一种多稳态偏心压板式轴向隔振装置的制作方法

本发明涉及减振装置设计领域，具体涉及多稳态偏心压板式轴向隔振装置。

背景技术

振动现象在土木工程、船舶工程和海洋工程等领域广泛存在，由于多种激励设备的耦合作用，引发宽频带的振动响应，其中低频振动极易在工程结构中传播，影响结构安全的同时危害设备精度和人员的身心健康，因此针对中低频振动的高效隔振技术意义重大。

目前常用的隔振装置主要是基于线性减振理论，即通过减小隔振装置的刚度来提高减振效率，如橡胶垫、钢制弹簧等。若为隔离中低频振动而单纯降低隔振装置刚度则面临承载力缺失的问题，引发更加严重的设备乃至整体结构的安全性问题。近年来，非线性减振系统越来越受到更多的重视，该类减振器通过特殊的结构设计或材料自身特性，在振动荷载下展现出刚度或阻尼的非线性特性，降低瞬时固有频率，有效隔离中低频振动。现有的非线性减振器大多是通过特殊的结构设计实现刚度非线性的多稳态隔振装置，如钟摆结构、布置横向负刚度弹簧和电磁隔振装置等。多稳态隔振装置在应用过程中存在能量耗散不佳，减振效率低，同时粘弹性隔振装置的刚度较弱，承载力不足，实用性欠缺等缺陷。

技术实现要素：

本发明针对现有多稳态隔振装置存在高承载力与高能量耗散无法并存弊端提出一种多稳态偏心压板式轴向隔振装置。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种多稳态偏心压板式轴向隔振装置，设置在隔离对象与被隔离对象之间，包括外部约束单元和内部耗能单元，所述内部耗能单元包括：偏心压板、气动弹簧、复合弹簧、上连接板、中连接板、下连接板组成，以中连接为板基准分为轴向的上下两层，每层结构包括两个对向设置的偏心压板和相互嵌套的气动弹簧与复合弹簧，装配与各连接板之间；所述的外部约束单元包括：外套筒及内套筒，所述内套筒顶端设有内套筒打孔盖板，底端设有内套筒压块盖板，所述外套筒顶端设有外套筒压块盖板，底端设有外套筒打孔盖板，两套筒以压块盖板和打孔盖板相扣的方式完成内、外套筒的同轴装配，两端压块分别穿过打孔盖板的孔紧贴于内部耗能单元的上、下连接板，当装置受压时，两个压块部分穿过打孔盖板直接压缩上下连接板，若装置受拉时，内外套筒的打孔盖板直接压缩上下接连板，使得装置无论在拉压荷载下均实现内部耗能单元的压缩。

进一步地，所述内套筒的内壁上设有两个竖向滑轨，所述中连接部外侧壁上设有与所述滑轨配合的滑动块。

进一步地，所述偏心压板包括主板体和上下端部的偏心凸起，各连接板设有转动导向槽，偏心凸起卡入各连接板的转动导向槽。

进一步地，所述气动弹簧的两端通过万向节与各连接板相连，气动弹簧在装置不受外力作用时处于张紧状态，为偏心压板提供预拉力，使偏心压板的偏心端紧紧卡入转动导向槽，受压后张紧状态趋于缓和。

进一步地，所述外套筒、内套筒、偏心压板、气动弹簧、万向节、上连接板、下连接板和中间连接板的材料均为钢，复合弹簧为钢和橡胶复合材料。

进一步地，所述复合弹簧刚度是气动弹簧刚度的10～20倍。

进一步地，所述气动弹簧和复合弹簧的安装位置与内外套筒的中心轴线相重合。

进一步地，所述连接板的转动导向槽与偏心压板的接触面为磨砂面。

本发明在使用时，外套筒和内套筒的压块盖板分别与隔离体与被隔离体相固定，无论内外套筒受到的是拉荷载还是压荷载，隔振装置的内部减振耗能单元始终处于受压状态。当隔振装置不处于受力状态时，气动弹簧处于拉紧的状态，使偏心压板保持预弯曲，而复合弹簧则处于自然状态。若外套筒与内套筒受压，两个压块部分穿过打孔盖板直接压缩上下连接板，若外套筒向内套筒受拉时，内外套筒的打孔盖板直接压缩上下接连板。随着受到的压力荷载的增大，偏心压板发生弹性屈曲，承载能力下降，气动弹簧由张紧状态渐渐缓和，而复合弹簧则开始被压缩，辅助偏心压板承压；由于偏心压板采用钢结构制成，静态时具有高刚度；加载过程中，当轴向压力达到临界值，偏心压板受压发生两端固定式弯曲，随后由于弯曲导向槽的作用，偏心压板的上下偏心凸起的边界条件转变为两端简支式弯曲，而该模式的临界轴向力小于前者，因此在弯曲模式转换的同时伴随着轴向力的突变，振动系统出现刚度非线性，使得轴向位移与荷载的变化关系具有滞后特性，实现振动能量的耗散。

本发明隔振装置通过偏心压板受压下发生多种弹性屈曲模式的转换，在嵌套弹簧和外部约束单元的辅助下，实现静态高刚度和动态低刚度，有效降低隔离对象的振动响应，解决了现有技术中静态稳定性弱和能量耗散不足的问题。

附图说明

图1为本发明实施例隔振装置外部约束单元四分之一剖视图；

图2为本发明实施例隔振装置内部耗能单元示意图；

图3为本发明实施例隔振装置等轴侧剖视图；

图4为本发明实施例隔振装置左视剖视图；

图5为本发明实施例偏心压板结构示意图；

图6为本发明实施例偏心压板受压后弯曲的多稳态转换示意图；

图7为本发明实施例偏心压板在一个加载-卸载周期中的滞回特性曲线；

以上各图中：1、外套筒；2、内套筒；3、压块盖板；4、打孔盖板；5、偏心压板,5-1、偏心凸起；6、气动弹簧；7、万向节；8、复合弹簧；9、上连接板；10、中连接板；11、下连接板；12、滑动块；13、滑轨。

具体实施方式

本发明涉及一种具有双层结构的多稳态偏心压板式轴向隔振装置，通过以中连接板相隔的偏心压板、嵌套弹簧双层结构组成的内部耗能单元，装配于以两端打孔盖板和压块盖板相扣的内外套筒中，即外部约束单元。偏心压板作为装置的主要承载和耗能构件，由主板体和卡入连接板转动导向槽的偏心凸起组成，静载下具有稳定的高承载力，动载下通过偏心端边界条件的变化和嵌套弹簧的辅助实现多稳态转化下的静态高刚度-动态低刚度，有效隔离中低频振动，同时结合双层结构配置可大幅度提高装置的承载力和能量耗散量，最后借助外部约束单元在一个拉压周期荷载下不同盖板的交替压缩实现原基础上的双倍耗能。本发明具有静态高承载力-动态高耗能的优势，可以有效隔离中低频振动，提高结构安全性。

为使本发明实施的目的、技术方法和优势更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“轴向”、“中心”、“水平”、“竖直”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”及“底”等指示的方位或关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅为便于描述实施例，不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明实施例提供了一种隔振抗冲击装置包括外部约束单元参考图1及内部耗能单元参考图2。

如图2所示，内部耗能单元的组成形式是由并联的偏心压板5和嵌套弹簧组合与连接板相间隔组成的轴向双层结构，每层由两个偏心压板5以中连接板10的中心为基准对向配置，参考图5，偏心压板5的上下偏心凸起5-1卡入各连接板的转动导向槽，每层结构以气动弹簧6与复合弹簧8嵌套装配作为辅助拉压装置与偏心压板并列安装，其中气动弹簧6是上、下连接板和中连接板的拉力装置，通过万向节7与连接板相连，使偏心压板5处于预弯曲状态；复合弹簧8是压力装置，用于辅助偏心压板在弯曲状态下的压力承载。内部耗能单元通过偏心压板5上下端边界条件变化完成荷载下的多稳态转换，实现能量耗散，同时利用嵌套弹簧装置提供预拉力和辅助承压。内部耗能单元的双层结构既可以为振动设备提供更高的承载力，同时为振动系统提供多倍的能量耗散。

参考图1，外部约束单元包括：外套筒1及内套筒2，外套筒1在上，内套筒2在下，内套筒2顶端设有内套筒打孔盖板4，底端设有内套筒压块盖板3，外套筒1顶端设有外套筒压块盖板3，底端设有外套筒打孔盖板4，两套筒以压块盖板和打孔盖板相扣的方式完成内、外套筒的同轴装配，两端压块分别穿过打孔盖板的孔紧贴于内部耗能单元的上、下连接板。当装置受压时，压块盖板3向套筒内部运动压缩上连接板10和下连接板11，内部耗能单元被压缩，当装置受拉时，打孔盖板4向套筒内部运动压缩上连接板和下连接板，内部耗能单元同样被压缩，从而实现外部约束单元在一个拉压周期荷载下均出现两次内部空间压缩。

本实施例中，外套筒1横截面为圆角正方形，内套筒2的横截面则只有对向的两个曲面(如图3所示)，内套筒外壁与外套筒内壁相贴，外套筒的压块盖板3按照内套筒2的横截面轮廓打通完成装配。在本实施例中，偏心压板5的结构为带有上下端部偏心凸起的板结构(如图5所示)，端部凸起用于为压板结构提供偏心率，同时增大偏心压板5与各连接板的接触面积。单层耗能单元结构中的两个偏心压板5对向放置并卡入各连接板的转动导向槽，并通过磨砂处理以增大连接板与压板的静摩擦力，除此之外无需其他连接装置；通过这种配置方法，允许偏心压板5在弹性屈曲的过程中发生边界条件的改变。

加载过程中，参考图4，当偏心压板5的荷载达到两端固定式弯曲的临界力，发生由直板状态到弯曲状态的第一次稳态转换，随后偏心压板5的偏心端部受到中间主板体弹性屈曲的影响完成惯性拉动，弯曲状态变为两端简支式弯曲，完成第二次稳态转换，转换过程中轴向刚度大大降低，随后的卸载过程中直接由两端简支式弯曲变为直板状态，实现第三次稳态转换(如图6所示)。嵌套的气动弹簧6和复合弹簧8与偏心压板5并列装配，其中，气动弹簧6将各相邻的连接板相接，提供预拉力，以降低偏心压板5发生第一次稳态转换的轴向位移，提高减振效率，复合弹簧8用于辅助偏心压板5的第二次稳态转换轴向承载能力大大下降时的辅助承压，保证隔振装置的稳定性与安全性，同时由于复合弹簧本身的材料特性，也同样起到能量耗散的作用。因此，偏心压板5在隔振体加载-卸载的一个周期的做功首先转变为偏心压板5的弹性势能，后通过3次稳态转换形成滞回效应，产生能量耗散(图7所示的曲线回环面积即为能量耗散量)，原有的弹性势能中的部分能量耗散释放后，剩余部分重新转化成隔振体的动能。在偏心压板5弹性屈曲和能量耗散的共同作用下，被隔振体的振动响应大大降低。隔振装置依靠偏心压板的多稳态弯曲特性和复合弹簧材料的高阻尼特性联合实现高耗能。

由于内部耗能单元的参数对其滞回效应的影响很大，在针对某隔振体设计该隔振装置时可适当修改偏心压板5的尺寸参数。其中，偏心压板5的高度受外套筒1和内套筒2的高度所限制，但其主板体和上下端部凸起的长度与宽度均可以根据隔振体的振动特性做相应的调整。

气动弹簧6为牵引式气动弹簧，由筒、活塞和活塞杆组成，自然状态下处于紧绷状态，受压后趋于缓和，其安装位置为中连接板10的中心，与内套筒2的中心轴重合，并通过万向节7相连接，当装置不受外力荷载作用时气动弹簧6为张紧状态，为偏心压板提供预拉力，同时在偏心压板5受压发生弹性屈曲的瞬间提供缓冲支撑。

复合弹簧8是由钢材和橡胶复合而成的高刚度抗压装置，呈中空圆柱结构，安装位置同样与套筒中心轴重合；复合弹簧8在自然状态下与上连接板9和中连接板10有一定的距离，当偏心压板5发生弹性屈曲，上连接板9和中连接板10均向下运动，复合弹簧受压辅助偏心压板承压，同时提供能量耗散。

为保证中连接板10始终处于水平状态，中连接板10的四边通过安装滑动块12分别与内外套筒内壁所安装的滑轨13装配，以保证套筒轴向移动的过程中，中连接板10始终保持水平。当然滑轨的个数可根据情况设定两个或4个等。

本发明的具体制作过程：

参考图4，首先组装双层结构的多稳态偏心压板式轴向隔振装置的内部耗能单元：将偏心压板5与嵌套的气动弹簧6与复合弹簧8并行连接后与上连接板9、中连接板10、下连接板11装配，偏心压板5的上下偏心端卡入各连接板的转动导向槽，气动弹簧通过万向节与各连接板相连，各层复合弹簧8分别只与中连接板10和下连接板11固定，中连接板10四周的中间位置安装滑动块；

再装配外部约束单元：分别将外套筒1、内套筒2与打孔盖板4焊接，内套筒打孔盖板3向上，将内部耗能单元装入内套筒2，外套筒打孔盖板3向下装配在内套筒2的外侧，使内部耗能单元的上连接板和下连接板分别与内套筒和外套筒的打孔压板相贴，同时将安装在中连接板10四周的滑动块分别于套筒内壁的滑轨装配；最后将压块盖板扣入打孔压板，焊接到隔振装置的上下两端。

以上，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应用于其它领域，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。