CN114704586B - 一种通用协调质量阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通用协调质量阻尼器，包括通用安装模块、刚度元件、质量元件和阻尼元件；刚度元件用于提供刚度，并连接该阻尼器与工作机构；质量元件包括导体配重，导体配重穿过通用安装模块，并由固定销轴贯穿紧固，导体配重连接于通用安装模块或刚度元件；阻尼元件包括电涡流阻尼元件，是由永磁体块堆叠、排列而成的永磁体阵列，永磁体块设置于通用安装模块上，以导体配重为中心环形排列。本发明通过通用安装模块连接刚度元件、质量元件和阻尼元件，使其适用于不同工况和不同设备，结构简单，方便可靠，各元件的的协同配合可使机械设备工作时减小各个方向的周期性振动的振幅，保护设备零件，延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于工程机械技术领域，更具体地，涉及一种通用协调质量阻尼器。
背景技术
旋挖钻机在钻进、抖土过程中会产生振动，该振动可近似描述成简谐运动。整个工作机构的运动可近似看作单自由度系统在简谐激励下的响应。在上述情况中，承受振动的零件或机械结构都会由于振动引起的交变应力而导致材料的疲劳失效。此外振动还会加剧机械零部件的磨损，例如工作机构之间的销轴连接。振动也会导致旋挖钻机上的紧固件松动。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足，提供一种通用协调质量阻尼器，可用于旋挖机钻机等机械设备，通过刚度元件、质量元件和阻尼元件的协同配合，用以在机械设备工作时减小周期性振动的振幅，保护设备零件，延长使用寿命。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种通用协调质量阻尼器，包括通用安装模块、刚度元件、质量元件和阻尼元件；
所述刚度元件用于提供刚度，并连接该阻尼器与工作机构；
所述质量元件包括导体配重，所述导体配重穿过通用安装模块，并由固定销轴贯穿紧固，所述导体配重连接于通用安装模块或刚度元件；
所述阻尼元件包括电涡流阻尼元件，所述电涡流阻尼元件是由永磁体块堆叠、排列而成的永磁体阵列，所述永磁体块设置于通用安装模块上，以导体配重为中心环形排列。
优选的，所述通用安装模块可以为一块异形钢板，用于整合连接各部分元件。
优选的，所述刚度元件包括弹性刚度元件、扭转刚度元件或硬支撑刚度元件中的一种或多种，设置于阻尼器的顶部、底部或侧面，与导体配重或通用安装模块连接。根据不同的工况和设备自由结合使用。
进一步优选的，所述弹性刚度元件可以为机械弹簧，在整个装置工作过程中，由机械弹簧提供其主要刚度，用于调谐整个阻尼器的频率，同时具有所需空间较小、适合安装在钻桅上的优点；所述机械弹簧和安装座可以设置于通用安装模块底部，通过安装座安装于工作机构上，机械弹簧的安装距可以调整，可将该通用协调质量阻尼器安装在不同工况下的不同工作机构上。机械弹簧外侧有导向套负责导向，该结构可防止因旋挖钻机在工作过程中振动所产生的轴向运动而导致重心的改变。
进一步优选的，当钻机在岩层较多的地形下工作时，由于产生的振动其加速度多沿轴向方向，其弹性刚度元件也可以为氮气弹簧。
进一步优选的，如果工作机构为钻机，在黏土层较多的地形下工作时，由动力头快速抖土所产生的振动加速度多沿径向方向，其刚度元件可采用扭转刚度元件横向布置，即扭转刚度元件和安装座可以设置于通用安装模块的侧面。
优选的，大吨位旋挖钻机工作装置内部空间充足，阻尼元件可仅采用电涡流式方案，由永磁体块形成的环形磁场与永磁体阵列相互作用，将工作装置的动能转化为内能，从而使振动加速度迅速衰减。同时永磁体阵列为模块化设计，可随不同工况要求下的磁场分布进行调整；且相邻磁体N、S极交替布置可形成较短的磁回路，减小磁势损耗。还可从根本避免漏油、不易养护等问题。
优选的，所述永磁体阵列外侧还可以设置导体板，连接相邻的永磁体块，以提高电涡流阻尼。
优选的，根据实际工况和机械设备的不同，所述阻尼元件还可以增加其他非电涡流阻尼元件。
优选的，所述非电涡流阻尼元件可以为粘性阻尼元件，辅助电涡流阻尼时整个工作装置中的振动加速度以更快的速度衰减。采用电涡流-粘性阻尼的耦合设计，可避免由于传统协调质量阻尼器固定端部存在应力集中，同时其阻尼元件所使用橡胶材料存在老化以及刚度与阻尼不易分离的缺点。
优选的，所述粘性阻尼元件包括嵌套式拉杆，所述嵌套式拉杆的两端均设有球状结构，一端铰接在通用安装模块的下方，另一端铰接在导体配重上。球状结构配合中间的嵌套式拉杆可实现轴向、径向加速度的平衡，为整个协调质量阻尼器提供径向的阻尼。
优选的，所述嵌套式拉杆包括嵌套于一体的内拉杆和外拉杆，所述内拉杆的一端通过固定板和铰接块与导体配重连接，外拉杆的一端通过固定板和铰接块与通用安装模块连接；所述铰接块内设有与球状结构相应的凹槽，球状结构与凹槽间隙中可充满润滑脂。
优选的，小吨位旋挖钻机工作装置内部空间不足，可将粘性阻尼替换为库伦阻尼元件或粘性-库伦阻尼耦合式阻尼元件。
优选的，所述导体配重包括若干不同质量的配重块，所述配重块上下堆叠。配重块中心开有螺纹孔，固定销轴通过其上的螺纹将配重块串联，通过调整配重块的质量与数量可达到对协调质量阻尼器总质量的控制。
优选的，所述配重块由具有较高导电系数的材料制成，上下两端面涂有绝缘层，同时其侧面加工有用于定位的切口。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所述通用协调质量阻尼器，通过通用安装模块连接刚度元件、质量元件和阻尼元件，可以使其适用于不同工况和不同设备，结构简单，方便可靠，各元件的的协同配合可以在机械设备工作时减小各个方向的周期性振动的振幅，保护设备零件，延长使用寿命。
本发明通过采用多种阻尼耦合的方式，可在不同工况下减小机械设备在工作时的振动从而提高整机的靠性。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种通用协调质量阻尼器的零件装配结构示意图；
图2为实施例1所述通用协调质量阻尼器的整体结构示意图；
图3为实施例1所述的粘性阻尼器的结构示意图；
图4为实施例1所述通用协调质量阻尼器安装在工作机构上的示意图；
图5为实施例2提供的一种通用协调质量阻尼器的结构示意图；
图6为实施例3提供的一种通用协调质量阻尼器的结构示意图。
图中：1、固定销轴，2、导体配重，3、永磁体阵列，4、通用安装模块，5、粘性阻尼元件，501、铰接块，502、固定板，503、内拉杆，504外拉杆，505、球状结构，6、安装座，7、第一刚度元件，71、导向套， 72、压簧， 8、第二刚度元件，9、第三刚度元件，10、工作机构，11、机架，12-第四刚度元件。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例更详细地描述本发明的优选实施方式。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”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”等仅用于描述目的，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”等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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
某型号大吨位旋挖钻机在沿海地区进行跨海大桥建设，地质报告提示该地区沉积岩较多且风化程度低，硬度60MPa左右。在上述工况下旋挖钻机会使用“入岩模式”进行钻进，在该模式下钻进会产生周期性的振动，该振动沿钻杆传递至工作机构后最终作用在整机上。
为解决上述问题，本实施例提供一种旋挖钻机通用协调质量阻尼器，如图1和图2所示，包括固定销轴1、导体配重2、永磁体阵列3、通用安装模块4、粘性阻尼元件5；
其中通用安装模块4为一块异形钢板，通过第一刚度元件7固定在工作机构相关位置上，第一刚度元件7包括导向套71和其内部放置的压簧72，由导向套71连接通用安装模块4，压簧72下方连接有安装座6，该安装座6安装距可调；
同时所述的粘性阻尼元件5的一端连接在通用安装模块4下方，另一端连接在导体配重2上；
所述的永磁体阵列3即电涡流阻尼元件由永磁体块堆叠、排列而成，放置在通用安装模块4上方；
所述的导体配重2穿过通用安装模块4，且位于永磁体阵列3中间位置，所述导体配重2包括若干上下堆叠的不同质量的配重块，配重块中心开有螺纹孔，固定销轴1通过其上的螺纹将配重块串联并紧固，通过调整配重块的质量与数量可达到对协调质量阻尼器总质量的控制。所述配重块由具有较高导电系数的材料制成，上下两端面涂有绝缘层，同时其侧面加工有用于定位的切口。
如图3所示，本实施例所述的粘性阻尼元件5由铰接块501、固定板502、内拉杆503和外拉杆504组成，所述内拉杆503和外拉杆504嵌套于一体组成嵌套式拉杆，内拉杆503的一端通过固定板502和铰接块501与导体配重2连接，外拉杆504的一端通过固定板502和铰接块501与通用安装模块4连接；所述内拉杆503和外拉杆504与铰接块501连接的一端都具有球状结构505，铰接块501内设有与球状结构505相应的凹槽，球状结构505配合中间的嵌套式拉杆可实现轴向、径向加速度的平衡，为整个协调质量阻尼器提供径向的阻尼，并及辅助电涡流阻尼时整个工作装置中的振动加速度以更快的速度衰减。
将上述协调质量阻尼器安装在旋挖钻机的工作机构10上，如图4所示。
当旋挖钻机钻进岩层时，工作机构10受到周期力的作用。在一个周期内，工作机构10所受力转化为整个系统的动能，使系统以一定速度运动。在安装协调质量阻尼器后，一部分动能通过粘性阻尼器与电涡流阻尼器转化为内能，使得整个系统在一个周期内的最大振幅、响应时间明显减少。
根据计算，旋挖钻机每钻进1m硬岩会经历500-1200个周期，整个工程的总钻进量通常可达数千米。在较大的时间尺度上来看协调质量阻尼器通过减小工作机构变形量与响应时间显著提高了整机可靠性。
实施例2
某型号旋挖钻机在高原冻土施工。该工况下处地层硬度较高外还具有昼夜温差大、紫外线辐射高、最低气温低（-40℃）、维修保养困难等问题。
针对上述工况的特点，本实施例提供一种通用协调质量阻尼器，包括与实施例1相同配置的固定销轴1、导体配重2和通用安装模块4，在实施例1的基础上省略粘性阻尼元件5，阻尼元件的方案，并增加永磁体阵列3的密度以提高磁场强度；如图5所示，所述通用安装模块4通过第一刚度元件7安装于机架11上，所述的永磁体阵列3即电涡流阻尼元件由永磁体块堆叠、排列而成，放置在通用安装模块4的上下两侧；所述导体配重固定通过第二刚度元件8固定在机架11上，所述第二刚度元件8为支撑钢管，属于硬支撑刚度元件。
增加永磁体阵列3的密度同时采用多层配重块的配置使得相邻磁体形成较短的磁回路，减小磁势损耗，同时省略粘性阻尼元件5后克服了密封橡胶圈及润滑剂在低温情况下失效的问题，以及粘性阻尼存在漏油且不易养护的问题。
当钻机钻孔时，钻杆所产生的振动首先被导体配重-支撑钢管-机架系统减弱，随后由于导体配重与阻尼元件的相对位移产生了电磁感应现象，振动被阻尼系统再次消耗。通过耦合不同形式的库伦阻尼（第一刚度元件的弹簧即可产生库伦阻尼），达到了提高减震效果、减小阻尼器整体质量的目的。另外，由于无粘性阻尼元件5，使得整个协调质量阻尼器在平衡径向加速度的能力有所减弱，为此导体配重2的材料选用具有较高导电系数的紫铜，永磁体块选用具有极高磁性能的NdFeB，同时上述材料加工性能良好，价格适中可以大量使用。
在一些实施例中，所述永磁体阵列3外侧还可以设置导体板，连接相邻的永磁体块，以提高电涡流阻尼。
实施例3
某型号旋挖钻机在完成跨海大桥施工任务时，由于施工地点临近海边，并且没有条件对施工地点进行防渗处理，导致海水与土壤混合。该工况下钻机抖土困难，需频繁抖土。这导致了该工况下钻机所受径向冲击远远大于其他工况。在这种情况下，需将刚度元件布置在阻尼器侧边，以平衡径向载荷。
针对上述工况的特点，本实施例提供一种通用协调质量阻尼器，如图6所示，包括与实施例1相同配置的固定销轴1、导体配重2、永磁体阵列3、通用安装模块4和粘性阻尼元件5；
在此基础上，所述通用安装模块4侧面通过第三刚度元件9连接机架，所述第三刚度元件9为扭转刚度元件，由异形弹簧钢板组合而成，一端通过螺栓连接在侧面的机架11上，另一端通过螺栓连接在通用安装模块4的侧面，同时，导体配重2顶部通过第四刚度元件12连接在上方的机架11上。所述第四刚度元件12为拉簧，属于弹性刚度元件，所述侧面和上方的机架11均连接在钻桅上。
当旋挖钻机抖土时，所产生的扭转加速度先通过机架-扭振机构-阻尼器系统减弱，达到减小径向振动的目的，随后通过永磁体阵列-导体配重系统减弱，除耦合了上述阻尼外，由于导体配重2由拉簧固定在上方的机架11上，对于垂直于重力方向的振动，也可起到一定的削弱效果，进而起到减小轴向振动的目的。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和技术原理的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，这些修改和变更也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种通用协调质量阻尼器，其特征在于，包括通用安装模块、刚度元件、质量元件和阻尼元件；
所述刚度元件用于提供刚度，并连接该阻尼器与工作机构；
所述质量元件包括导体配重，所述导体配重穿过通用安装模块，并由固定销轴贯穿紧固，所述导体配重连接于通用安装模块或刚度元件；
所述阻尼元件包括电涡流阻尼元件，所述电涡流阻尼元件是由永磁体块堆叠、排列而成的永磁体阵列，所述永磁体块设置于通用安装模块上，以导体配重为中心环形排列；
所述阻尼元件还包括其他非电涡流阻尼元件；
所述非电涡流阻尼元件为粘性阻尼元件；
所述粘性阻尼元件包括嵌套式拉杆，所述嵌套式拉杆的两端均设有球状结构，一端铰接在通用安装模块的下方，另一端铰接在导体配重上；
所述通用安装模块为异形钢板，用于整合连接各部分元件。
2.根据权利要求1所述的通用协调质量阻尼器，其特征在于，所述刚度元件包括弹性刚度元件、扭转刚度元件或硬支撑刚度元件中的一种或多种，设置于阻尼器的顶部、底部或侧面，与导体配重或通用安装模块连接。
3.根据权利要求1所述的通用协调质量阻尼器，其特征在于，所述永磁体阵列外侧设有导体板，连接相邻的永磁体块。
4.根据权利要求1所述的通用协调质量阻尼器，其特征在于，所述嵌套式拉杆包括嵌套于一体的内拉杆和外拉杆，所述内拉杆的一端通过固定板和铰接块与导体配重连接，外拉杆的一端通过固定板和铰接块与通用安装模块连接；所述铰接块内设有与球状结构相应的凹槽。
5.根据权利要求1所述的通用协调质量阻尼器，其特征在于，所述导体配重包括若干不同质量的配重块，所述配重块上下堆叠。
6.根据权利要求5所述的通用协调质量阻尼器，其特征在于，所述配重块上下两端面涂有绝缘层。
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2022
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