颗粒阻尼器和颗粒阻尼器的设计方法

技术领域

本发明涉及减振阻尼技术领域，具体的是一种颗粒阻尼器，还是一种颗粒阻尼器的设计方法。

背景技术

机械设备在工作时一般会产生剧烈振动，这些振动载荷极不平衡，并且部件之间存在振动放大效应，导致工作精度降低、主结构疲劳加快和结构断裂等问题，因此设备上一般需要安装减振装置。

颗粒阻尼减振技术具有附加质量小、耐久度高、价格低廉等特点，已被广泛应用于机械设备减振中。如中国专利CN 112031196 A，公开日期2020年12月4日，公开的一种《一种可组合的颗粒阻尼器》，该阻尼器可以根据安装空间进行灵活组装，实现多种场景的灵活应用，同时所述阻尼器可选用多种填充物作为减振材料，实现宽频率的减振效果。但连接结构可靠性低，在不同振动环境条件下想要达到最优振动效果，需要频繁通过更换装置配置及颗粒填充量来满足，没有一定的自我调节能力，颗粒运动时与容器壁相互作用仅能产生较少的能量耗散，无法充分发挥颗粒与容器碰撞的耗能，且颗粒产生单一的减振作用，用途单一。

发明内容

为了解决上述现有颗粒阻尼器没有自我调节能力而导致的减振效果不好的问题，本发明提供了一种颗粒阻尼器和颗粒阻尼器的设计方法，所述颗粒阻尼器的壳体填充硬质阻尼颗粒和半硬质阻尼颗粒的混合物，硬质阻尼颗粒与半硬质阻尼颗粒的协同作用，能够根据振动环境的变化自动调节颗粒碰撞行为，在相同条件下具有更高的能量耗散能力。

本发明实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种颗粒阻尼器，包括外壳，所述外壳含有上下连接的盖板和壳体，壳体内含有容纳空腔和分隔板，容纳空腔被分隔板分隔形成主腔体和子腔体，主腔体的容积大于子腔体的容积，主腔体内含有第一阻尼颗粒，所述第一阻尼颗粒为硬质阻尼颗粒和半硬质阻尼颗粒的混合物。

上述技术方案的有益效果是：主腔体填充常规硬质阻尼颗粒+半硬质阻尼颗粒，硬质阻尼颗粒与半硬质阻尼颗粒的协同作用，不仅能够起到减振的同时降噪，而且能够根据振动环境的变化自动调节颗粒碰撞行为，减少阻尼器更换。

所述外壳为正棱柱结构，壳体含有上下连接的侧周壁和底壁，底壁为正多边形结构，分隔板与底壁的角一一对应，子腔体的总容积为主腔体的容积的1/10-1/20。

所述硬质阻尼颗粒的材质为固体金属，所述硬质阻尼颗粒的弹性模量为100GPa-400GPa，所述半硬质阻尼颗粒的材质为塑料或橡胶，所述半硬质阻尼颗粒的弹性模量为60MPa-1000MPa。

在主腔体内，所述硬质阻尼颗粒与所述半硬质阻尼颗粒数量比为10：1至50：1，所述第一阻尼颗粒在竖直方向上排列至少一层，所述第一阻尼颗粒能够在水平方向排列10个以上，所述第一阻尼颗粒的填充率为80％-95％。

子腔体内含有第二阻尼颗粒，所述第二阻尼颗粒为硬质阻尼颗粒，子腔体内的所述阻尼颗粒为硬质阻尼颗粒，所述硬质阻尼颗粒的材质为固体金属，所述硬质阻尼颗粒的弹性模量为100GPa-400GPa；在子腔体内，所述第二阻尼颗粒粒径小于2mm，所述第二阻尼颗粒的填充率为10％-40％。

壳体的内表面设置有凸起颗粒，所述第一阻尼颗粒与凸起颗粒接触，凸起颗粒的材质为硬质合金，凸起颗粒呈规则地行列排布。

壳体的边缘外设置有卯榫结构，侧周壁含有多个侧壁面，侧壁面与底壁的侧边一一对应，沿侧周壁的周向，卯榫结构含有交替地设置于侧壁面外的榫单元和卯单元，沿水平方向相邻的两个所述颗粒阻尼器能够通过各自的榫单元和卯单元匹配连接，榫单元和卯单元的连接总长度和侧壁面的连接长度相同，所述榫单元和卯单元的安装方向为上下方向。

底壁上设置有个安装通孔，安装通孔与底壁的角一一对应，安装通孔位于子腔体内，沿竖直方向相邻的两个所述颗粒阻尼器能够通过紧固件连接，紧固件含有螺母和螺栓，螺栓穿过安装通孔，螺母位于子腔体内。

一种颗粒阻尼器的设计方法，所述颗粒阻尼器的设计方法依次包括以下步骤：

步骤1、振动检测

获取待减振物体的振动行为，分析得出所述待减振物体的主频率及加速度；

步骤2、设计减振单元

根据所述待减振物体周围能够利用的减振空间，设计颗粒阻尼器的外形尺寸，所述颗粒阻尼器的外形尺寸为在所述能够利用的减振空间中至少能够平铺安装1个颗粒阻尼器；所述颗粒阻尼器为上述的颗粒阻尼器；

步骤3、试验室最佳颗粒匹配试验

制作出所述颗粒阻尼器的所述外壳，在主腔体内填充所述第一阻尼颗粒，以所述待减振物体的目标振动值为标准，在减振试验台上进行所述颗粒阻尼器的减振试验，通过有限次的实验获得最佳的所述第一阻尼颗粒的物理参数及所述外壳的尺寸。

本发明实施例的有益效果是：

1、主腔体填充常规硬质阻尼颗粒+半硬质阻尼颗粒，硬质阻尼颗粒与半硬质阻尼颗粒的协同作用，不仅能够起到减振的同时降噪，而且能够根据振动环境的变化自动调节颗粒碰撞行为，减少阻尼器更换。

2、子腔体中填充小直径硬质阻尼颗粒对螺柱表面进行强化处理，增强螺柱疲劳寿命，提升连接件可靠性。

3、所述颗粒阻尼器具有横向平铺、纵向延伸功能，能够快速组装模块，适应不同的振动场景；

4、所述颗粒阻尼器的壳体的内表面设置有凸起颗粒，可以改变阻尼颗粒运动行为，提高中间部分颗粒与内腔的碰撞强度，在相同条件下具有更高的能量耗散能力。

5、六边形的壳体组合致密，能够最大限度利用待减振结构有限的空间，适用性强。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是壳体的主视示意图。

图2是壳体的立体示意图。

图3是壳体安装紧固件时的示意图。

图4是多个壳体沿水平方向连接安装的示意图。

图5是垫板的主视示意图。

图6是垫板的立体示意图。

图7是本发明所述颗粒阻尼器的装配示意图。

附图标记说明如下：

1、壳体；2、卯榫结构；3、安装通孔；4、紧固件；5、垫板；6、盖板；

101、主腔体；102、子腔体；103、容纳空腔；104、侧周壁；105、底壁；106、分隔板；107、侧壁面；

201、榫单元； 202、卯单元；

401、螺母； 402、螺栓；

501、凸起颗粒。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了便于理解和描述，本发明的下述描述中采用了绝对位置关系，如无特别说明，其中的方位词“上”表示垂直于图1的纸面并指向纸面外侧的方向，方位词“下”表示垂直于图1的纸面并指向纸面内侧的方向，方位词“左”表示图1中的左侧方向，方位词“右”表示图1中的右侧方向，方位词“前”表示图1中的上侧方向，方位词“后”表示图1中的下侧方向。本发明采用了阅读者或使用者的观察视角进行描述，但上述方位词不能理解或解释为是对本发明保护范围的限定。

如图1至图3、图7所示，本发明实施例所述的一种颗粒阻尼器，包括外壳，所述外壳含有上下连接的盖板6和壳体1，壳体1内含有容纳空腔103和分隔板106，容纳空腔103被分隔板106分隔形成一个主腔体101和多个子腔体102，主腔体101的容积大于子腔体102的容积，主腔体101内含有第一阻尼颗粒，所述第一阻尼颗粒为硬质阻尼颗粒和半硬质阻尼颗粒的混合物。

主腔体101也可以是多个，主腔体101的容积大于子腔体102的容积，所述颗粒阻尼器的主腔体101内填充硬质阻尼颗粒和半硬质阻尼颗粒的混合物，硬质阻尼颗粒与半硬质阻尼颗粒的协同作用，能够根据振动环境的变化自动调节颗粒碰撞行为，在相同条件下具有更高的能量耗散能力。

在本实施例中，所述外壳为正棱柱结构，壳体1含有上下连接的侧周壁104和底壁105，凸起颗粒501可以位于侧周壁104、底壁105和盖板6中的一个或多个的内表面。底壁105为正多边形结构，分隔板106与底壁105的角一一对应，分隔板106位于底壁105的每一个角，容纳空腔103被分隔板106分隔形成一个主腔体101和多个子腔体102，子腔体102的总容积为主腔体101的容积的1/10-1/20。

例如，所述外壳为正六棱柱结构，底壁105为正六边形结构，侧周壁104含有六个侧壁面107，六个侧壁面107与底壁105的六个侧边一一对应，分隔板106位于底壁105的六个角，容纳空腔103被分隔板106分隔形成一个主腔体101和六个子腔体102。采用六边形结构实现平面密铺，可以充分利用待减振结构空间。

容纳空腔103的主腔体101和子腔体102内均填充有阻尼颗粒，主腔体101内含填充第一阻尼颗粒，子腔体102内填充第二阻尼颗粒，所述第一阻尼颗粒和第二阻尼颗粒均可以为圆球形。优选，主腔体101内的所述阻尼颗粒的直径大于子腔体102内所述阻尼颗粒的直径。

在主腔体101内，所述硬质阻尼颗粒的材质可以为固体金属，例如铁或铝，所述硬质阻尼颗粒的弹性模量为100GPa-400GPa。所述半硬质阻尼颗粒的材质可以为塑料或橡胶，例如发泡塑料或发泡橡胶，所述半硬质阻尼颗粒的弹性模量为60MPa-1000MPa。

在主腔体101内，所述硬质阻尼颗粒与所述半硬质阻尼颗粒的直径可以根据有限次实验获得，所述硬质阻尼颗粒与所述半硬质阻尼颗粒数量比为10：1至50：1，所述第一阻尼颗粒在竖直方向(即上下方向)上排列至少一层，所述第一阻尼颗粒能够在水平方向排列10个以上，所述第一阻尼颗粒的填充率可以为80％-95％。

硬质阻尼颗粒与半硬质阻尼颗粒的协同作用，一是在减振的同时可以降低噪音减振目的，二是半硬质阻尼颗粒的变形+回复，在振动过程中，半硬质阻尼颗粒与硬质阻尼颗粒碰撞产生变形，且随着振动强度的增大半硬质阻尼颗粒变形越大，硬质阻尼颗粒运动空间增大，从而提升碰撞耗能作用，而在设备停止运作即振动停止时，半硬质阻尼颗粒变形得以恢复，从而达到自调节的目的。

在子腔体102内含有第二阻尼颗粒，所述第二阻尼颗粒为硬质阻尼颗粒，所述硬质阻尼颗粒的材质为固体金属，例如铁或铝，所述硬质阻尼颗粒的弹性模量为100GPa-400GPa；在子腔体102内，所述第二阻尼颗粒粒径小于2mm，所述第二阻尼颗粒的填充率为10％-40％。

壳体1的内表面设置有凸起颗粒501，所述第一阻尼颗粒与凸起颗粒501接触，凸起颗粒501的材质为硬质合金，凸起颗粒501呈规则地行列排布。或者，如图5至图7所示，所述外壳还含有垫板5，垫板5匹配地设置于主腔体101内，垫板5可以采用金属板，如钢板。垫板5与底壁105和/或盖板6层叠连接，当垫板5与底壁105层叠连接时，凸起颗粒501位于垫板5的上表面；当垫板5与盖板6层叠连接时，凸起颗粒501位于垫板5的下表面。

在现有的颗粒阻尼器中，只有靠近内壁的边缘位置颗粒可以与盒体进行相互作用，中间部分只能产生颗粒间相互作用，使得中间部分的颗粒对能量的耗散率不如边缘位置的颗粒。本发明中，所述颗粒阻尼器的壳体的内表面设置有凸起颗粒501，凸起颗粒501可以位于盖板6和/或壳体1的内表面，所述阻尼颗粒能够与凸起颗粒501接触。将颗粒与内腔底壁之间由仅发生摩擦耗能作用转变为发生碰撞摩擦作用，增加了颗粒运动激烈程度，提升颗粒间的耗能作用实现降低主结构振动响应，改变了阻尼颗粒运动行为，提高中间部分颗粒与内腔的碰撞强度，在相同条件下具有更高的能量耗散能力。

凸起颗粒501的材质可以为硬质合金或其它耐磨耐冲击的材料，凸起颗粒501呈规则地行列排布，凸起颗粒501呈锥形结构，凸起颗粒501的体积为10mm

本发明中模块化的颗粒阻尼器(可以称为模块化颗粒阻尼器)之间采用简单机械机构连接，提升可靠性，可以满足临时快速安装需求，大幅提升可调谐频带宽度；增强了阻尼颗粒与壳体的相互作用，在相同的填充率下可以实现更好的能量耗散效果。所述颗粒阻尼器根据功能分为主腔体101与子腔体102，其中主腔体101可以实现减振降噪及碰撞自调节作用，子腔体102可以增强连接件的疲劳寿命，提升连接件可靠性。

如图4所示，为了实现在水平方向上多个颗粒阻尼器的平铺组合，壳体1的边缘外侧设置有卯榫结构2，侧周壁104含有多个侧壁面107，侧壁面107与底壁105的侧边一一对应，沿侧周壁104的周向，卯榫结构2含有交替地设置于侧壁面107外的榫单元201和卯单元202，沿水平方向相邻的两个所述颗粒阻尼器通过各自的榫单元201和卯单元202匹配连接，所述榫单元201和卯单元202的安装方向为上下方向。

例如，所述外壳为正六棱柱结构，侧周壁104含有六个侧壁面107，沿侧周壁104的周向，侧壁面107外的榫单元201和卯单元202交替排列，榫单元201位于侧壁面107的中部，卯单元202位于侧壁面107的两端，两个卯单元202形成一个卯槽，沿水平方向相邻的两个所述颗粒阻尼器的榫单元201与所述卯槽匹配连接。且需要保证榫单元201和卯单元202的连接总长度应和侧壁面107的连接长度相同，以确保两侧连接强度匹配。

为了实现在竖直方向上多个颗粒阻尼器的组合，底壁105上设置有个安装通孔3，安装通孔3与底壁105的角一一对应，安装通孔3位于子腔体102内，安装通孔3与子腔体102相对应，沿竖直方向相邻的两个所述颗粒阻尼器通过紧固件4连接，紧固件4含有螺母401和螺栓402，螺栓402穿过安装通孔3，螺母401位于子腔体102内，安装通孔3的孔径大于螺栓402的直径但小于螺母401外缘。

如图7所示，盖板6与底壁105上下对称且互为镜像，盖板6上设置有个安装通孔3，盖板6上的安装通孔3与底壁105上的安装通孔3一一对应，螺栓402穿过盖板6上的安装通孔3和底壁105上的安装通孔3。

螺母401的高度小于子腔体102的高度，在子腔体102内填充的硬质阻尼颗粒能够与螺栓402的外周面接触。在子腔体102内填充小直径硬质阻尼颗粒对下述螺栓402表面进行强化处理，增强螺柱疲劳寿命，提升连接件可靠性。在竖直方向上多个颗粒阻尼器可以采用紧固件4连接固定，也可以采用焊接的方式连接固定。

根据待减振部件的振动情况，匹配对应的颗粒阻尼器进行对应组合，将颗粒阻尼器通过卯榫结构2实现快速的横向平铺组合，进一步地通过紧固件4实现颗粒阻尼器的纵向延伸组合。

一种颗粒阻尼器的设计方法，所述颗粒阻尼器的设计方法依次包括以下步骤：

步骤1、振动检测

获取待减振物体的振动行为，分析得出所述待减振物体的主频率及加速度；

步骤2、设计减振单元

根据所述待减振物体周围能够利用的减振空间，设计颗粒阻尼器的外形尺寸，所述颗粒阻尼器的外形尺寸为在所述能够利用的减振空间中至少能够平铺安装1个颗粒阻尼器；所述颗粒阻尼器为上述的颗粒阻尼器；

步骤3、试验室最佳颗粒匹配试验

制作出所述颗粒阻尼器的所述外壳，在主腔体101内填充所述第一阻尼颗粒，在子腔体102内填充所述第二阻尼颗粒，以所述待减振物体的目标振动值为标准，在减振试验台上进行所述颗粒阻尼器的减振试验，通过有限次的实验获得最佳的所述第一阻尼颗粒和所述第二阻尼颗粒的物理参数及所述外壳的尺寸。

例如通过有限次的实验获得：在主腔体101中，所述硬质阻尼颗粒的弹性模量为100GPa-400GPa，半硬质阻尼颗粒的弹性模量在60-1000MPa。硬质阻尼颗粒与半硬质阻尼颗粒数量比为10：1到50：1，阻尼颗粒的粒径尺寸保证在主腔体101平面方向能够容纳大于10个，主腔体101厚度方向填充量不少于1层阻尼颗粒，阻尼颗粒在主腔体101中填充率为80％-95％。在子腔体102中，填充圆形的硬质阻尼颗粒，硬质阻尼颗粒的粒径小于2mm，在振动过程中，颗粒对螺栓402表面进行强化处理，增强螺柱疲劳寿命，填充率为10％-40％。

实际使用中，可根据实际情况调整组合的所述颗粒阻尼器数量，并且每个所述颗粒阻尼器中颗粒的尺寸、填充率、材料等参数也可以不同，以此可以扩展应用场景。

可以根据实际情况选择是否加入垫板5。也可以使用焊接等方式将垫板5固定在壳体内；或者制作壳体时，将垫板5直接做成壳体底面，这样可以简化安装过程，减少附加质量。

若进行多层叠加安装，可以省略除顶层的所述颗粒阻尼器外的盖板6，即多个上下层叠设置的所述颗粒阻尼器中仅有顶层的所述颗粒阻尼器有盖板6，其余各层的所述颗粒阻尼器均没有有盖板6。直接使用上层盒体压住下层，以此可以减少附加质量，并加快安装速度。

下面介绍所述颗粒阻尼器的具体使用情况。

对某振动结构进行现场测量，随后安装所述颗粒阻尼器，对比前后相关指标变化。可以看出实施例减振效果可达61％，替代例同样也有一定的减振效果，为45％，减振效果弱于本发明；本发明所述颗粒阻尼器产生的噪音仅为60db，而替代例由于无软性颗粒，噪音增大到70db，如表1所示。

表1

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案、技术方案与技术方案、实施例与实施例之间均可以自由组合使用。