CN1195399C - 模块化抗冲击型无峰隔振器 - Google Patents

Abstract

模块化抗冲击型无峰隔振器是一种适用于在电子设备舱中采用标准通用机柜、并承受强冲击的电子系统的、模块化的、安全隔振缓冲装置，该隔振器采用模块化结构，将减振弹簧部分、阻尼弹簧部分、连接机构部分分别构成主弹簧模块、阻尼缓冲簧模块以及安装连接结构模块；该隔振器以底座(16)为主架，在底座内的下部螺纹连接底板(15)，在底座的上部螺纹连接上盖(17)，组成该隔振器的外壳，在底板的上面设有垫套(13)，直簧片(10)和弯簧片(14)的下端位于垫套上，在直簧片和弯簧片的上端的外侧固定有开口环(9)，在开口环外圆周上设有锥环(7)，帽盖(2)的上部套在调节螺栓(3)中部的外圆周上，主弹簧(6)的二端分别紧套在调节螺母(4)和底板(15)上。

Description

模块化抗冲击型无峰隔振器

一、技术领域

本发明是一种机电设备用隔振缓冲装置。尤其是一种适用于在电子设备舱中采用标准通用机柜、并承受强冲击的电子系统的、模块化的、安全隔振缓冲装置，属于隔振器制造的技术领域。

二、背景技术

舰船电子设备(系统)除受到正常航行时的振动、冲击、摇摆等力学环境外，在战时还可能受到水雷、鱼雷等水下爆炸、我方武器发射和敌方武器命中等引起的强冲击激励。

为了加速舰艇电子设备标准化、通用化和模块化进程，组装电子设备(系统)必须采用规定外形尺寸和联接方式的机柜、显控台，隔振器工作高度必须符合规范规定。在同尺寸机柜中，首先，由于不同功能的电子设备(系统)具有不同的质量M；其次在质量M相同的条件下，由于不同设备的机柜质心(C)位置(x_c.y_c.z_c)差异较大，机柜各支承点的实际承载量也不相等。因此，要求隔振器的外形尺寸、安装方式及加载后的工作高度H₀必须相同，而每个隔振器的实际承载量却有很大差别。为了获得具有抑制共振，减少耦合振动的有害影响和具有抗强冲击特性的隔振缓冲系统，根据振动控制设计理论，选用的隔振器必须满足以下要求：

1、在与某一座标轴向正交的平面内，同一机柜中选用的隔振器刚度中心必须逼近质量中心(即质心C)，最好是重合，这就要求组成隔振系统的每个隔振器的实际支承量w_{j(j＝1，2，3，4)}和弹簧刚度K_{j(j＝1，2，3，4)}，组成的各自的单自由度系统固有频率f_{nj(j＝1，2，3，4)}。应与机柜总重量W_T和总刚度

Kj组成机柜的单自由度系统的固有频率f_nT的相对误差ΔB_f满足

$\mathrm{\Δ}{B}_f=\frac{|f_{\mathrm{nT}}-f_{\mathrm{ni}}|}{f_{\mathrm{nT}}}\×100\%\≤10\%----\left(1\right)$

式中

$f_{\mathrm{nT}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_{T}g}{W_T}}\left(\mathrm{Hz}\right)---\left(a\right)$

$f_{\mathrm{nj}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_{j}g}{W_j}}\left(\mathrm{Hz}\right),j=\mathrm{1,2,3,4}---\left(b\right)$

当单个电子设备机柜的总质量M_T间的差别在100~500kg范围时，再加上偏心的影响，必然要求在相同外形尺寸条件下单个隔振器的承载量范围应为25kg~150kg。

目前已应用的无谐振峰隔振器(85.1.00564.0)，阻尼可调式无谐振峰隔振器均不符合上述要求。

2、现有无谐振峰隔振器在垂直方向上承受强冲击性能尚好。但在水平方向进行强冲击时，易引起簧片弯曲变形大，甚至折断。其原因在于：

①锥环外缘与上盖内壁及下环与底座内壁接触面太小，理论上为线接触，水平冲击时是刚性冲击接触应力大；

②当直簧片与帽盖调到所需抑制共振的阻尼后，弯簧片与帽盖间的间隙δ(图1)过大，目前δ≈1~1.5mm。只有在直簧片产生δ变形后，弯簧片才开始工作。从而易造成直簧片产生永久变形甚至折断。

③簧片上端简支在开口环内，受水平冲击时，不能限制转角变形。

三、发明内容

1、技术问题

本发明目的是提供一种外形尺寸及安装尺寸相同、单个隔振器承载能力差异较大但固有频率很接近并能承受强冲击的模块化抗冲击型无峰隔振器。

2、技术方案

本发明是一种模块化抗冲击型无峰隔振器，由减振弹簧、阻尼弹簧、及连接机构所组成，该隔振器采用模块化结构，将减振弹簧部分、阻尼弹簧部分、连接机构部分分别构成主弹簧模块、阻尼缓冲簧模块以及安装连接结构模块；其中，主弹簧模块包括六角圈、调节螺栓、调节螺母、销钉、主弹簧，阻尼缓冲簧模块包括帽盖、锥环、“O”型圈A、开口环、直簧片、“O”型圈B、下环、垫套、弯簧片，安装连接结构模块包括底板、底座、上盖；该隔振器以底座为主架，在底座内的下部螺纹连接底板，在底座的上部螺纹连接上盖，组成该隔振器的外壳，在底板的上面设有垫套，直簧片和弯簧片的下端位于垫套上，由下环将直簧片和弯簧片的下端压在垫套上，“O”型圈B套在下环的外圆周上；在直簧片和弯簧片的上端的外侧固定有开口环，在开口环外圆周上设有锥环，在锥环外圆周上设有“O”型圈A；帽盖的下端有一圈向外折的圆环形边，该边位于直簧片和弯簧片向外弯曲的位置，帽盖的上部套在调节螺栓中部的外圆周上，上部由六角圈固定，在调节螺栓的下端连接有调节螺母，主弹簧的二端分别紧套在调节螺母和底板上，直簧片为抑制共振的簧片，弯簧片为抗强冲击用的簧片，该两种簧片相间分布在垫套和开口环的圆周上，开口环和锥环的锥顶角为40°～50°，开口环的上端内侧开有一个环形槽，将直簧片和弯簧片的上端套在槽内，在下环和锥环的外圆周上均设有弧圆槽，分别嵌入“O”型圈A和“O”型圈B。

(1)隔振系统的固有频率和弹性元件模块的刚度

①根据电子设备工作环境特点和振动理论优选隔振系统的固有频率f_n：

$f_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_0}{m_0}}\left(\mathrm{Hz}\right)---\left(2\right)$

式中：k₀-隔振系统总刚度(N/mm)；K₀等于n个支承隔振器刚度k_i之和，即：

$k_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i---\left(3\right)$

m₀-标准机柜组成电子设备的总质量(kg)

②将标准机柜组成的电子设备的重量范围w分成j(j＝1，2，3，4，5，6...)个小承载范围w_j，以w_j的中值w_jm为隔振器的公称载荷，上、下极限值分别为w_jm±20％w_jm，即w_j＝0.8w_jm~1.2w_jm。使各个小范围的上、下极限承载值相衔接(或相互覆盖)，即可覆盖电子设备的重量范围(如表1所示)。

例如，海军军用标准68-92《电子设备显控台、机箱、机柜通用规范》规定了机箱和机柜的尺寸、隔振器高度H₀。但单个机柜组成的电子设备的总重量范围可在100dN~600dN之间变化。如机柜底部安装四个隔振器并且考虑有较大偏心情况，可将单个隔振器的公称载荷和小承载范围w_j列于表1。

表1

③模块化主弹簧的刚度k_j

以各小承载范围的公称载荷w_jm为质量基准，以隔振系统要求的固有频率f_n为隔振器的固有频率f_n，则模块化主弹簧的刚度k_j为；

$k_j={4\mathrm{\π}}^2{f_n}^2\frac{w_{\mathrm{jm}}}{g},N/\mathrm{mm}--\left(1\right)$

式中：g-重力加速度                          M/s²

f_n-隔振系统要求的固有频率                  Hz

w_jm-公称载荷，即小载荷范围的中值载荷       dN(1 dN＝10N)

在隔振系统固有频率f_n确定后，将表1中的参数代入式(1)，即可求出模块化圆柱螺旋弹簧(以下简称主弹簧)的刚度k_j。k_j由下式确定：

式中：G--主弹簧材料的剪切杨氏模量           N/mm²

d--主弹簧材料的刚丝直径                     mm

n--主弹簧的有效圈数

D_中--主弹簧的中径，等于其内径D_内与钢丝直径d之和。将调节螺母和底板凸缘外径设计成与主弹簧内径D_内相等，并使主弹簧牢固地安装在凸缘内。改变d和n，则可获得表1中所列的七个小载荷范围所需的、内径相同、自由高度H相同的主弹簧模块单元。

④固有频率偏差ΔB_f

在同个载荷范围w_j内，其载荷范围为w_j下＝0.8w_jm，w_j上＝1.2w_jm。在此载荷范围内，其固有频率的极限偏差ΔB_f为

式中：

公称载荷对应的固有频率                    (5a)

上限载荷对应的固有频率                    (5b)

下限载荷对应的固有频率                    (5c)

将式(5a)~(5c)代入式(5)，有

ΔB_f＝-11％~8.8％

在选择隔振器时，使下限极限载荷值w_j下≥0.9w_jm，则可控制|ΔB_f|≤10％。

⑤抑制耦联振动的隔振系统实施例

根据振动理论，单个机柜质心C偏心较大时，易引起耦联振动。将各隔振器实际承载后的固有频率f_nji与隔振系统固有频率f_n[式(1)]的偏差ΔB_fi控|制在|≤10％时，表征着刚度中心与质心C逼近。即可有效地抑制耦联振动。

假设所示系统，w＝330dN，w₁＝75dN，w₂＝135dN，w₃＝65dN，w₄＝55dN。此时，选表1中公称载荷w_jm分别为1个50dN(w₄)，2个75dN(w₁，w₃)和1个125dN(w₂)组成所需隔振系统此时ΔB_fi≤5％。

⑥为了使同一公称载荷内|的隔振|器在实际承载偏离w_jm时，具有相同的支承高度H₀，本发明项目设置了支承高度调节结构。卡住帽盖，嵌入帽盖长槽内的销钉可使调节螺母保持不动；旋动六角圈、带动调节螺栓和帽盖向上(实际载荷大于w_jm)(或向下实际载荷小于w_jm)运动，即可将机柜调水平。

(2)抗强冲击型阻尼缓冲簧模块组合

根据抗强冲击设计理论，缓冲簧模块必须能承受强冲击带来的高应力，并能迅速储存、耗散冲击能量。同时其阻尼力应能抑制共振。

本发明的抗强冲击阻尼缓冲簧模块由沿开口环和垫套圆周均匀分布、并按一定比例间隔排列的直簧片、弯簧片、起水平缓冲作用的“O”型圈A和“O”型圈B以及相应的锥环、开口环、下环和垫套等结构件组成。

①抑制共振所需阻尼力的获得

抑制共振所需阻尼力由直簧片与帽盖间正压力产生。直簧片的片数应与隔振器实际承载量相适应，即承载量大，直簧片数多。

在垂直方向旋紧上盖、下压锥环，锥环挤压开口环使其内收，可增大直簧片与帽盖间正压力，从而增大阻尼力，反之旋松上盖，阻尼力减小。

在水平方向，锥环与上盖和垫套与底板间的摩擦力确定了水平方向阻尼力的大小。旋紧(或旋松上盖)，可增大(或减小)水平阻尼力。合理确定锥环的锥顶角α(可取α＝40~50°)，即可确定水平和垂直方向摩擦力比值。

②抗强冲击技术

(a)在隔振器垂直轴向，强冲击产生的冲击应力主要由弯簧片承担，帽盖与弯簧片在A-A′段是不接触的。当隔振器受强冲击位移到A(或A′)点时弯簧片开始工作，根据隔振器公称载荷w_j，适当配置弯簧片的数量或改变弯簧片的厚度t，即可获得垂直轴抗强冲击能力。

(b)在水平轴向，强冲击产生的冲击应力和冲击能量是由直簧片、弯簧片承担。在水平冲击时，帽盖带动整个阻尼缓冲簧模块沿冲击方向移动，首先由“O”型圈A和“O”型圈B支承在上盖和底座上，使锥环和上盖与下环和底座间的接触面积增大，从而大大降低了表面接触应力；紧接着，帽盖顶弯直簧片并变形δ后(图1)，与弯簧片接触。此时沿冲击方向与帽盖接触的半圆周簧片同时开始工作，有效地保护了主弹簧不受强冲击的有害影响。

簧片的抗弯模量I可由下式确定

$I=\frac{{\mathrm{bt}}^3}{12}--\left(6\right)$

式中，b簧片宽度              (mm)

      t簧片厚度              (mm)

适当确定簧片厚度t，即可极大地改变抗弯模量I。在同一组合中，直、弯簧片应具有相同的宽度b和厚度t。

(c)由于直簧片比弯簧片多变形了δ(mm)，直簧片中的弯曲应力较大。在弯簧片不对抑制共振的阻尼调节功能产生干涉的前提下，弯簧片与帽盖的间距δ应尽量小，通常可取δ＝0.2~0.5mm。此外，为了改善弹簧片上端的支承状况和防止水平冲击时弹簧片从开口环中滑出，本发明在开口环的上端内侧开了一个b×t槽(图4)。

(d)底板旋入底座后，底板应凸出底座外面0.2~0.3mm，以保安装后外界垂向力直接由底板传至安装基础，而底板的连接螺纹不受剪切力。

3，有益效果

①将单个电子设备较大的载荷范围w₀分为j个小承载范围，以优选的电子设备隔振系统固有频率f_n，为小承载范围w_j的公称载荷值(即中值)w_jm对应的固有频率f_nj设计值，可获得较为理想的、各个w_jm对应的主弹簧刚度k_ji，进而获得耦联振动较小的模块化主弹簧组合。

③在单个电子设备存在较大偏心时，将各隔振器的相对固有频率偏差控制

④在|ΔB_f|≤10％时，可获得低耦联振动(刚度中心逼近质心C)的隔振系统。

③将强冲击由弹簧片承担，有效地保护了主弹簧。将隔振与缓冲分开考虑，从而获得固有频率f_n低、抗强冲击能力强以及隔振效果好的隔振缓冲器。

④采用“O”型圈A和“O”型圈B，分别将锥环与上盖、下环与底座之间的金属件“硬冲击”变为金属与橡胶间的“软冲击”，极大地降低了水平强冲击时的表面接触应力和峰值冲击力。同时，由于“O”型圈的介入，也减小了主弹簧的水平极限位移和主弹簧中的剪切应力，提高了隔振器的使用寿命。

⑤将弹簧片插入开口环上端的内槽内(图4)，可改善弹簧片的支承状况，提高了抗弯能力；有效控制水平冲击时弯簧片与帽盖之间间隙δ，弯簧片组提前参加工作可使直簧片弯曲应力降低；这些技术措施保证了抑制共振所需的阻尼值不因强冲击而改变，提高了隔振效果的稳定性。

⑥在隔振器性能调整后，将上盖与底座之间封固，确保所调参数不因振动和强冲击而发生有害变化。

四，附图说明

图1本发明总体结构示意图。其中有：六角圈1、帽盖2、调节螺3、调节螺母4、销钉5、主弹簧6、锥环7、“O”型圈A8、开口环9、直簧片10、“O”型圈B11、下环12、垫套13、弯簧片14、底板15、底座16、上盖17。

图2是图1的俯视图

图3是隔振系统质心C偏心状况示意图

图4是开口环(9)的上端内槽结构示意图

五，具体实施方式

本发明是一种模块化抗冲击型无峰隔振器，由减振弹簧、阻尼弹簧、及连接机构所组成，该隔振器采用模块化结构，将减振弹簧部分、阻尼弹簧部分、连接机构部分分别构成主弹簧模块、阻尼缓冲簧模块以及安装连接结构模块；其中，主弹簧模块包括六角圈1、调节螺栓3、调节螺母4、销钉5、主弹簧6，阻尼缓冲簧模块包括帽盖2、锥环7、“O”型圈A8、开口环9、直簧片10、“O”型圈B11、下环12、垫套13、弯簧片14，安装连接结构模块包括底板15、底座16、上盖17；该隔振器以底座16为主架，在底座16内的下部螺纹连接底板15，在底座16的上部螺纹连接上盖17，组成该隔振器的外壳，在底板15的上面设有垫套13，直簧片10和弯簧片14的下端位于垫套13上，由下环12将直簧片10和弯簧片14的下端压在垫套13上，“O”型圈B11套在下环12的外圆周上；在直簧片10和弯簧片14的上端的外侧固定有开口环9，在开口环9外圆周上设有锥环7，在锥环7外圆周上设有“O”型圈A8；帽盖2的下端有一圈向外折的圆环形边，该边位于直簧片10和弯簧片14向外弯曲的位置，帽盖2的上部套在调节螺栓3中部的外圆周上，上部由六角圈1固定，在调节螺栓3的下端外圆周上，螺纹连接有调节螺母4，主弹簧6的二端分别顶在调节螺母4和底板15上。

1，将下环12放入特制夹具内，将计算好的、与公称载荷w_jm相适配的若干根直簧片10和弯簧片14按顺序均匀排列在其内凸缘上，然后将垫套13自簧片根部压入后紧固并铆接成组件。组件取出后套上“O”型圈B，将帽盖2装入组件内，在簧片上端套入开口环9，装入已套好“O”型圈A的锥环。这就构成了阻尼缓冲簧模块组件。

2，将底板(15)旋入底座16，底板15底面应比底座底面高出0.2~0.5mm。将主弹簧6压入底板15凸缘；将销钉5压入调节螺母4的孔内；将调节螺母4旋入调节螺栓3组装成工作高度调节组件，将上述组件装入主弹簧6的上端，在压力机上调到所需实际载荷和规定的工作高度H₀，这就构成了主弹簧模块组件。

3，将阻尼缓冲簧模块组件套入主弹簧模块组件，此时，帽盖2内的直槽应对准调节螺母上的销钉5。销钉5的长度应保证销钉5不从直槽内滑出，又能沿槽上、下自由运动，以保证工作高度的微调。

4，将六角圈1装入调节螺栓3；将上盖17旋入底座16，在压力机上调节抑制共振所需的阻尼力后，将上盖和底座的相对位置固封。

以上步骤是本发明的装配与调试实施方案，完成上述步骤后，即构成本发明的产品。

当电子设备自重相差很大，或隔振系统具有很大批偏心时，均可在采用理论计算或实际称重方法确定电子设备各隔振器支承点实际载荷后，总可在相应的公称载荷及其载荷范围内找到相应的隔振器。更换主弹簧6，相应配置适配的直簧片10和弯簧片14组合，即可制成系列化、模块化的隔振器。

Claims (5)

1、一种模块化抗冲击型无峰隔振器，由减振弹簧、阻尼弹簧、及连接机构所组成，其特征在于该隔振器采用模块化结构，将减振弹簧部分、阻尼弹簧部分、连接机构部分分别构成主弹簧模块、阻尼缓冲簧模块以及安装连接结构模块；其中，主弹簧模块包括六角圈(1)、调节螺栓(3)、调节螺母(4)、销钉(5)、主弹簧(6)，阻尼缓冲簧模块包括帽盖(2)、锥环(7)、“O”型圈A(8)、开口环(9)、直簧片(10)、“O”型圈B(11)、下环(12)、垫套(13)、弯簧片(14)，安装连接结构模块包括底板(15)、底座(16)、上盖(17)；该隔振器以底座(16)为主架，在底座(16)内的下部螺纹连接底板(15)，在底座(16)的上部螺纹连接上盖(17)，组成该隔振器的外壳，在底板(15)的上面设有垫套(13)，直簧片(10)和弯簧片(14)的下端位于垫套(13)上，由下环(12)将直簧片(10)和弯簧片(14)的下端压在垫套(13)上，“O”型圈B(11)套在下环(12)的外圆周上；在直簧片(10)和弯簧片(14)的上端的外侧固定有开口环(9)，在开口环(9)外圆周上设有锥环(7)，在锥环(7)外圆周上设有“O”型圈A(8)；帽盖(2)的下端有一圈向外折的圆环形边，该边位于直簧片(10)和弯簧片(14)向外弯曲的位置，帽盖(2)的上部套在调节螺栓(3)中部的外圆周上，上部由六角圈(1)固定，在调节螺栓(3)的下端外圆周上，螺纹连接有调节螺母(4)，主弹簧(6)的二端分别顶在调节螺母(4)和底板(15)上。

2、根据权利要求1所述的模块化抗冲击型无峰隔振器，其特征在于直簧片(10)为抑制共振的簧片，弯簧片(14)为抗强冲击用的簧片，该两种簧片相间分布在垫套(13)和开口环(9)的圆周上。

3、根据权利要求1所述的模块化抗冲击型无峰隔振器，其特征在于开口环(9)和锥环(7)的锥顶角为40°～50°。

4、根据权利要求1所述的模块化抗冲击型无峰隔振器，其特征在于开口环(9)的上端内侧开有一个环形槽，将直簧片(10)和弯簧片(14)的上端套在槽内。

5、根据权利要求1所述的模块化抗冲击型无峰隔振器，其特征在于在下环(12)和锥环(7)的外圆周上均设有弧形槽，分别嵌入“O”型圈A(8)和“O”型圈B(11)。

Images