CN108708931B - 一种调谐变曲面轨道-弹簧摆式三维隔震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调谐变曲面轨道‑弹簧摆式三维隔震装置，包括装置外缘板、支撑梁、上层板、中间层板、下层板、万向弹簧摆、隔震单元和弹簧滑块十字结构，上层板、中间层板及下层板由上至下依次层叠设置，隔震单元分别设置于上层板与中间层板之间、中间层板与下层板之间，各层隔震单元相互正交，万向弹簧摆固定连接在上层板下表面中心，支撑梁的下端通过弹簧滑块十字结构与装置外缘板固定连接。本发明具有水平和竖向三维隔震能力；具有较好的水平减速、摩擦耗能、自复位、减震等能力，可有效防止文物飞出、倾覆等危险，竖向隔震采用锲形凹槽直线滑轨、锲形滑块和弹簧的方式，稳定性好，不会受水平地震作用的干扰。

Description

一种调谐变曲面轨道-弹簧摆式三维隔震装置

技术领域

本发明涉及一种隔震装置，尤其涉及一种调谐变曲面轨道-弹簧摆式文物三维隔震装置。

背景技术

我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带之间，大部分国土位于地震多发区域。我国超过半数的博物馆位于Ⅵ度及其以上的高烈度区域，地震活动频繁，每次地震灾害对博物馆展陈文物的破坏极其严重，给我们带来了惨痛的教训。博物馆馆藏文物具有重要的文化、历史和艺术价值，保护意义重大。馆藏文物多以浮放为主，在地震动荷载作用下其运动特征主要为滑动、摇晃、扭转和倾覆等。目前，我国博物馆针对馆藏浮放文物大多通过支、黏、卡、绑等方法来提高文物的抗震性能，这些抗震方法虽在一定程度上提高了文物的抗震性能，但也存在破坏文物、抗震效果差、影响文物美观等问题。而国外博物馆已大量推广应用文物隔震装置来对浮放文物进行防震保护，如滚轮式、滚珠式、摩擦摆式等，但目前应用较多的文物隔震装置仅具有水平向隔震能力，越来越多近断层地震记录表明，竖向峰值加速度可能超过水平向峰值加速度，从而使得竖向地震作用不容忽视；同时，少数的文物三维隔震装置的竖向隔震结构采用弹簧套筒形式，这一类结构在水平地震作用下稳定性并不好，且竖向隔震性能一般。因此，开发具有三维隔震能力、自复位功能、限位保护功能、良好稳定性和良好隔震性能的小型化文物三维隔震装置具有重要的意义和广泛的应用前景。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种调谐变曲面轨道-弹簧摆式三维隔震装置，包括：

装置外缘板，其具有内部容纳空间；

竖向隔震单元，其设置在所述装置外缘板的内部容纳空间内；

支撑板，其包括依次连接的上层板、中间层板和下层板；所述中间层板和下层板具有中部通孔；所述下层板与竖向隔震单元连接；所述上层板的两侧的侧板上设置有抗拔变曲面导向轨道Ⅰ；所述上层板的两侧均设置有与抗拔变曲面导向轨道Ⅰ平行的两个上层板滚轮；所述中间层板的两侧设置有与上层板滚轮相匹配的变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ，且中间层板在变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ的外侧设置有与抗拔变曲面导向轨道Ⅰ相配合的圆形轮轴；所述中间层板的另外两侧均设置有两个中间层板滚轮；所述下层板的两侧的侧板上设置与中间层板滚轮的轮轴相配合的抗拔变曲面导向轨道Ⅱ；所述下层板的两侧设置有与中间层板滚轮相匹配的变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ；

万向弹簧摆，其上端可转动连接在上层板的底部中心位置，所述万向弹簧摆的下端悬空。

优选的是，所述竖向隔震单元为具有上下层的弹簧滑块十字结构，弹簧滑块十字结构包括：滑动组件，其包括锲形凹槽直线导轨、可滑动连接在锲形凹槽直线导轨内的锲形滑块和弹簧Ⅰ；所述弹簧Ⅰ的一端与锲形滑块连接，另一端与锲形凹槽直线导轨内部连接；所述滑动组件有四个，其分别连接在所述装置外缘板的四个内壁上；矩形十字梁，其十字梁的端部分别连接四个滑动组件的锲形滑块上；其中，上层的弹簧滑块十字结构的滑动组件的弹簧Ⅰ位于锲形滑块的上方，下层的弹簧滑块十字结构的滑动组件的弹簧Ⅰ位于锲形滑块的下方；四个支撑梁，其分别与上下层的弹簧滑块十字结构的矩形十字梁的端部连接，且所述四个支撑梁的上端部与下层板的底部连接。

优选的是，所述万向弹簧摆包括：万向球卡套、弹簧Ⅱ及集中质量摆球，所述集中质量摆球与弹簧Ⅱ固定连接，所述万向球卡套的下端与弹簧Ⅱ固定连接，所述万向球卡套的上端固定连接于所述上层板底部中心位置。

优选的是，所述上层板滚轮通过轴承与上层板的矩形安装孔固定连接，所述上层板滚轮与上层板的矩形安装孔设有间隙，所述轴承的形心位置低于上层板厚度方向形心之下；所述中间层板滚轮通过轴承与中间层板的矩形安装孔固定连接，所述中间层板滚轮与中间层板的矩形安装孔设有间隙，所述轴承的形心位置低于中间层板厚度方向形心之下。

优选的是，所述抗拔变曲面导向轨道Ⅰ与所述中间层板的圆形轮轴相切，所述圆形轮轴与所述抗拔变曲面导向轨道Ⅰ之间设有间隙。

优选的是，所述下层板与装置外缘板的顶部设有间隙，其间隙宽度与锲形凹槽直线导轨长度一致。

优选的是，还包括，配重块，其设置在所述下层的弹簧滑块十字结构的矩形十字梁的交叉处。

优选的是，抗拔变曲面导向轨道Ⅰ和抗拔变曲面导向轨道Ⅱ均为弧形轨道；所述变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ和变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ均为弧形轨道。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)本发明具有水平和竖向三维隔震能力；

(2)采用变曲面及变摩擦系数摩擦滚轮结构，具有较好的水平减速、摩擦耗能，自复位等能力，具有一定的水平解耦能力；

(3)弹簧摆结构具有万向摆动特征，可起到减振效果。

(4)抗拔导向轨道设有限位保护结构，可有效放置隔震装置发生飞出、倾覆等危险；

(5)竖向隔震采用锲形凹槽直线导轨、锲形滑块和弹簧的方式，稳定性好，不会受到水平地震作用的干扰。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明调谐变曲面轨道-弹簧摆式三维隔震装置的结构示意图；

图2是本发明所述上层板的结构示意图；

图3是本发明所述中间层板的结构示意图；

图4是本发明所述下层板的结构示意图；

图5是本发明水平隔震部分(上层板、中间层板、下层板)结构示意图；

图6是本发明所述弹簧滑块十字结构的整体结构示意图；

图7是本发明所述弹簧滑块十字结构的分解结构示意图；

图8是本发明所滑动组件的结构示意图；

图9是本发明所述调谐变曲面轨道-弹簧摆式-三维隔震装置的工作状态示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1～9示出了一种调谐变曲面轨道-弹簧摆式三维隔震装置，包括：

装置外缘板7，其具有内部容纳空间；

竖向隔震单元，其设置在所述装置外缘板7的内部容纳空间内；

支撑板，其包括依次连接的上层板1、中间层板2和下层板3；所述中间层板2和下层板3具有中部通孔；所述下层板3与竖向隔震单元连接；所述上层板1的两侧的侧板5上设置有抗拔变曲面导向轨道Ⅰ6；所述上层板1的两侧均设置有与抗拔变曲面导向轨道Ⅰ6平行的两个上层板滚轮101；所述中间层板2的两侧设置有与上层板滚轮101相匹配的变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ10，且中间层板2在变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ10的外侧设置有与抗拔变曲面导向轨道Ⅰ6相配合的圆形轮轴12；所述中间层板2的另外两侧均设置有两个中间层板滚轮13；所述下层板3的两侧的侧板31上设置与中间层板滚轮13的轮轴131相配合的抗拔变曲面导向轨道Ⅱ32；所述下层板3的两侧设置有与中间层板滚轮13相匹配的变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ33；

万向弹簧摆4，其上端可转动连接在上层板1的底部中心位置，所述万向弹簧摆的下端悬空。

在这种技术方案中，上层板与中间层板之间、中间层板与下层板之间形成多层隔震单元，位于同层的隔震单元呈“11”构型分布，且位于不同层的隔震单元之间呈正交分布；将馆藏文物100直接浮放于上层板上部，如图9所示，在地震动水平向分量的作用下，两个上层板滚轮沿变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ滚动，两个中间层板滚轮沿变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ滚动，在滚动过程中产生摩擦力，且摩擦力随上层板滚轮和中间层板滚轮在变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ和变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ的运动而发生变化：在中间位置摩擦力最小，越往两端滚动摩擦力越大，在中间位置曲面半径最小，越往两端曲面半径越大。这样可防止在地震突然发生时，初始摩擦力过大而导致文物发生倾覆，同时摩擦力随曲面半径线性变化，使得减速过程趋于平稳，同时，变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ和变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ可满足隔震装置在强震作用下的大位移滚动需求，万向弹簧摆通过摆动变形，吸收地震能量。呈正交布置的双层隔震单元可实现水平向360°的摩擦耗能隔震，且如图5所示，由于变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ和变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ的中部凹槽曲面半径较小，当上层板滚轮和中间层板滚轮在曲面轨道上滚动时，上部重力将产生恢复力，克服摩擦力从而使得整体装置恢复到最初位置，具有自复位功能。

在上述技术方案中，所述竖向隔震单元为具有上下层(91,92)的弹簧滑块十字结构9，弹簧滑块十字结构9包括：滑动组件，其包括锲形凹槽直线导轨18、可滑动连接在锲形凹槽直线导轨18内的锲形滑块17和弹簧Ⅰ21；所述弹簧Ⅰ21的一端与锲形滑块17连接，另一端与锲形凹槽直线导轨18内部连接(即弹簧Ⅰ连接在锲形凹槽直线导轨和锲形滑块形成的弹簧槽20内)；所述滑动组件有四个，其分别连接在所述装置外缘板7的四个内壁上；矩形十字梁19，其十字梁的端部分别连接四个滑动组件的锲形滑块17上；其中，上层的弹簧滑块十字结构91的滑动组件的弹簧Ⅰ21位于锲形滑块17的上方，下层的弹簧滑块十字结构92的滑动组件的弹簧Ⅰ21位于锲形滑块17的下方；四个支撑梁8，其分别与上下层(91,92)的弹簧滑块十字结构的矩形十字梁19的端部连接，且所述四个支撑梁8的上端部与下层板3的底部连接。

在这种技术方案中，在地震动竖向分量的作用下，弹簧滑块十字结构9带动支撑梁8及上层板上的文物等在上下方向平稳小幅运动，锲形滑块17沿锲形凹槽直线导轨18上下运动，在摩擦耗能的同时还可承受水平向的力，且由于锲形凹槽直线导轨18与装置外缘板7的内壁固定连接，只存在上下方向的运动自由度，而不会在水平地震分量的作用下产生摇晃等现象；万向弹簧摆通过摆动变形，起到吸收能能量的减振器效果，减小隔震装置上下的振动幅度。弹簧Ⅰ21起到缓冲和软支撑的作用，与锲形滑块17配合，当地震动竖向分量向上传递地震能量是，首先由弹簧Ⅰ21吸收部分能力，延长振动周期，并将剩余能量传递到锲形滑块17和锲形凹槽直线导轨18，进一步通过摩擦来耗损地震能量。

在上述技术方案中，所述万向弹簧摆包括：万向球卡套14、弹簧15及集中质量摆球16，所述集中质量摆球与弹簧Ⅱ固定连接，所述万向球卡套的下端与弹簧Ⅱ固定连接，所述万向球卡套的上端固定连接于所述上层板底部中心位置。万向弹簧摆通过摆动变形，起到吸收能能量的减振器效果，减小隔震装置上下的振动幅度。

在上述技术方案中，所述上层板滚轮101通过轴承与上层板的矩形安装孔固定连接，所述上层板滚轮101与上层板的矩形安装孔设有间隙，所述轴承的形心位置低于上层板厚度方向形心之下；所述中间层板滚轮13通过轴承与中间层板2的矩形安装孔11固定连接，所述中间层板滚轮13与中间层板2的矩形安装孔11设有间隙，所述轴承的形心位置低于中间层板厚度方向形心之下。采用这种方式，可以方便的实现上层板滚轮101和中间层板滚轮13的滚动；所述轴承优选圆柱滚子轴承，亦可使用调心滚子轴承或圆锥滚子轴承等，轴承需要有足够的径向承载力、一定的轴承承载力和调心能力。

在上述技术方案中，所述抗拔变曲面导向轨道Ⅰ6与所述中间层板的圆形轮轴12相切，所述圆形轮轴12与所述抗拔变曲面导向轨道Ⅰ6之间设有间隙，采用这种方式，使圆形轮轴12在抗拔变曲面导向轨道Ⅰ6内方便滑动，进而使上层板滚轮在变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ内的滑动平稳有效。

在上述技术方案中，所述下层板3与装置外缘板7的顶部设有间隙，其间隙宽度与锲形凹槽直线导轨长度一致，设置间隙宽度是为避免水平向和竖向发生碰撞，使其运动独立不相互约束。

在上述技术方案中，还包括，配重块22，其设置在所述下层的弹簧滑块十字结构92的矩形十字梁19的交叉处，增加配重块，可改变装置的振动特性，从而实现装置特性的可调整性，以适应不同的使用需求，实现性态化设计。

在上述技术方案中，抗拔变曲面导向轨道Ⅰ和抗拔变曲面导向轨道Ⅱ均为弧形通孔轨道；所述变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ和变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ均为弧形槽轨道，采用这种方式，在地震动水平向分量的作用下，两个上层板滚轮沿变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ滚动，两个中间层板滚轮沿变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ滚动，在滚动过程中产生摩擦力，且摩擦力随上层板滚轮和中间层板滚轮在变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ和变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ的运动而发生变化：在中间位置摩擦力最小，越往两端滚动摩擦力越大，在中间位置曲面半径最小，越往两端曲面半径越大。这样可防止在地震突然发生时，初始摩擦力过大而导致文物发生倾覆，同时摩擦力随曲面半径线性变化，使得减速过程趋于平稳。

在本发明中，当遭遇三向地震作用时，本发明的调谐变曲面轨道-弹簧摆式三维文物隔震装置的工作状态如图9所示，通过上层板滚轮、中间层板滚轮、变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ、变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ、弹簧滑块十字结以及万向弹簧摆共同作用，可实现水平和竖直三个方向的摩擦耗能隔震。

本发明的调谐变曲面轨道-弹簧摆式三维文物隔震装置的阻尼力主要由上层板滚轮、中间层板滚轮、变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ、变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ之间的摩擦力以及锲形滑块和锲形凹槽直线导轨18之间的摩擦力产生。

本发明具有水平和竖向三维隔震能力；具有较好的水平减速、摩擦耗能、自复位、减震等能力，可有效防止文物飞出、倾覆等危险，竖向隔震采用锲形凹槽直线滑轨、锲形滑块和弹簧的方式，稳定性好，不会受水平地震作用的干扰。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种调谐变曲面轨道-弹簧摆式三维隔震装置，其特征在于，包括：

装置外缘板，其具有内部容纳空间；

竖向隔震单元，其设置在所述装置外缘板的内部容纳空间内；

支撑板，其包括依次连接的上层板、中间层板和下层板；所述中间层板和下层板具有中部通孔；所述下层板与竖向隔震单元连接；所述上层板的两侧的侧板上设置有抗拔变曲面导向轨道Ⅰ；所述上层板的两侧均设置有与抗拔变曲面导向轨道Ⅰ平行的两个上层板滚轮；所述中间层板的两侧设置有与上层板滚轮相匹配的变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ，且中间层板在变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ的外侧设置有与抗拔变曲面导向轨道Ⅰ相配合的圆形轮轴；所述中间层板的另外两侧均设置有两个中间层板滚轮；所述下层板的两侧的侧板上设置与中间层板滚轮的轮轴相配合的抗拔变曲面导向轨道Ⅱ；所述下层板的两侧设置有与中间层板滚轮相匹配的变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ；

万向弹簧摆，其上端可转动连接在上层板的底部中心位置，所述万向弹簧摆的下端悬空；

所述竖向隔震单元为具有上下层的弹簧滑块十字结构，弹簧滑块十字结构包括：滑动组件，其包括锲形凹槽直线导轨、可滑动连接在锲形凹槽直线导轨内的锲形滑块和弹簧Ⅰ；所述弹簧Ⅰ的一端与锲形滑块连接，另一端与锲形凹槽直线导轨内部连接；所述滑动组件有四个，其分别连接在所述装置外缘板的四个内壁上；矩形十字梁，其十字梁的端部分别连接四个滑动组件的锲形滑块上；其中，上层的弹簧滑块十字结构的滑动组件的弹簧Ⅰ位于锲形滑块的上方，下层的弹簧滑块十字结构的滑动组件的弹簧Ⅰ位于锲形滑块的下方；四个支撑梁，其分别与上下层的弹簧滑块十字结构的矩形十字梁的端部连接，且所述四个支撑梁的上端部与下层板的底部连接；

所述万向弹簧摆包括：万向球卡套、弹簧Ⅱ及集中质量摆球，所述集中质量摆球与弹簧Ⅱ固定连接，所述万向球卡套的下端与弹簧Ⅱ固定连接，所述万向球卡套的上端固定连接于所述上层板底部中心位置；

所述上层板滚轮通过轴承与上层板的矩形安装孔固定连接，所述上层板滚轮与上层板的矩形安装孔设有间隙，所述轴承的形心位置低于上层板厚度方向形心之下；所述中间层板滚轮通过轴承与中间层板的矩形安装孔固定连接，所述中间层板滚轮与中间层板的矩形安装孔设有间隙，所述轴承的形心位置低于中间层板厚度方向形心之下；

所述抗拔变曲面导向轨道Ⅰ与所述中间层板的圆形轮轴相切，所述圆形轮轴与所述抗拔变曲面导向轨道Ⅰ之间设有间隙；

所述下层板与装置外缘板的顶部设有间隙，其间隙宽度与锲形凹槽直线导轨长度一致；

还包括，配重块，其设置在所述下层的弹簧滑块十字结构的矩形十字梁的交叉处；

抗拔变曲面导向轨道Ⅰ和抗拔变曲面导向轨道Ⅱ均为弧形通孔轨道；所述变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ和变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ均为弧形槽轨道；

锲形滑块沿锲形凹槽直线导轨上下运动，锲形凹槽直线导轨与装置外缘板的内壁固定连接；

万向弹簧摆通过摆动变形；

两个上层板滚轮沿变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ滚动，两个中间层板滚轮沿变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ滚动，且摩擦力随上层板滚轮和中间层板滚轮在变曲面-变摩擦系数轨道Ⅰ和变曲面-变摩擦系数轨道Ⅱ的运动而发生变化：在中间位置摩擦力最小，越往两端滚动摩擦力越大，在中间位置曲面半径最小，越往两端曲面半径越大。