CN112228504A - 骨架式缓冲装置及其设置方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种骨架式缓冲装置及其设置方法，在下骨架上固定有多个与上骨架连接并可使上骨架或下骨架上下自由升降的调高装置，相邻的调高装置之间均设有多个组合式弹性缓冲件，组合式弹性缓冲件上下两端分别与上骨架和下骨架固定连接。本发明通过在上骨架和下骨架之间设置多个调高装置，实现上骨架或下骨架的上下自由升降，为受压下移以及压力解除后的移动提供导向基础，在相邻的调高装置之间设置多个组合式弹性缓冲件，能够实现冲击能量快速吸收缓慢耗散的功能，有效地降低了冲击力，以保护运动主体，具有复位功能，耐腐蚀、抗疲劳性能好，可以反复使用，以降低应用成本，能够适应不同缓冲空间尺度的应用环境，适用范围广。

Description

骨架式缓冲装置及其设置方法
技术领域
本发明属于减振缓冲技术领域，具体设计一种骨架式缓冲装置及其设置方法。
背景技术
缓冲装置在航空航天领域、汽车工业以及高速机械等领域有着广泛的应用，缓冲装置的核心元件是阻尼元件。现有的阻尼元件如橡胶阻尼结构简单、加工制造方便，但耐高温和抗疲劳性能差；液压阻尼缓冲效果好、阻尼可控，但设计维护复杂；这些阻尼元件的应用场合有限，且使用性能和设计维护等方面有待进一步提升，承载能力差，阻尼小、抗老化和耐腐蚀性差，制造加工复杂，使用寿命短；而且现有的缓冲装置的布置，都是凭借经验确定缓冲装置设置的数量以及布置的位置，没有统一的依据，对工作人员技术要求较高，因此，针对上述问题，有必要进行改进。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种骨架式缓冲装置及其设置方法，通过在上骨架和下骨架之间设置多个调高装置，实现上骨架或下骨架的上下自由升降，为受压下移以及压力解除后的移动提供导向基础，在相邻的调高装置之间设置多个组合式弹性缓冲件，能够实现冲击能量快速吸收缓慢耗散的功能，有效地降低了冲击力，以保护运动主体，具有复位功能，耐腐蚀、抗疲劳性能好，可以反复使用，以降低应用成本，能够适应不同缓冲空间尺度的应用环境，适用范围广。
本发明采用的技术方案：骨架式缓冲装置，包括上骨架和位于其下方的下骨架，所述下骨架上固定有多个与上骨架连接并可使上骨架或下骨架上下自由升降的调高装置，相邻的所述调高装置之间均设有多个组合式弹性缓冲件，所述组合式弹性缓冲件上下两端分别与上骨架和下骨架固定连接。
其中，所述上骨架和下骨架为大小相同的环形结构。
进一步地，所述调高装置包括导向套管和导向杆，所述上骨架下端面固定有多个导向套管，所述下骨架上端面固定有与导向套管数量相同且位置对应的导向杆，所述导向杆***导向套管内实现上骨架的上下自由升降。
进一步地，所述组合式弹性缓冲件包括金属橡胶、弹簧和连接头，所述金属橡胶插装弹簧内腔中并通过设于弹簧两端的连接头将金属橡胶封装于弹簧内，所述弹簧上下两端部的连接头分别与上骨架和下骨架固定连接。
进一步地，所述弹簧由中部的刚性段、刚性段两端的压缩段和压缩段外端部的连接段组成，所述刚性段的节距等于弹簧的线径，所述连接头一端与连接段连接。
进一步地，所述连接头为中部设有轴肩的短轴，所述连接头一端连接段过盈配合，或所述连接头一端制有外螺纹槽且连接段旋入外螺纹槽内，所述连接头另一端与上骨架或下骨架铆接后连接头中部的轴肩抵于上骨架下端面或下骨架上端面上。
进一步地，所述连接头中部一体式设有轴环且轴环外圆周壁上制有卡口，所述连接头一端***连接段内且连接段的端部卡入卡口内，所述连接头另一端与上骨架或下骨架铆接后连接头中部轴环的对应端端面抵于上骨架下端面或下骨架上端面上。
8、骨架式缓冲装置的设置方法，其特征在于：首先根据骨架式缓冲装置的应用场合和安装空间大小，确定骨架式缓冲装置的外形尺寸；然后根据所确定的骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量和组合式弹性缓冲件所消耗的能量之间的关系，确定组合式弹性缓冲件的数量和特性；最后确定与组合式弹性缓冲件相关的技术参数，具体包括以下步骤：
1)根据所确定的骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量和组合式弹性缓冲件所消耗的能量之间的关系，确定组合式弹性缓冲件的数量，具体计算公式如下：
Figure BDA0002719189160000031
上式中，Et为骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量，mt为骨架式缓冲装置需要缓冲的总质量，v为骨架式缓冲装置需要缓冲位置的速度；
2)单个组合式弹性缓冲件所消耗的能量由加载曲线p(x)和卸载曲线q(x)所围成的迟滞回区域所决定，加载曲线p(x)和卸载曲线q(x)包络的迟滞回区域的面积即为单个金属橡胶弹簧缓冲单元所消耗的能量ΔW：
Figure BDA0002719189160000032
上式中，x为组合式弹性缓冲件(1)的压缩位移，x0为组合式弹性缓冲件的最大压缩位移；
根据骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量Et与单个组合式弹性缓冲件所消耗的能量ΔW，确定组合式弹性缓冲件的数量，具体计算关系如下：
Et≤nΔW，
上式中，n为组合式弹性缓冲件的个数；
3)确定组合式弹性缓冲件中弹簧的主要参数：根据骨架式缓冲装置安装空间大小确定弹簧的总高度H，再根据弹簧的总高度H依次确定刚性段、压缩段和连接段的高度，具体关系式如下：
H1＝(25％～30％)H，
H2＝(65％～70％)H，
H3＝(5％～10％)H，
上述中，H1为刚性段的高度，H2为压缩段的高度，H3为连接段的高度。
本发明与现有技术相比的优点：
1、本技术方案通过在上骨架和下骨架之间设置多个调高装置，实现上骨架或下骨架的上下自由升降，为受压下移以及压力解除后的移动提供导向基础；
2、本技术方案通过在相邻的调高装置之间设置多个组合式弹性缓冲件，能够实现冲击能量快速吸收缓慢耗散的功能，有效地降低了冲击力，以保护运动主体；
3、本技术方案采用具有金属橡胶和弹簧的组合式弹性缓冲件，在保证缓冲装置具备良好的复位功能的同时，使组合式弹性缓冲件具有很好的耐腐蚀、抗疲劳性能；
4、本技术方案首先根据骨架式缓冲装置的应用场合和安装空间大小，确定骨架式缓冲装置的外形尺寸，然后根据所确定的骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量和组合式弹性缓冲件所消耗的能量之间的关系，确定组合式弹性缓冲件的数量和特性，最后确定与组合式弹性缓冲件相关的技术参数，提供可靠有效的缓冲装置布置依据，满足缓冲应用位置出的使用需求；
5、本技术方案可以反复使用，以降低应用成本，通过调整组合式弹性缓冲件的尺寸以及上骨架和下骨架的形状构型，可柔性适用于不同的缓冲应用领域，适用范围广。
附图说明
图1为本发明骨架式缓冲装置结构示意图；
图2为本发明组合式弹性缓冲件结构示意图；
图3为发明弹簧结构示意图；
图4为发明第一种连接头结构示意图；
图5为本发明第二种连接头结构示意图；
图6为采用传统缓冲结构的方案一和采用本发明的方案二的下瞬时最大等效应力对比图；
图7为本发明单个组合式弹性缓冲件加载的能量和压缩位移的特性关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图1-7描述本发明的一种实施例，从而对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
骨架式缓冲装置，如图1所示，包括上骨架2和位于其下方的下骨架3，上骨架2和下骨架3的形状可呈现环状、饼状、板状等多种形状，所述下骨架3上固定有多个与上骨架2连接并可使上骨架2或下骨架3上下自由升降的调高装置4，相邻的所述调高装置4之间均设有多个组合式弹性缓冲件1，所述组合式弹性缓冲件1上下两端分别与上骨架2和下骨架3固定连接；采用上述结构，能够实现大阻尼耗散能量和快速复位的功能，且通过调整组合式弹性缓冲件1和上骨架2和下骨架3的尺寸及构型，可柔性适用于不同的缓冲应用领域。
当上骨架2和下骨架3为大小相同的环形结构时，调高装置4分布于上骨架2的环形底面和下骨架3的环形顶面之间，所述调高装置4包括导向套管4-1和导向杆4-2，所述上骨架2下端面固定有多个导向套管4-1，所述下骨架3上端面固定有与导向套管4-1数量相同且位置对应的导向杆4-2，所述导向杆4-2***导向套管4-1内实现上骨架2的上下自由升降，实现上骨架2和下骨架3的快速复位的功能。
如图2所示，所述组合式弹性缓冲件1包括金属橡胶1-1、弹簧1-2和连接头1-3，所述金属橡胶1-1插装弹簧1-2内腔中并通过设于弹簧1-2两端的连接头1-3将金属橡胶1-1封装于弹簧1-2内，所述弹簧1-2上下两端部的连接头1-3分别与上骨架2和下骨架3固定连接，上述结构中，金属橡胶1-1是通过橡胶上缠绕螺旋状不锈钢丝编织成的金属丝网，缠绕成特定形状或者采用螺旋卷直接缠绕成特定形状等方法形成金属橡胶毛坯块，最后在模具中压制成条状的金属橡胶1-1，将金属橡胶块装配到可变节距的弹簧1-2内，采用上述结构的组合式弹性缓冲件1，能够实现冲击能量快速吸收以及缓慢耗散的功能，有效地降低了冲击力，以保护运动主体，此外组合式弹性缓冲件1具有复位功能，结合金属橡胶1-1耐腐蚀、抗疲劳等特点，可以反复使用，降低应用成本。
如图3所示，所述弹簧1-2由中部的刚性段1-21、刚性段1-21两端的压缩段1-22和压缩段1-22外端部的连接段1-23组成，所述刚性段1-21的节距等于弹簧1-2的线径，所述连接头1-3一端与连接段1-23连接。
如图4所示，所述连接头1-3为中部设有轴肩的短轴，所述连接头1-3一端连接段1-23过盈配合，或所述连接头1-3一端制有外螺纹槽1-31且连接段1-23旋入外螺纹槽1-31内，所述连接头1-3另一端与上骨架2或下骨架3铆接后连接头1-3中部的轴肩抵于上骨架2下端面或下骨架3上端面上。
如图5所示，所述连接头1-3中部一体式设有轴环且轴环外圆周壁上制有卡口1-32，所述连接头1-3一端***连接段1-23内且连接段1-23的端部卡入卡口1-32内，所述连接头1-3另一端与上骨架2或下骨架3铆接后连接头1-3中部轴环的对应端端面抵于上骨架2下端面或下骨架3上端面上。
骨架式缓冲装置的设置方法，首先根据骨架式缓冲装置的应用场合和安装空间大小，确定骨架式缓冲装置的外形尺寸；然后根据所确定的骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量和组合式弹性缓冲件1所消耗的能量之间的关系，确定组合式弹性缓冲件1的数量和特性；最后确定与组合式弹性缓冲件1相关的技术参数，具体包括以下步骤：
1)根据所确定的骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量和组合式弹性缓冲件1所消耗的能量之间的关系，确定组合式弹性缓冲件1的数量，具体计算公式如下：
Figure BDA0002719189160000081
上式中，Et为骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量，mt为骨架式缓冲装置需要缓冲的总质量，v为骨架式缓冲装置需要缓冲位置的速度；
2)单个组合式弹性缓冲件1所消耗的能量由加载曲线p(x)和卸载曲线q(x)所围成的迟滞回区域所决定，如图7所示，加载曲线p(x)和卸载曲线q(x)包络的迟滞回区域的面积即为单个金属橡胶弹簧缓冲单元所消耗的能量ΔW：
Figure BDA0002719189160000082
上式中，x为组合式弹性缓冲件(1)的压缩位移，x0为组合式弹性缓冲件(1)的最大压缩位移；
根据骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量Et与单个组合式弹性缓冲件1所消耗的能量ΔW，确定组合式弹性缓冲件(1)的数量，具体计算关系如下：
Et≤nΔW，
上式中，n为组合式弹性缓冲件1的个数；
3)确定组合式弹性缓冲件1中弹簧1-2的主要参数：根据骨架式缓冲装置安装空间大小确定弹簧(1-2)的总高度H，再根据弹簧1-2的总高度H依次确定刚性段1-21、压缩段1-22和连接段1-23的高度，具体关系式如下：
H1＝(25％～30％)H，
H2＝(65％～70％)H，
H3＝(5％～10％)H，
上述中，H1为刚性段1-21的高度，H2为压缩段1-22的高度，H3为连接段1-23的高度；上述计算过程中，H1等于25％H、26％2H、27％H、28％H、29％H或30％H，H2等于65％H、66％H、67％H、68％H、69％H或70％H，H3等于5％H、6％H、7％H、8％H、9％H或10％H；上述结构中，组合式弹性缓冲件1的数量确定后形成的骨架式缓冲装置，可以是如图1所示的单个环状结构，也可以是大环内设置小环的结构。
分别建立相同压缩比条件下的不同缓冲装置的瞬态动力学模型，进行仿真计算对比，三维模型中建立近乎同等网格条件下的两种缓冲装置模型进行计算以便加以比较，其他计算设置相同，由此得到两种缓冲装置下瞬时的最大等效应力对比图，如图6所示，为采用传统缓冲结构的方案一和采用本发明的方案二的下瞬时最大等效应力对比图，图中，方案一为采用传统方案的变形消耗能量，仅能使用一次，方案二为采用骨架式缓冲装置的变形消耗能量，能多次重复利用，图中显示，方案一在0.12ms时已经超过了材料的屈服极限(450MPa)，远远大于缓冲要求的许用应力(200MPa)；而方案二的瞬态等效应力均低于要求的许用应力。
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (8)

1.骨架式缓冲装置，其特征在于：包括上骨架(2)和位于其下方的下骨架(3)，所述下骨架(3)上固定有多个与上骨架(2)连接并可使上骨架(2)或下骨架(3)上下自由升降的调高装置(4)，相邻的所述调高装置(4)之间均设有多个组合式弹性缓冲件(1)，所述组合式弹性缓冲件(1)上下两端分别与上骨架(2)和下骨架(3)固定连接。
2.根据权利要求1所述的骨架式缓冲装置，其特征在于：所述上骨架(2)和下骨架(3)为大小相同的环形结构。
3.根据权利要求1或2所述的骨架式缓冲装置，其特征在于：所述调高装置(4)包括导向套管(4-1)和导向杆(4-2)，所述上骨架(2)下端面固定有多个导向套管(4-1)，所述下骨架(3)上端面固定有与导向套管(4-1)数量相同且位置对应的导向杆(4-2)，所述导向杆(4-2)***导向套管(4-1)内实现上骨架(2)的上下自由升降。
4.根据权利要求3所述的骨架式缓冲装置，其特征在于：所述组合式弹性缓冲件(1)包括金属橡胶(1-1)、弹簧(1-2)和连接头(1-3)，所述金属橡胶(1-1)插装弹簧(1-2)内腔中并通过设于弹簧(1-2)两端的连接头(1-3)将金属橡胶(1-1)封装于弹簧(1-2)内，所述弹簧(1-2)上下两端部的连接头(1-3)分别与上骨架(2)和下骨架(3)固定连接。
5.根据权利要求4所述的骨架式缓冲装置，其特征在于：所述弹簧(1-2)由中部的刚性段(1-21)、刚性段(1-21)两端的压缩段(1-22)和压缩段(1-22)外端部的连接段(1-23)组成，所述刚性段(1-21)的节距等于弹簧(1-2)的线径，所述连接头(1-3)一端与连接段(1-23)连接。
6.根据权利要求5所述的骨架式缓冲装置，其特征在于：所述连接头(1-3)为中部设有轴肩的短轴，所述连接头(1-3)一端连接段(1-23)过盈配合，或所述连接头(1-3)一端制有外螺纹槽(1-31)且连接段(1-23)旋入外螺纹槽(1-31)内，所述连接头(1-3)另一端与上骨架(2)或下骨架(3)铆接后连接头(1-3)中部的轴肩抵于上骨架(2)下端面或下骨架(3)上端面上。
7.根据权利要求5所述的骨架式缓冲装置，其特征在于：所述连接头(1-3)中部一体式设有轴环且轴环外圆周壁上制有卡口(1-32)，所述连接头(1-3)一端***连接段(1-23)内且连接段(1-23)的端部卡入卡口(1-32)内，所述连接头(1-3)另一端与上骨架(2)或下骨架(3)铆接后连接头(1-3)中部轴环的对应端端面抵于上骨架(2)下端面或下骨架(3)上端面上。
8.骨架式缓冲装置的设置方法，其特征在于：首先根据骨架式缓冲装置的应用场合和安装空间大小，确定骨架式缓冲装置的外形尺寸；然后根据所确定的骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量和组合式弹性缓冲件(1)所消耗的能量之间的关系，确定组合式弹性缓冲件(1)的数量和特性；最后确定与组合式弹性缓冲件(1)相关的技术参数，具体包括以下步骤：
1)根据所确定的骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量和组合式弹性缓冲件(1)所消耗的能量之间的关系，确定组合式弹性缓冲件(1)的数量，具体计算公式如下：
Figure FDA0002719189150000021
上式中，Et为骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量，mt为骨架式缓冲装置需要缓冲的总质量，v为骨架式缓冲装置需要缓冲位置的速度；
2)单个组合式弹性缓冲件(1)所消耗的能量由加载曲线p(x)和卸载曲线q(x)所围成的迟滞回区域所决定，加载曲线p(x)和卸载曲线q(x)包络的迟滞回区域的面积即为单个金属橡胶弹簧缓冲单元所消耗的能量ΔW：
Figure FDA0002719189150000031
上式中，x为组合式弹性缓冲件(1)的压缩位移，x0为组合式弹性缓冲件(1)的最大压缩位移；
根据骨架式缓冲装置需要缓冲的总能量Et与单个组合式弹性缓冲件(1)所消耗的能量ΔW，确定组合式弹性缓冲件(1)的数量，具体计算关系如下：
Et≤nΔW，
上式中，n为组合式弹性缓冲件(1)的个数；
3)确定组合式弹性缓冲件(1)中弹簧(1-2)的主要参数：根据骨架式缓冲装置安装空间大小确定弹簧(1-2)的总高度H，再根据弹簧(1-2)的总高度H依次确定刚性段(1-21)、压缩段(1-22)和连接段(1-23)的高度，具体关系式如下：
H1＝(25％～30％)H，
H2＝(65％～70％)H，
H3＝(5％～10％)H，
上述中，H1为刚性段(1-21)的高度，H2为压缩段(1-22)的高度，H3为连接段(1-23)的高度。
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