CN115263977A - 一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，该隔振器包括：缸体(1)，用于装填剪切增稠液；可振动的剪切活塞本体，用于传递抗冲击减振设备的冲击；密封端盖(2)，用于避免剪切增稠液泄漏；所述的剪切活塞本体包括活塞杆(4)和安装在活塞杆(4)一端的活塞(3)，所述的活塞(3)位于缸体(1)内，并与缸体(1)穿插活动连接；所述的活塞杆(4)与密封端盖(2)穿插活动连接；所述的剪切活塞本体与抗冲击减振设备固定连接。与现有技术相比，本发明具有利用弹簧和剪切增稠液的协同阻尼性能，初始刚度可调等优点。

Description

一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器
技术领域
本发明涉及隔振器领域，具体涉及一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器。
背景技术
阻尼在抗冲隔振系统中可以有效降低隔振器的共振幅值、使设备迅速恢复到初始状态、降低残余冲击的影响；同时，还能减弱基础传递振动的能力。在抗冲击隔振系统中常用的阻尼器有：橡胶阻尼器、颗粒阻尼器、液压缓冲器、干摩擦器等。剪切增稠液(STF)是一种具有剪切增稠效应的悬浮液，在低剪切速率下呈现流体状态，当处于高剪切速率时液体状态会向固体状态转变。在适当的剪切条件下，其粘度会随着剪切速率的增大而显著增加。通常这种粘度的增加可达几个数量级，且响应速度快、过程可逆，当应力撤去时流体会恢复到初始状态.在高速冲击下，剪切增稠液会由可流动的液体状态变成类固体状态。在流体力学中，粘度被定义为剪切应力与剪切速率的比值，是用来描述剪切过程中能量耗散率的物理量。对于牛顿流体，粘度与剪切速率的变化无关，是材料的固有参数.但工程应用中经常使用的流体材料一般为非牛顿流体，其粘度随着剪切速率的变化而变化，具体变化特性与实际应用条件相关。
目前，人们对传统的智能流体，如电流变液、磁流变液，已经进行了深入的研究。在外加磁场的作用下，磁流变液所表现出来的非牛顿流体行为使其在振动控制、阻尼器等方面得到广泛的应用。STF作为新型智能流体，不需要外加电磁场的作用，就可以对振动冲击等外加刺激作出响应。近年来，STF的力学性能和机理的研究得到研究人员们的广泛关注，由于其力学行为在外力的作用下会表现出快速、显著、可逆的变化，STF在减振吸振、个体防护、抗冲击等领域展示出巨大的应用前景。
现有的基于剪切增稠液的抗冲击隔振器专利比较少见，承受的冲击载荷较小，目前基于剪切增稠材料抗冲击隔离器的发明主要有陈文斌等人发明了一种基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器(CN202011344688.7)、周鸿等人提出了一种基于高分子剪切增稠液的双出杆式阻尼器(剪切增稠液阻尼器隔振性能的实验研究，实验力学，2016,31(6)：741-750.)、Minghai Wei发明了一种双出杆剪切增稠液阻尼器(Wei M,Lin K,HLiu.Experimental investigation on hysteretic behavior of a shear thickeningfluid damper[J].Structural Control and Health Monitoring,2019,26(9):e2389.1-e2389.13.)和齐佩佩提出了剪切增稠液单出杆阻尼器(齐佩佩,宋岩升,魏明海.剪切增稠液(STF)的单出杆阻尼器设计研究[C]//第十三届沈阳科学学术年会论文集(理工农医).2016.)。
陈文斌等人设计了一种基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，包括STG材料及变刚度阻尼器结构体，如图19所示，当外载荷的瞬时冲击力作用于变刚度阻尼器结构体时，变刚度阻尼器结构体冲击STG材料，STG材料受到冲击后刚度变大，外载荷除去后，STG材料恢复原状。但是该设计初始刚度取决于内置弹簧的刚度，不易改变初始刚度，结构也不紧凑，相对较为复杂，隔离的冲击载荷有限。
周鸿等人设计了一种基于高分子剪切增稠液的阻尼器，如图20所示，能够提高单自由系统的冲击隔离性能，该设计存在结构不紧凑，隔离冲击载荷有限，其次高分子材料硬度较低，抗冲击性能不如由二氧化硅和聚乙二醇制备的剪切增稠液。Minghai Wei发明了一种剪切增稠液阻尼器，结构如图21所示，该设计存在结构不紧凑，隔离冲击载荷有限，且初始刚度不可调。
齐佩佩等人提出的单出杆阻尼器将剪切增稠液和形状记忆合金弹簧两类材料相结合，如图22所示，形状记忆合金弹簧因具备超弹性性能，能提供大的应变量，提供一个恒定的补偿力，又不会使阻尼器内部液压过大。但是该结构设计较为复杂，形状记忆补偿弹簧在剪切增稠液下方不易更换，初始刚度不可调，且由于浮动活塞上下运动，该阻尼器的密封要求较高。
综上可知，陈文斌、周鸿和Minghai Wei等人发明的剪切增稠液阻尼器设计存在结构不紧凑，隔离冲击载荷有限，且初始刚度不可调。齐佩佩提出了剪切增稠液单出杆阻尼器设计较为复杂，形状记忆补偿弹簧在剪切增稠液下方不易更换，初始刚度不可调，且由于浮动活塞上下运动，该阻尼器的密封要求较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用弹簧和剪切增稠液的协同阻尼性能，初始刚度可调的基于剪切增稠液的抗冲击隔振器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明基于剪切增稠液吸能和耗能的特性并对隔振器的结构进行设计，隔振器在受到外载荷时，弹簧提供初始刚度，冲击力达到一定值时，剪切增稠液刚度瞬间增大且通过阻尼孔进行耗能，提供初始刚度的弹簧可以根据实际工况进行设计，利用弹簧和剪切增稠液的协同阻尼性能设计了初始刚度可调的新型抗冲击隔离器，具体方案如下：
一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，该隔振器包括：
缸体，用于装填剪切增稠液；
可振动的剪切活塞本体，用于传递抗冲击减振设备的冲击；
密封端盖，用于避免剪切增稠液泄漏；
所述的剪切活塞本体包括活塞杆和安装在活塞杆一端的活塞，所述的活塞位于缸体内，并与缸体穿插活动连接；所述的活塞杆与密封端盖穿插活动连接；所述的剪切活塞本体与抗冲击减振设备固定连接。活塞杆外部需要进行高度抛光。活塞杆的设计是刚性的，因为它必须抵抗压缩屈曲，不能在冲击载荷下弯曲，否则会损伤密封，影响隔振器的正常工作。缸体和活塞杆材质选取40Cr，其抗拉强度980MPa，下屈服强度为785MPa。
进一步地，所述的缸体包括缸盖，该缸盖与密封端盖螺栓连接。
进一步地，所述的活塞与缸体之间设有用于密封的大密封圈。活塞外缘可以开设几个用于安装大密封圈的凹槽。
进一步地，所述的活塞沿圆周向开设用于吸能耗能的阻尼孔。
进一步地，所述阻尼孔的方向与活塞杆平行。一般阻尼孔是对称分布的，通常情况下阻尼孔的直径在0.5-3mm之间，应该根据实际的需要来决定。本发明采用的是比较容易加工、结构简单的沉头孔作为隔振器的耗能阻尼孔，沉头孔可以有效使剪切增稠液在隔振器中流动耗能。
进一步地，所述的密封端盖与活塞杆之间设有用于密封的小密封圈。密封端盖内缘可以开设几个用于安装小密封圈的凹槽。
进一步地，所述的活塞杆远离活塞的一端设有连接端盖，该连接端盖一端与活塞杆螺栓连接，另一端与抗冲击减振设备固定连接。
进一步地，所述的连接端盖与密封端盖之间设有辅助振动的弹簧。
进一步地，缸体和活塞杆的材质为40Cr。
进一步地，所述的阻尼孔为沉头孔。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明对隔振器结构进行设计，根据实际工况，选用的弹簧刚度不同，初始刚度可调；
(2)本发明充分利用剪切增稠液抗冲击吸能特性，设计运动活塞的阻尼孔，受到冲击载荷时，剪切增稠液通过阻尼孔进行耗能和吸能，弹簧和剪切增稠液产生协同阻尼性能，使隔振器具有较好的抗冲击性能，能够承受较大的冲击载荷；
(3)本发明利用不同体积分数的剪切增稠液可以设计出抗冲击性能不同的抗冲击隔振器；
(4)当隔振器受到冲击载荷作用时，隔振器的上端盖压缩上端盖和缸体中间的密封圈，隔振器独特的密封结构，显著增强隔振器的密封性能，且密封圈比较容易更换。
附图说明
图1为实施例中隔振器的组装立体图；
图2为实施例中隔振器的爆炸图；
图3为实施例中缸体的俯视图；
图4为实施例中缸体的主视图；
图5为实施例中密封端盖的俯视图；
图6为实施例中密封端盖的主视图；
图7为实施例中活塞杆及活塞的主视图；
图8为实施例中剪切增稠液制备流程图；
图9为实施例中不同体积分数剪切增稠液密封实物图；
图10为实施例中剪切增稠液的稳态流变性能图；
图11为实施例中隔振器压缩测试图；
图12为实施例中隔振器压缩试验力位移曲线之一；
图13为实施例中隔振器压缩试验力位移曲线之二；
图14为实施例中隔振器压缩试验力位移曲线之三；
图15为实施例中抗冲击隔振器隔振性能测试图；
图16为实施例中负载下隔振器跌落高度为150mm垂向加速度响应图；
图17为实施例中负载下隔振器跌落高度为250mm垂向加速度响应图；
图18为实施例中负载下隔振器跌落高度为300mm垂向加速度响应图；
图19为现有技术隔振器示意图之一；
图20为现有技术隔振器示意图之二；
图21为现有技术隔振器示意图之三；
图22为现有技术隔振器示意图之四；
图中标号所示：缸体1、缸盖11、密封端盖2、小密封圈21、活塞3、大密封圈31、阻尼孔32、活塞杆4、连接端盖5、弹簧6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
随着科技的发展，对其抗冲减振性能提出了新的要求。然而传统的阻尼器并不能很好地同时满足抗冲击和减振的需求。为了解决抗冲击和减振的协同设计难题，利用剪切增稠液设计冲击隔振器。当受热膨胀或低频振动载荷时，阻尼器输出力较小，满足减振的同时又保证阻尼器能够自由运动；当受到冲击载荷时，阻尼器输出力瞬间变大，进而阻止阻尼器的自由运动。该阻尼器能够同时保证较好的抗冲击和减振性能，具有广阔的应用前景。新型隔振器的构成要素有缸体1、密封端盖2、活塞3和活塞杆4、活塞杆连接端盖5，阻尼孔32、剪切增稠液、弹簧6、密封圈、螺栓连接件等，具体如下：
一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，如图1-7，该隔振器包括：缸体1，用于装填剪切增稠液；可振动的剪切活塞本体，用于传递抗冲击减振设备的冲击；密封端盖2，用于避免剪切增稠液泄漏；
剪切活塞本体包括活塞杆4和安装在活塞杆4一端的活塞3，所述的活塞3位于缸体1内，并与缸体1穿插活动连接；所述的活塞杆4与密封端盖2穿插活动连接；所述的剪切活塞本体与抗冲击减振设备固定连接。活塞杆外部需要进行高度抛光。活塞杆的设计是刚性的，因为它必须抵抗压缩屈曲，不能在冲击载荷下弯曲，否则会损伤密封，影响隔振器的正常工作。缸体和活塞杆材质选取40Cr，其抗拉强度980MPa，下屈服强度为785MPa。
缸体1包括缸盖11，该缸盖11与密封端盖2螺栓连接。活塞3与缸体1之间设有用于密封的大密封圈31。活塞3外缘可以开设几个用于安装大密封圈31的凹槽。活塞3沿圆周向开设用于吸能耗能的阻尼孔32。阻尼孔32的方向与活塞杆4平行。一般阻尼孔是对称分布的，通常情况下阻尼孔的直径在0.5-3mm之间，应该根据实际的需要来决定。本发明采用的是比较容易加工、结构简单的沉头孔作为隔振器的耗能阻尼孔，沉头孔可以有效使剪切增稠液在隔振器中流动耗能。
密封端盖2与活塞杆4之间设有用于密封的小密封圈21。密封端盖2内缘可以开设几个用于安装小密封圈21的凹槽。活塞杆4远离活塞3的一端设有连接端盖5，该连接端盖5一端与活塞杆4螺栓连接，另一端与抗冲击减振设备固定连接。连接端盖5与密封端盖2之间设有辅助振动的弹簧6。缸体1和活塞杆4的材质为40Cr。
新型隔振器的工作原理主要是：当隔振器受到冲击载荷时，弹簧6提供初始刚度，活塞3发生向下运动时，缸体1内的剪切增稠液由液体状态向固体状态转变，剪切增稠液通过阻尼孔32流动，进行吸能耗能。阻尼孔32的大小主要是控制流体流过阻尼孔时的流速，使隔振器在工作时达到耗能的效果。
效果实施例
首先通过纳米二氧化硅和聚乙二醇制备剪切增稠液，纳米二氧化硅颗粒直径为500-600nm，聚乙二醇(PEG)分子量为200，向PEG200中缓慢加入二氧化硅，以500rad/min速率进行机械搅拌，同时进行60℃超声水浴，最后在室温真空箱中静止6h去除气泡，从而制得体积分数为49％，51％和53％剪切增稠液。图8为二氧化硅/聚乙二醇制备的流程图。当二氧化硅体积分数为超过53％时，溶剂为PEG200制备的剪切增稠液会出现团聚现象。图9为不同体积分数剪切增稠液密封实物图，为防止剪切增稠液溶剂见光挥发用深色瓶进行放置。图10为不同分散介质的剪切增稠液的稳态流变曲线，可以发现所制备的剪切增稠液具有较好的剪切增稠性能。其中体积分数为51％和53％的剪切增稠液，当达到临界剪切速率时，黏度上升趋势较为明显。体积分数为51％的剪切增稠液初始粘度较低，流动性较好，所以本次设计的新型隔振器选择的体积分数为51％剪切增稠液。在冲击条件下，剪切增稠液会由于冲击而引发增稠，出现明显的类固体行为，并表现出非线性力学响应。
将体积分数为51％剪切增稠液灌入新型隔振器中，并对新型隔振器进行压缩试验，如图12-14所示，结果表明新型隔振器结构具有刚度高非线性特点(初始变形时刚度小，随着变形增加刚度急剧增大)，更换弹簧刚度可以有效改变新型隔振器的初始刚度以满足不同工况的要求，且改变压缩速率对隔振器的刚度影响不大。弹簧和剪切增稠液发挥协同阻尼的作用，可以有效提高隔振器的抗冲击和减振性能。其中，图12中弹簧最大承受1000N，刚度10N/mm，图13中弹簧最大承受1000N，刚度20N/mm，图14中弹簧最大承受2220N，刚度44.4N/mm。
隔振器安装在44.5Kg载荷下进行不同高度的跌落试验，测试隔振器的上端图15中a点和下端b点加速度值。图15为抗冲击隔振器隔振性能测试图。图16-18为隔振器负载下150mm、250mm、300mm跌落加速度测试曲线(弹簧最大承受1000N，刚度10N/mm)。测试结果表明隔振器负载情况下从150mm、250mm、300mm高度分别进行跌落，图15中a点峰值加速度响应分别为121.357m/s2、797.611m/s2、797.622m/s2，b点峰值加速度响应分别为183.336m/s2、1068.74m/s2、1244.73m/s2，a点和b点的加速响应从150mm高度跌落到250mm显著增加，当高度从250mm升高到300mm，a点加速度响应几乎不变，b点加速度响应增加了175.99m/s2。结果表明抗冲击隔振器具有优异的隔振性能，300mm高度跌落时加速度最大可以衰减56.1％，可以有效保护隔振器上面的设备。其中，图16-18中(a)为a点的加速度响应，(b)为b点的加速度响应。综上所述，所设计的抗冲击隔振器具有优异的抗冲击隔振性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，其特征在于，该隔振器包括：
缸体(1)，用于装填剪切增稠液；
可振动的剪切活塞本体，用于传递抗冲击减振设备的冲击；
密封端盖(2)，用于避免剪切增稠液泄漏；
所述的剪切活塞本体包括活塞杆(4)和安装在活塞杆(4)一端的活塞(3)，所述的活塞(3)位于缸体(1)内，并与缸体(1)穿插活动连接；所述的活塞杆(4)与密封端盖(2)穿插活动连接；所述的剪切活塞本体与抗冲击减振设备固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，其特征在于，所述的缸体(1)包括缸盖(11)，该缸盖(11)与密封端盖(2)螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，其特征在于，所述的活塞(3)与缸体(1)之间设有用于密封的大密封圈(31)。
4.根据权利要求1所述的一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，其特征在于，所述的活塞(3)沿圆周向开设用于吸能耗能的阻尼孔(32)。
5.根据权利要求4所述的一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，其特征在于，所述阻尼孔(32)的方向与活塞杆(4)平行。
6.根据权利要求1所述的一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，其特征在于，所述的密封端盖(2)与活塞杆(4)之间设有用于密封的小密封圈(21)。
7.根据权利要求1所述的一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，其特征在于，所述的活塞杆(4)远离活塞(3)的一端设有连接端盖(5)，该连接端盖(5)一端与活塞杆(4)螺栓连接，另一端与抗冲击减振设备固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，其特征在于，所述的连接端盖(5)与密封端盖(2)之间设有辅助振动的弹簧(6)。
9.根据权利要求1所述的一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，其特征在于，缸体(1)和活塞杆(4)的材质为40Cr。
10.根据权利要求1所述的一种基于剪切增稠液的抗冲击隔振器，其特征在于，所述的阻尼孔(32)为沉头孔。
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