CN204647114U - 舰船显控台用抗强冲击、抗倾斜隔振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种舰船显控台用抗强冲击、抗倾斜隔振器，以底座为主架，与上盖、底板一起组成了外壳。上盖内装有挡圈，上盖中插有一个调节螺栓，调节螺栓上从上到下依次套有六角圈、帽盖、调节螺母、螺旋簧、圆锥簧。阻尼缓冲簧片间隔设置在底座的内圆中，形如一个圆筒状将帽盖包围。调节螺栓上部与设备联接，其下部与底板之间有一钢丝网垫，用于设备下冲击的缓冲与限位；帽盖外圆套一橡胶垫，用于设备上冲击的缓冲与限位；帽盖与底板的圆锥簧用于增强设备的抗倾斜性能；阻尼簧片与缓冲簧片的工作曲线不同，阻尼簧片可避开强冲击；缓冲簧片的安全应力区间大于强冲击的实际位移量，故本实用新型可抗强冲击且在经受强冲击后自动复位并保持隔振性能。

Description

舰船显控台用抗强冲击、抗倾斜隔振器

技术领域

本实用新型涉及电子设备振动、冲击噪声控制领域，具体是一种舰船显控台用抗强冲击、抗倾斜隔振器。

背景技术

舰船显控台是电子设备系统的终端显示设备，是操作人员与设备(人-机)交流界面的关键设备，其隔振系统用隔振器应满足如下要求：

1、在舰船摇摆时，显示设备隔振系统应具有抗倾斜能力，要求人机相对位移很小，以保证操作人员仍能看清楚显示器上的图形和符号。

目前，HJB 204-1999《舰船电子装备抗恶劣环境设计要求》中规定采用背架隔振系统，即在机柜背部安装2个背架隔振器提高其稳定性，如图2(a)。当显控台无法或不允许安装背架隔振器时，则变为无背架隔振系统，如图2(b)，因此要求底部隔振器在保留原功能的同时，还应增加背架隔振器的功能，即具有抗倾斜和较好的自复位能力。

2、由于舰船自身产生的干扰频率范围很小，根据GJB150.16A中表C9的振动试验量值要求，一般水面舰船和潜艇正弦振动频率为1-60Hz(1-16Hz振幅1mm；16-60Hz1g)，为了得到较好的隔振效果，其隔振器固有频率fn必须低，一般fn≤6Hz，在8Hz左右开始隔振。试验表明，钢丝绳隔振器(fn≈15Hz，到21Hz开始隔振)，橡胶隔振器(fn≈20Hz，28.3Hz开始隔振)，在人眼可分辨的图形变更频率fn≤24Hz(即每秒更换24次)时，均处于放大或减振效果很差的频率范围内，造成操作人员无法分辨图形及文字符号。

3、由于GJB 150.30A-2009舰船冲击试验的相关标准至今尚未颁布实行，其强冲击试验仍按GJB150.18-86中试验十《舰船设备的冲击试验》进行。显控设备是A级设备，即该类设备是对舰船连续作战和安全必不可少的设备，其性能在冲击时和冲击后应无明显变化。因此，要求该类设备的隔振系统具有较好缓冲特性，在冲击时和冲击后，隔振器的弹性元件和结构件的应力均在安全应力(即弹性限)范围内，其弹性特性和阻尼特性均应无明显变化。

申请号为03131862.2的中国专利公开了一种模块化抗冲击型无峰隔振器,该隔振器如图3所示，虽然也具有一定的抗冲击性能，但是其具有以下缺点：

1、采用线性螺旋簧作为主承载簧，隔振器刚度较小，复位困难。

2、隔振器要求的无谐振峰传递特性所需的金属干摩擦阻尼由直簧片与帽盖之间的干摩擦力产生，垂向强冲击时，帽盖位移增大后，弯簧片和直簧片同时工作，造成直簧片应力过大而发生永久性变形，使振动阻尼丧失，无法保持无谐振峰特性。并且帽盖外凸缘与该簧片组合的直簧片接触时，弯簧片与帽盖外凸缘之间间隙现为1.5mm，由于间隙过大，水平冲击易造成直、弯簧片永久变形。帽盖与直簧片间的接触点之间表面挤压应力易冲击成凹痕。

3、仅具有设备垂向向下冲击时的缓冲限位垫结构，缺少应对设备垂向向上冲击的缓冲限位结构。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术的问题，提供了一种无背架隔振系统的舰船显控台用抗强冲击、抗倾斜隔振器，具有弹性自复位抗倾斜功能，在经受强冲击后仍能保持原有隔振性能。

本实用新型包括底座，底座内圆底部固定有底板，底座的顶部固定有上盖，底座、底板和上盖共同组成该隔振器的外壳；上盖中心孔内插有一个调节螺栓，调节螺栓上部固定有帽盖，帽盖下部沿调节螺栓轴向方向伸入底座内部，其特征在于：帽盖下端为外凸缘结构，外凸缘与底板之间连接有圆锥簧；调节螺栓下部套有调节螺母，调节螺母与底板之间连接有螺旋簧，螺旋簧与圆锥簧形成并联结构；底座的内圆中设有将帽盖的外凸缘包围的阻尼缓冲簧片。

采用非线性锥弹簧和线性螺旋簧并联，由图10可见，在Wo载荷作用下，并联弹簧工作点为O处，当δ_ν≤2mm时，近似线性特性，O点的并联刚度Ko由隔振器所要求的fn确定，K₁、K₂在O点的斜率K₁₀、K₂₀由设备重心偏心情况合理分配，偏心大，K₁₀＞K₂₀，偏心小，K₁₀≈K₂₀。当倾斜时，图8左右两边弹簧支承点分别在|δ_M|的A点和B点位置，其斜率即刚度K≈dF/dδ则相差很大，K_B＞＞K_A。因此，在图8(c)中，显控台向右倾斜，右侧并联弹簧的刚度为K_B，反力为F_B，而左侧并联弹簧的刚度为K_A，反力为F_A，由此可见，F_B＞＞F_A。

若采用一根刚度为Ko的线性主螺旋簧时，则在δ_M的B′点处的反力为F_B′，显然F_B＞F_B′，则恢复力矩可增加ΔM＝(F_B-F_B′)atgθ。当隔振器受到较大的水平冲击时，由于大大增加了恢复力矩，达到了弹性自复位和抗倾斜的效果。

进一步改进，阻尼缓冲簧片包括间隔设置的直簧片和弯簧片，通过开口调节环、锥环与隔振器外壳压紧；静态时直簧片和帽盖外凸缘之间的距离与弯簧片和帽盖外凸缘之间的距离差小于等于0.5mm，受到水平冲击时直簧片变形最多0.5mm后弯簧片参加工作。将弯簧片与直簧片之间的间隙由δ≥1.5mm降低到δ≤0.5mm，可极大地降低直簧片的挤压应力和弯曲应力。

直簧片中部阻尼区为直线结构，上下部非阻尼区为曲线结构，帽盖的外凸缘仅在阻尼区运动时与直簧片接触。改变原先直弯簧片在垂向冲击位移较大时同时参与工作的设计理念，即在垂向冲击位移大于振动位移后，直簧片后退远离帽盖外凸缘，不参与工作，直簧片中不产生冲击应力，达到抑制共振所需阻尼力的稳定性。

进一步改进，所述的帽盖外凸缘外表面为球面，其圆弧半径等于阻尼缓冲簧片组合成的圆筒内半径，保证帽盖主轴线与底座轴线发生倾斜时直簧片均与帽盖外凸缘接触，降低了每片直簧片的应力和总摩擦力的稳定性。

进一步改进，所述的帽盖外圆上套有挡圈和橡胶垫，其中挡圈顶部与上盖贴合，橡胶垫底部与帽盖底部的外凸缘贴合，挡圈与橡胶垫之间留有间隙。帽盖向上冲击时，作用在橡胶垫的力通过内挡圈传给上盖，再通过底座连接螺钉传到基础安装板。遇到强冲击时可以起到抑制反弹和限制位移冲击冲击的作用。内挡圈与帽盖之间的间隙还可限制帽盖轴心线上盖轴心线之间的倾斜角。

进一步改进，所述的调节螺栓与底板之间设有钢丝网垫。采用上下两个缓冲限位模块橡胶垫和钢丝网垫限制冲击位移，受到强冲击时可以反弹冲击，使弯簧片的应力始终在安全应力范围内。

进一步改进，在整个阻尼缓冲簧组件外层包一层水平缓冲环橡胶筒，将帽盖施加到簧片所受到的冲击力直接通过缓冲环传递到底座，可大大降低簧片中的弯曲应力。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2(a)为采用背架隔振系统的舰船显控台结构示意图。

图2(b)为不采用背架隔振系统的舰船显控台结构示意图。

图3为一种模块化抗冲击型无峰隔振器的机构示意图。

图4(a)为一种模块化抗冲击型无峰隔振器中帽盖外凸缘结构与直簧片接触示意图。

图4(b)为一种模块化抗冲击型无峰隔振器中受到垂向强冲击时帽盖外凸缘结构与直簧片接触示意图。

图4(c)为本实用新型受到垂向强冲击时帽盖外凸缘结构与直簧片接触示意图。

图5为簧片力学模型示意图。

图6(a)为一种模块化抗冲击型无峰隔振器中直簧片示意图。

图6(b)为一种模块化抗冲击型无峰隔振器中弯簧片示意图。

图6(c)为一种模块化抗冲击型无峰隔振器中阻尼缓冲簧片受到的冲击力示意图。

图7(a)为本实用新型中直簧片示意图。

图7(b)为本实用新型中弯簧片示意图。

图7(c)为本实用新型中阻尼缓冲簧片受到的冲击力示意图。

图8(a)为假设显控台的无背架隔振系统由4个底部隔振器组成时质心高度示意图。

图8(b)为假设显控台的无背架隔振系统由4个底部隔振器组成时重心示意图。

图8(c)为假设显控台的无背架隔振系统由4个底部隔振器组成，舰船有α倾斜时，质心偏转示意图。

图9为一种抗倾斜隔振器结构示意图。

图10为线性螺旋簧与锥弹簧特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

本实用新型的主要结构如图1所示，包括底座14，底座14内圆底部固定有底板15，底座14的顶部固定有上盖6，底座14、底板15和上盖6共同组成该隔振器的外壳；上盖6中心孔内插有一个调节螺栓2，调节螺栓2上部固定有帽盖3，帽盖3下部沿调节螺栓2轴向方向伸入底座14内部，其特征在于：帽盖3下端为外凸缘结构，外凸缘与底板15之间连接有圆锥簧12；调节螺栓2下部套有调节螺母4，调节螺母4与底板15之间连接有螺旋簧13，螺旋簧13与圆锥簧12形成并联结构；底座14的内圆中设有将帽盖3的外凸缘包围的阻尼缓冲簧片9，阻尼缓冲簧片9构成的圆筒外套有橡胶筒10。。

所述的阻尼缓冲簧片9包括间隔设置的直簧片和弯簧片，通过开口调节环8、锥环7与隔振器外壳压紧；静态时直簧片和帽盖3外凸缘之间的距离与弯簧片和帽盖3外凸缘之间的距离差小于等于0.5mm，受到水平冲击时直簧片变形最多0.5mm后弯簧片参加工作；直簧片中部阻尼区为直线结构，上下部非阻尼区为曲线结构，帽盖3的外凸缘仅在阻尼区运动时与直簧片接触。

所述的帽盖3外凸缘外表面为球面，其圆弧半径等于阻尼缓冲簧片9组合成的圆筒内半径。

所述的帽盖3外圆上套有挡圈5和橡胶垫11，其中挡圈5顶部与上盖6贴合，橡胶垫11底部与帽盖3底部的外凸缘贴合，挡圈5与橡胶垫11之间留有间隙。所述的调节螺栓2与底板15之间设有钢丝网垫16。

本实用新型的设计要点如下：

1、抗倾斜与弹性自复位设计

图3所示的申请号为03131862.2的模块化抗冲击型无峰隔振器中采用线性螺旋簧作为主承载簧，由于fn≤5-6Hz，所以其隔振器刚度较小。

K＝(2πf_n)²□m₁   N/m

式中，f_n--隔振需要的低固有频率

m₁--每个隔振器的实际承载量

假设显控台的无背架隔振系统由4个底部隔振器组成，质心高度为hc(图8a)，重心c与隔振器支承平面中心O重合(图8b)，当舰船有α倾斜时，质心c偏到c′(图8c)δ_上＝δ_下＝atgθ，倾覆力矩为M_a＝mg·h_Ctgθ，恢复力矩为M_K＝4Kδ_上＝4Katgθ。弹簧复位条件M_K＞M_a。

采用线性主弹簧时，如果提高刚度K会受fn限制，为此增大恢复力矩M_K，就需增大a(或b)尺寸，如a、b受限制，则复位很困难。为此，我们采用了图9所示的申请号为201320211180.9的中国专利“一种抗倾斜隔振器”中提供的进行结构强制限位的设计理念。

将图9中连接螺栓下部延长，套入轴座，并采用限位圈加以限位，即利用机械结构限制隔振器自身的转角位移。实际应用证明，该结构限制倾斜和复位功能明显，但在强冲击作用下，易造成连接螺栓的下延轴变形卡死，使隔振器失去弹性特性，无法减振。

本实用新型专利采用非线性锥弹簧和线性螺旋簧并联，以增大恢复力矩M_K的技术，同时保留03131862.2模块化抗冲击型无峰隔振器承载量可调特征。其工作原理为：

本实用新型专利采用线性螺旋簧K₁和锥形非线性锥弹簧K₂并联结构。

K1为线性螺旋簧特性曲线，其作用是在设备有偏心时调节实际承载量Wo，而对拟合曲线形状即拟合刚度影响很小。

(1)K₂为锥弹簧特性曲线，由图10可见，在Wo载荷作用下，并联弹簧工作点为O处，当δ_ν≤2mm时，近似线性特性，O点的并联刚度Ko由隔振器所要求的fn确定，K₁、K₂在O点的斜率K₁₀、K₂₀由设备重心偏心情况合理分配，偏心大，K₁₀＞K₂₀，偏心小，K₁₀≈K₂₀。当倾斜时，图8左右两边弹簧支承点分别在|δ_M|的A点和B点位置，其斜率即刚度K≈df/dδ则相差很大，K_B＞＞K_A。因此，在图8(c)中，显控台向右倾斜，右侧并联弹簧的刚度为K_B，反力为F_B，而左侧并联弹簧的刚度为K_A，反力为F_A，由此可见，F_B＞＞F_A。

若采用一根刚度为K_O的线性主螺旋簧时，则在δ_M的B′点处的反力为F_B′，显然F_B＞F_B′，则恢复力矩可增加ΔM＝(F_B-F_B′)atgθ，使隔振系统易于复位。

根据所规定f_n求出K_O，所要求的恢复力矩ΔM大小，以及隔振器安装a和b大小，则可将K_O值合理分配K₁、K₂所占比率和锥弹簧的非线性特性。

2、阻尼缓冲簧组件应力优化

2.1直簧片应力优化

a)在图3所示的申请号为03131862.2的模块化抗冲击型无峰隔振器中，权利要求1所述的阻尼缓冲簧组件是将隔振器要求的无谐振峰传递特性η_ν≤1所需的金属干摩擦阻尼由直簧片与帽盖之间的干摩擦力产生，如图6(a)所示。垂向强冲击时，如图6(c)所示，帽盖位移增大后，弯簧片和直簧片同时工作，造成直簧片应力过大而发生永久性变形，使振动阻尼丧失，无法保持无谐振峰特性，如图4(b)所示。

b)帽盖外凸缘与该簧片组合的直簧片接触时，弯簧片与帽盖外凸缘之间间隙δ≥1.5mm,所以在水平冲击时易造成直弯簧片弯曲变形过大，其应力大于许用应力，而导致永久变形。

由于帽盖凸缘的R≤3mm图4(b)，帽盖与直簧片间的接触点之间表面挤压应力增大，易冲击成凹痕。

沿圆周均匀分布的直簧片内表面是一个半径为R02(近似帽盖R01)圆柱筒，帽盖外凸缘为R≤3mm的圆弧，则如图4(a)所示，当帽盖主轴线与直簧片内表圆柱表面发生倾斜时，理论上只有两根或少数几根直簧片参与工作，使这些直簧片中的应力增大，并且总摩擦力减小，造成阻尼特性不稳定。

故本实用新型专利将帽盖外凸缘表面更改为半径为R02的球面，当帽盖与直簧片内筒轴线倾斜时，保证所有直簧片与帽盖接触，从而减少每片直簧片中的应力和应变，如图4(c)。同时，由于帽盖(2)中的外凸缘圆弧半径R≤3mm增大到R＝R02的球面，大大降低了水平冲击时帽盖与直簧片之间的接触挤压应力和保持阻尼特性,如图4所示。

c)将弯簧片与直簧片之间的间隙由δ≥1.5mm降低到δ≤0.5mm，即当水平冲击时直簧片变形0.5mm,弯簧片即参加工作，可极大地降低直簧片的挤压应力和弯曲应力。

本实用新型使用的直簧片(如图7a所示)中部阻尼区为直线结构，上下部非阻尼区为曲线结构，帽盖的外凸缘仅在阻尼区运动时与直簧片接触。改变原先直弯簧片在垂向冲击位移较大时同时参与工作的设计理念，即在垂向冲击位移大于振动位移后，直簧片后退远离帽盖外凸缘，不参与工作，直簧片中不产生冲击应力。

d)簧片力学计算

簧片力学模型见图5，图中C点为公称载荷下平衡点，p为设计时由于帽盖与簧片过盈变形f_c而产生的正压力，A、B、C三点弯矩为：

$\begin{array}{ccc}{M}_A=\frac{p\·x{(l-x)}^2}{l^2}& M_B=\frac{p\·x^2(l-x)}{l^2}& M_C=\frac{2p\·x^2{(l-x)}^2}{l^3}\end{array}---\left(1\right)$

平衡点变形为：

$f_c=\frac{p\·x^3{(l-x)}^3}{3E{J}_Z{l}^3}---\left(2\right)$

材料所能允许最大弯矩为：

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{M_{\max }}{W}\≤\left[\mathrm{\σ}\right]$

M_max＝[σ]W   (3)

式中，E—弹性模量；

J_Z—惯性矩；

W—抗弯模量；

[σ]—材料许用应力。

将公式(3)代入(2)得弯簧片允许变形公式

$f_c=\frac{\left[\mathrm{\σ}\right]W\·x(l-x)}{6E{J}_Z}---\left(4\right)$

当x＝l/2时，最大允许变形为

$f_{\max }=\frac{\left[\mathrm{\σ}\right]W{(l/2)}^2}{6E{J}_Z}---\left(5\right)$

簧片其它各点允许变形方程式为：

$f_C=\frac{\left[\mathrm{\σ}\right]W\·x^2(l-x)}{3E{J}_{Z}l}---\left(6\right)$

据此，可以对簧片进行优化设计，即控制簧片在安全应力范围内产生最大变形，从而使簧片在工作区间既可以最有效地耗散冲击能量并且其应力是安全的。

2.2弯簧片应力优化

模块化抗冲击型无峰隔振器中的弯簧片如图6(b)所示。本实用新型采用上下两个缓冲限位模块橡胶垫和钢丝网垫限制冲击位移，使弯簧片(图7b所示)的应力始终在安全应力范围内，原理图如图7所示。其结构图如图1所示。

在整个阻尼缓冲簧组件外层包一层水平缓冲环橡胶筒，将弯簧片所受到的冲击力直接通过缓冲环传递到底座，可大大降低簧片中的弯曲应力，如图7(c)所示。

3、强冲击时的抗反弹冲击设计

申请号为03131862.2的模块化抗冲击型无峰隔振器仅具有设备垂向向下冲击时的缓冲限位垫结构，申请号为201320211180.9的一种抗倾斜隔振器中垂向上下冲击时均无缓冲限位垫构件。本实用新型(图1)增加设备垂向向上冲击时的缓冲限位垫构件橡胶垫及挡圈，帽盖向上冲击时，作用在橡胶垫的力通过挡圈传给上盖，再通过底座连接螺钉传到基础安装板。挡圈与帽盖之间的间隙还可限制帽盖轴心线上盖轴心线之间的倾斜角。

本实用新型具体应用途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种舰船显控台用抗强冲击、抗倾斜隔振器，包括底座（14），底座（14）内圆底部固定有底板（15），底座（14）的顶部固定有上盖（6），底座（14）、底板（15）和上盖（6）共同组成该隔振器的外壳；上盖（6）中心孔内插有一个调节螺栓（2），调节螺栓（2）上部固定有帽盖（3），帽盖（3）下部沿调节螺栓（2）轴向伸入底座（14）内部，其特征在于：帽盖（3）下端为外凸缘结构，外凸缘与底板（15）之间连接有圆锥簧（12）；调节螺栓（2）下部套有调节螺母（4），调节螺母（4）与底板（15）之间连接有螺旋簧（13），螺旋簧（13）与圆锥簧（12）形成并联结构；底座（14）的内圆中设有将帽盖（3）的外凸缘包围的阻尼缓冲簧片（9）。

2.根据权利要求1所述的舰船显控台用抗强冲击、抗倾斜隔振器，其特征在于：所述的阻尼缓冲簧片（9）包括间隔设置的直簧片和弯簧片，通过开口调节环（8）、锥环（7）与隔振器外壳压紧；静态时直簧片和帽盖（3）外凸缘之间的距离与弯簧片和帽盖（3）外凸缘之间的距离差小于等于0.5mm，受到水平冲击时直簧片变形最多0.5mm后弯簧片参加工作；直簧片中部阻尼区为直线结构，上下部非阻尼区为曲线结构，帽盖（3）的外凸缘仅在阻尼区运动时与直簧片接触。

3.根据权利要求1或2所述的舰船显控台用抗强冲击、抗倾斜隔振器，其特征在于：所述的帽盖（3）外凸缘外表面为球面，其圆弧半径等于阻尼缓冲簧片（9）组合成的圆筒内半径。

4.根据权利要求1或2所述的舰船显控台用抗强冲击、抗倾斜隔振器，其特征在于：所述的帽盖（3）外圆上套有挡圈（5）和橡胶垫（11），其中挡圈（5）顶部与上盖（6）贴合，橡胶垫（11）底部与帽盖（3）底部的外凸缘贴合，挡圈（5）与橡胶垫（11）之间留有间隙。

5.根据权利要求4所述的舰船显控台用抗强冲击、抗倾斜隔振器，其特征在于：所述的调节螺栓（2）与底板（15）之间设有钢丝网垫（16）。

6.根据权利要求1或2所述的舰船显控台用抗强冲击、抗倾斜隔振器，其特征在于：所述的阻尼缓冲簧片（9）构成的圆筒外套有橡胶筒（10）。