CN112682461B - 一种极低频气囊隔振系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极低频气囊隔振系统，主要包括垂向气囊隔振器、侧向气囊隔振器、转动结构、连接结构与载重平台。垂向气囊隔振器用于承载载重，实现垂向隔振。侧向气囊隔振器用于提升系统稳定性，避免载重平台在摇摆等工况下与侧向基础发生直接碰撞，同时实现侧向隔振。转动结构与连接结构用于降低侧向气囊隔振器带给系统的不利影响，保证摇摆等工况下的系统稳定性。同时，在该结构的基础上，可通过对侧向气囊隔振器的设计以降低其转动刚度，并为系统提供负刚度，进一步提升隔振性能。本发明结构简单，可靠性高，成本低，可用于工业、民用，特别是舰船领域机械设备、系统的低频高效隔振。

Description

一种极低频气囊隔振系统

技术领域

本发明涉及减振降噪处理技术领域，具体的说是一种极低频气囊隔振系统。

背景技术

控制机械设备引起的振动，使其满足标准要求，是工业、民用、特别是船舶机械系统设计的关键，而低频振动的控制显得尤为重要。采用隔振系统是降低设备振动传递最有效的方法之一。气囊隔振系统一般由垂向气囊隔振器、侧向气囊隔振器、载重平台构成。垂向气囊隔振器支撑载重，并实现垂向隔振。引入侧向气囊隔振器的目的在于提升系统在摇摆等工况时的稳定性，避免载重平台或设备与基础发生直接碰撞，并实现侧向隔振。但侧向气囊隔振器的引入会降低系统的隔振效果。为了消除引入侧向气囊隔振器对系统隔振效果的不良影响，在侧向气囊隔振器与载重平台之间设计了一种连接结构与转动结构。该结构的引入可以降低甚至消除侧向气囊隔振器对系统垂向正刚度的贡献，提升系统的隔振效果，同时保证系统的稳定性。并且若对侧向气囊隔振器进一步设计，降低其弯曲刚度，则在该结构中侧向气囊隔振器能够为系统提供负刚度，进一步提升系统的隔振效果。

现有的《一种准零刚度隔振系统与车辆》(专利号201910227755.8)设计了一种采用空气弹簧与负刚度机构并联的准零刚度隔振器，该隔振器集成度较低，占用空间大。《智能气囊隔振装置》(专利号200910063656.7)采用智能气囊技术构建的隔振装置，能较好地对机械振动进行隔离，并具有自动充放气的功能，但该装置对低频、超低频振动隔振效果不够理想。《一种负刚度可调准零刚度隔振装置》(专利号201921442791.8)采用可调整的负刚度机构使装置能够在带静载状态下处于动刚度接近零的理想状态，避免隔振系统的失效，但该装置承载能力有限，不能较好满足大载荷以及小位移情况下的隔振需要，且侧向弹性体进行了水平限位，当用作装置时，侧向弹性体可能会发生短路，导致振动从限位装置处传递出去。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种极低频气囊隔振系统。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种极低频气囊隔振系统，包括基座、侧向气囊隔振器、连接结构、垂向气囊隔振器与载重平台，所述侧向气囊隔振器对称设置于载重平台左右两侧，所述侧向气囊隔振器一侧通过连接结构与载重平台铰接，另一侧固定在基座内侧，所述载重平台底部和基座之间设置有垂向气囊隔振器，所述侧向气囊隔振器和垂向气囊隔振器上均设置有压力传感器，所述压力传感器用于检测侧向气囊隔振器和垂向气囊隔振器内的气压并将气压检测结果发送到控制器，所述控制器用于根据气压检测结果控制充放气系统对侧向气囊隔振器和垂向气囊隔振器进行充放气，调节侧向气囊隔振器和垂向气囊隔振器的高度和气压。

进一步的，侧向气囊隔振器和垂向气囊隔振器上均设置有电磁阀，控制器用于在充气/放气开始时打开电磁阀，在充气/放气结束时关闭电磁阀。

进一步的，气囊隔振器为囊式气囊隔振器、膜式气囊隔振器或双曲气囊隔振器中的任意一种，垂向气囊隔振器和侧向气囊隔振器的型号相同或不同。

进一步的，还包括转动结构，转动结构一端通过连接结构与侧向气囊隔振器连接，一端直接连接载重平台；或转动结构一端直接连接侧向气囊隔振器，另一端通过连接结构与载重平台连接；或转动结构一端通过连接结构与侧向气囊隔振器连接，另一端通过连接结构与载重平台连接。

进一步的，转动结构为万向节或转动节，连接结构为连杆或螺栓螺杆结构，侧向气囊隔振器能在转动结构及连接结构的带动下在横向、竖直及斜向方向上发生形变。

进一步的，转动结构的数量为一个或多个，连接结构的数量为一个或多个。

进一步的，载重平台为浮筏或设备底座，载重平台用于放置待隔振设备，待隔振设备为安装在载重平台上的单个设备或多个设备的集中组合。

本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明的极低频气囊隔振系统依托气囊隔振器设计，因而无论是起支撑作用的垂向气囊隔振器正刚度机构，还是防止侧向碰撞的侧向气囊隔振器均可根据被承载设备实际情况调整气囊隔振器气压或更换气囊隔振器型号，以达到最佳参数设计条件，因而可以在较大的承载范围内均能确保隔振系统实现极低频隔振功能；

2、本发明的极低频气囊隔振系统基于正负刚度并联原理，利用气囊隔振器的进行简单结构布置，安装简便、承载能力高、可靠性强、机构简单紧凑且易于加工和现场安装，在结合成熟的气囊隔振器姿态控制技术条件下，可使本系统得到迅速的推广及应用；

3、本发明的极低频气囊隔振系统的侧向气囊隔振器可以在保证系统在摇摆等工况下的系统稳定性，同时，避免筏架或设备与基座发生直接碰撞，且通过对侧向气囊隔振器进一步设计，降低其弯曲刚度，可在该结构中令其为系统提供负刚度，进一步提升系统的隔振效果；侧向气囊隔振器的引入会对系统隔振效果带来的不利影响，如增加提高系统刚度、系统固有频率等，而本发明中连接与转动结构的恰当引入可将降低甚至完全消除，转动结构的安装方式包括但不限于图4所示方式，不同方式的试验效果如图6所示；

本发明对降低气囊隔振系统刚度、提升隔振性能的效果是积极明显的，该结构设计方法具有可靠性高、成本低、占用空间小等优点，且并能保证气囊隔振器刚度不变情况下，降低隔振系统的刚度，提升隔振系统的低频隔振性能，为工业、民用，特别为船舶等领域存在的低频、超低频振动有效控制难题提供新的更可靠的解决途径。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明结构正视示意图；

图2是本发明结构俯视示意图；

图3是连接结构与转动结构示意图；

图4是本发明结构原理图；

图5是本发明结构受力分析图；

图6是本发明结构试验比较结果图；

图7是本发明结构不同气压侧向气囊隔振器的设计效果比较图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、基座；2、侧向气囊隔振器；3、转动结构；4、连接结构；5、垂向气囊隔振器；6、载重平台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“垂向”、“侧向”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一个”、“二个”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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“一个”、“两个”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，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“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

本发明的工作原理为：

如图1、2所示，本发明的垂向气囊隔振器5安装在载重平台6和基座1之间，所述垂向气囊隔振器5可以是一个或多个，可根据实际需求选取；水平对称放置的侧向气囊隔振器2下盖板固定在基座1侧壁上，所述侧向气囊隔振器2可以是一对，也可以是多对，根据实际需求选取；侧向气囊隔振器2上盖板依次通过连接结构4、转动结构3与载重平台6相连(如图3及图4(a)所示)；在本发明的另一实施例中，侧向气囊隔振器2上盖板依次通过转动结构3、连接结构4与载重平台6相连(如图4(b)所示)；在本发明的另一实施例中，侧向气囊隔振器2上盖板与载重平台6之间顺次设置有连接机构4、转动结构3和连接结构4(如图4(c)及图5所示)。

所述垂向气囊隔振器5承载设备以及平台重量，当载重平台向下移动时，其提供向上的力和系统正刚度。所述的连接结构4以及转动结构3使得侧向气囊隔振器2发生一定角度的弯曲，使得侧向气囊隔振器2为系统提高的垂向正刚度降低。若侧向气囊隔振器2的弯曲刚度较低，侧向气囊隔振器2可以为系统在垂向提供负刚度。原气囊隔振系统中，侧向气囊隔振器2直接与载重平台6连接，而本系统中侧向气囊隔振器2与载重平台6之间引入的连接结构4与转动结构3具有十分积极的意义，它使得侧向气囊隔振器2发生偏转，降低了其对系统垂向正刚度的贡献，并且使之具有提供负刚度的可能。

引入连接结构4、转动结构3后侧向气囊隔振器2为系统在平衡位置提供刚度的垂向分量需满足：

公式(1)中，中k_yy代表安装高度为h，一定初始气压下的气囊横向刚度；k_θθ代表安装高度为h，一定初始气压下的气囊弯曲刚度；F_v0代表安装高度为h，一定初始气压下侧向气囊隔振器2的初始垂向力；L代表连接结构4有效长度。

由公式(1)可知，如果k_θθ＜F_v0L，那么侧向气囊隔振器2为系统提供负刚度。如果k_θθ＝F_v0L，侧向气囊隔振器2对系统的垂向动刚度没有影响。如果k_θθ＞F_v0L，侧向气囊隔振器2为系统提供正刚度。

引入连接结构4、转动结构3的目的是消除侧向气囊隔振器2对系统的不利影响，降低系统的动刚度。因此，需要满足下式不等式

k_r-lateral|_x＝0＜2k_yy (2)

公式(2)式求解为

Lk_yy+F_v0＞0 (3)

在实际情况下，公式(3)中的参数都是正的，因而公式(3)始终成立。理论分析结果表明，新结构设计成功地降低了侧向气囊隔振器2对系统正刚度的贡献，使得系统的刚度降低。样机试验结果表明，引入连接结构4、转动结构3后的新型极低频气囊隔振系统结构的动刚度约为原气囊隔振系统侧向气囊隔振器2直接与载重平台6连接动刚度的1/4。下表对新型极低频气囊隔振系统与原气囊隔振系统的静、动刚度和固态频率等性能参数进行了比较。

表1极低频气囊隔振系统与原气囊隔振系统性能参数比较

此外，侧向气囊隔振器2可以设计使得等式1为负，从而为系统提供负刚度，进一步降低系统的刚度。如图7所示，并绘制了此时系统的恢复力和刚度曲线。

具体工作步骤为：

根据需隔振设备的安装要求确定垂向气囊隔振器5的安装高度，并根据设备与载重平台6重量调整垂向气囊隔振器5的初始气压，以满足安装高度的要求；根据安装高度，安装侧向气囊隔振器2与连接结构4、转动结构3，根据垂向气囊隔振器5气压调整侧向气囊隔振器2的气压，保证连接结构4在工作初始状态处于水平位置；开启气囊隔振器姿态检测与控制系统，实时对垂向气囊隔振器5和侧向气囊隔振器2气压进行控制，实现对设备和隔振装置姿态的高精准控制；根据实际需求，实时对侧向气囊隔振器2气压进行控制，实现对设备和隔振装置固有频率的控制。

以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种极低频气囊隔振系统，其特征在于，包括基座（1）、侧向气囊隔振器（2）、连接结构（4）、垂向气囊隔振器（5）与载重平台（6），所述侧向气囊隔振器（2）对称设置于载重平台（6）左右两侧，所述侧向气囊隔振器（2）一侧通过连接结构（4）与载重平台（6）铰接，另一侧固定在基座（1）内侧，所述载重平台（6）底部和基座（1）之间设置有垂向气囊隔振器（5），所述侧向气囊隔振器（2）和垂向气囊隔振器（5）上均设置有压力传感器，所述压力传感器用于检测侧向气囊隔振器（2）和垂向气囊隔振器（5）内的气压并将气压检测结果发送到控制器，所述控制器用于根据气压检测结果控制充放气系统对侧向气囊隔振器（2）和垂向气囊隔振器（5）进行充放气，调节侧向气囊隔振器（2）和垂向气囊隔振器（5）的气压和高度；还包括转动结构（3），所述转动结构（3）一端通过连接结构（4）与侧向气囊隔振器（2）连接，一端直接连接载重平台（6）；所述转动结构（3）为万向节，所述连接结构（4）为连杆或螺栓螺杆结构，所述侧向气囊隔振器（2）能在转动结构（3）及连接结构（4）的带动下在横向、竖直及斜向方向上发生形变。

2.根据权利要求1所述的极低频气囊隔振系统，其特征在于，所述侧向气囊隔振器（2）和垂向气囊隔振器（5）上均设置有电磁阀，所述控制器用于在充气/放气开始时打开电磁阀，在充气/放气结束时关闭电磁阀。

3.根据权利要求1所述的极低频气囊隔振系统，其特征在于，所述气囊隔振器为囊式气囊隔振器、膜式气囊隔振器或双曲气囊隔振器中的任意一种，垂向气囊隔振器（5）和侧向气囊隔振器（2）的型号相同或不同。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的极低频气囊隔振系统，其特征在于，所述转动结构（3）的数量为一个或多个，所述连接结构（4）的数量为一个或多个。

5.根据权利要求1所述的极低频气囊隔振系统，其特征在于，所述载重平台（6）为浮筏或设备底座，所述载重平台（6）用于放置待隔振设备，所述待隔振设备为安装在载重平台（6）上的单个设备或多个设备的集中组合。

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