CN102943838B - 弹簧磁流体基础隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弹簧磁流体基础隔振器，包括具有隔振器底板和固定座的隔振器外缸体，以及隔振器核心件。隔振器核心件包括两端由顶盖组件和底盖组件分别密封的筒体。筒体的上端通过顶盖组件配合安装在隔振器外缸体的固定座的下方，而下端穿过隔振器底板中的开口而伸出，并通过底盖组件与周围环境相接触。在筒体中设有安装于底盖组件上的处于中心的内环形壁，从而将筒体内的空间分隔成上部彼此连通的外侧腔室和内侧腔室。隔振器核心件还包括设于内侧腔室中的内部永磁体，以及设于外侧腔室中的磁流变介质和弹簧。本发明的弹簧磁流体基础隔振器的结构简单，维护方便，同时可以实现阻尼比可调。

Description

弹簧磁流体基础隔振器

技术领域

本发明涉及一种基础减/隔振器。更具体地说，本发明涉及一种用于削弱和隔离工业设备或轨道交通工具对周围环境的振动及噪声污染的弹簧磁流体基础隔振器。

背景技术

在现代社会中，轨道交通工具和工业设备的运行不可避免地会带来振动和噪声的问题。振动不仅影响仪器测量和设备加工的精度，也会造成人们无法正常工作或生活。在严重的情况下，振动会在结构中产生较大的动应力而影响结构的安全，同时振动的传播对周围环境也会产生不良影响。

随着轨道交通行业的快速发展，大量的高铁或地铁会经过如居民区、学校、医院和音乐厅等场所，容易对居民的生活和工作造成严重的伤害的困扰。另外，随着制造业的迅速发展，工业区中通常布置有较大振动扰力及振动的大型装备，如大型通用设备鼓风机、空气压缩机、大型水泵、热交换机组、离心机、粉碎机、压力机和锻锤机等。此外，对振动要求非常严格的精密仪器设备也越来越多，如大型精密机床、大型三坐标测量机。为了满足生产工艺的需要，仅依靠采取自身结构上的设计，有时难以满足振动控制的要求。即使能够通过某些特定手段来满足减振要求，其技术经济成本也不太合理。

在许多情况下，采取基础隔振(减振)是最经济有效的措施之一。弹簧基础隔振器是一种粘流体阻尼单元和弹簧减振器的组合，是一种有效的减振隔振控制装置。其技术思路是，将它与减隔振对象安装成为整体的减隔振体系，通过控制弹簧的刚度来直接实现其设计的固有频率降低到远离设备的激振力的工作频率。弹簧基础隔振器是性能特点包括调谐、耗能和隔振。

然而，在实际的工程应用中，减隔振对象如大型实验机基于实际的应用，可能发生重要部件的更换，或实际工装应用中附加质量的大幅增加使自身的质量或激振力参数发生较大的变化。为了保障弹簧基础隔振器的减隔振效率，在类似的情况下要求弹簧隔振器刚度和阻尼做出相应的参数调整。目前的弹簧基础隔振器无法满足这一要求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的提供一种弹簧磁流体基础隔振器，其结构简单、维护方便，同时可以实现阻尼比半自动可调。即，当隔振对象的振动较小时，该钢弹簧磁流体基础隔振器的阻尼比较小；而当隔振对象的振幅增大时，一般发生在系统共振区，其阻尼比也随之增大，系统动力响应衰减会越迅速。

根据本发明提供了一种弹簧磁流体基础隔振器，包括：隔振器外缸体，其具有隔振器底板和固定座；以及隔振器核心件，其包括两端由顶盖组件和底盖组件分别密封的筒体，所述筒体的上端通过顶盖组件配合安装在所述固定座的下方，而所述筒体的下端穿过所述隔振器底板中的开口而伸出，并通过底盖组件与周围环境相接触。其中，在所述筒体中设有安装于底盖组件上的处于中心的内环形壁，从而将筒体内的空间分隔成上部彼此连通的外侧腔室和内侧腔室。所述隔振器核心件还包括设于内侧腔室中的内部永磁体，以及设于外侧腔室中的磁流变介质和弹簧。

在一个实施例中，所述弹簧套装在内环形壁上。为此，内环形壁作为弹簧的导柱，其外径应当按相关设计规范选择成与弹簧的内径相适配。

在一个实施例中，在所述顶盖组件上设有向下延伸到所述内侧腔室中的中心导柱，所述内部永磁体设置在所述导柱中的处于所述磁流变介质的液位以下的区域内。

在一个实施例中，所述内部永磁体为同轴地安装在所述导柱上的锥形件，所述锥形件的直径沿着从所述导柱的下端到上端的方向逐渐增大。

在一个实施例中，所述内部永磁体包括若干个同轴地安装在导柱上的环形件，各个环形件的磁极强度沿着从所述导柱的下端到上端的方向逐渐增大。

在一个实施例中，所述内部永磁体包括多个在所述导柱的周向上均匀间隔开的内部永磁块，并且在所述筒体的内壁上设有与各个所述内部永磁块相对应的外部永磁块。

在一个实施例中，所述筒体包括固定在顶盖组件上的上筒体部分、固定在底盖组件上的下筒体部分，以及将上、下筒体部分相连的柔性护套。

在一个实施例中，所述顶盖组件包括与筒体直接密封式接触的内顶盖，以及与固定座相互支承配合的外顶盖。

在一个实施例中，在所述隔振器外缸体的外壁上设有延伸臂，以便于隔振器在减振对象中的安装。

在一个实施例中，所述底盖组件包括支板和设置在支板的底面上的隔振覆层。

根据本发明的弹簧磁流体基础隔振器采用了弹簧和磁流变介质的组合，从而形成了一种有效的减振隔振装置。通过选择或更换弹簧，就可以方便地调节基础隔振器的刚度。另外，通过更换永磁体的磁性大小或者改变永磁体与磁流变介质之间的距离，即导柱在油缸底部内筒内部的插入深度，就可以调节阻尼的大小。尤其突出的优良性能是，导柱的动作与隔振对象的位移响应相一致。当隔振对象的位移振幅变大时，导柱插入于内侧腔室中的插入深度越大，此时隔振器阻尼性能增大；反之，阻尼性能则变小。由此，可以方便地实现基础隔振器的调谐性能和阻尼比可调。应用根据本发明的弹簧磁流体基础隔振器进行基础隔振，能保障轨道交通工具和工业设备工作时所造成的振动向环境的传播和污染，从而保障具有高精度要求的设备运行时所需的平衡、精度与安全，保护居民和工业设备附近工作人员免受噪声和振动污染，保证身心健康。

附图说明

下面结合附图和实施例来对本发明的技术方案做进一步详细说明。容易理解，这些附图仅出于方便理解本发明而提供，并不限定本发明的范围。

图1显示了根据本发明的弹簧磁流体基础隔振器的剖视图。

图2显示了图1所示弹簧磁流体基础隔振器中的隔振器核心件的剖视图。

图3显示了设置在导柱上的周向布置式的内部永磁体和设置在筒体上的外部永磁体。

图4显示了锥形件形式的内部永磁体。

图5显示了多个层叠设置的环形件形式的内部永磁体。

图6显示了根据本发明的弹簧磁流体基础隔振器在轨道车辆减隔振中的应用。

图7显示了根据本发明的弹簧磁流体基础隔振器在汽轮发电机组中的应用。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细说明。

图1显示了根据本发明的弹簧磁流体基础隔振器100。该弹簧磁流体基础隔振器100包括大致圆柱形的隔振器外缸体8，在其底部设有带有开口的隔振器底板13。在隔振器外缸体8的内壁上例如通过焊接而固定了固定座7，其外壁上还可安装有延伸臂9，用于实现弹簧磁流体基础隔振器100在隔振对象(例如机械设备、轨道交通工具等)中的良好固定。容易理解，在一个实施例中，固定座7例如可以通过预成型手段而形成为隔振器外缸体8的一个整体部分。

弹簧磁流体基础隔振器100还包括隔振器核心件18，其上端配合安装在固定于隔振器外缸体8的内壁上的固定座7的下方，而下端穿过隔振器底板13中的开口伸出，从而与周围环境(例如地基等)相接触。

下面结合图1和2来详细介绍隔振器核心件18。如图所示，隔振器核心件18包括大致圆柱形的筒体15，其上端和下端分别由顶盖组件和底盖组件密封。在图示实施例中，顶盖组件构造成双件式，包括与筒体15直接密封式接触的内顶盖10，以及与固定座7相互支承配合的外顶盖6。内顶盖10和外顶盖6之间可由常规方式(例如螺纹连接、胶粘等)彼此相连。由此可实现隔振器核心件18的上端与隔振器外缸体8的内壁之间的良好配合。另外，在图示实施例中，底盖组件包括与筒体15直接密封式接触的支板17，以及设置在支板17的底面上的隔振覆层16。这样，隔振器核心件18通过隔振覆层16而与周围环境相接触。

在隔振器核心件18的支板17上设有中心的内环绕壁4。该内环绕壁4从支板17中向上延伸，但并不与内顶盖10接触。由此，内环绕壁4将隔振器核心件18的内部空间分隔成上部彼此连通的内侧腔室31和外侧腔室32，如图2所示。

根据本发明，在内顶盖10的底面设有处于中心的导柱5，其从内顶盖10的底面向下延伸到内侧腔室31中。为此，导柱5的外径应设计成小于内侧腔室31的内径。在导柱5的下端、即延伸到内侧腔室31中的那一端处设有内部永磁体1。这样，在弹簧磁流体基础隔振器100的操作期间，导柱5连同内部永磁体1会随着振动而在内侧腔室31内往复运动，导致内部永磁体1所产生的磁场发生变化。

此外，根据本发明，在外侧腔室32中填充有一定体积的磁流变介质2。容易理解，磁流变介质2的液位应低于内环绕壁4的上端，使得磁流变介质2仅存在于外侧腔室32中而不存在于内侧腔室31中。磁流变介质2用作弹簧磁流体基础隔振器100的阻尼介质。可以适当地选择磁流变介质2的类型，以满足特定应用的需求。

同时，在外侧腔室32中设置有弹簧3，优选为一个连续的钢制弹簧。弹簧3为弹簧磁流体基础隔振器100提供了隔振刚度。可通过适当地选择弹簧3来改变该隔振刚度。内环绕壁4可作为弹簧3的导向芯轴，使得弹簧3可套装在内环绕壁4上，并且由内环绕壁4来实现可靠的导向和定位。为此，内环绕壁4的外径应设置成与弹簧3的内径相适配，尺寸按相关规范设定。

当将根据本发明的弹簧磁流体基础隔振器100与隔振对象如机械设备或轨道交通工具等安装在一起而形成一个整体的隔振体系时，弹簧磁流体基础隔振器100的弹簧3可以为弹簧磁流体基础隔振器提供隔振刚度，从而将整体的固有频率降低至远离隔振对象的荷载和激振力的工作频率。这可通过选择弹簧3的设计刚度来实现。因此，当隔振对象受外加荷载或自身运行工况引起振动时，隔振对象在弹簧磁流体基础隔振器100的刚度调节下，整体系统的固有频率被调节至低频区。因此，低周期的基础频率特性能使得整个系统远离激振力的中高频区，从而有效地减轻了振动。

另外，对于低频区接近系统固有频率的激振状态，系统的振动振动荷载和隔振对象的振动将发生共振，振幅会显著增大。此时，弹簧磁流体基础隔振器内的弹簧的压缩形变增大。当弹簧的压缩量增大时，导柱(连同布置在其上的永磁体)的伸入到内侧腔室中的量也增加，使得磁流变介质受磁场的影响增大。在这种情况下，磁流变介质的颗粒组分在永磁体的磁场作用下产生重分布，导致其剪切屈服强度增大。因此，弹簧3与磁流变介质2之间的摩擦阻尼效应增加，从而实现了振动能量的进一步的消耗和减弱。

此外，弹簧磁流体基础隔振器100作为减隔振基础将隔振对象如机械设备与地基隔离开，使得设备运行产生的振动传至环境的值会减小。具体工况下的载体传递率已由系统阻尼比和激振与系统自振固有频率的比决定；逆向思路，通过事先控制隔振器100的阻尼和刚度来控制系统阻尼比与系统的固有频率，可以实现隔振目标效果。

根据本发明，当振动较小时，弹簧的压缩量小，导柱伸入到内侧腔室中的距离也短。由此，所产生的磁场强度也较小，使得阻尼减振作用较小。当振动较大时，弹簧的压缩量变大，导柱伸入到内侧腔室中的距离也变长。由此，所产生的磁场强度也较大，使得阻尼减振作用增强。

根据本发明，通过选择弹簧的刚度、导柱的长度、永磁体的尺寸及设置，以及磁流变介质的类型和液位高度，可以调节弹簧磁流体基础隔振器的调谐性能和阻尼比。

例如，内部永磁体和外部永磁体(将在下文中详述)均设置成可拆卸的。由此可以根据具体情况的需要而改变磁场中心和磁场强度，以实现最佳的隔振作用。

在一个优选实施例中，在原始状态下，磁流变介质2的液位应高于内部永磁体1所处的位置。这样，在振动产生后，内部永磁体1在磁流变介质2的区域内的往复运动导致了磁场的显著变化，从而引起剪切屈服强度的增大或变小，以实现有效隔振的目的。

在一个实施例中，筒体15分成两个分开的部分，即固定在支板17上的下筒体15A和固定在内顶盖10上的上筒体15B。下筒体15A和上筒体15B之间通过护套12并利用紧固件11密封式连接。护套12优选为柔性的，可以一定程度地吸收振动，并避免筒体15在承受剧烈振动时损坏。

图3显示了永磁体的一种配置方式。如图所示，内部永磁体1包括若干设置在导柱5的周向上均匀间隔开的位置处的内部永磁块1A。此时，在筒体15的内壁上相应地布置了若干外部永磁块14。内部永磁块1A和外部永磁块14彼此配合，并且它们的N极和S极彼此相对应，从而产生影响磁流变介质2的磁场。

图4显示了永磁体的另一种配置方式。如图所示，内部永磁体1为锥形件，并例如通过两端的挡板25以及紧固螺母19固定在导柱5的下端。锥形的内部永磁体1设置成沿着从导柱5的下端(即图4中的右侧)到导柱5的上端(即图4中的左侧)的方向具有逐渐增大的直径。因此，内部永磁体1的上部区域具有较强的磁场。当弹簧3受荷载振动剧烈时，其下压深度更大，从而增强了磁流变介质所在区域的磁场强度。因此，弹簧和磁流变介质的阻尼耗能也会相应地加强，从而更有效地减轻了振动。

图5显示了永磁体的另外一种配置方式。如图所示，内部永磁体1包括若干环形件20，在图示实施例中显示了三个环形件20。环形件20以轴向相邻的方式布置在导柱5，并例如通过两端的挡板25以及紧固螺母19固定在导柱5的下端。环形件20设置成沿着从导柱5的下端(即图5中的右侧)到导柱5的上端(即图5中的左侧)的方向具有逐渐增大的直径。与图4中所示的类似，图5所示的内部永磁体1的上部区域也具有较强的磁场。当弹簧3受荷载振动剧烈时，其下压深度更大，从而增强了磁流变介质所在区域的磁场强度。因此，弹簧和磁流变介质的阻尼耗能也会相应地加强，从而更有效地减轻了振动。

以下将结合图6和7来说明根据本发明的弹簧磁流体基础隔振器100的两个应用实例。

图6显示了弹簧磁流体基础隔振器100在轨道交通的浮置板道床22中的减隔振应用。如图所示，首先在浮置板道床22的施工浇注时，将弹簧磁流体基础隔振器100的隔振器外缸体8定位预埋在钢筋骨架之间。在浮置板道床22完工成型之后，从隔振器外缸体8之外利用液压顶升机(未示出)将隔振器核心件18顶入隔振器外缸体8中。隔振器核心件18置于地基40上。

优选地，对于整个浮置板而言，需要安装多个弹簧磁流体基础隔振器100。各个安装位置须满足以下要求：(1)弹簧横向对称地布置各一个，道床延伸向按等间距或其他规律性排布布置；(2)安装后的减振器的总刚度的中心须与被隔振设备的重心保持在同一轴线上；(3)整个减振基础的刚度中心对称设置，其位置应靠近垂向刚度最大处。

弹簧磁流体基础隔振器与浮置板道床系统可以有效地隔离轨道交通工具如高铁、地铁和城轨等移动荷载的振动向周围环境和建筑物的传播，保护重要建筑物和敏感建筑物安全。同时可以为居民的生活与工作提供低噪环境，保证居民的身心健康。

图7显示了弹簧磁流体基础隔振器在汽轮发电机组中的减隔振应用。如图所示，首先，在汽轮发电机组23的钢筋混凝土台座24的施工浇注时，将弹簧磁流体基础隔振器100的隔振器外缸体8定位预埋在钢筋骨架之间。在钢筋混凝土台座24完工成型之后，从隔振器外缸体8之外利用液压顶升机或其他专业顶升设备(未示出)将隔振器核心件18顶入到隔振器外缸体8中。隔振器核心件18置于地基40上。各个安装位置须满足以下要求：(1)保持隔振器的安装要求；(2)安装后的隔振器的总刚度的中心须与汽轮发电机组的重心保持在同一轴线上；(3)整个隔振基础的刚度中心对称设置，其位置应靠近垂向刚度最大处。

通过将弹簧磁流体基础隔振器安装在汽轮机组底部的混凝台座上，可以调节整个系统的响应基频，同时利用隔振器的阻尼耗能，从而能实现设备的平衡安全运行，同时也削减了设备造成的振动和噪声公害。

虽然在上文中已经参考一些实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的各个实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种弹簧磁流体基础隔振器，包括： 

隔振器外缸体，其具有隔振器底板和固定座，和 

隔振器核心件，其包括两端由顶盖组件和底盖组件分别密封的筒体，所述筒体的上端通过顶盖组件配合安装在所述隔振器外缸体的固定座的下方，而所述筒体的下端穿过所述隔振器底板中的开口而伸出，并通过底盖组件与周围环境相接触， 

其中，在所述筒体中设有安装于底盖组件上的处于中心的内环形壁，从而将筒体内的空间分隔成上部彼此连通的外侧腔室和内侧腔室， 

所述隔振器核心件还包括设于内侧腔室中的内部永磁体，以及设于外侧腔室中的磁流变介质和弹簧， 

其中，在所述顶盖组件上设有向下延伸到所述内侧腔室中的中心导柱，所述内部永磁体设置在所述导柱中的处于所述磁流变介质的液位以下的区域内。 

2.根据权利要求1所述的弹簧磁流体基础隔振器，其特征在于，所述弹簧套装在内环形壁上。 

3.根据权利要求2所述的弹簧磁流体基础隔振器，其特征在于，所述内部永磁体为同轴地安装在所述导柱上的锥形件，所述锥形件的直径沿着从所述导柱的下端到上端的方向逐渐增大。 

4.根据权利要求2所述的弹簧磁流体基础隔振器，其特征在于，所述内部永磁体包括若干个同轴地安装在导柱上的环形件，各个环形件的磁极强度沿着从所述导柱的下端到上端的方向逐渐增大。 

5.根据权利要求2所述的弹簧磁流体基础隔振器，其特征在于，所述内部永磁体包括多个在所述导柱的周向上均匀间隔开的内部永磁块，并且在所述筒体的内壁上设有与各个所述内部永磁块相对应的外部永磁块。 

6.根据权利要求3-5中任一项所述的弹簧磁流体基础隔振器，其特征在于，所述筒体包括固定在顶盖组件上的上筒体部分、固定在底盖组件上的下筒体部分，以及将上、下筒体部分相连的柔性护套。 

7.根据权利要求3-5中任一项所述的弹簧磁流体基础隔振器，其特征在于，所述顶盖组件包括与筒体直接密封式接触的内顶盖，以及与固定座相互支承配合的外顶盖。 

8.根据权利要求3-5中任一项所述的弹簧磁流体基础隔振器，其特征在于，在所述隔振器外缸体的外壁上设有延伸臂，以便于隔振器在减振对象中的安装。 

9.根据权利要求3-5中任一项所述的弹簧磁流体基础隔振器，其特征在于，所述底盖组件包括支板和设置在支板的底面上的隔振覆层。