CN105805227A - 一种可变频的金属丝网橡胶隔振器及其零部件的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种可变频的金属丝网橡胶隔振器，包括主轴、上端板、复位弹簧、金属丝网橡胶阻尼材料、底座、下端板、形状记忆合金驱动丝；主轴一端固定在底座上，另一端为自由端；下端板套装在底座上，上端板套装在主轴上；上端板和下端板之间填充金属丝网橡胶阻尼材料；在主轴外侧套有复位弹簧；用形状记忆合金驱动丝连接上端板和下端板。本发明的隔振器可以实现半主动的振动抑制，不仅能减轻高频冲击振动的危害，同时可以简单地接通电源改变自身的固有频率，以避免低频振动被放大。该隔振器阻尼材料由金属丝网制成，疲劳性能更好。本发明的隔振器结构简单，部件较少，部件制作简单，易于加工和装配，可靠性更好，成本低廉，容易实现工程应用。

Description

一种可变频的金属丝网橡胶隔振器及其零部件的制作方法

技术领域

本发明涉及航空航天等领域的隔振器件技术领域，具体是一种可变频的金属丝网橡胶隔振器及其零部件的制作方法。

背景技术

航天器在火箭运载过程中往往经历振动和冲击的过程，在这些过程中航天器内部容易出现结构破坏，局部失稳，尤其在如今航天器搭载的电子设备越来越多，电子设备稳定性要求越来越高的情况下，减少振动冲击对航天器内部电子设备的损害变得十分重要。目前振动抑制手段按照控制过程中是否需要外界供能可以将其主要划分为三种：被动控制、主动控制和半主动控制。

被动振动控制，即指通过改变被控结构的质量分布以降低其振动响应，或者在原被控结构上增添附加的隔振设备来吸收或消耗结构振动的能量。这种方法无需从外部输入能量，在许多场合下能取得良好的减振效果，是最早研究的一种振动控制方法。此方法对于高频振动有一定的抑制作用，同时还具有结构简单、易于实现、经济环保等优点，具有高的可靠性和鲁棒性，但这种方法缺乏控制上的灵活性，对环境变化适应性差。

为了克服被动控制方法的缺点，研究人员提出了主动控制的方法并进行了探索。主动控制具有控制效果好，适应能力强等优点，但因其控制***较为复杂，可靠性不高，体积较大，成本高昂且需要外界提供能量，在应用中也有很多局限。

随着振动控制手段的发展，半主动控制的概念被提出，半主动控制方法兼具主动控制和被动控制的优点，仅需外部提供较少的能量，***稳定可靠，成本较低，占用体积小，应用范围广，因而受到人们越来越多的关注。

由于本发明的隔振器为一种半主动振动控制手段，利用金属丝网橡胶作为阻尼材料，形状记忆合金材料作为驱动器对有害振动和冲击进行抑制，下面简要介绍金属丝网橡胶和形状记忆合金的相关性能。

金属橡胶材料（MetalRubber，简称MR）是一种由金属丝按照一定规则螺旋编织后通过冷冲压制成的弹性多孔材料。其内部金属丝之间相互挤压、勾连，在受到振动载荷时，金属丝之间相对滑移产生干摩擦力，耗散大量振动中的能量，从而起到减震耗能的作用。金属丝网橡胶阻尼材料是由其材料内部层与层之间的金属丝网相互嵌合、勾连起来，形成具有橡胶般弹性的材料。当作为阻尼元件受到外部作用力时，层与层间的作用力可以耗散冲击以及振动的影响。当作为过滤元件在流体介质中时，金属丝网橡胶阻尼材料间的毛细孔压缩，能够达到缓和流体介质的压力。基于以上的特性，可以知道，金属丝网橡胶阻尼材料主要可以应用到隔振、密封、过滤等几方面。金属橡胶作为一种高性能新型材料，自问世以来便被国内外学者关注，对其进行了大量研究。

形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy，简写SMA）作为一种新型智能材料，以它独特的形状记忆效应和超弹性效应，以及优良的理化性能和生物相容性，在工程、控制、医疗、能源与机械等领域应用日趋广泛。形状记忆合金的形状记忆机制是基于一种可逆的固态相变，即低温相马氏体和高温相奥氏体之间的转变，这种相变称作马氏体相变。常用的镍-钛形状记忆合金存在三种基本的晶体结构：马氏体、奥氏体、应力诱发马氏体。当合金为低温马氏体相时，合金较软，表现为具有很好的延展性和可拉伸性，当被加热到一定温度后，合金开始收缩并转变为奥氏体，表现为强度和刚度得到明显提高。应力诱发马氏体是指对处于奥氏体状态的合金施加外力，则合金发生奥氏体向马氏体的转变，所形成马氏体为应力诱发马氏体。当应力去除后，则又转变为奥氏体。这种效应称为超弹性。

形状记忆合金（SMA）除了通常的弹性变形、塑性变形、热膨胀及收缩外，还具有三种形状记忆特点：

1）单程形状记忆效应：对处于马氏体状态的合金施加外力，使其产生塑性变形，卸除外力后，则塑性变形被保留下。对合金进行加热，则可回复到变形前的状态。此后，再对合金进行冷却，则没有形状的改变。由于单程形状记忆效应能够产生大的恢复力和恢复应变，因此在驱动器的应用上较多。

2）双程形状记忆效应：除了单程形状记忆效应外，对加热后的合金再进行冷却，合金仍可发生形状的改变，而不需要施加外力，即通过加热与冷却可使形状反复变化。但由于双程形状记忆效应在恢复力与恢复应变方面均比单程效应小，用来作为受力驱动元件的不多。

3）超弹性：在高于的奥氏体转变结束温度条件下，对形状记忆合金施加外力，使其发生变形，如卸除外力，则合金完全回复到初始形状，而不需要加热或冷却，这种特点被称作超弹性。

目前将SMA用作阻尼材料的研究多集中地震减振领域，作为阻尼材料，如凌育洪等人设计了一种新型SMA阻尼器并对其减振性能进行研究，该设计仅仅是一种被动隔振器的设计，不需要外界供能，也不能改变自身的固有频率。（见期刊：华南理工大学学报(自然科学版)，2011年,6月，第39卷第6期）

现有常用的隔振器往往是被动隔振器，只在特定范围内能起到特定的隔振效果，降低冲击或者高频振动的影响，在其固有频率附近的振动不仅不能抑制反而会放大。而且常用的普通的橡胶隔振器等疲劳寿命有限且经常会因为发生永久变形而被破坏。

本发明中利用形状记忆合金的形状记忆效应作为驱动器，同时结合金属丝网橡胶作为阻尼材料设计的半主动隔振器目前尚未见任何相关报道。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种可变频的金属丝网橡胶隔振器及其零部件的制作方法，该隔振器可以根据需要改变该隔振器的固有频率，更好地降低冲击振动的影响，并且能够降低分离等阶段的冲击影响，以及避免正常工作时引擎等低频振动的放大，提高被隔振设备的安全性和稳定性。

本发明的可变频的金属丝网橡胶隔振器，包括主轴、上端板、复位弹簧、金属丝网橡胶阻尼材料、底座、下端板、形状记忆合金驱动丝。主轴一端固定在底座上，另一端为自由端；下端板套装在底座上，上端板套装在主轴上；上端板和下端板之间填充金属丝网橡胶阻尼材料；在主轴外侧套有复位弹簧；用形状记忆合金驱动丝连接上端板和下端板。

进一步的，所述上端板和下端板均为凸字形，下端板的突起部分为空心结构，上端板的突起部分***下端板的突起部分。

更进一步，所述主轴为阶梯轴，在直径最大的轴段的两侧轴肩处填充金属丝网橡胶阻尼材料，金属丝网橡胶阻尼材料位于主轴和下端板突起部分内壁之间。

更进一步，所述复位弹簧套装在下端板突起部分外侧。

另一种改进，所述上端板和下端板均设置丝孔，形状记忆合金驱动丝穿过丝孔将上端板和下端板连接起来。

另一种改进，所述可变频的金属丝网橡胶隔振器还包括导向螺栓，所述导向螺栓与主轴平行。

用于上述可变频的金属丝网橡胶隔振器的金属丝网橡胶阻尼材料的制作方法如下：选用不锈钢丝，在模具上缠绕数圈后将其压缩，压缩至所需要的尺寸或比例，即完成金属丝网橡胶阻尼材料的制作。

用于上述可变频的金属丝网橡胶隔振器的形状记忆合金驱动丝的处理方法如下：选用形状记忆合金丝、Ni-Ti合金；首先对形状记忆合金丝进行性能稳定化处理，即将形状记忆合金丝在0℃冰水和100℃的沸水中反复浸泡50次以上，每次浸泡时间不少于2分钟；然后对形状记忆合金丝进行退火处理，退火加热温度450℃，保温30分钟，随炉冷却；最后对形状记忆合金丝进行拉伸应变处理。

本发明的可变频的金属丝网橡胶隔振器利用具有形状记忆效应的SMA丝作为驱动元件，利用金属丝网橡胶作为阻尼材料，可以通过直流电源加热驱动元件发生相变，压缩金属丝网橡胶阻尼材料，从而改变隔振器的固有频率。未通直流电时，隔振器固有频率较小，更好地降低冲击振动的影响；通以直流电加热驱动元件后，隔振器固有频率变高，可避免隔振器放大低频振动，从而保证隔振器既能降低分离等阶段的冲击影响，也能避免正常工作时引擎等低频振动的放大，提高被隔振设备的安全性和稳定性。

本发明的隔振器具有如下优点：与传统的被动隔振器相比，该隔振器可以实现半主动的振动抑制，不仅能减轻高频冲击振动的危害，同时可以简单地接通电源改变自身的固有频率，以避免低频振动被放大。与主动控制方法相比，该隔振器具有结构简单，体积小，可靠性更好，成本低廉等优点。同时和普通橡胶等隔振器相比，该隔振器阻尼材料由金属丝网制成，疲劳性能更好。本发明的隔振器结构简单，部件较少，部件制作简单，易于加工和装配，容易实现工程应用。

附图说明

图1为本发明隔振器主视剖视图；

图2为本发明隔振器左视图；

图3为本发明隔振器俯视图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种可变频的金属丝网橡胶隔振器及零部件制作方法进行详细说明。

如图1所示，本发明的可变频的金属丝网橡胶隔振器，包括主轴1、上端板2、复位弹簧3、金属丝网橡胶阻尼材料4、底座5、下端板6、形状记忆合金驱动丝（形状记忆合金驱动丝未在图中示出）。主轴1一端固定在底座5上，另一端为自由端。下端板6套装在底座5上，上端板2套装在主轴1上。上端板2和下端板6均为凸字形，下端板6的突起部分为空心结构，上端板2的突起部分***下端板6的突起部分。主轴1为阶梯轴，在直径最大的轴段的两侧轴肩处填充金属丝网橡胶阻尼材料4，金属丝网橡胶阻尼材料4位于主轴1和下端板6突起部分内壁之间。复位弹簧3套装在下端板6突起部分外侧。上端板2和下端板6均设置丝孔，形状记忆合金驱动丝穿过丝孔将上端板2和下端板6连接起来。可变频的金属丝网橡胶隔振器还包括导向螺栓，导向螺栓与主轴1平行。

可变频隔振器的制作主要分为三部分：金属丝网橡胶阻尼材料的制作，形状记忆合金驱动丝的预处理和零部件的加工。

可变频隔振器的金属丝网橡胶阻尼材料的制作方法：选用直径为0.2毫米的不锈钢丝，在特定尺寸的模具上缠绕数圈后将其压缩，模具尺寸根据需要确定，压缩至所需要的尺寸，本实施例中压缩至不锈钢丝的体积占比为25%，即完成金属丝网橡胶阻尼材料的制作。

形状记忆合金驱动丝的预处理：选用直径为0.5毫米的形状记忆合金丝、合金为Ni含量为50.1at%的Ni-Ti合金。首先对形状记忆合金丝进行性能稳定化处理，即将形状记忆合金丝在0℃冰水和100℃的沸水中反复浸泡50次以上，每次浸泡时间不少于2分钟，以稳定其性能。然后对形状记忆合金丝进行退火处理，消除内部应力，提高塑性以利于弯曲。退火加热温度450℃，保温30分钟，随炉冷却。最后对形状记忆合金丝进行拉伸应变处理，预拉伸应变量为5%。

以上尺寸只是为了示例使用，并不限制本发明保护的范围，具体尺寸需要根据不同的实际需要确定。

其他各零部件的加工：上端板、下端板以及主轴均用钢材加工而成，使用成品绝缘垫保证形状记忆合金丝和上端板以及下端板间绝缘。

变频过程：接通直流电源，保持直流电源电压为10V左右，通过焦耳热对形状记忆合金驱动丝进行加热，当形状记忆合金驱动丝到奥氏体相变温度后，形状记忆合金驱动丝产生收缩力，拉紧上端板，上端板对金属丝网橡胶阻尼材料压缩，使阻尼材料的刚度变大，隔振器的固有频率增加。切断电源后，形状记忆合金丝逐渐冷却，由奥氏体相转变为马氏体相，此时在复位弹簧的作用下，形状记忆合金丝恢复至原来的长度，同时隔振器的固有频率也恢复到驱动前的固有频率。通过接通和切断电源的操作可以实现隔振器的反复变频。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可变频的金属丝网橡胶隔振器，其特征在于：包括主轴、上端板、复位弹簧、金属丝网橡胶阻尼材料、底座、下端板、形状记忆合金驱动丝；主轴一端固定在底座上，另一端为自由端；下端板套装在底座上，上端板套装在主轴上；上端板和下端板之间填充金属丝网橡胶阻尼材料；在主轴外侧套有复位弹簧；用形状记忆合金驱动丝连接上端板和下端板。

2.根据权利要求1所述的可变频的金属丝网橡胶隔振器，其特征在于：所述上端板和下端板均为凸字形，下端板的突起部分为空心结构，上端板的突起部分***下端板的突起部分。

3.根据权利要求2所述的可变频的金属丝网橡胶隔振器，其特征在于：所述主轴为阶梯轴，在直径最大的轴段的两侧轴肩处填充金属丝网橡胶阻尼材料，金属丝网橡胶阻尼材料位于主轴和下端板突起部分内壁之间。

4.根据权利要求3所述的可变频的金属丝网橡胶隔振器，其特征在于：所述复位弹簧套装在下端板突起部分外侧。

5.根据权利要求1所述的可变频的金属丝网橡胶隔振器，其特征在于：所述上端板和下端板均设置丝孔，形状记忆合金驱动丝穿过丝孔将上端板和下端板连接起来。

6.根据权利要求1所述的可变频的金属丝网橡胶隔振器，其特征在于：所述可变频的金属丝网橡胶隔振器还包括导向螺栓，所述导向螺栓与主轴平行。

7.用于权利要求1所述的可变频的金属丝网橡胶隔振器的金属丝网橡胶阻尼材料的制作方法如下：选用不锈钢丝，在模具上缠绕数圈后将其压缩，压缩至所需要的尺寸或比例，即完成金属丝网橡胶阻尼材料的制作。

8.用于权利要求1所述的可变频的金属丝网橡胶隔振器的形状记忆合金驱动丝的处理方法如下：选用形状记忆合金丝、Ni-Ti合金；首先对形状记忆合金丝进行性能稳定化处理，即将形状记忆合金丝在0℃冰水和100℃的沸水中反复浸泡50次以上，每次浸泡时间不少于2分钟；然后对形状记忆合金丝进行退火处理，退火加热温度450℃，保温30分钟，随炉冷却；最后对形状记忆合金丝进行拉伸应变处理。