CN117108667B - 一种频率可调谐的复合减振橡胶支座及其设计方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率可调谐的复合减振橡胶支座及其设计方法和应用，通过在橡胶支柱上套接一组或一组以上不同尺寸的橡胶环2和配重块3组成的弹簧‑质量系统构建单振子形式或者不同振动频率减振效果的减振橡胶支座。调节装置4是一根螺杆和多个螺母，通过将螺杆插入通槽和结合螺母将橡胶环2和配重块3固定，橡胶支柱两端固定连接底板5，使用时上下的连接底板5分别固定在减振物体和不产生位移的基础上。通过调节装置4改变配重块3和橡胶环2的连接位置来改变结构的固有频率，可以主动控制在较低振动频率下的减振范围。橡胶柱1起到支撑和衰减中高频振动的作用，在两种减振系统作用下，在提供较强支撑的同时能够实现较宽频段的减振效果主动控制。

Description

一种频率可调谐的复合减振橡胶支座及其设计方法和应用

技术领域

本发明涉及一种频率可调谐的减振橡胶支座，属于结构振动控制技术领域。该复合结构通过结合两种减振方法以及调节装置实现了橡胶支座低频减振可调，克服了现有减振支座减振范围小、低频减振效果差、减振频率无法调整的不足。

背景技术

随着我国城市轨道交通规划和建设线路的逐渐增加，地铁运营期间产生的振动和噪音问题日益严重，逐渐成为环境振动控制领域的一大难题。地铁运行时，地铁列车在地下隧道内运行产生的行进波与轮轨间振动产生的振动波相互叠加，通过隧道和土体传至建筑物，引发建筑物振动。传统地铁减振措施对于地铁低频振动的衰减能力有限，且减振器件存在整体性差、容易老化、成本较高、更换困难等问题。

减振橡胶支座是一种减振耗能装置，在工程领域中被广泛的应用于土木结构底座、工程机械支座减振控制。建筑隔震支座中应用最为广泛的是叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座。叠层橡胶支座是一种薄橡胶板与薄钢板分层交替叠合在高温高压下整体硫化黏连而成，具有较高的纵向受压承载能力、水平变形能力和耐疲劳能力，但低频衰减效果差，若更换需整体拆除。铅芯橡胶支座由橡胶片和薄片增强钢板粘合硫化加工而成，在夹层橡胶垫支座中心钻孔并插入一个铅芯，铅芯水平方向刚度较低、垂直方向刚度很高，使支座具有滞后阻尼特性，支座的临界阻尼比可从3％增大到10％以上，但铅芯橡胶存在污染环境、造价高等缺点。

近年来，伴随着声子晶体局域共振理论的发展，其在低频区域的衰减特点得到广泛关注。复合减振支座是一种在传统天然橡胶支座上引入共振结构，从而增强低频下的减振效果。局域共振型减振结构的基本原理是通过弹簧振子与主体结构产生共振响应，主体结构与减振结构产生相对位移，从而吸收较小主体减振能量的传递、同时由于橡胶材料具有高阻尼的特点，在振动过程中能量被以热能的形式耗散。目前Zheng[Ling Z,Yi-Nong LI,Baz A.Attenuation of wave propagation in a novel periodic structure[J].Journal of Central South University of Technology,2011,18(02):438-443]有一种基于波形转换的一维声子晶体支座，该支座产生的衰减区域包括低频到高频的多个频段、具有较宽的低频带隙特性，并可通过调控带隙来设计不同工作频率的减振器件；盛曦等[轨道结构振动传递特性及控制措施研究[D].西南交通大学,2020]设计了一种基于局域共振带隙机理的超屏障，将其应用于钢弹簧浮置板轨道结构中，作为浮置板道床的新型支承部件，在浮置板轨道结构中，产生了低频局域共振带隙，也保留传统浮置板道床的隔振效果。带隙的弹性波抑制作用和浮置板的隔振作用共同形成了超屏障浮置板轨道的整体减振效果。但这些材料成本较高、且无法灵活调节结构共振频率。

从局域共振型减振结构的减振原理来看，减振频率范围主要与橡胶环的弹性系数、配重块和弹簧柱的密度差等有关，在结构参数与材料参数不改变的情况下，改变共振频率是调谐的重点研究方向。对于常规的减振支座，频率调节的主要方法包括调节橡胶的厚度或者长度、改变振动配重块的质量大小以改变共振的减振频率。但更换橡胶环会导致整个结构有所松动导致减振结构性能有所下降，更换振动配重块由于尺寸大小限制、质量无法改变过大，特别当需要增加质量时，由于橡胶柱和橡胶环的尺寸限制、无法增大质量。

发明内容

发明目的：针对目前普通减振橡胶支座存在的低频减振难，减振频率无法调节的问题，本发明的目的在于提供一种频率可调谐的复合减振橡胶支座及其制作方法，该可调谐减振橡胶支座在橡胶环、配重块上开有通槽，通过调节装置插入该通槽用螺栓和螺母将橡胶环和配重块的固定，然后通过调节螺栓螺母在通槽中的位置更改结构的共振频率以满足不同的减振效果。该支座实现低频和中高频联合减振的频率可调谐，在不需改变结构及材料的情况下，低频减振范围可灵活调节。为各类设备在不同工况下提供有效、可调节的减振支座解决方案。并且其结构简单，安装调试及后期维护成本低。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种频率可调谐的复合减振橡胶支座，包括：橡胶支柱1、橡胶环2，配重块3、调节装置4、连接底板5。

所述的橡胶支柱1为实心圆柱体，起到支撑和限制位移的作用，同时橡胶支柱1能够起到一个刚度巨大的弹簧的作用，降低中高频振动的幅值。

橡胶环2为带通槽的圆筒，套在橡胶柱1上后两者完全连接，组成一个刚度较小的弹簧系统，能够吸收低频振动能量。

配重块为带通槽的圆筒，套在橡胶柱1上，通过调节转置4安装在两个橡胶环2之间，配重块的内径大于橡胶柱1的外径，二者不接触。

橡胶支柱1的两端各设有一个连接底板5，通过连接底板5上的4个孔洞使用螺栓与振动物体底部和基础进行连接固定。

所述的连接装置由8个螺母和2根螺杆构成，通过螺母和螺杆将橡胶环2和配重块3固定。其中，2根螺杆固定在通槽内，分别用4个螺母分别位于上、下两个橡胶环的上下两侧，通过调整调节装置在通槽的位置，改变配重块和橡胶环通槽的连接位置来改变弹簧-振子系统中弹性系数，从而改变结构的固有频率满足不同振动频率下的减振效果。

橡胶环、配重块均为带通槽的圆筒，两者的外径相同、通槽规格和位置也相同，通槽深度小于配重块内径与外径之差，安装时通槽位于同一竖直平面，通过调节螺杆在通槽中的固定位置，可以调节不同频率的减振效果。

所述橡胶支座1可由硅橡胶、丁腈橡胶等具有弹性的耐磨材料制成。橡胶环2由具有良好弹性的天然橡胶制成；配重块3可由钢、铁、铜等金属材料或花岗岩等密度较大的材料制成，调节装置通常采用钢或铜等金属材料制成。

进一步地，上述结构为单振子形式的减振橡胶支座，只能实现一定频率范围内的减振效果，若需要对多个主频振动同时减振可增加橡胶柱1的长度，并在橡胶柱上增加其他尺寸的橡胶环2和配重块3，此时橡胶柱上实现多个自由度的振动，不同橡胶环和配重块组成的减振结构拥有不同范围的减振效果，结合使用可实现多个频段联合减振效果。

一种频率可调谐的复合减振橡胶支座的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：用硅橡胶材料加工标准圆柱体，作为橡胶支柱1，橡胶支柱1对减振物体起到支撑与减振作用，将橡胶环和配重块加工成带通槽的对称结构，将橡胶支柱1与橡胶环2粘结，固定装置4通过通槽将配重块3固定在两块橡胶环之间；橡胶柱与连接底板之间粘结固定，通过上下两个连接底板将振动源与地面或固定物通过螺栓固定。其中通过橡胶支柱1的半径与高度根据物体测量振动源的高频主峰调整，具体关系如下：

其中r为橡胶支柱半径，h为橡胶支柱高度，E为橡胶的弹性模量，m为橡胶支柱质量；

步骤2：将橡胶支柱1穿过配重块3的中间孔，且不与配重块接触，避免造成减振效果下降。

配重块采用诸如花岗岩、铁块等的高密度材料，结构为圆筒状，内径大于橡胶支柱外径；

为了实现10Hz内的减振效果，根据共振频率计算公式：

其中为橡胶环的等效弹性系数，其他参数同上。

故配重块质量m需要满足：

一般来说配重块质量需大于8kg才能保证结构的低频减振效果。

步骤3：将步骤2中贯穿配重块3的橡胶支柱1，两端各穿过一个橡胶环2的中间孔，使配重块3上下均布置一个橡胶环，且间距相等。

橡胶环采用天然橡胶，结构为圆筒状，橡胶环用橡胶粘结剂与橡胶支柱连接固定。

橡胶环、配重块在同一直径上各开一个贯通高度方向的通槽，通槽水平方向贯通至外围且未至圆心，调整上下两个橡胶环以及配重块的通槽在同一垂直平面上。

步骤4：将调节装置的螺杆固定在通槽内，借助螺杆和螺母将橡胶环2和配重块3固定，调整两边调节装置的位置均在距离外围1cm处。

所述的调节装置由4个螺母和1根螺杆构成，4个螺母分别位于上下两个橡胶环之间，将橡胶环2与配重块之间牢牢固定，在需要调节固定装置时，将最上和最下两个螺母拧松，移动螺杆在通槽中的位置，并重新将螺母拧紧。步骤5：将橡胶支柱1的两端与连接底板5固定，完成复合减振橡胶支座的装配。

一种频率可调谐的复合减振橡胶支座的应用，包括以下步骤：

(1)在支座安装时，根据支座上部的物体质量与底部宽度，对支座个数与间隔距离进行调整

(2)将橡胶支座下面的连接底板通过孔洞用螺栓与道床连接固定，将上面的连接底板5与隧道基础固定。

有益效果：

(1)本发明构造了一种频率可调谐的复合减振橡胶支座，实现了低频和中高频联合减振效果。在不需改变结构及材料参数的情况下，通过调节装置改变配重块结构在橡胶环结构上的位置，可以改变低频的减振频率范围，实现了复合减振橡胶支座减振频率灵活可调的目的，克服了传统橡胶支座频率固定、频率较高的不足，并且结构简单，经济适用。

(2)通过螺栓螺母连接橡胶环与配重块，通过调节螺栓在通槽中的位置改变橡胶环和配重块组成的弹簧-质量系统的固有频率；用于抑制低频振动橡胶环-配重块与用于吸收高频振动能量的高阻尼橡胶柱直接连接。在10Hz以内实现不同频率的低频减振。在100Hz以上的中高频多个频段实现超15dB的减振效果。

附图说明

图1为本发明一种频率可调谐的复合减振橡胶支座结构示意图。

图2为本频率可调谐的复合减振橡胶支座的调节装置3cm、2cm、1cm处的频响曲线(插图为局部放大图，对不同线型的说明与大图相同)。

图3是实施例3中，调节装置4在通槽不同位置的俯视图；其中，

(A)是调节装置4在通槽距离外围1cm处；

(B)是调节装置4在通槽距离外围2cm处；

(C)是调节装置4在通槽距离外围3cm处；

图4是普通橡胶隔震支座示意图。

附图标记说明：1-橡胶支柱，2-橡胶环、3-配重块、4-调节装置、5-连接底板。

具体实施方式

以下将结合具体实施例具体说明本发明的技术方案：

实施例1

所述的频率可调谐的减振橡胶支座由5个部分构成：其包括橡胶支柱1、橡胶环2，配重块3、调节装置4、连接底板5。中间的橡胶支柱1起到支撑的作用，同时橡胶支柱1能够起到一个刚度巨大的弹簧的作用，降低中高频振动的幅值。橡胶环2与橡胶柱支1完全连接，组成一个刚度较小的弹簧系统，能够吸收低频振动能量。

配重块3通过调节装置4安装在上下两个橡胶环2之间，通过调节装置4改变配重块3和橡胶环通槽的连接位置来改变弹簧-振子系统中弹性系数，从而改变结构的固有频率满足不同振动频率下的减振效果。

橡胶环2与橡胶支柱1固定连接，后期可采用加热或化学胶结剂等方法将二者固定紧密，其中橡胶环2材料宜采用刚性较小的材料制成，保证低频减振的有效性，同时橡胶本身的阻尼也会吸收部分能量。

配重块3采用高密度材料，为了实现10Hz内的减振效果，根据共振频率计算公式：

其中为橡胶环的等效弹性系数，f为振动频率。

故配重块质量m需要满足：

一般来说配重块质量m需大于8kg才能保证结构的低频减振效果，为了实现经济效果，可采用花岗岩、铁块等材料制作。注意配重块不与橡胶支柱1接触，避免造成减振效果下降。

如果通过橡胶环的位置调整来改变减振频率，需要考虑橡胶环位置的影响，对应的等效弹性系数则为：

其中d为调节装置的螺杆到通槽外沿的距离。

橡胶环2和配重块3在直径上开两条通槽，通槽不通过圆心，从外向内延伸，二者对称，安装方便且保证频率可调节与减振的精准性。

调节装置4由4个螺母和1根螺杆构成，通过螺母和螺杆将橡胶环2和配重块3固定。4个螺母分别在上下两个橡胶环2之间，将橡胶环2与配重块之间牢牢固定，在需要调节固定装置时，将最上和最下两个螺母拧松，移动螺杆在通槽中与圆心的位置，并重新将螺母拧紧。两条相对的通槽均设有调节装置，且位置对称。

实施例2：复合减振橡胶支座的制作过程

在本实施例中，橡胶支柱1和连接底板5采用硅橡胶，半径5cm，高度20cm。

橡胶环2规格：外径为12cm，内径6cm，高度1cm，材料为天然橡胶。

配重块3和调节装置4材料为钢，其中配重块内径6cm，外径12cm；调节装置4重量取0.4kg。连接底板5边长为30cm。通槽深度为4cm。将调节装置4的螺杆固定在距离通槽外围1cm处(见图1)。

制备方法，包括以下步骤：

步骤1：用硅橡胶材料加工半径5cm、高12cm的标准圆柱体作为橡胶支柱1。

步骤2：将橡胶支柱1穿过配重块3的中间孔，配重块采用钢铁，结构为圆筒状，规格为：外径12cm，内径6cm，且内径大于橡胶支柱外径。

步骤3：将步骤2中贯穿配重块3的橡胶支柱1，两端各穿过一个橡胶环2中间孔，使配重块3上下方均布置一个橡胶环，且间距相等。橡胶环采用天然橡胶，结构为圆筒状，规格为：外径12cm，内径6cm，高度2cm，橡胶环用橡胶粘结剂与橡胶支柱连接固定，橡胶环同一直径上各开一个贯通高度方向的通槽，通槽水平方向未及圆心(即水平方向未贯通)，调整上下两个橡胶环以及配重块的通槽在同一垂直平面上。

步骤4：将调节装置的螺杆固定在通槽内，借助螺杆和螺母将橡胶环2和配重块3固定，调整两边调节装置的位置均在距离通槽外围1cm处。

步骤5：将橡胶支柱1的两端与连接底板5固定，完成复合减振橡胶支座的装配。通过连接底板5上的4个孔洞使用螺栓与振动物体底部和基础进行连接固定。

具体使用过程：减振支座能应用于各种振动设备的底部，以地铁道床为例，在支座安装时，首先，需要根据支座上部的物体质量与底部宽度，对支座个数与间隔距离进行调整；然后，将下面的连接底板5通过孔洞用螺栓与道床连接固定，将上面的连接底板5与隧道基础固定。

实施例3复合减振橡胶支座的减振效果考察

采用实施例2制备得到的复合减振橡胶支座，调整调节装置在通槽内的不同位置(A:距离通槽外围1cm处,；B：距离通槽外围2cm；C：距离通槽外围3cm处；即d分别为1、2、3cm)，考察对减振频率范围的调节作用。结果见图2，可见，相较于图4所示常见的橡胶减振支座[王冬梅.带铅芯橡胶隔震支座基础的框架结构隔震性能分析[D].成都理工大学,2016]，本发明可调谐的复合减振橡胶支座可在10Hz以下实现低频减振效果，通过调整调节装置在通槽内的固定位置，可以实现减振频率范围的调节。

在低频区域，调节装置的固定位置影响低频的减振范围。本频率可调谐的减振橡胶支座在低频特别是在10Hz以下存在衰减区间；具体的调节装置分别设置在距离通槽外围1、2、3cm处产生了两个低频带隙，特别地，在距离通槽外围1cm处，出现第三带隙；具体减振区间如表1所示。随着调节装置4固定位置距离通槽内部越远，低频区域带隙范围逐渐增降低，衰减区域的宽度和衰减效果也有所降低。

表1低频带隙区间

在较高频区域，存在多频段衰减区间，总体衰减趋势基本一致，相较于普通橡胶支座平均7dB的衰减效果，可调谐的复合减振橡胶支座高频减振范围内综合衰减可达到15dB。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将默认在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种频率可调谐的复合减振橡胶支座，其特征在于，包括：橡胶支柱、橡胶环，配重块、调节装置、连接底板；

所述的橡胶支柱为实心圆柱体，橡胶环套在橡胶柱上后两者完全连接，组成一个小刚度的弹簧系统，用于吸收低频振动能量；

配重块套在橡胶柱上，且二者不接触；通过调节装置将配重块安装在两个橡胶环之间，配重块与橡胶环组成弹簧-质量系统，固有频率可调；

橡胶支柱的两端各设有一个连接底板，上下两个连接底板分别与振动物体底部和基础连接固定；

所述频率可调谐的复合减振橡胶支座为单振子形式的减振橡胶支座；

通过在橡胶柱上增加不同尺寸的橡胶环和配重块组成的弹簧-质量系统，在橡胶柱上产生多个自由度的振动，实现多个频段联合减振效果；所述的橡胶环、配重块均为带通槽的圆筒，两者的外径相同；

橡胶环和配重块在直径上开两条通槽，通槽不通过圆心，从外向内延伸，二者对称，安装方便且保证频率可调节与减振的精准性；

橡胶环、配重块上的通槽规格和位置相同，通槽贯通至外周，且深度小于配重块内径与外径之差；

安装时橡胶环、配重块的通槽位于同一竖直平面，调节转置的螺杆固定在通槽内，橡胶环的上下两侧均采用螺母分隔定位，通过调整调节装置在通槽的位置，改变配重块和橡胶环通槽的连接位置来改变弹簧-振子系统中弹性系数，从而改变结构的固有频率满足不同振动频率下的减振效果。

2.根据权利要求1所述的频率可调谐的复合减振橡胶支座，其特征在于，

所述橡胶支座的材质是诸如硅橡胶、丁腈橡胶之具有弹性的耐磨材料；

橡胶环是由具有良好弹性的天然橡胶制成；

配重块是由金属材料或诸如花岗岩之大密度的材料制成。

3.根据权利要求1所述的频率可调谐的复合减振橡胶支座，其特征在于，

橡胶支柱的规格是：半径5-10cm，高10-30cm；

配重块的规格是：外径15-30cm，内径6-20cm，且内径大于橡胶支柱半径；

橡胶环采用热熔或粘连的方式和橡胶支座连接。

4.根据权利要求1所述的一种频率可调谐的复合减振橡胶支座的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：加工标准圆柱体，作为橡胶支柱，橡胶支柱对减振物体起到支撑与减振作用，橡胶支柱的半径与高度根据物体测量振动源的高频主峰调整，具体关系如下：

；

其中f为振动频率，r为橡胶支柱半径，h为橡胶支柱高度，E为橡胶的弹性模量，m为橡胶支柱质量；

步骤2：将橡胶支柱穿过配重块的中间孔，且不与配重块接触，避免造成减振效果下降；

配重块圆筒状，内径大于橡胶支柱外径；

为了实现10Hz内的减振效果，根据共振频率计算公式：

；

其中 为橡胶环的等效弹性系数；

则配重块质量需要满足：

；

步骤3：将步骤2中贯穿配重块的橡胶支柱，两端各穿过一个橡胶环的中间孔，使配重块上下均布置一个橡胶环，且间距相等；

步骤4：将调节装置的螺杆固定在通槽内，借助螺杆和螺母将橡胶环和配重块固定，调整两边调节装置的位置一样；

步骤5：将橡胶支柱的两端与连接底板固定，完成复合减振橡胶支座的装配。

5.根据权利要求1所述的一种频率可调谐的复合减振橡胶支座的应用，包括以下步骤：

（1）在支座安装时，根据支座上部的物体质量与底部宽度，对支座个数与间隔距离进行调整；

（2）将橡胶支座下面的连接底板通过孔洞用螺栓与道床连接固定，将上面的连接底板5与隧道基础固定；

（3）在需要调节固定装置时，将调节装置位于橡胶环最上和最下两个螺母拧松，移动螺杆在通槽中的位置，并重新将螺母拧紧；通过调整调节装置在通槽中的位置改变配重块和橡胶环的连接位置，改变橡胶环和配重块组成的弹簧-质量系统的固有频率；用于抑制低频振动橡胶环-配重块与用于吸收高频振动能量的高阻尼橡胶柱直接连接。