一种钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器及其组装方法

1.本发明涉及电子设备隔振技术领域，尤其涉及一种钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器及其组装方法。


背景技术：

2.在车船载等交通工具中均含有精密的电子部件或运动旋转的结构，容易收到外界机械振源、冲击源干扰，影响正常工作。由于车船载等交通工具中被隔振设备重量大运转速度范围广，所以要求隔振器需具备大刚度，宽频率范围内高隔振效果等技术指标要求。同时，被隔振的设备还具有垂向激励和横向晃动激励两个方向上的的激励，因此要求隔振器在垂向和横向上具有都能够具备承载和隔振能力。
3.现有授权公告为cn214036638u的一种长寿命金属橡胶隔振器，包括上盖和壳体与中心轴，所述中心轴顶端穿出壳体并与所述上盖相连；所述中心轴上套设有上金属橡胶和下金属橡胶，所述上金属橡胶设置在上盖与壳体之间；所述上金属橡胶和壳体之间、所述下金属橡胶与壳体之间以及所述下金属橡胶与中心轴之间均设有塑料垫片；所述塑料垫片与所述中心轴同轴布置，虽然该申请采用分层式的金属橡胶作为弹性体并使用塑料垫片进行隔离，老化速度慢，有效延长使用寿命。但是由于下金属橡胶与壳体之间以及所述下金属橡胶与中心轴之间均设有塑料垫片，使得其内部中心轴(通常可认为钢质)、壳间金属橡胶(上金属橡胶、下金属橡胶)以及上盖和壳体之间呈悬挂方式，这使得该申请的壳体厚度对外载荷下的变形影响巨大，且壳体的直角形式易引发应力集中，该申请是相对橡胶隔振器创新了防尘和抗老化设计(接触间设计塑料垫片)，但未表明能大幅度改变和提升小静态位移大动态位移情况的本质。
4.现有授权公告号为cn112324828b的一种三向刚度阻尼解耦的高承载金属橡胶组合隔振器，包括外壳、底座、垂向金属橡胶模块、横向金属橡胶模块和纵向金属橡胶模块，各组金属橡胶模块由两个完全相同的金属橡胶件构成，所述金属橡胶件安装在外壳和底座之间，分别独立发挥垂向、横向、纵向上的隔振与缓冲功能，并带有相应的机械限位结构。虽然该申请通过不同挡板分隔金属块构成三向高度的高承载组合隔振器，简化了金属橡胶件的设计制备难度，但是由于解耦等设计也带来部件繁多，外壳结构直角太多的问题，这对设计装配也提高了要求，且外壳上过多的直角也易引发承载过程中的应力集中。同时，分散布置的橡胶块设计使得结构不紧凑，略有磨损时易引发晃动问题。该发明每个橡胶块单一，也不能形成像本发明这样软橡胶-硬橡胶组合兼顾支撑和能量消耗的隔振模式。
5.现有授权公告号为cn209026106u的一种金属橡胶隔振器，包括底座，所述底座的上端设有顶盖；所述底座为中空的腔体结构；所述底座的底部中心向内凹起形成凹口，所述底座的顶部开有向下和凹口贯通的竖孔一；所述顶盖为中空的腔体结构；所述顶盖的底部向内凹起形成凹槽，所述顶盖的顶部开有向下和凹槽贯通的竖孔二；所述竖孔二与竖孔一在同一竖直线上，所述凹口、竖孔一、竖孔二内设有限位螺栓；所述顶盖的内侧壁和底座的外侧壁之间填充有斜向设置的橡胶，虽然该申请将橡胶置于底座和顶盖之间，充分发挥橡
胶的隔振作用，又避免了橡胶被磨损，增加了使用周期，但是底座与顶盖之间及中间橡胶需由限位螺栓贯穿紧固，这会增大底座和顶盖之间的连接刚性，易降低隔振效果。由于橡胶没有被限位，且当中间橡胶发生损伤时，易掉出而引发被隔振设备的大位移偏移。
6.为了解决上述问题，急需提供一种垂向和横向均具有较大的承载和隔振能力，实现高静载荷能力和宽频率范围内的隔振效果的隔振器，且满足结构形式简单、装配方便和安全性的要求。


技术实现要素：

7.针对车船载动力设备的隔振问题，本发明公开了一种钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器及其组装方法，以兼顾低频和中频范围内的隔振，实现高静载荷能力和宽频率范围内的隔振效果，并具有抗冲击能够力。
8.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
9.一种钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器，包括底座，所述底座的上方设置有顶盖，所述底座和顶盖之间设置有硬橡胶内芯和钢壳，所述钢壳套设于硬橡胶内芯的外部，所述硬橡胶内芯和钢壳分别具有中空的腔体结构，所述底座部分插接于所述硬橡胶内芯的内部，所述顶盖部分插接于钢壳的内部；
10.所述顶盖、底座、硬橡胶内芯的内壁围成填充腔，所述填充腔的内部填充有硅胶内芯。
11.进一步地，所述钢壳的内部设置有软橡胶垫，所述软橡胶垫填充于顶盖和钢壳之间的拼接缝。
12.进一步地，所述钢壳上开设有供硬橡胶内芯穿过的过孔，所述过孔的孔径小于钢壳中空腔体的内径。
13.进一步地，所述顶盖包括上水平部和插接部，所述插接部插接于钢壳的内部，所述插接部和钢壳以及硬橡胶内芯之间围成填充室，所述填充室的内部设置有软橡胶环和钢制卡环。
14.进一步地，所述软橡胶环为多个，多个所述软橡胶环叠放在一起，相邻所述软橡胶环之间设置有钢制卡环。
15.进一步地，所述底座包括下水平部和竖直部，所述下水平部和竖直部的连接处设置有圆倒角结构。
16.进一步地，所述顶盖和硬橡胶内芯的接触面设置有粘结层。
17.进一步地，所述顶盖的中心处开设有中心孔，所述中心孔处插接有螺栓，所述螺栓和顶盖螺纹连接。
18.进一步地，所述底座和顶盖均采用结构钢材质。
19.本发明公开的一种钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器的有益效果：本技术采用钢和橡胶材料制成隔振器，通过套合嵌芯设计，钢质顶盖和底座用于外接，顶盖内凸和底座的中间凸起与硬橡胶套相互配合限位，且由外部钢圈进行限位紧固。内部软橡胶和硬橡胶构成隔振和能量消耗组合。紧固钢圈与顶壳和底座之间均有橡胶层隔开。
20.与普通的金属橡胶隔振器相比，钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器的外壳为钢质外壳，免受外界划伤及腐蚀。
21.与常规的金属橡胶组合式隔振器相比，钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器的顶盖和底座扣合，且由外壳钢圈紧固，圆柱形整体结构稳性强。上下垂向压载时顶盖外壳和紧固钢圈都把橡胶内芯牢固在隔振器结构内部，承载能力大；左右横向压载时底座中间凸起和顶盖下凸由橡胶嵌套成一体后外侧的紧固钢圈和底座螺栓固定，极大地增加里横向承载能力。由于上下连接和左右连接处顶盖和底座之间均有软橡胶和硬橡胶隔开，保证了隔振效果。
22.(1)钢壳橡胶芯结构更安全可靠：
23.钢壳越厚，本发明隔振器结构抵抗外伤的能力越强，处于内部的橡胶芯与外界接触面少，橡胶使用环境安全。
24.(2)圆柱套合方式更易于装配和稳固：
25.圆柱形的整体结构，本发明隔振器结构在装配时相互套合，安装操作简单。
26.(3)软橡胶与硬橡胶组合隔振耗能能力更优：
27.硬橡胶直接与顶盖和底座连接，充分利用硬橡胶抵抗变形的能力，保证隔振器的载荷能力。硬橡胶越厚，载荷承载能力越强。中心的软橡胶把顶盖的凸起和底座的凸起隔开，形成耗能内腔。
28.(4)顶盖和底座之间无硬接触隔振效果好：
29.结构形式和材料的不连续是保证隔振能力的关键。本发明隔振器结构上下连接钢壳和底座之间在由内柱稳固、外侧钢圈紧固的同时，每层结构之间具由橡胶隔开，保证隔振效果。
30.一种钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器的组装方法，组装步骤如下：
31.s1：将底座放置于水平面上，按照中心孔对齐的方式从上面把硬橡胶内芯落插在底座上，然后把硅胶内芯填入硬橡胶内芯的中空的腔体结构内部，并使得硅胶内芯和底座接触；
32.s2：在钢壳的内周壁上设置软橡胶垫，然后将安装有软橡胶垫的钢壳套设在硬橡胶内芯的外部，将底座、钢壳和硬橡胶内芯固定在一起，然后依次在硬橡胶内芯的外周套设软橡胶环、钢制卡环，然后压实；
33.s3：在顶盖上涂覆粘结层，然后缓慢将硬橡胶内芯缓慢旋入软橡胶垫的内部并压紧；
34.s4：连接机械动力设备落座，利用被隔振物体的重力进一步实现顶盖的压实。
35.本发明公开的一种钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器组装方法的有益效果：通过采用上述方法组装隔振器，结构紧凑、组装方便，极大的方便了隔振器的安装和调试。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明公开的钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器的整体结构示意图；
38.图2为本发明公开的钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器的俯视图；
39.图3为图2中的a-a线的剖视图；
40.图4为在隔振器的顶盖上表面施加向下垂向力15000n时，垂向力时的位移和应力分布示意图；
41.图5为在隔振器的顶盖上表面施加向下垂向力5000n时，垂向力时的位移和应力分布示意图；
42.图6为gb_t 14527-2021船舶环境振动条件示意图；
43.图7为振动分析隔振器边界示意图；
44.图8为垂向激励时隔振效果示意图，从左到右依次为(a)振动能量级差(b)力传递率(c)加速度振级落差；
45.图9为横向激励时隔振效果，从左到右依次为(a)振动能量级差(b)力传递率(c)加速度振级落差；
46.图10为1hz垂向激励时隔振效果，从左到右依次为(a)振动能量级差(b)力传递率(c)加速度振级落差；
47.图11为15hz垂向激励时隔振效果，从左到右依次为(a)振动能量级差(b)力传递率(c)加速度振级落差；
48.图12为1hz横向激励时隔振效果，从左到右依次为(a)振动能量级差(b)力传递率(c)加速度振级落差；
49.图13为15hz横向激励时隔振效果，从左到右依次为(a)振动能量级差(b)力传递率(c)加速度振级落差；
50.图14为垂向冲击时隔振效果，从左到右依次为(a)振动能量级差(b)力传递率(c)加速度振级落差；
51.图15为横向冲击时隔振效果，从左到右依次为(a)振动能量级差(b)力传递率(c)加速度振级落差。
52.图中：1、底座；11、下水平部；12、竖直部；13、圆倒角结构；2、硬橡胶内芯；3、硅胶内芯；4、钢壳；41、底板；5、软橡胶环；6、钢制卡环；7、软橡胶垫；8、顶盖；81、水平部；811、凸起；82、插接部；91、振动激励面a；92、振动输出面b；101、响应点a；102、响应点b；20、约束环面。
具体实施方式
53.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图1-15，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
54.实施例
55.实施例1
56.结合图1和图2，一种钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器，包括钢制的金属底座1，底座1的竖向截面为倒t型。
57.结合图2和图3，底座1包括一体成型的下水平部11和竖直部12，竖直部12设置为圆柱形，且竖直部12位于底座1的中心处，下水平部11和竖直部12的连接处设置有圆倒角结构13；下水平部11设置为圆形，下水平部11的边缘处开设有多个螺栓孔，多个螺栓孔沿下水平
部11的周向方向呈圆周阵列排布，本技术对螺栓孔的数量不作限定，本实施例优选为8个螺栓孔。
58.结合图1和图3，底座1的上方固设有硬橡胶内芯2，硬橡胶内芯2的硬度优选为70橡胶。硬橡胶内芯2的竖向截面为倒t型，硬橡胶内芯2的轴线和底座1的轴线重合。硬橡胶内芯2上开设有具有上下两端开口的中空的腔体结构，硬橡胶内芯2的内径大于底座1竖直部12的外径，便于将底座1的竖直部12插接于硬橡胶内芯2的腔体结构内部，当竖直部12插接于硬橡胶内芯2内部时，竖直部12的上端面低于硬橡胶内芯2上端开口端，竖直部12的上端面和硬橡胶内芯2上端开口端之间的距离优选为35mm。
59.结合图1和图3，硬橡胶内芯2的内周面和底座1贴合，硬橡胶内芯2上设置有与底座1上圆倒角结构13相适配的倒圆角，便于将硬橡胶内芯2安装至底座1上，提高硬橡胶内芯2和底座1之间的配合度。硬橡胶内芯2的边缘处对应开设有螺栓孔，该螺栓孔和底座1上的螺栓孔对准。
60.结合图1和图3，硬橡胶内芯2的腔体结构内部填充有硅胶内芯3，该硅胶内芯3的硬度优选为10硅胶。硅胶内芯3为圆柱形，硅胶内芯3外周壁和硬橡胶内芯2内周壁贴合，当硅胶内芯3竖向放置于硬橡胶内芯2内部，且硅胶内芯3上表面和硬橡胶内芯2上端开口端之间预留有间隔，该间隔的距离优选为10mm(1mm≥金属顶盖8中心凸起811高度-此间隔距离≥0)。
61.结合图1和图3，底座1的上方还固设有钢壳4，钢壳4为采用结构钢材质制成的圆筒状结构，钢壳4竖向设置于底座1的上方，钢壳4的下端一体成型有水平的底板41，底板41为圆形，底板41的外径等于下水平部11的外径。底板41的边缘处也对应开设有螺栓孔，底板41上的螺栓孔、硬橡胶内芯2上的螺栓孔、底座1上的螺栓孔三者对准。
62.结合图1和图3，底板41的中心处开设有圆形的过孔，过孔的孔径等于硬橡胶内芯2的外径，钢壳4的内径大于过孔的孔径，组装时，硬橡胶内芯2和底座1的竖直部12均贯穿于过孔，此时钢壳4套设于硬橡胶内芯2的外部，底板41下表面和水平的硬橡胶内芯2接触，将硬橡胶内芯2限位于钢壳4和底座1之间，且三者通过螺栓固定，此时钢壳4的内周面和竖向的硬橡胶内芯2的外周面之间围成填充室，填充室的内部从下至上依次设置有软橡胶环5、钢制卡环6和软橡胶环5，两个软橡胶环5和钢制卡环6上下叠放在一起。钢壳4的内周面固设有软橡胶垫7，软橡胶垫7设置为环形，软橡胶垫7的硬度优选为40橡胶。
63.结合图1和图3，底座1的上方还设置有钢制的金属顶盖8，顶盖8的竖向截面为t型，顶盖8包括一体成型的上水平部81和插接部82，插接部82的中部开设有具有下端开口的腔体，当顶盖8盖设于底座1上方时，插接部82套设于硬橡胶内芯2的外部，且插接部82部分插接于软橡胶垫7和硬橡胶内芯2之间，在软橡胶垫7的作用下，减小插接部82和钢壳4之间的拼接缝，提高钢壳4和顶盖8之间的连接强度；当顶盖8盖设于底座1上方时，插接部82的下端面抵接于位于上方的软橡胶环5，插接部82腔体的底壁抵接于硬橡胶内芯2的上端面，顶盖8的中心处一体成型有凸起811，该凸起811能够插接于硬橡胶内芯2的腔体结构内部，该凸起811和硅胶内芯3接触，当有竖向的作用力作用于顶盖8时，压力能够通过顶盖8传递至硅胶内芯3上。
64.结合图1和图3，顶盖8于插接部82的腔体内周面涂抹有粘合剂构成粘结层，粘结层不仅能够填充插接部82和硬橡胶内芯2之间的拼接缝，而且能够提高两者之间的连接强度，
延长使用寿命。
65.结合图1和图3，顶盖8的中心处还开设有圆形的中心孔，该中心孔处插接有螺栓，螺栓和顶盖8螺纹连接。
66.实施例2
67.结合图1和图3，一种钢壳4橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器的组装方法，组装步骤如下：
68.s1：将底座1放置于水平面上，按照中心孔对齐的方式从上面把硬橡胶内芯2落插在底座1上，并转动硬橡胶内芯2，使得硬橡胶内芯2的螺栓孔和底座1上的螺栓孔对准；
69.然后把硅胶内芯3填入硬橡胶内芯2的中空的腔体结构内部，并使得硅胶内芯3和底座1接触；
70.s2：在钢壳4的内周壁上黏贴软橡胶垫7，然后将粘合有软橡胶垫7的钢壳4套设在硬橡胶内芯2的外部，并转动钢壳4，使得钢壳4上的螺栓孔和硬橡胶内芯2上的螺栓孔对准，此时可以将螺栓从上至下依次将钢壳4、硬橡胶内芯2、底座1连接在一起；
71.然后依次在硬橡胶内芯2的外周从下至上依次套设软橡胶环5、钢制卡环6、软橡胶环5，然后手动进行初步的压实操作；
72.s3：在顶盖8的插接部82内周面上涂覆粘结层，然后缓慢将硬橡胶内芯2缓慢旋入顶盖8插接部82的内部并压紧；
73.s4：连接机械动力设备落座，利用被隔振物体的重力进一步实现顶盖8的压实，最终组装成总高度为115mm，外壳直径为120mm的隔振器。
74.性能检测模拟试验
75.对上述实施例2组装后的隔振器进行如下性能检测：
76.1、静载荷分析：
77.测试方法：将组装后的隔振器固定放置于水平面上，约束隔振器底座的下表面。在隔振器的顶盖上表面施加向下垂向力15000n，采用有限元法建立设计的隔振器模型，检测结果见图4，由图4可知，垂向力15000n时隔振器的横向最大位移为1.35mm，位置为顶盖的垂向变形，此时最大应力为钢壳底部直角处的1.71
×
108pa。
78.在隔振器的顶盖上表面施加横向的5000n力，检测结果见图5，由图5可知，当在顶盖上表面施加横向的5000n力时，隔振器的横向最大位移为0.75mm，是顶部上盖的横向位移变形，此时隔振器的最大应力仍表现在钢壳底部过度角处，最大值为2.87
×
108pa。
79.隔振器变形与整体几何长度之比小于2％。
80.2、扫频分析：
81.测试方法：按照gb/t 14527-2021船舶环境振动条件的规定，以船舶环境振动条件为基础(参照图6)，通过有限元建模进行扫频分析并以2倍的位移幅值和1.5倍的加速度幅值来加大垂向激励载荷以保证隔振器的抗振能力。在隔振器按照图7所示设置隔振器边界条件，具体上隔振器固定于水平圆板(圆板模拟隔振器基础环境)上表面中央。在垂向激励时顶盖表面a点施加的振动条件为1～20hz时位移变形2mm、20～200hz时加速度值为15m/s2。横向激励时激励条件为1～20hz时位移变形1mm、20～200hz时加速度值为10m/s2。分别提取激励面a，点a(隔振器顶盖上表面中心点)，响应面b(隔振器与工作台的接触面)和点b(隔振器底座边点)的振动响应。
82.为方便计算分析隔振效果，分析的振动响应点a的加速度aa，点b的加速度ab，输入隔振器的激励能量ja，经过隔振器输出的激励能量jb，输入隔振器激励面a的力fin和隔振器响应面b的力fout，参照如下公式进行分析：
83.隔振效果参数定义如下
84.振动能量级差
[0085][0086]
力传递率
[0087][0088]
加速度振级落差
[0089][0090]
分析结果如图8和图9所示，垂向激励时振动能量极差tlj在-42db以下，力传递率tf在0.08以下，而加速度振级落差tla可达20db以上。横向激励时振动能量极差tlj在-45db以下，力传递率tf在0.07以下，而加速度振级落差tla可达40db以上。
[0091]
3、瞬态响应分析：以频率1hz和15hz(柴油机900rpm时激励频率)为激励频率进行瞬态响应
[0092]
3.1垂向激励响应分析
[0093]
在隔振器顶盖上表面的施加垂向激励力f为
[0094]
当f为1hz时：f＝-1000*sin(2*pi*t)n
[0095]
当f为15hz时：f＝-1000*sin(30*pi*t)n
[0096]
提取稳定运作周期内的振动响应，具体见下图10和图11。可见，1hz激励时隔振器在瞬态响应隔振过程中的振动能量极差tlj在-20db以下，力传递率tf在0.05以下，而加速度振级落差tla可达25db左右。15hz激励时隔振器在瞬态响应隔振过程中的振动能量极差tlj也在-20db以下，力传递率tf在0.045以下，而加速度振级落差tla也在25db左右。
[0097]
3.2横向激励响应分析
[0098]
在隔振器顶盖上表面的施加横向激励力f：
[0099]
当f为1hz时：f＝200*sin(2*pi*t)n
[0100]
当f为15hz时：f＝100*sin(30*pi*t)n
[0101]
提取稳定运作周期内的振动响应，具体见下图12和图13。可见，1hz激励时隔振器在瞬态响应隔振过程中的振动能量极差tlj在-20db以下，力传递率tf在0.30以下，而加速度振级落差tla可达45db左右。15hz激励时隔振器在瞬态响应隔振过程中的振动能量极差tlj也在-25db以下，力传递率tf在0.25以下，而加速度振级落差tla也在50db左右。
[0102]
4、冲击分析：分别以垂向1000nhz，横向500n进行冲击响应分析。
[0103]
4.1垂向冲击响应分析
[0104]
在隔振器顶盖上表面施加垂向激励力f，振动响应具体见图14。
[0105][0106]
4.2横向冲击响应分析
[0107]
在隔振器顶盖上表面施加横向激励力f，振动响应具体见图15。
[0108][0109]
结合图14和15可知，整体上在冲击载荷时隔振器也具有较优的隔振效果。承受冲击时振动能量极差tlj可达-45db以下，力传递率tf在0.10以下，而加速度振级落差tla可达40db左右。
[0110]
综上，本技术一种钢壳橡胶芯圆柱套合式宽频组合隔振器,顶盖和底座的套合及外侧钢圈的紧固作用，限定了内芯橡胶的位移，保证隔振器在垂向可承载15000n，在横向可承载5000n。随着外侧钢圈的增厚，紧固作用增强，承载静载荷将会进一步增加。软橡胶-金属壳和硬橡胶-金属壳的接触分别构成了低频和中高频的能量陷阱和吸振结构，两者在紧固钢圈处的叠放进一步保证了隔振优势。全域结构内隔振器顶盖和底座的非刚性接触也有效地隔离了冲击力的传递。本隔振器能兼顾低频和中频范围内隔振，具体来说在频域1～20hz和频域20～200hz范围内均实现优良的隔振效果，实现高静载荷能力和宽频率范围内的隔振效果，并具有抗冲击能力。
[0111]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。