专利名称：钢弹簧空气阻尼减振器及水平阻尼装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及空气阻尼的减振器和水平阻尼装置，特别是用柔性囊作气室的减振器和水平阻尼装置。
减振器广泛用于航空、船舶、矿山、冶金、建筑、精密仪器、运输机械等领域，其中空气弹簧是较为先进的一种。空气弹簧是由上、下支承体及连接在上、下支承体之间的柔性囊组成密封的气室，在气室壁上装有阻尼管与附加气室相通。空气弹簧的优点是自振频率低，阳尼大，隔振性能好。但是空气弹簧也有缺点结构复杂，需要专门配置压缩空气气源、复杂气路及控制系统，因而价格高、占地面积大，使用受到局限。对于需要隔振的设备及其基础因常受到外界水平力的作用而产生水平方向的共振现象，这对于许多要求严格的场合是必须加以克服的。水平阻尼可以有效地抑制隔振设备及其基础的水平共振效应和冲击效应。目前尚无对垂直振动影响很小的有效的水平阻尼装置。现有的空气弹簧具有水平阻尼作用，但阻尼值较小，不能满足需要。
本发明的目的是针对空气弹簧存在的不足，提供一种具有频率阻尼特性与空气弹簧接近，但结构筒单，适应范围更广，造价低，寿命更长的钢弹簧空气阻尼减振器系列产品。并根据相同原理和构思提供一种可有效阻止水平冲击和共振效应的水平阻尼装置，与减振器配套使用，制成具有三向阻尼的减振器系列产品，既有很好的防微振性能，又能抗强震。
本发明的目的可以通过以下措施实现。
这种钢弹簧空气阻尼减振器有上、下支承体及连接在支承体之间的柔性囊，上、下支承体与柔性囊密封连接构成气室，气室壁上有阻尼管，其特点在于上、下支承体之间装有1个或1个以上钢弹簧或弹簧组及调节弹簧长度并将上、下支承体连接为整体的连接杆，在连接杆穿过上、下支承体处设有密封结构，气室壁上的阻尼管为一个细长的通向大气的气流通道。柔性囊是鼓形或蘑菇状的，其直筒状的颈部与支承体端面轴向延伸的筒状表面相配合，并可作轴向移动调节。钢弹簧或弹簧组的压缩弹簧或弹簧组也可为拉伸弹簧或弹簧组。压缩弹簧的连接杆穿过上、下支承体处的密封结构，是在支承体上留有保证工作行程的空间，安装密封盖板；拉伸弹簧的连接杆穿过支承体端面处，安装密封环或涂密封胶。阻尼管的孔长与水力直径之比≥5，阻尼管的数量采用1个或1个以上，可以根据阻尼需要调节其数量。为使减振器具有好的抗震性能，减振器的上下支承体之间设有缓冲保护器，对于压缩弹簧为一缓冲垫，对于拉伸弹簧则为一两环相扣的拉索。
根据同一发明构思所设计的水平阻尼装置可以通过以下措施实现。这种水平阻尼装置，减振器上下支承体端面延伸出内外筒状体，在内外筒状体之间安装的水平阻尼装置，其特点在于阻尼器固定在一个筒状体上，通过侧压减摩机构、调节机构抵在另一筒状体表面，阻尼器由柔性囊与囊座或直接与筒状体密封组成腔室，在腔室的两相对活动壁之间有弹性复位元件，腔室壁上有通向另一个腔室或通向室外的阻尼管，侧压减摩机构由刚性支承座、滚动体组成，刚性支承座固定在柔性囊上并连接着滚动体，调节侧压减摩机构向位置的调节机构径为调节垫块或螺旋副，侧压减摩机构的滚动体也可以为滑动块，该滑动块与垫块的接触面为光滑的对磨平面。阻尼器的腔室也可以是一个环形柔性囊用肋沿圆周方向分隔而成，柔性囊与筒状体密封连接。腔室还可以是环形柔性囊与筒状体表面密封连接组成，在囊内填充弹性多孔或细长管状材料，空气在填料孔隙中流动等效阻尼管起阻尼作用，这个环形柔性囊也可以是两端封闭的柔性管螺旋盘绕并固定在一个筒状体上。腔室也可以是由气缸、活塞及弹性密封环组成，气缸固定在一个筒状体上，活塞兼作侧压减摩机构的刚性支承座。阻尼器的弹性复位元件为由弹性材料制成的柔性囊、装在腔室两相对活动壁之间的弹簧以及填充在腔室内的弹性多或细长管状材料，可选用其中一种，也可以是它们的组合。腔室内的阻尼介质为空气或液体。本发明的水平阻尼装置用于设备时，设备或设备基座侧面可以作为支承体的内筒体表面，基础或基础箱作为支承体外筒体表面，在两者之间安装水平阻尼装置。
本发明的空气阻尼减振器与空气弹簧相似，但工作原理不同。空气弹簧是一个双腔室的封闭体系，阻尼管设在两腔室之间，用压缩空气实现弹簧和阻尼作用，其动态特性主要与位移有关，是位移的函数，振动速度的影响通常不考虑，是一个弹簧与阻尼器并联加串联的双自由度的力学模型；而本发明的钢弹簧空气阻尼减振器是一个单腔室的开放体系，空气仅实现阻尼作用，空气阻尼器的动态特性主要与振动速度有关，位移的影响可忽略不计，即阻尼和附加动刚度都是振动速度的函数，空气不承受压力，荷载全部由钢弹簧承担，是一个空气阻尼器与钢弹簧并联的单自由度力学模型。本发明采用钢弹簧承受载荷后，取消了空气弹簧所用的压缩空气源、附加气室、过滤和控制装置以及一整套复杂的气路系统，既可做承压式，又可做承拉式，构造简单，造价低，扩大了应用范围，节约了日常使用和维修费用。柔性囊在微应力状态下工作，不需采用高强帘线，简化了制造工艺，延长了使用寿命，密封问题更易解决。钢弹簧和作为阻尼介质的空气，不受环境温度、湿度影响，因此减振器的性能稳定，使用寿命长。空气弹簧的阻尼是由密度比普通大气高出几倍的压缩空气提供的，本发明通过对空气阻尼器工作原理和力学模型的理论研究和实验验证，利用单腔室开放体系阻尼管两端的压差比空气弹簧的大，因而流速大的特性，同时采用多根细长的阻尼管代替单一的节流孔，使低密度的大气仍然获得了较理想的空气阻尼特性；采用可调节的柔性囊和可调节弹簧预应力的连接杆以适应弹簧的大变形需要，使减振器具有了与空气弹簧接近的低频特性。这种减振器的动静刚度比随振动速度的增加而增大，见图21，因而具有变刚度特性，可以更有效地抑制共振和冲击效应。减振器内的缓冲保护器在强震时起第二次缓冲衰减作用，因此又具有良好的抗强震性能。经理论分析和试验验证，上述的减振器在工作荷载作用下的自振频率可在2-5Hz范围内任意选择，最低可达1.5Hz，系列产品的承载能力0.1-100KN，工作荷载下垂直方向自振频率2-3.5Hz，阻尼比0.08-0.15，见实施例2和图22。可广泛应用于风机、泵、压缩机、锻锤、振动筛等各种振动设备和精密设备仪器的隔振。
采用同一原理的水平阻尼器与侧压减摩机构组成的水平阻尼装置，仍具有钢弹簧空气阻尼器的优点，可与各种减振器配套，使减振器具有优良的水平阻尼特性而对垂直方向的动态特性影响较小，可提高减振器的水平刚度30％以上，改善了侧向稳定性。正常工作条件下，起抑制水平方向共振和冲击效应作用，保证设备正常工作和消除振动对环境的影响，强震时起缓冲和衰减作用，保护设备免受损坏。水平阻尼装置与钢弹簧空气阻尼减振器组成的三向阻尼钢弹簧空气阻尼减振器系列产品，在工作荷载作用下，垂直和水平方向的自振频率均为2-3.5Hz，阻尼比0.07-0.15，具有双向隔振的优良性能，见实施例5和图23、24。
图1为钢弹簧空气阻尼减振器结构示意图。
图2为加长型钢弹簧空气阻尼减振器结构示意图。
图3为蘑菇状柔性囊钢弹簧空气阻尼减振器结构示意图。
图4为悬挂式钢弹簧空气阻尼减振器结构示意图。
图5为与减振器配套的水平阻尼装置结构示意6为图5的俯视图。
图7为环形柔性囊分隔成独立小气室的水平阻尼装置结构示意图。
图8为图7的俯视图。
图9为柔性囊内填充弹性多孔材料或管状材料的水平阻尼装置结构示意图。
图10为图9的俯视图。
图11为柔性管缠绕并固定在一个筒体上，管内填充弹性多孔材料或管状材料的水平阻尼装置结构示意图。
图12为气缸活塞式水平阻尼装置示意图。
图13为带有储液槽的水平阻尼装置示意图。
图14为采用钢球的侧压减摩机构示意图。
图15为导轮式(或轴承式)侧压减摩机构示意图。
图16为水平阻尼装置与钢弹簧空气阻尼减振器组合的减振器结构示意图。
图17为设置在空气弹簧内部的水平阻尼装置结构示意图。
图18为水平阻尼装置与空气弹簧组合，设置在空气弹簧外部的结构示意图。
图19为安装在隔振基础上的水平阻尼装置结构型式示意图。
图20为水平阻尼装置直接安装在隔振基础上的另一种结构型式示意图。
图21为钢弹簧空气阻尼减振器动静刚度比随振动速底增大而增加的实验曲线图。
图22为一种钢弹簧空气阻尼减振器，用自振法实测的振动衰减曲线。
图23为配有水平空气阻尼装置的三向阻尼钢弹簧空气阴尼减振器用自振法实测的水平振动衰减曲线。
图24为配有水平阻尼装置的三向阻尼钢弹簧空气阻尼减振器用自振法实测的垂直振动衰减曲线。
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明。
实施例1基本型钢弹簧空气阻尼减振器，见图1。在上、下支承体(1、5)侧面套装柔性囊(4)。柔性囊由橡胶制成的，也可用塑料或金属膜复合材料等具有柔性又不透气的材料制作。套装接合面要密封，通过密封槽粘合或由卡箍(2)固定。这样，上、下支承体与柔性囊组成密封的气室。通向大气的阻尼管(9)，设在上盖上，数量为1个或多个，根据使用时的不同工作状况可以调节，以达到所需要的阻尼值，阻尼管用细长的金属管或塑料管制作后转配上去，也可在零件上直接加工，阳尼管长度与水力直径之比≥5。在上、下支承体之间装有钢弹簧或弹簧组(6)，用螺旋压簧，单簧或内外簧匹配厅厅成组，根据需要确定设一组或多组。支承体上设有凹孔，连接杆(8)从凹孔中穿过将上、下支承体、钢弹簧等零件连成整体并通过螺拴或有级的销孔来调整弹簧的预压高度，支承体上的凹孔大小、深度必须保证在减振器工作行程范围内连接杆的活动空间，在端面加密封盖或密封塞(7)。为了防上柔性囊损坏，设有外壳(1a)。设在上、下支承体之间的缓冲保护器(3)是用橡胶制成的缓冲垫，在强震时起第二次缓冲作用。这种减振器在工作荷载下的自振频率为3-5Hz，阻尼比0.5-0.1。主要用于风机、泵、压缩机、振动筛、锻锤等各种振动设备和精密设备、仪器的基础隔振。
实施例2加长型钢弹簧空气阻尼减振器，见图2。柔性囊(4)增加带直筒状的颈部(4a)，它套装在支承体(5)轴向延伸的筒状表面(5a)上。在减振器的荷载范围大，行程大时，可以上、下移动柔性囊颈部(4a)，使柔性囊处于一种正常工作状态，不致被拉抻得太长或被压缩得太短。调整好高度后用紧固箍(2a)固定，避免振动时移动和漏气。这种减振器的自振频率更低，系列产品的承载能力为0.1-100KN，自振频率为2-3.5Hz，阻尼比为0.07-0.15，动、静刚度比为1.1-1.3。图22为该减振器实测的垂直方向的自振衰减曲线，自振频率为2.53Hz，阻尼比为0.1，动刚度与弹簧静刚度之比为1.2，同时柔性囊还使减振器水平刚度提高约20％，对减振器侧向稳定性有一定增强作用。除例1所述的用途外，还可用于低转速设备和更高要求的精密设备基础隔振。
实施例3另一种辊长型钢弹簧空气阻尼减振器，见图3。与例2不同的是它采用上下串联的弹簧组(6)，中间设托盘(10)，也可采用圆锥形螺旋弹簧，柔性囊(4)的上口比下口小很多，成蘑菇状，可以进一步降低柔性囊和减振器的刚度。
实施例4悬挂式钢弹簧空气阻尼减振器或减振吊钩，见图4。它的特点除具有例1、例2相同原理的结构外，其弹簧(6)为拉伸弹簧。固定在弹簧一端的连接杆(8)，穿过支承体端面预拉弹簧，并在支承体与连接杆之间用调节垫(11)调节弹簧的预拉长度。连接杆穿过支承体端面处，采用密封环(7b)或涂密封胶实现密封。支承体上固定吊杆(12)，也可用连接杆(8)直接作为吊杆。上下支承体之间设有缓冲保护器(3)，采用钢丝绳做成两环相扣的拉索两端固定在支承体上。这种悬挂式的钢弹簧空气阻尼减振器的性能与例1-例3支承式的相同，主要用于管道吊架隔振和悬挂式隔振基础。
实施例5钢弹簧空气阻尼减振器配水平阻尼装置，组成三向阳尼钢弹簧空气阻尼减振器，见图16。除与例1至例3的相同构造外，水平阻尼装置的结构是柔性囊(21)是将一个环形的柔性囊(21a)用肋(21b)沿圆周方向分隔而成，与柔性囊(4)材料相同，组合成一体成为一个复合柔性囊，形成布置在环形带上的若干个封闭的腔室，腔室内充满空气，气压与腔室外的大气压相同。阻尼管(25)设在肋(21b)上，这样阻尼管就从环形方向连通了各腔室，如直通大气则在阻尼管出口处加防尘的过滤网(29)。弹性回位元件(26)是具有弹性的柔性囊(21a)自身，其弹性力应大于阻尼力。每个腔室对应的柔性囊上都有一个刚性支承座(22)，用金属材料预先加工好后与橡胶制的柔性囊硫化成整体，在这个支承座上固定有球碗(23b)，侧压减摩机构的滚动体为钢球(23a)，钢球含在球碗中，是松配合，并抵在垫块(24)表面，垫块固定在另一个筒体(1a)上，见图14，球碗和垫块采用刚性好又耐磨的材料制造，如金属、硬塑料等，成形后有好的光洁度，当垂直方向和水平切向微振时钢球在球碗中滚动，当振幅超过临界值时变为滑动，因此对垂直方向和水平切向影响小。为使各个水平阻尼器均匀发生作用，可以调节垫块(24)的厚度或附加垫片，也可采用螺旋调节的方法微调筒体的水平位置，以调节侧压减摩机构的径向位置，不致与筒体脱离或压死，使预压量合适均匀。这种减振器系列产品的性能，在工作荷载作用下垂直和水平方向的自振频率均为2-3.5Hz，最低可小于2Hz，阻尼比0.07-0.15，具有双向隔振的优良性能。图23是这种水平阻尼装置与实施例2相配合的三向阻尼钢弹簧空气阻尼减振器实测的水平自由振动衰减曲线，自振频率为2.73Hz，阻尼比为0.08Hz。图24是其实测的垂直方向自由振动衰减曲线，自振频率为2.83Hz，阻尼比0.125。与例2比较，加水平阻尼装置后，垂直方向的动刚度和阻尼均提高约25％，水平方向的动刚度提高了82％，静刚度提高了约40％。水平方向刚度的提高改善了减振器侧向稳定性和抗强震性能。本例中的复合柔性囊取消肋(21b)和阻尼管(25)，而代之以在一个环形柔性囊(21a)与内筒(4a)部组成的腔室内填充海绵体(25a)，其余不变，试验结果接近。侧压减摩机构的滚动体采用导轮或轴承(23c)，见图15，效果也很好，采用滑动块与垫块(24)相配成光滑的对磨平面时，垂直方向振幅大时效果好，振幅很小时则对垂直动刚度影响大。将水平阻尼装置气室中的空气换为液体，并根据液体的粘度调整阻尼管和弹性回位元件参数，其水平阻尼增大，同时对垂直刚度的影响也增大。
实施例6水平阻尼装置与其它弹簧减振器配合，使原有的弹簧减振器具有水平阻尼，见图5-图11。将原来的减振器轴向延伸出内外筒体(1a、5a)，水平阻尼装置布置在这两个筒体之间，柔性囊(21)的材料与加工方法与例1和例5相同，当其弹力不足，不能满足弹性复位要求时，可用弹簧增加刚度。柔性囊(21)与囊座(27)连接密封构腔室，并用紧固件(28)紧固，囊座固定在一个筒体上，它也可以是筒体自身。与大气连通的阻尼管(25)采用细长的金属管或塑种管固定在腔室壁上，也可以在囊座(27)上加工出尺寸相同或等效的细长孔或槽，在其出口处加扩大的口部并罩上过滤网(29)，见图5，也可将阻尼管接入环形通道或相互连通起来，防法效果更好。其余结构与例5相同。采用环形的柔性囊结构，见图7-11，作用和效果相同。减振器配本水平空气阻尼装置后，垂直方向动刚度及阻尼比略有提高，水平方向动、静刚度及阻尼比提高很大，提高幅与具体结构有关，对垂直和水平方向刚度相当、工作荷载作用下自振频率在2-3.5Hz范围内的减振器，提高幅度与例5相当。阻尼介质选用液体可以提高阻尼值。
实施例7例6的水平阻尼装置的柔性囊式气室结构改为气缸活塞式结构，见图12，气缸(30)与活塞(22a)的滑动面要光滑，采用弹性自润滑的密封环(31)密封，弹性复位元件(26)采用弹簧，阳尼管(25)设在气缸壁上，气缸的底部设一个缓冲垫圈(32)，气缸固定在外筒或内筒上，并通过螺旋付(30a)调节侧压减摩机构的径向位置。试验结果表明工作时有摩擦阻尼，微振时影响较大，振幅大时效果较好。将阻尼介质空气换为液体，阻尼管通储液槽，阻尼值提高，见图13。
实施例8见图17、18，水平阻尼装置与空气弹簧配套，提高气弹簧的水平刚度和阻尼，改善空气弹簧的侧向稳定性。当空气弹簧上、下支承板间的高度足够时，水平阻尼装置可以设置在空气弹簧的内部，阻尼管设在肋(21b)上，再设1-2根连通水平阻尼器腔室与空气弹簧内腔的细长管(33)，使水平阻尼器腔室中的气压与空气弹簧内的静气压保持平衡，见图17。当空气弹簧内部空间不够时，水平阻尼装置可设置在空气弹簧的外部，见图18。
实施例9水平阻尼装置(20)直接安装在隔振基础上，以提高隔振基础水平方向抵抗共振和冲击的性能，改善侧向稳定性。水平阻尼器成组地布置在需要水平阻尼的方向，固定在设备底座(36)的一个垂直壁(1a)上，通过侧压减磨机构预压阻尼器，抵在支承减振器的基础座、基础箱、楼地面(37)伸出的垂直壁(5a)上，或者反过来安装。水平阻尼装置可以与减振器(35)并列安装在设备底座的下面，如图19；也可以安装在设备底座(36)与基础箱(37)之间的侧向留缝中，如图20。水平阻尼器可以采用单个柔性囊式结构或活塞式结构，侧压减摩机构采用滚动体也可以采用滑动块，根据对垂直振动影响大小的要求来选择，阻尼器的预压量用调节垫块(24)的厚度或移动带竖向壁(5a)的连接件的位置来调节。
权利要求
1.一种钢弹簧空气阻尼减振器，有上下支承体(1、5)及连接在支承体之间的柔性囊(4)，上、下支承体与柔性囊密封连接构成气室，在气室壁上有阻尼管(9)，其特征在于上、下支承体之间装有1个或1个以上钢弹簧或弹簧组(6)及调节弹簧长度并将上、下支承体连接为整体的连接杆(8)，在连接杆穿过上、下支承体处设有密封结构，气室壁上的阻尼管为一个细长的通向大气的气流通道。
2.根据权利要求1所述的减振器，其特征在于所述的柔性囊(4)是鼓形或外形为蘑菇状的，其直筒状的颈部(4a)与支承体端面轴向延伸的筒状表面(5a)相配合，并可作轴向移动调节。
3.根据权利要求1或2所述的减振器，其特征在于钢弹簧或弹簧组为压缩弹簧或弹簧组也可为拉伸弹簧或弹簧组。
4.根据权利要求1或2所述的减振器，其特征在于压缩弹簧的连接杆(8)穿过上、下支承体处的密封结构，是在支承体上留有保证工作行程的空间，安装密封盖板，拉伸弹簧的连接杆(8)穿过支承体端面处，安装密封环或涂密封胶。
5.根据权利要求1或2所述的钢弹簧空气阻尼减振器，其特征在于所述的阻尼管的孔长与水力直径之比≥5，阻尼管的数量为1个或1个以上。
6.一种水平阻尼装置，减振器上、下支承体端面延伸出内外筒状体(1a、5a)，在内外筒状体(1a、5a)之间安装的水平阻尼装置，其特征在于阻尼器固定在一个筒状体上，通过侧压减摩机构、调节机构抵在另一个筒状体表面，阻尼器由柔性囊(21)与囊座(27)或直接与筒状体密封组成腔室，在腔室的两相对活动壁之间有弹性复位元件(26)，腔室壁上有通向另一个腔室或通向室外的阻尼管(25)，侧压减摩机构由刚性支承座(22)，滚动体(23)组成，刚性支承座固定在柔性囊(21)上，并连接着滚动体，调节侧压减摩机构径向位置的调节机构为调节垫块(24)或螺旋副，所述的滚动体(23)也可以是滑动块，该滑动块与垫块(24)采用光滑的对磨平面。
7.根据权利要求6所述的水平阻尼装置，其特征在于所述的腔室为一个环形的柔性囊(21a)用肋(21b)沿圆周方向分隔而成，柔性囊与筒状体密封连接，所述的腔室和阻尼管也可以为一个环形的柔性囊(21a)与筒状体表面密封连接或两端封闭的柔性管(21c)螺旋盘绕并固定在一个筒体上，腔室内填充弹性多孔或细长管状材料(25a)，所述的腔室也可以是由气缸(30)、活塞(22a)及弹性密封环(31)组成，气缸固定在一个筒状体上，活塞兼作侧压减摩机构的附性支承座。
8.根据权利要求6或7所述的水平阻尼状置，其特征在于所述的减振器上支承体延伸出的筒状体也可以是设备或设备底座(36)，下支承体延伸出的筒状体是基础或基础箱(37)。
9.根据权利要求6或7所述的水平阳尼装置，其特征在于所述的弹性复位元件可以是以下三种材料之一，也可以是它们的组合1)由弹性材料制成的柔性囊；2)装在腔室两相对活动壁间的弹簧；3)填充在腔室内的弹性多孔或细长管状材料。
10.根据权利8所述的水平阻尼装置，其特征于所述的弹性复位元件可以是以下三种材料之一，也可以是它们的组合1)由弹性材料制成的柔性囊；2)装在腔室两相对活动壁间的弹簧；3)填充在腔室内的弹性多孔或细长管状材料。
全文摘要
一种钢弹簧空气阻尼减振器及水平阻尼装置，减振器由上下支承体与柔性囊组成密封气室，壁上有通大气的阻尼管，支承体间有钢弹簧及调节弹簧长度并连成整体的连接杆。水平阻尼装置装在减振器上下支承体延伸的内外筒状体之间，由带柔性囊的腔室、弹性复位元件、阻尼管构成的阻尼器固定在一个筒状体上，通过侧压减摩机构和调节机构抵在另一个筒状体表面。垂直和水平方向自振频率2-3.5Hz，阻尼比0.07-0.15，结构简单，性能稳定，寿命长。
文档编号F16F11/00GK1165256SQ9610760
公开日1997年11月19日 申请日期1996年5月11日 优先权日1996年5月11日
发明者黎益仁 申请人:北方设计研究院