。

8.如权利要求4所述的一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，其特征在于，所述丝杠的螺距为自所述丝杠的中部至所述丝杠的两端逐渐减小。

9.如权利要求8所述的一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，其特征在于，所述丝杠采用单头丝杠或多头丝杠。

10.如权利要求9所述的一种模块化可改变阻尼的曲面轨道隔震装置，其特征在于，所述曲面轨道的轨道面为中部低两端高的曲面。

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