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CN111336204A - 一种竖向隔振装置 - Google Patents

一种竖向隔振装置 Download PDF

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周颖
张增德
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Abstract

本发明公开了一种竖向隔振装置，主要包含上连接板、自适应刚度单元、可滑动斜向矩形压缩弹簧单元、下连接板。自适应刚度单元主要由定位加载环、碟形弹簧、预压矩形弹簧组成，其中定位加载环和碟形弹簧并联工作提供竖向负刚度，预压矩形弹簧提供竖向正刚度，二者配合工作产生自适应刚度；可滑动斜向矩形压缩弹簧单元由定向线性导轨、斜向矩形压缩弹簧、万向节组成，竖向滑块沿定向线性导轨向下运动，使斜向矩形弹簧发生轴向压缩变形，通过弹性势能和动能相互转化耗散能量。自适应刚度单元与可滑动斜向矩形压缩弹簧单元并联工作，协同变形，共同实现竖向隔振。本发明可广泛应用于轨道交通附近对减振要求较高的建筑物或大中型机械设备。

Description

一种竖向隔振装置
技术领域
本发明涉及一种竖向隔振装置，属于土木工程和机械工程隔振技术领域。
背景技术
随着我国城镇化率的提高，城市化逐渐向都市化发展，城市用地紧张，发展轨道交通成为解决都市交通的最有效方式，轨道交通线路会穿过人口聚集地区以及一些城市建筑物，势必会带来对建筑物内人员和设备的振动，特别地，对于轨道交通上盖建筑物的基础直接布置在地铁引起的振源激励上，导致其对环境造成的影响比轨道沿线的建筑物要大，带来城市轨道交通引起振动舒适度的问题，有必要采取相应的振动控制措施来减小轨道交通对建筑物的竖向振动影响。
另一方面，对于地铁沿线的建筑物内对振动敏感的大中型精密仪器，要求工作环境苛刻，其运行状态的好坏直接影响仪器的安全性和数据可靠性，然而城市轨道交通引起的竖向振动会通过工作台传递到机械设备上，影响到机械设备的正常工作，因此也需要采取措施减小大中型机械设备的振动。
对于地铁沿线对竖向振动敏感的建筑物，目前主要采用橡胶支座和金属弹簧类装置，橡胶支座因其竖向刚度大，竖向减振效果不显著，而传统的金属弹簧类装置竖向刚度小，对于地铁沿线建筑物需并联较多的减振装置，对低频振动隔离效果有效，但容易产生共振和传播高频振动，需要采用其他措施协同隔振。
对于大中型机械设备大多采用金属弹簧隔振，因其弹簧正负刚度频率单一，减振机构的减振效果不显著，且具有较长的减振周期，会影响到设备的稳定性，无法直接应用于轨道交通沿线的大中型机械设备。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种竖向隔振装置，通过自适应刚度单元与减振装置并联工作，协同变形，共同实现竖向隔振。
本发明提供了如下的技术方案：
一种竖向隔振装置，其特征在于，由上连接板(6)、下连接板(8)、自适应刚度单元和减振装置组成；
所述下连接板(8)设计成箱式结构，自适应刚度单元和减振装置安装于下连接板(8)箱体内，自适应刚度单元和减振装置两者并联设置，且减振装置布置在自适应刚度单元外围；上连接板(6)设置于下连接板(8)顶部，用于与被隔振机械设备连接，下连接板(8)通过其底板83与工作台固定连接；
所述自适应刚度单元包括作动块(1)、定位加载环(2)、碟形弹簧(3)、预压矩形弹簧(4)、外套筒(5)，所述碟形弹簧(3)通过定位加载环(2)并联放置形成碟形弹簧组，预压矩形弹簧(4)位于碟形弹簧组的轴心，在碟形弹簧组外部设置外套筒(5)，保证碟形弹簧组只发生轴向压缩变形，并在预压矩形弹簧(4)上部放置作动块(1)，传递竖向振动，所述作动块(1)与上连接板(6)通过螺栓一(7)连接，所述外套筒(5)与下连接板(8)的底部(83)通过螺栓二(9)连接；
所述减振装置包括若干减振功能单元，平面内各个单元围绕自适应刚度单元均匀布置，各自独立；
每个减振功能单元包括转换能量的滑块机构和用于提供正负刚度的斜向弹簧机构，所述滑块机构包括线性导轨(10)、竖向滑块(12)，所述斜向弹簧机构包括圆柱钢套筒(13)、阻尼橡胶垫(11)、矩形压缩弹簧(15)、带螺纹的连接件(16)、传动套筒(17)、十字轴(18)和传动轴(19)，其中：
所述线性导轨(10)通过螺栓六(23)与下连接板(8)的侧壁81固定连接；所述竖向滑块(12)与线性导轨(10)咬合以约束竖向滑动的运动形式；
所述竖向滑块(12)，其竖向通过上连接板(6)输入外部传递的振动，其斜向侧与所述斜向弹簧机构连接；
所述竖向滑块(12)通过螺栓三(20)与上连接板(6)连接；
所述矩形压缩弹簧(15)设置于圆柱钢套筒(13)内，并与传动套筒(17)的输入端连接；具体的，所述矩形压缩弹簧(15)与传动套筒(17)之间设置阻尼橡胶垫(11)，并通过带螺纹的连接件(16)实现二者的连接；
所述传动轴(19)与下连接板(8)的底板83固定连接，其活动端通过十字轴(18)与传动套筒(17)的输出端连接，即形成万向节；
所述圆柱钢套筒(13)通过螺栓四(21)与竖向滑块(12)连接。
进一步优化技术方案：所述减振装置还包括限位橡胶垫(11)；所述下连接板(8)通过设置上部顶板82，限制竖向滑块(12)的大幅变形，防止弹性势能过大而脱离下连接板(8)，同时设置限位橡胶垫(11)，减小因竖向滑块(12)惯性作用对下连接板(8)的上部顶板82造成的冲击。
优选的，所述外套筒采用聚四氟乙烯材料制成，所述作动块采用钢材制成，利用聚四氟乙烯与钢材接触摩擦系数小的特性，保证作动块向下运动时不至于损伤外套筒。
优选的，所述竖向滑块内部设置钢珠，可无限滚动循环，使竖向滑块沿重负荷线性导轨做高精度线性运动。
优选的，所述竖向滑块设置有油嘴，首次使用前先擦拭干净防锈油，然后通过油嘴添加润滑油，保证导轨使用的精准度和润滑流畅度。
优选的，所述竖向滑块随着竖向振动而向下运动，矩形压缩弹簧压缩，动能转化为弹性势能，随后弹性势能转化为动能，振动作用时间变长，幅值减小，使竖向振动产生的能量在支座中耗散。
优选的，所述预压矩形弹簧和矩形压缩弹簧均采用高应力、高耐热性的优质弹簧钢，弹性性能好、精密度高，且针对不同竖向振动幅值，可选用不同荷重的矩形弹簧，满足减振需求。
本发明竖向隔振装置具有如下有益效果：
(1)本发明的竖向隔振装置，具有装配方便、耗能高效等优点，所有部件通过螺栓连接，可实现工厂制作的装配化，同时在现场安装时，上支座板通过螺栓与上部结构或设备连接，下支座板通过螺栓与基础或工作台连接，提高了现场安装效率，且振损后易于更换，具有广阔的应用前景。
(2)本发明的竖向隔振装置，由自适应刚度单元和减振装置组成，二者并联工作，协同变形，共同提供正负刚度，实现竖向隔振。
(3)本发明的竖向隔振装置，定位加载环和碟形弹簧并联工作提供竖向负刚度，碟形弹簧组与作动块的预留间隙为预压矩形弹簧提供较大正刚度，同时保证装置的复位功能，二者配合工作产生自适应刚度。
(4)本发明的竖向隔振装置，在制作过程中，施加矩形压缩弹簧预压力的被动控制手段，在安装完成后，竖向振动作用下，将竖向滑块的动能转化为矩形压缩弹簧的弹性势能，随后矩形压缩弹簧回弹，将弹性势能转化为滑块的动能，在这一过程中，向上运动的作用时间增加，从而力的作用时间减小，能量在这一过程中得到耗散，并且具有自复位的功能，同时在顶部设置连接板上顶板和限位橡胶垫，约束竖向滑块的运动，减小竖向滑块的惯性冲击力。
(5)本发明的竖向隔振装置，通过设置作动块和外套筒保证碟形弹簧组和预压矩形弹簧只发生轴向变形，不发生扭转变形，充分发挥弹簧的回复力，且外套筒采用聚四氟乙烯材料制成，利用聚四氟乙烯与钢材接触摩擦系数小的特性，保证作动块向下运动时不至于损伤外套筒。
(6)本发明的竖向隔振装置，通过圆柱钢套筒和万向节的共同工作，保证矩形压缩弹簧只发生纵向的变形，避免了弹簧的扭转变形，充分利用矩形压缩弹簧的变形能力消耗能量，减小竖向振动。
(7)本发明的竖向隔振装置，可通过改变碟形弹簧组的数量、预压矩形弹簧和斜向矩形弹簧的刚度系数，减小不同频率和振幅的振动，既可应用于竖向负荷较重的对竖向振动敏感的建筑物，又可应用于竖向负荷较小的大中型精密仪器。
附图说明
图1为本发明一种竖向隔振装置剖面图；
图2为本发明一种竖向隔振装置正视图；
图3为本发明一种竖向隔振装置俯视图；
图4为本发明自适应刚度单元构造示意图；
图5为本发明碟形弹簧组构造示意图；
图6为本发明预压矩形弹簧立体图；
图7为本发明减振装置构造示意图
图8为本发明去除圆柱钢套筒的减振装置构造示意图；
图9为本发明万向节立体图；
图10为本发明带螺纹的连接件立体图；
图11为本发明圆柱钢套筒立体图；
图中标号：
作动块1、定位加载环2、碟形弹簧3、预压矩形弹簧4、外套筒5；
上连接板6、下连接板8；侧壁81、顶板82、底板83；
重负荷线性导轨10、限位橡胶垫11、竖向滑块12；
圆柱钢套筒13、阻尼橡胶垫14、矩形压缩弹簧15、带螺纹的连接件16、传动套筒17、十字轴18、传动轴19；
螺栓一7、螺栓二9、螺栓三20、螺栓四21、螺栓五22、螺栓六23；
油嘴24。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：参见图1和图2
参见图3，作为例子，本实施例共设置4组减振装置，竖向振动作用下，4组减振装置联动，共同减小竖向振动，4组装置对称放置，防止振幅过大而使结构或设备失稳。
图4为自适应刚度单元构造示意图，碟形弹簧组构造示意图参见图5，预压矩形弹簧立体图参见图6。定位加载环2和碟形弹簧3并联工作提供竖向负刚度，预压矩形弹簧4与作动块1接触，而碟形弹簧组与作动块1预留5～8mm间隙，保证预压矩形弹簧4提供的较大正刚度，从而使自适应刚度单元具有自复位功能，二者配合工作产生自适应刚度。外套筒5采用聚四氟乙烯材料制成，作动块1采用钢材制成，利用聚四氟乙烯与钢材接触摩擦系数小的特性，保证作动块1向下运动时不至于损伤外套筒5。
图7和图8为减振装置构造示意图。制作过程中，施加矩形压缩弹簧15预压力的被动控制手段，在安装完成后，竖向振动作用下，将竖向滑块12的动能转化为矩形压缩弹簧15的弹性势能，随后矩形压缩弹簧15回弹，将弹性势能转化为竖向滑块12的动能，在这一过程中，向上运动的作用时间增加，从而力的作用时间减小，能量在这一过程中得到耗散，并且具有自复位的功能，同时在顶部设置连接板上顶板和限位橡胶垫，约束竖向滑块12的运动，减小竖向滑块的惯性冲击力。竖向滑块12内部设置钢珠，可无限滚动循环，使竖向滑块12沿重负荷线性导轨10做高精度线性运动。竖向滑块12上部设置有油嘴24，首次使用前先擦拭干净防锈油，然后通过油嘴添加润滑油，保证导轨使用的精准度和润滑流畅度。
所述竖向滑块(12)随着竖向振动而向下运动，矩形压缩弹簧(13)压缩，动能转化为弹性势能，随后弹性势能转化为动能，振动作用时间变长，幅值减小，使竖向振动产生的能量在支座中耗散。
图9、图10和图11分别为本发明万向节、带螺纹的连接件和圆柱钢套筒立体图。万向节和圆柱钢套筒13通过带螺纹的连接件16连接，保证矩形压缩弹簧15只发生纵向的变形，避免了弹簧的扭转变形，可充分利用矩形压缩弹簧15的变形能力消耗能量，减小竖向振动。
所述预压矩形弹簧(4)和矩形压缩弹簧(18)均采用高应力、高耐热性的优质弹簧钢，弹性性能好、精密度高，且针对不同竖向振动幅值，可选用不同荷重的矩形弹簧，满足减振需求。
线性导轨10采用重负荷直线合金钢导轨，其含碳量为0.15％～0.5％。
竖向滑块12可以采用优质结构钢，例如45钢。
圆柱钢套筒、传动套筒、十字轴、传动轴均采用Q235普通碳素结构钢来制作。
螺栓一7、螺栓二9、螺栓三20、螺栓五22、螺栓六23均为M14 10.9级高强抗剪螺栓，螺栓四21为M8 8.8级高强螺栓。
所述竖向滑块(12)与上连接板(6)通过螺栓三(20)连接。
所述圆柱钢套筒(13)与竖向滑块(12)通过螺栓四(21)固定连接。
所述传动轴(19)与下连接板(8)通过螺栓五(22)连接。
所述线性导轨(10)通过螺栓六(23)与下连接板(8)的侧壁81固定连接。
所述作动块(1)与上连接板(6)通过螺栓一(7)连接。
所述外套筒(5)与下连接板(8)的底部(83)通过螺栓二(9)连接。
矩形压缩弹簧采用高应力、高耐热性的优质弹簧钢(其含碳量为0.6％～0.9％，该类钢要求具有高的抗拉强度、弹性极限、高的疲劳强度)，弹性性能好、精密度高，且针对不同竖向振动幅值，可选用不同荷重的压缩弹簧，满足减振需求。
以上是本发明的典型实例，本发明的实施不限于此。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (1)

1.一种竖向隔振装置，其特征在于，由上连接板(6)、下连接板(8)、自适应刚度单元和减振装置组成；
所述下连接板(8)设计成箱式结构，自适应刚度单元和减振装置安装于下连接板(8)箱体内，自适应刚度单元和减振装置两者并联设置，且减振装置布置在自适应刚度单元外围；上连接板(6)设置于下连接板(8)顶部，用于与被隔振机械设备连接，下连接板(8)通过其底板83与工作台固定连接；
所述自适应刚度单元包括作动块(1)、定位加载环(2)、碟形弹簧(3)、预压矩形弹簧(4)、外套筒(5)，所述碟形弹簧(3)通过定位加载环(2)并联放置形成碟形弹簧组，预压矩形弹簧(4)位于碟形弹簧组的轴心，在碟形弹簧组外部设置外套筒(5)，保证碟形弹簧组只发生轴向压缩变形，并在预压矩形弹簧(4)上部放置作动块(1)，传递竖向振动，所述作动块(1)与上连接板(6)通过螺栓一(7)连接，所述外套筒(5)与下连接板(8)的底部(83)通过螺栓二(9)连接；
所述减振装置包括若干减振功能单元，平面内各个单元围绕自适应刚度单元均匀布置，各自独立；
每个减振功能单元包括转换能量的滑块机构和用于提供正负刚度的斜向弹簧机构，所述滑块机构包括线性导轨(10)、竖向滑块(12)，所述斜向弹簧机构包括圆柱钢套筒(13)、阻尼橡胶垫(11)、矩形压缩弹簧(15)、带螺纹的连接件(16)、传动套筒(17)、十字轴(18)和传动轴(19)，其中：
所述线性导轨(10)通过螺栓六(23)与下连接板(8)的侧壁81固定连接；所述竖向滑块(12)与线性导轨(10)咬合以约束竖向滑动的运动形式；
所述竖向滑块(12)，其竖向通过上连接板(6)输入外部传递的振动，其斜向侧与所述斜向弹簧机构连接；
所述竖向滑块(12)通过螺栓三(20)与上连接板(6)连接；
所述矩形压缩弹簧(15)设置于圆柱钢套筒(13)内，并与传动套筒(17)的输入端连接；具体的，所述矩形压缩弹簧(15)与传动套筒(17)之间设置阻尼橡胶垫(11)，并通过带螺纹的连接件(16)实现二者的连接；
所述传动轴(19)与下连接板(8)的底板83固定连接，其活动端通过十字轴(18)与传动套筒(17)的输出端连接，即形成万向节；
所述圆柱钢套筒(13)通过螺栓四(21)与竖向滑块(12)连接。
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