一种适用于海工装备的惯容型非线性能量阱

技术领域

本发明涉及减振系统技术领域，特别是一种适用于海工装备的惯容型非线性能量阱。

背景技术

在实际工程中，振动不可避免地存在于各个领域，振动造成的危害也时有发生，因此对振动的控制具有非常重要的意义；现在的大多数减振器中，线性减振器由于构造简单、成本低、容易实现，是目前常用的振动控制技术之一；然而线性减振器的吸振频率窄的缺点，很大程度上限制了它的应用范围，非线性能量阱的提出克服了线性吸振器吸振频率窄的问题，非线性能量阱是一种靶能量传递的非线性被动减振装置，在控制结构振动过程中，以靶能量传递的方式从振动结构把能量传递到非线性能量阱装置中，并且能量传递是单向不可逆的，而且具有传递的效率高、速度快、对于能量大小的选择性强等特点，实现宽频吸振，且鲁棒性更好，目前在各类减振领域均有应用，非线性能量阱装置因其非恒定的非线性刚度，进而可以捕捉结构振动能量至减振系统中，惯容可以使用小质量来获得较大的表观质量，因此惯容与非线性能量阱结合，能够提升减振装置的吸能及耗能效率，实现振动的有效控制；

然而在随着对非线性能量阱的深入研究，各种非线性能量阱装置层出不穷，大多数非线性能量阱装置都是在振子的运动方向两侧连接机械弹簧，由弹簧提供非线性恢复力，这种装置在与惯容器的集成使用时，需要利用其他机械结构使其连接，这就会造成机械结构在振动冲击发生时，刚性较大，容易造成机械结构的损坏，同时这类装置空间利用率低，现场实施困难，使用受到很大的环境限制；除外还有磁流式的非线性能量阱装置，这类设计大多比较复制，难以运用到实际工作中，且该类装置是利用磁场实现的，容易收到外部磁场的干扰，抗干扰能力弱，应用受到极大限制，并且磁流式的非线性能量阱由于其利用磁场的原理提供非线性恢复力，所以很难和惯容相结合，因此在实际工程中需要一种将惯容和非线性能量阱集成的设计，使得非线性能量阱装置能够与惯容结合运用到各类减振领域中。

随着推动实现“双碳”目标，能源结构转型，各国都在大规模发展海上风电场，围绕海上风电为中心的海工装备，如海上风电安装船、FPS0上吊机和各类型海上风机等得到迅速发展，针对于比陆地振动更复杂的海洋环境，在海洋中工作的机械装备时刻受到各种外力载荷(风、冰、流、波浪和地震等载荷)，其引起的装备振动问题日益严重；因此迫切需要一种适用各种大型海工装备的减振装置，以减少设备受复杂海洋载荷所造成的振动问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种适用于海工装备的惯容型非线性能量阱，实现对减振系统的控制激励频带地大幅拓宽，提高流体惯容器的减振效果。

实现上述目的的本发明的技术方案为，一种适用于海工装备的惯容型非线性能量阱，可应用于海上风电安装平台、FPS0上吊机和各类型海上风机的减振，该减振装置包括起到支撑固定作用的底板、设置于底板上方的附加质量箱、设置于底板上方且位于附加质量箱一侧的惯容型非线性能量阱减振装置，所述惯容型非线性能量阱减振装置远离附加质量箱一侧还设有支架，所述惯容型非线性能量阱减振装置的两端与支架、附加质量箱通过铰链连接，所述附加质量箱的下方设有横向移动装置，所述附加质量箱远离支架一侧还设有挡板；所述横向移动装置包括横向滑轨、滑动安装于横向滑轨上的滑块，所述滑块的上表面与附加质量箱的下表面通过螺栓连接，所述挡板设置于横向滑轨的外侧，所述支架、挡板、横向滑轨通过螺栓与底板连接固定。

对本技术方案的进一步补充，所述惯容型非线性能量阱减振装置包括后端盖、前端盖、缸体、外部螺旋管、活塞、活塞杆、连接体、橡胶膜，所述后端盖、连接体、缸体、前端盖依次设置，所述连接体设置于后端盖与缸体之间，所述橡胶膜设置于后端盖与连接体之间，所述后端盖与连接体的一端固定连接且连接体的另一端与缸体固定连接，所述外部螺旋管与缸体通过阀口连接从而使得上下腔体连通，所述活塞收容于缸体内且与其内表面滑动连接，所述活塞杆固定安装在活塞上且其一端穿过前端盖的表面与附加质量箱通过铰链连接，所述后端盖一侧设有连接块且其上设有连接孔，所述后端盖通过连接块上的连接孔与支架铰链连接；

其中橡胶膜、活塞将惯容型非线性能量阱减振装置分为三个腔室，分布为气腔室、下油液腔室和上油液腔室。

对本技术方案的进一步补充，所述后端盖与连接体之间通过周向阵列设置的若干连接螺母、垫片和螺栓紧固。

对本技术方案的进一步补充，所述缸体上前后两侧还分别设有第一透盖、第二透盖。

对本技术方案的进一步补充，所述活塞杆与活塞通过第一锁紧螺母连接固定。

对本技术方案的进一步补充，所述附加质量箱包括箱体、设置于箱体上方的箱盖、设置于箱体内的质量块、固定杆、设置于箱体一侧的连接部，所述固定杆的下端通过固定螺母固定在箱体内部，所述固定杆穿过质量块且通过第二锁紧螺母紧固，所述箱盖与箱体可拆卸连接，所述连接部与活塞杆通过铰链连接。

对本技术方案的进一步补充，所述固定杆至少设有2个。

对本技术方案的进一步补充，所述支架呈亅字形。

对本技术方案的进一步补充，所述挡板呈L字形。

对本技术方案的进一步补充，所述箱体与箱盖通过内六角螺钉连接固定。

其有益效果在于，本发明利用橡胶膜和空气的压缩效应提供非线性恢复力，在装置工作中，橡胶膜能提供一个线性恢复力和一个非线性恢复力，能够更好的解决频率鲁棒性差和能量鲁棒性差的问题，此外，与使用机械弹簧来提供弹性效果不同，本设计中使用了橡胶，这将使机械应用的制造和实施更加容易，同时非线性能量阱装置和惯容器集成的设计和单活塞杆的设计也使得流体惯容器惯质系数不变的情况下，减小了流体惯容器的轴向尺寸，减少配合面的数量，降低整体的装配难度，使其结构更紧凑，空间利用率更高，该设计也使得惯性、阻尼和弹性效集于一体，用于减轻各类海工设备受到复杂海洋环境载荷引起的不必要振动。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是图1中惯容型非线性能量阱减振装置的剖视结构示意图；

图3是图1中附加质量箱的剖视图；

图4是惯容型非线性能量阱装置工作原理图；

图5是橡胶膜工作示意图；

图中，1、支架；2、底板；3、惯容型非线性能量阱减振装置；4、附加质量箱；5、挡板；6、横向滑轨；7、滑块；8、后端盖；81、连接块；811、连接孔；9、螺栓；10、连接体；11、垫片；12、连接螺母；13、第二透盖；14、外部螺旋管；15、第一透盖；16、前端盖；17、活塞杆；18、缸体；19、活塞；20、第一锁紧螺母；21、橡胶膜；111、气腔室；112、下油液腔室；113、上油液腔室；22、箱体；23、箱盖；24、固定杆；25、第二锁紧螺母；26、内六角螺钉；27、质量块；28、固定螺母；29、连接部。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本技术方案更加清楚，下面将结合附图1-5说明上述各个机构的具体结构和原理：

一种适用于海工装备的惯容型非线性能量阱，包括起到支撑固定作用的底板2、设置于底板2上方的附加质量箱4、设置于底板2上方且位于附加质量箱4一侧的惯容型非线性能量阱减振装置3，惯容型非线性能量阱减振装置3远离附加质量箱4一侧还设有支架1，惯容型非线性能量阱减振装置3的两端与支架1、附加质量箱4通过铰链连接，附加质量箱4的下方设有横向移动装置，附加质量箱4远离支架1一侧还设有挡板5；横向移动装置包括横向滑轨6、滑动安装于横向滑轨6上的滑块7，滑块7的上表面与附加质量箱4的下表面通过螺栓9连接，挡板5设置于横向滑轨6的外侧，支架1、挡板5、横向滑轨6通过螺栓9与底板2连接固定，橡胶膜21截面为圆形，其中，附加质量箱4能够通过滑块7在横向滑轨6上做横向移动；为了更好地支撑且起到限位作用，支架1呈亅字形，挡板5呈L字形。

下面将对惯容型非线性能量阱减振装置3的结构做详细地阐述，其包括后端盖8、前端盖16、缸体18、外部螺旋管14、活塞19、活塞19杆17、连接体10、橡胶膜21，所述后端盖8、连接体10、缸体18、前端盖16依次设置，连接体10设置于后端盖8与缸体18之间，橡胶膜21设置于后端盖8与连接体10之间，后端盖8与连接体10的一端固定连接且连接体10的另一端与缸体18固定连接，外部螺旋管14与缸体18通过阀口连接从而使得上下腔体连通，活塞19收容于缸体18内且与其内表面滑动连接，活塞19杆17固定安装在活塞19上且其一端穿过前端盖16的表面与附加质量箱4通过铰链连接，后端盖8一侧设有连接块81且其上设有连接孔811，后端盖8通过连接块81上的连接孔811与支架1铰链连接；其中橡胶膜21、活塞19将惯容型非线性能量阱减振装置3分为三个腔室，分布为气腔室111、下油液腔室112和上油液腔室113；为了更好地进行拆卸，后端盖8与连接体10之间通过周向阵列设置的若干连接螺母12、垫片11和螺栓9紧固，详细地，所述活塞19杆17与活塞19通过第一锁紧螺母20连接固定。

更佳地，缸体18上前后两侧还分别设有第一透盖15、第二透盖13。

下面将对附加质量箱4包括箱体22、设置于箱体22上方的箱盖23、设置于箱体22内的质量块27、固定杆24、设置于箱体22一侧的连接部29，固定杆24的下端通过固定螺母28固定在箱体22内部，固定杆24穿过质量块27且通过第二锁紧螺母25紧固，箱盖23与箱体22可拆卸连接，连接部29与活塞19杆17通过铰链连接；进一步地，固定杆24至少设有2个，箱体22与箱盖23通过内六角螺钉26连接固定，拆卸便捷，使用效果佳。

具体使用时，底板2与外部装置相连接，外部激励由附加质量箱4传递到整个装置，附加质量箱4通过滑块7能够在横向滑轨6上稳定地移动，进而带动活塞19杆17与活塞19做往复运动，从而挤压缸体18内上油液腔室113或者下油液腔室112内的液体，使得液体在上油液腔室113、外部螺旋管14和下油液腔室112流动产生惯性与阻尼效应，当上下油液腔产生压力时，使得橡胶膜21左右两侧的气腔室111和下油液腔室112产生的压力差，使得橡胶膜21发生形变，同时气体收缩或舒张，从而产生刚度，提供一个线性的恢复力和一个非线性的恢复力，本发明由橡胶膜21代替机械弹簧提供恢复力，经证明，该力由一个线性恢复力(与位移x相关)和一个非线性恢复力(与位移x3相关)组成，优于现有技术中采用机械弹簧的方案，且能够更好的解决减振装置频率鲁棒性差和能量鲁棒性差的问题，同时将非线性能量阱装置与流体惯容器集成，使其结构简单紧凑、易于实现，有效减轻整体装置的自身重量，使得现场实施更加容易，具有广泛地应用前景，需要注意的是，活塞19在缸体18内部的运动过程中，要保证活塞19不会越过阀口，严格限制活塞19的运动行程，避免堵塞阀口，导致油液无法通过外部螺旋管14。

下面结合图4进一步说明本发明的工作过程：

假设装置活塞面积分别为A

A

作用在装置活塞上的力F

F

考虑外部螺旋管14中的油液流动，并定义其流体惯质为I

同时随着活塞19向左(右)运动，气腔室111内气体膨胀(压缩)使得下油液腔室112充满油液，其体积V

气腔室111压强P

其中ρ为气体体密度；n为物质的量；R为摩尔气体常数；m为气体质量；T为气体温度；

随着气腔室111压强变化，与下腔油液室112将产生压强差ΔP＝P

其中：

η＝0.3997+0.2409μ-0.1582μ

式中符号E、μ表示橡胶膜21的杨氏模量和泊松比，a为橡胶膜半径，h为橡胶膜21厚度。假设橡胶膜21弯曲是对称的并且橡胶膜21体积不可压缩，则橡胶模21弯曲后包含的气腔室111膨胀体积

综合式(6)-式(10)，橡胶膜21两边压强差可得到为：

结合式(4)，令x

综合上述公式，作用在活塞杆17上的力F

由上式可以看出，惯容型非线性能量阱减振装置3可以提供惯质系数为

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。