CN113586656A - 一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，包括阻尼筒体和置于所述阻尼筒体内的弹簧挡板，所述弹簧挡板将所述阻尼筒体内部分隔成容动腔体和阻尼腔体，且弹簧挡板能够沿着所述阻尼筒体内部运动以改变所述容动腔体和所述阻尼腔体的大小；容动腔体中设置有阻尼弹簧，阻尼腔体内放置阻尼颗粒；还包括阻尼杆，阻尼杆的一端部从阻尼筒体靠近容动腔体的端面穿入到容动腔体，然后穿设在弹簧挡板中，且该端能够穿过弹簧挡板后进入到所述阻尼腔体中；位于阻尼筒体外部的所述阻尼杆套设有回杆弹簧。当外界振动或冲击力通过阻尼杆传递到阻尼器时，由弹簧k1和弹簧k2共同承担振动或冲击力，快速消耗其振动或冲击力，有效控制振动，工程应用价值较高。

Description

一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器

技术领域

本发明涉及阻尼器，具体是一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器。

背景技术

液压阻尼器具备优良减振和抗冲击性能，通过液压油提供的阻力消耗振动和冲击带来的运动能量，以保护装备恶劣环境条件下的安全。但受工作环境的影响，易造成密封橡胶件老化引起液压油泄露、液压阻尼孔堵塞及液压油变质性能退化等问题，且对低幅高频或高幅低频的振动不能有效地控制。

发明内容

为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，当外界振动或冲击力通过阻尼杆传递到阻尼器时，由弹簧k1和弹簧k2共同承担振动或冲击力，快速消耗其振动或冲击力，有效控制振动，成本低，工程应用价值较高。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，包括阻尼筒体和置于所述阻尼筒体内的弹簧挡板，所述弹簧挡板将所述阻尼筒体内部分隔成容动腔体和阻尼腔体，且所述弹簧挡板能够沿着所述阻尼筒体内部运动以改变所述容动腔体和所述阻尼腔体的大小；

所述容动腔体中设置有阻尼弹簧，所述阻尼腔体内放置阻尼颗粒；

还包括阻尼杆，所述阻尼杆的一端部从所述阻尼筒体靠近所述容动腔体的端面穿入到所述容动腔体，然后穿设在所述弹簧挡板中，且该端能够穿过所述弹簧挡板后进入到所述阻尼腔体中；

位于所述阻尼筒体外部的所述阻尼杆套设有回杆弹簧。

进一步地，所述弹簧挡板与所述阻尼筒体内壁之间存在间隙A，所述阻尼杆与所述弹簧挡板之间存在间隙B，所述阻尼颗粒的直径远大于间隙A和间隙B。

进一步地，所述阻尼弹簧的一端抵接所述弹簧挡板，另一端抵接所述容动腔体的上壁。

进一步地，所述阻尼杆伸入到所述阻尼腔体中的端部设置有锤头，所述锤头在运动过程中始终处于所述阻尼腔体中。

进一步地，所述阻尼杆的外端部固定有挡块，所述回杆弹簧的一端部抵接所述挡块，另一端抵接所述阻尼筒体外壁。

进一步地，阻尼器的整体刚度系数k满足公式一：

且，k₁＜k₂，；

其中，K1是所述回杆弹簧的刚度系数，K2是所述阻尼弹簧的刚度系数。

进一步地，阻尼器的阻尼力F计算公式二：

且，c＝α·f_P·P，；

其中，

是指所述阻尼杆的运动速度，c是阻尼系数，负号是指阻尼力与运动速度

的方向相反，α是修正系数，f_P为所述阻尼颗粒在弹簧压力下的摩擦系数，P是弹簧施加在所述阻尼颗粒上的压力。

进一步地，所述阻尼杆的运动位移x计算公式三：

其中，m为所述阻尼杆的重量，c为阻尼系数，k为阻尼器的整体刚度系数，

为所述阻尼杆的加速度，

是指所述阻尼杆的运动速度；

另外，m、c和k满足下述公式四和公式五：

其中，

为系统无量纲阻尼比，ω_n为所述阻尼杆的的固有频率；

对公式三进行求解，得到公式六：

其中，x是求解出的所述阻尼杆的位移，A₁和A₂是初始条件。

进一步地，所述阻尼颗粒采用2种及以上不同直径的颗粒或者粉末。

综上所述，本发明取得了以下技术效果：

1、本发明采用复合阻塞型阻尼器，利用阻尼杆直接连接设备，阻尼筒体连接底座，当外界振动或冲击力通过阻尼连杆传递到阻尼器时，由弹簧k1和弹簧k2共同承担振动或冲击力，此外受阻尼颗粒材料产生的阻尼影响，快速消耗其振动或冲击力；

2、本发明阻尼材料受弹簧k2作用和弹簧挡板的影响，当阻尼杆受振动或冲击作用挤压阻尼腔体时，会因形体的变化才生较强的阻尼力，将振动或冲击能量转化为热能、碰撞能等散掉；

3、相较于液压减振器采用内部填充液压油的方案，本发明内部填充颗粒或粉体材料，降低结构密封要求和制造成本，有效减小密封件老化、泄漏、堵塞、变质等问题；

4、本发明内部阻尼杆及阻尼颗粒材料均为不锈钢材质，磨损后更换，整体结构简单，易维修；

5、本发明降低液压阻尼器的制造成本，降低维护工作量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的阻尼器示意图；

图2是单粒径颗粒对应的阻尼曲线；

图3是级配颗粒对应的阻尼曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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“第一”、“第二”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“第一”、“第二”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，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

如图1所示，一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，包括阻尼筒体4和置于阻尼筒体4内的弹簧挡板5，弹簧挡板5将阻尼筒体4内部分隔成容动腔体41和阻尼腔体42，且弹簧挡板5能够沿着阻尼筒体4内部运动以改变容动腔体41和阻尼腔体42的大小。

阻尼筒体4可以采用圆筒状、方形状，或者采用异形状，由于本实施例中弹簧挡板5是要在阻尼筒体4的内部空间中进行运动的，因此，只要弹簧挡板5的形状与筒体内部形状相匹配即可。但为了阻尼器的安装方便以及美观性，一般采用圆柱形结构，将阻尼器的上端也就是图1中阻尼杆1的挡块12固定在待减震物体下端，将阻尼筒体4的下端固定，即可使用。

还包括阻尼杆1，阻尼杆1的一端部从阻尼筒体4靠近容动腔体41的端面穿入到容动腔体41，然后穿设在弹簧挡板5中，且该端能够穿过弹簧挡板5后进入到阻尼腔体42中。阻尼杆1伸入到阻尼腔体42中的端部设置有锤头11，锤头11在运动过程中始终处于阻尼腔体42中。

初始时，在筒体的上端部开设一个通孔供阻尼杆1穿过，在弹簧挡板5上开设通孔供阻尼杆1穿过。阻尼杆1与这两个通孔之间的间隙极小，在保证运动的前提下近乎形成密封状态，此间隙只要保证颗粒不通过即可，与液体阻尼相比较，本装置对密封的要求低，不需用到橡胶件，没有泄漏堵塞等问题。

弹簧挡板5与筒体之间不固定连接，使得弹簧挡板5能够运动，以增大容动腔体41、减小阻尼腔体42，或者，减小容动腔体41、增大阻尼腔体42。

弹簧挡板5与阻尼筒体4内壁之间存在间隙A，阻尼杆1与弹簧挡板5之间存在间隙B，阻尼颗粒6的直径远大于间隙A和间隙B，防止颗粒从两个间隙流动到容动腔体41内，保证颗粒只在阻尼腔体42中运动。

容动腔体41中设置有阻尼弹簧3，阻尼弹簧3的一端抵接弹簧挡板5，另一端抵接容动腔体41的上壁，在弹簧挡板5(受阻尼颗粒6的挤压)上行时，压缩阻尼弹簧3，在阻尼颗粒6失力不挤压弹簧挡板5时，阻尼弹簧3张力挤压弹簧挡板，将弹簧挡板5向下挤压使得其下行恢复到初始状态。由于在颗粒失力(失力是指失去阻尼杆1施加的力)后，颗粒不会自行回复初始状态，也就是不会全部自行下落，而使得颗粒的表面不平整，阻尼弹簧3失去颗粒的挤压后，利用自身的张力将弹簧挡板向下挤压，使得弹簧挡板整体下行压平颗粒表面，直至到初始状态。

另外，阻尼弹簧3的刚度不同，其给弹簧挡板5施加的张力也就不同，影响着弹簧挡板5下行的速度和力度，也就影响着颗粒回复初始状态的速度和力度，结合着颗粒在恢复时会互相挤压，也就影响着颗粒的摩擦力。

阻尼弹簧3可以是：第一种，套设在阻尼杆1的外部的形式结构，第二种，设于阻尼杆1侧边的形式结构。图1中显示的是第一种套设在阻尼杆1外部的形式，当然，也可以选择第二种在阻尼杆1侧边的形式，在第二种中，为了弹簧挡板力度的均衡性，将阻尼弹簧3分解成为多个子弹簧围绕在阻尼杆1的周围。第一种的阻尼弹簧3的刚度系数就是弹簧本身的刚度系数，第二种的刚度系数是多个子弹簧组合起来的组合刚度系数。不管是哪一种形式结构，都会存在一个阻尼弹簧3的刚度系数K2。

阻尼腔体42内放置阻尼颗粒6，将颗粒利用弹簧挡板5和锤头11限制在阻尼腔体42内，当阻尼杆1受力时，锤头11随之运动向颗粒中挤压，由于颗粒在初始状态时是紧密的，锤头11的进入使得颗粒之间发生碰撞、挤压、摩擦将锤头11的势能转换成颗粒间的摩擦能，即转换成内能，消耗掉锤头11的运动能量，达到减震的效果。

在这个过程中，锤头11进入阻尼腔体42，颗粒之间碰撞、挤压、摩擦，在锤头11继续进入时，颗粒之间碰撞加大，从而向上(图示方向)挤压弹簧挡板5，弹簧挡板5的底侧受到颗粒的挤压，上侧受到阻尼弹簧3的张力作用，颗粒的挤压力度大于阻尼弹簧3的张力，使得弹簧挡板5在颗粒的挤压作用下上行，使得阻尼腔体42增大，容动腔体41减小，此时，弹簧挡板5与阻尼杆1之间发生相对运动，弹簧挡板5上行挤压阻尼弹簧3，使得阻尼弹簧3压缩，此过程中，颗粒将运动势能转换成内能，实现能量的转换。在振动消失即锤头11上行时，颗粒间放松落下，阻尼弹簧3张力大于颗粒摩擦力，弹簧挡板5开始下行将颗粒平整恢复到初始状态。

阻尼弹簧3的刚度可调。在这个过程中，也可以看出，阻尼弹簧3的刚度也影响弹簧挡板5上行的速度和力度以及位移，当阻尼弹簧3的刚度系数增大时，其对弹簧挡板5施加的向下的力度也增加，颗粒对弹簧挡板5的向上的挤压力就需要消耗掉一部分将阻尼弹簧3的力抵消，抵消掉之后再进行对弹簧挡板5的向上挤压运行，阻尼弹簧3的刚度系数增大，使得用于抵消的力度就增大，剩余用于让弹簧挡板5上升的力度就减小，从而，弹簧挡板5对颗粒压得更紧实，应力增大，阻尼力也增大。因此，调节阻尼弹簧3的刚度，可以更改颗粒间的阻尼力度，也就可以更改整个装置的阻尼力。

锤头11的的设计直接影响阻尼力的大小，在本发明中，可以采用不同阻尼杆的设计，包括但不限于对称平滑结构、子弹结构、活塞盘结构等结构，不同结构提供不同的阻尼效果，阻尼大小与杆件结构有直接关系，根据实际情况选择即可。

在本实施例中，锤头11采用圆锥的形式。

位于阻尼筒体4外部的阻尼杆1套设有回杆弹簧2。阻尼杆1的外端部固定有挡块12，回杆弹簧2的一端部抵接挡块12，另一端抵接阻尼筒体4外壁，在阻尼杆1下行完成减震需要上行复位时，回杆弹簧2张力作用将挡块12上顶，使得阻尼杆1复位。

一方面，本实施例中，利用两个弹簧为颗粒与阻尼杆之间的摩擦提供阻尼力，形成阻尼器的双弹簧结构，利用两个弹簧不同的刚度系数，做到刚度系数与阻尼系数之间的解耦，将运动系统转换成数学系统，使得动力学的特性更加的明确，实际使用设计时可以满足多种动力学工况要求。

在本实施例中，整个阻尼器的整体刚度系数k满足公式一：

其中，K1是回杆弹簧2的刚度系数，K2是阻尼弹簧3的刚度系数。

K1的刚度小于K2的刚度，弹簧型号、刚度等依据减振或冲击力的大小进行选择。

双弹簧的结构可以同时兼顾阻尼和载荷，双弹簧给颗粒提供阻尼力，根据不同刚度的选择可以满足大载荷的要求。目前的阻尼一般是单弹簧的结构，无法兼顾阻尼和载荷，本发明阻尼由两部分提供，一部分是颗粒与杆件的摩擦，另一部分是颗粒与容器壁之间的摩擦，两者共同提供结构所需阻尼。弹簧为结构提供刚度，上部弹簧提供缓冲器所需的回弹刚度，下部弹簧提供阻尼所需的预压力，增加结构阻尼效果。两个弹簧配合，可同时兼顾阻尼和载荷。

另一方面，阻尼颗粒6采用2种及以上不同直径的颗粒或者粉末。为了使颗粒阻尼的阻尼特性更为平滑，本发明采用颗粒级配选择，选择一种或多种不同粒径颗粒，使阻尼器阻尼特性曲线更为光滑，发挥最佳阻尼效果。

阻尼颗粒6的直径在0.01mm-2mm之间，选用不锈钢材质。

下面给出几种不同搭配的选择：

单颗粒：如下表1所示：

颗粒粒径	0.1	0.2	0.3	0.5	0.8	1	1.2	1.5	1.6	1.8	2
												阻尼比	0.01	0.02	0.04	0.03	0.025	0.02	0.015	0.013	0.012	0.008	0.006

不同颗粒的直径对应的阻尼比不同，图中给出了不同粒径颗粒所对应的阻尼比，如图2所示为表1对应的曲线，横轴为颗粒粒径的单位为mm，纵轴为阻尼比，由图中可看出，在粒径为0.3mm左右时阻尼比达到顶峰，在粒径为0.2-1mm之间阻尼比较大。

级配颗粒：

如下表2所示：

级配	30％2mm+70％0.5mm	30％2mm+70％0.8mm	30％2mm+70％1.0mm	30％1mm+70％0.5mm	30％1mm+70％0.8mm
						阻尼比	0.035	0.031	0.025	0.037	0.042

本发明提供级配的方式，级配即2种及以上不同直径颗粒的搭配选择，第一种方式是30％的2mm+70％的0.5mm的搭配方式，其搭配后的阻尼比为0.035，第二种是30％2mm+70％0.8mm，其搭配后的阻尼比为0.031，第三种是30％2mm+70％1.0mm，其搭配后的阻尼比为0.025，第四种是30％1mm+70％0.5mm，其搭配后的阻尼比为0.037，第五种是30％1mm+70％0.8mm，其搭配后的阻尼比为0.042。

本实施例中选择2种不同直径进行级配的搭配，其中，直径较大的占比为30％，直径较小的占比70％，能够利用小直径填充大直径的间隙，在摩擦碰撞时提高阻尼比。

图3是上表2对应的曲线，由图2和图3中可以看出，图2中在单粒径为0.2-1mm之间阻尼比较大为0.02-0.04之间，图3中任一种级配方式的阻尼比都在0.025以上甚至达到0.042，并且，级配方式的阻尼比基本上在单颗粒的阻尼比之上，而且级配方式的直径可选范围很大，而单颗粒要想获得较大的阻尼比只能在粒径0.2-1mm之间选择。

在确定颗粒选择后，阻尼器的阻尼力F计算公式二：

其中，

是指阻尼杆1的运动速度，c是阻尼系数，负号是指阻尼力与运动速度

的方向相反，α是修正系数，f_P为阻尼颗粒6在弹簧压力下的摩擦系数，P是弹簧施加在阻尼颗粒6上的压力。

在上述的公式中，根据已知的α、f_P、P求出阻尼系数c，根据已知的c、

可以求出阻尼力F。

阻尼杆1的运动位移x计算公式三：

上述为系统的运动微分方程，其中，m为阻尼杆1的重量，c为阻尼系数，k为阻尼器的整体刚度系数，

为阻尼杆1的加速度，

是指阻尼杆1的运动速度，x是指阻尼杆1的运动位移；

另外，m、c和k满足下述公式四和公式五：

其中，

为系统无量纲阻尼比，ω_n为阻尼杆1的的固有频率；

对公式三进行求解，得到公式六：

其中，x是求解出的阻尼杆1的位移，A₁和A₂的数值由初始条件决定。

针对求解之后的位移x，一阶求导得出速度

二阶求导得出加速度

可以看出运动轨迹，总结阻尼器的特性。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，其特征在于：包括阻尼筒体(4)和置于所述阻尼筒体(4)内的弹簧挡板(5)，所述弹簧挡板(5)将所述阻尼筒体(4)内部分隔成容动腔体(41)和阻尼腔体(42)，且所述弹簧挡板(5)能够沿着所述阻尼筒体(4)内部运动以改变所述容动腔体(41)和所述阻尼腔体(42)的大小；

所述容动腔体(41)中设置有阻尼弹簧(3)，所述阻尼腔体(42)内放置阻尼颗粒(6)；

还包括阻尼杆(1)，所述阻尼杆(1)的一端部从所述阻尼筒体(4)靠近所述容动腔体(41)的端面穿入到所述容动腔体(41)，然后穿设在所述弹簧挡板(5)中，且该端能够穿过所述弹簧挡板(5)后进入到所述阻尼腔体(42)中；

位于所述阻尼筒体(4)外部的所述阻尼杆(1)套设有回杆弹簧(2)。

2.根据权利要求1所述的一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，其特征在于：所述弹簧挡板(5)与所述阻尼筒体(4)内壁之间存在间隙A，所述阻尼杆(1)与所述弹簧挡板(5)之间存在间隙B，所述阻尼颗粒(6)的直径远大于间隙A和间隙B。

3.根据权利要求2所述的一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，其特征在于：所述阻尼弹簧(3)的一端抵接所述弹簧挡板(5)，另一端抵接所述容动腔体(41)的上壁。

4.根据权利要求3所述的一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，其特征在于：所述阻尼杆(1)伸入到所述阻尼腔体(42)中的端部设置有锤头(11)，所述锤头(11)在运动过程中始终处于所述阻尼腔体(42)中。

5.根据权利要求4所述的一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，其特征在于：所述阻尼杆(1)的外端部固定有挡块(12)，所述回杆弹簧(2)的一端部抵接所述挡块(12)，另一端抵接所述阻尼筒体(4)外壁。

6.根据权利要求5所述的一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，其特征在于：阻尼器的整体刚度系数k满足公式一：

其中，K1是所述回杆弹簧(2)的刚度系数，K2是所述阻尼弹簧(3)的刚度系数。

7.根据权利要求6所述的一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，其特征在于：阻尼器的阻尼力F计算公式二：

其中，

是指所述阻尼杆(1)的运动速度，c是阻尼系数，负号是指阻尼力与运动速度

的方向相反，α是修正系数，f_P为所述阻尼颗粒(6)在弹簧压力下的摩擦系数，P是弹簧施加在所述阻尼颗粒(6)上的压力。

8.根据权利要求7所述的一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，其特征在于：所述阻尼杆(1)的运动位移x计算公式三：

其中，m为所述阻尼杆(1)的重量，c为阻尼系数，k为阻尼器的整体刚度系数，

为所述阻尼杆(1)的加速度，

是指所述阻尼杆(1)的运动速度；

另外，m、c和k满足下述公式四和公式五：

其中，

为系统无量纲阻尼比，ω_n为所述阻尼杆(1)的的固有频率；

对公式三进行求解，得到公式六：

其中，x是求解出的所述阻尼杆(1)的位移，A₁和A₂是初始条件。

9.根据权利要求8所述的一种耗能弹簧复合颗粒阻尼器，其特征在于：所述阻尼颗粒(6)采用2种及以上不同直径的颗粒或者粉末。

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