CN114607720B - 一种内置障碍网络的颗粒阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内置障碍网络的颗粒阻尼器，包括阻尼器壳体、障碍网络、壳体盖和阻尼颗粒，在内置障碍网络的壳体内填充大量的球形颗粒，最后通过带有螺纹的壳体盖密封；本发明通过内置障碍网络结构增强颗粒阻尼器的耗能，在外部振动作用下阻尼器壳体受到的能量传递给阻尼颗粒，引起阻尼颗粒无序的碰撞运动，通过阻尼颗粒‑阻尼颗粒、阻尼颗粒‑壁面以及阻尼颗粒‑障碍网络的碰撞、摩擦耗能；障碍网络还起到破坏颗粒团聚的作用，进一步增强耗能；本发明在受到垂向和横向的振动以及扭转振动时均有显著的减振效果。

Description

一种内置障碍网络的颗粒阻尼器

技术领域

本发明涉及减振降噪技术领域，尤其涉及一种内置障碍网络的颗粒阻尼器。

背景技术

黏弹材料的阻尼特性对温度异常敏感，而且容易高温而老化，同时存在着蠕变、脆裂、退化变脆分解以及在酸碱等恶劣的环境条件下易被腐蚀等缺点，使得其阻尼性能受到显著影响；另外，动力吸振技术也存在减振频带过窄的问题。为了解决在极端恶劣条件下（高温、极寒、高压、油污以及酸碱腐蚀等恶劣环境）工作的结构宽频振动控制问题，研究和发展新型被动减振技术就变得十分必要和迫切。颗粒阻尼由于其结构简单、成本低廉、易于实施、减振频带宽、系统运动稳定性好、冲击力小、无噪声、附加重量轻（相对而言）、适用于恶劣环境等一系列优点，在工程实际中得到了广泛应用，并取得了良好的效果，正在成为传统阻尼器件的替代品。

专利号为CN105291693B名称为“一种轨道车辆用车轮盘式颗粒阻尼减振器”的专利：盘式壳体上设有多个同心的环形密封槽，环形密封槽内填充有多个球状减振颗粒。该发明充分利用了车轮结构，在保证车轮刚度和强度的基础上，设置了结构简单的颗粒阻尼器。然而，上述颗粒阻尼器存在以下缺点：减振性能有限，在受到强振动载荷时，颗粒群易团聚导致阻尼器耗能能力下降。

专利号为CN111075046B名称为“一种变体积颗粒阻尼器”的专利：在阻尼器腔体内设置一个可移动的挡板，挡板与阻尼器腔体内壁之间通过一个或多个弹性连接件连接。挡板将腔体分割成不同的腔室，在所述腔室内填充颗粒。然而，上述颗粒阻尼器存在以下缺点：首先所述挡板移动改变各腔室体积，对加剧颗粒或颗粒群的运动能力有限；其次，减振方向单一，该结构设计只能应用于垂向或纵向的减振；最后，对安装环境要求高，该结构设计需要一定的安装空间。

目前的常见的颗粒阻尼器的减振性能还是有一定的上升空间，传统颗粒阻尼器减振机理是由于结构体与其内部填充的颗粒之间存在耦合运动，导致颗粒之间以及颗粒与结构体之间做相对碰撞与摩擦运动，从而消耗结构体的振动能量。但存在以下的缺陷：在微振动下，由于较低的能量不足以激起颗粒的碰撞运动，只能通过颗粒之间摩擦耗能，因此严重影响颗粒阻尼器的阻尼性能；在强振动下，颗粒群易产生团聚，此时主要通过碰撞振动方向上壁面进行耗能，这种形式的损耗能量虽然高，但频率低，因此也严重制约了颗粒阻尼器的减振性能。在继承传统颗粒阻尼器的基础上，解决上述颗粒阻尼器的缺陷对是工程应用中减振降噪具有重要意义。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题，提供一种内置障碍网络的颗粒阻尼器，可以发挥传统颗粒阻尼器优势并结合障碍网络增加耗能的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种内置障碍网络的颗粒阻尼器，包括阻尼器壳体，其特征是，所述阻尼器壳体内设有障碍网络，障碍网络为立体网络状结构，所述内置障碍网络的阻尼器壳体中设有若干阻尼颗粒。

本发明中障碍网络为独立结构，所述障碍网络结构大小小于壳体空腔，使用时将障碍网络放置于阻尼器壳体内，在内置障碍网络的壳体内填充大量的球形阻尼颗粒，最后通过带有螺纹的壳体盖密封，壳体底部设置螺栓孔与待减振结构通过双头螺栓或螺栓螺母连接。

优选的，所述阻尼器壳体为顶部开口结构，所述阻尼器壳体上设有壳体盖，壳体盖安装在阻尼器壳体上，形成密闭空腔。

所述阻尼器壳体与壳体盖可拆卸式安装，方便装卸阻尼颗粒和障碍网络。

优选的，所述壳体盖上设有螺纹通孔，所述阻尼器壳体与壳体盖的螺纹通孔对应位置设有内螺纹孔，内螺纹孔内设有螺栓，所述阻尼器壳体与壳体盖通过螺栓密封。

使用时，将障碍网络放置于阻尼器壳体中，再放入大量球形阻尼颗粒，将壳体盖上的螺纹通孔与阻尼器壳体上的内螺纹孔对应，用螺栓固定，形成密闭空间。

优选的，所述阻尼颗粒为球形，所述阻尼颗粒填充率为10%~100%，直径d为1~10mm。

障碍网络的尺寸和阻尼颗粒粒径相关。障碍网络在振动方向的切向分布间距与阻尼颗粒粒径之比在3~10，比值过小导致影响阻尼颗粒流通性，过大影响阻尼颗粒耗能效果。障碍网络的管径与阻尼颗粒粒径之比在0.5~2。

优选的，所述阻尼颗粒的材料为铁基颗粒、钨基颗粒、铜颗粒、铝颗粒或铅颗粒，其恢复系数e为0.1~0.9。

当阻尼器壳体受到外部振动时，将受到的能量传递给内部的阻尼颗粒，引起阻尼颗粒无序的碰撞运动，通过阻尼颗粒-阻尼颗粒、阻尼颗粒-壁面以及阻尼颗粒-障碍网络的碰撞、摩擦耗能。

优选的，所述阻尼器壳体外形为长方体或圆柱体。

阻尼器壳体的底面半径为r＝1/3~1/2h，高为h＝50~500mm，阻尼器壳体厚度为2~10mm。阻尼盒根据实际情况需要，当针对垂直减振，垂直方向高度比直径大，振动方向的尺寸大，给阻尼颗粒足够的运动空间。

优选的，障碍网络是拓扑结构或交错排布结构，所述拓扑结构由立方体单元或点阵单元组成。

点阵单元便于3D打印加工制作，点阵单元分布和交错式分布相比于立方体单元分布阻尼性能更佳。

优选的，所述阻尼器壳体底部设有螺栓孔，待减振结构通过双头螺栓或螺栓螺母连接在阻尼器壳体底部。

所述阻尼盒采用金属加工，障碍网络以光敏树脂、碳钎维、尼龙、abs、钢、钛或铝为原料3D打印加工。

优选的，所述障碍网络上设有黏弹阻尼材料，障碍网络在振动方向上的分布间距局部密集或稀疏。

障碍网络在振动方向上分布间距，根据实际情况需要做局部分布加密或减少密度处理，当振动较大时，阻尼颗粒在阻尼盒中成上下撞击壁面时，适当加密振动方向上障碍网络间距分布，有利于提高耗能。当振动较小时，结构动量传递到阻尼颗粒较少，底部障碍网络分布间距应当做稀疏处理，较密的网络分布影响颗粒初始的运动导致能量损耗降低以及颗粒阻尼器的阻尼效果变差。

本发明具有以下有益效果：本发明通过内置障碍网络结构增强颗粒阻尼器的耗能。在外部振动作用下阻尼器壳体受到的能量传递给阻尼颗粒，引起阻尼颗粒无序的碰撞运动，通过阻尼颗粒-阻尼颗粒、阻尼颗粒-壁面以及阻尼颗粒-障碍网络的碰撞、摩擦耗能。在振动幅值较大时，传统颗粒阻尼器导致阻尼颗粒团聚，所述障碍网络还起到破坏颗粒团聚的作用，进一步增强耗能。

本发明的阻尼性能是传统颗粒阻尼器两倍以上，而且不同传统阻尼器只有单向减振能力，本发明在受到垂向和横向的振动以及扭转振动时均有显著的减振效果。

本发明结构简单，使用方便，障碍网络可以用光敏树脂为原料3D打印加工，成本低廉。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明剖视图。

图3是传统颗粒阻尼器与内置障碍网络的颗粒阻尼器试验对比图。

图4是本发明当振动小时障碍网络的结构示意图。

图5是本发明在振动大时障碍网络的结构示意图。

图6是传统颗粒阻尼器与内置障碍网络的颗粒阻尼器试验样品实物图。

图7是传统颗粒阻尼器与内置障碍网络的颗粒阻尼器试验中实物对比图。

图8是本发明交错式障碍网络结构示意图。

图9是本发明点阵单元结构示意图。

图10是本发明立方体单元结构示意图。

图11是本发明拓扑结构示意图。

图中：1阻尼器壳体、2障碍网格、3壳盖、4螺栓。

具体实施方式

下面结合附图以及附图说明书对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，一种内置障碍网络的颗粒阻尼器，包括阻尼器壳体1，所述阻尼器壳体1为顶部开口结构，所述阻尼器壳体1上设有壳体盖3；所述阻尼器壳体1内设有障碍网络2，障碍网络2为立体网络状结构，障碍网络2的尺寸和阻尼颗粒粒径相关。障碍网络2在振动方向上分布间距与阻尼颗粒粒径之比在3~10，比值过小导致影响阻尼颗粒流通性，过大影响阻尼颗粒耗能效果。障碍网络2的管径与阻尼颗粒粒径之比在0.5~2；所述内置障碍网络2的阻尼器壳体1中设有若干阻尼颗粒；所述阻尼颗粒为球形，所述阻尼颗粒填充率为10%~100%，直径d为1~10mm。

进一步，所述壳体盖3上设有螺纹通孔，所述阻尼器壳体1与壳体盖3的螺纹通孔对应位置设有内螺纹孔，内螺纹孔内设有螺栓4，所述阻尼器壳体1与壳体盖3通过螺栓4密封。

进一步，所述阻尼颗粒的材料为铁基颗粒、钨基颗粒、铜颗粒、铝颗粒或铅颗粒，其恢复系数e为0.1~0.9。

所述阻尼器壳体1外形为长方体或圆柱体。

进一步，所述阻尼器壳体1的底面半径为r＝1/3~1/2h，高为h＝50~500mm，阻尼器壳体1厚度为2~10mm。阻尼盒根据实际情况需要，针对垂直减振，垂直方向高度比直径大，振动方向的尺寸大，给阻尼颗粒足够的运动空间。

进一步，障碍网络2是拓扑结构或交错排布结构，所述拓扑结构由立方体单元或点阵单元组成。

进一步，障碍网络2上设有黏弹阻尼材料，障碍网络2在振动方向上的分布间距局部密集或稀疏。

如图4、5所示，障碍网络2在振动方向上分布间距，根据实际情况需要做局部分布加密或减少密度处理，当振动较大时，阻尼颗粒在阻尼盒中成上下撞击壁面时，适当加密振动方向上障碍网络间距分布，有利于提高耗能。当振动较小时，结构动量传递到阻尼颗粒较少，障碍网络底部分布间距应当做稀疏处理，较密的网络分布影响颗粒初始的运动导致能量损耗降低以及颗粒阻尼器的阻尼效果变差。

制备与安装：障碍网络2以光敏树脂、碳钎维、尼龙、abs、钢、钛或铝为原料3D打印加工，成本低廉。阻尼盒采用金属加工，分别由螺栓4、壳体盖3和阻尼器壳体1构成。壳体盖3四点处设置通孔，在阻尼器壳体1在对应位置处攻丝。壳体盖3和阻尼器壳体1之间通过螺栓4连接，方便装卸阻尼颗粒和障碍网络2。阻尼器壳体1底部设置螺栓孔与待减振结构通过双头螺栓或螺栓螺母联接。所述障碍网络2结构大小略小于阻尼器壳体1空腔，障碍网络2嵌入阻尼器壳体1中再填充阻尼颗粒。

实验：对内置障碍网络的颗粒阻尼器和无障碍网络的颗粒阻尼器进行损耗因子实验，实验表明随着振幅增加，传统颗粒阻尼器的损耗因子不断减小，而内置障碍网络的颗粒阻尼器的损耗因子变化不大，如图3所示，原因在于传统颗粒阻尼器的耗能有限，随着输入能量增加，耗能能量能力没有进一步提升。内置障碍网络提升了颗粒阻尼的耗能潜力，随着输入能量增加，损耗能量也在提升，因此能够保持较高的损耗因子。

针对100Hz以上微振动，传统颗粒阻尼器在该工况下难以激起颗粒较大运动，内置障碍网络后颗粒阻尼器，使阻尼颗粒能够较为剧烈的运动。如图7所示，实验中对阻尼器施加160Hz位移振幅0.24mm的正弦激励。图7中左边为传统颗粒阻尼器，由于阻尼盒振幅较小，阻尼颗粒只发生微弱的运动，图7中右边为同样激励下阻尼颗粒运动情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种内置障碍网络的颗粒阻尼器，包括阻尼器壳体（1），其特征是，所述阻尼器壳体（1）内设有障碍网络（2），障碍网络（2）为立体网络状结构，所述内置障碍网络（2）的阻尼器壳体（1）中设有若干阻尼颗粒；

所述障碍网络（2）是拓扑结构，所述拓扑结构由立方体单元组成；所述障碍网络（2）在振动方向的切向分布间距与阻尼颗粒粒径之比在3~10，障碍网络（2）的管径与阻尼颗粒粒径之比在0.5~2，障碍网络（2）上设有黏弹阻尼材料，障碍网络（2）在振动方向上的分布间距局部密集或稀疏。

2.根据权利要求1所述一种内置障碍网络的颗粒阻尼器，其特征是，所述阻尼器壳体（1）为顶部开口结构，所述阻尼器壳体（1）上设有壳体盖（3）；所述阻尼器壳体（1）底部设有螺栓孔。

3.根据权利要求2所述一种内置障碍网络的颗粒阻尼器，其特征是，所述壳体盖（3）上设有螺纹通孔，所述阻尼器壳体（1）与壳体盖（3）的螺纹通孔对应位置设有内螺纹孔，内螺纹孔内设有螺栓（4），所述阻尼器壳体（1）与壳体盖（3）通过螺栓（4）密封。

4.根据权利要求1所述一种内置障碍网络的颗粒阻尼器，其特征是，所述阻尼颗粒为球形，所述阻尼颗粒填充率为10%~100%，直径d为1~10mm。

5.根据权利要求1所述一种内置障碍网络的颗粒阻尼器，其特征是，所述阻尼颗粒的材料为铁基颗粒、钨基颗粒、铜颗粒、铝颗粒或铅颗粒，其恢复系数e为0.1~0.9。

6.根据权利要求1所述一种内置障碍网络的颗粒阻尼器，其特征是，所述阻尼器壳体（1）外形为长方体或圆柱体。

7.根据权利要求6所述一种内置障碍网络的颗粒阻尼器，其特征是，所述阻尼器壳体（1）的底面半径为r＝1/3~1/2h，高为h＝50~500mm，阻尼器壳体（1）厚度为2~10mm。

8.根据权利要求1所述一种内置障碍网络的颗粒阻尼器，其特征是，所述障碍网络（2）为光敏树脂、碳钎维、尼龙、abs、钢、钛或铝为原料3D打印制成。