变摩擦滚轮式文物三维隔震装置

摘要

本发明公开了一种变摩擦滚轮式文物三维隔震装置，包括展柜外缘、支撑梁、支撑板、上层加筋板、中层加筋板、下层加筋板、隔震单元和弹簧滑块十字结构，所述上层加筋板、中层加筋板和下层加筋板从上至下依次层叠设置，多个隔震单元分别设置在上层加筋板与中层加筋板、中层加筋板与下层加筋板之间，展柜外缘的下端与上层加筋板的上表面固定连接，支撑梁的下端通过弹簧滑块十字结构与展柜外缘固定连接。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、自复位等能力，具有一定的水平解耦能力；可有效防止隔震装置发生飞出、倾覆等危险，竖向隔震采用直线滑轨、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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种文物保护装置，尤其涉及一种变摩擦滚轮式文物三维隔震 装置。

背景技术

我国作为世界四大文明古国，上下五千年璀璨文明产生了大量宝贵的文物。 为了满足人民日益增长的精神文化需求，我国的博物馆建设正在快速发展。截 至2012年底，全国博物馆总数达3589家，并继续以每年100家的速度增长， 到2020年博物馆展陈的珍贵文物总量将达到百万量级。同时，我国又是一个地 震多发国家，地震分布广泛、强度大，且具有很强的随机性，博物馆浮放文物 在遭遇地震时可能产生偏心转动、滑动、摇晃和倾覆而造成损坏。传统的抗震 方法主要包括拉、压、卡、固、粘等，抗震效果一般，还存在损伤文物、影响 外观的问题。目前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 隔震保护，这些隔震装置均涉及一种弧面滑动摩擦体系FPS(FrictionPendulum System)，典型应用包括滚轮式、滚珠式、摩擦摆式等，但这些隔震装置还存 在一些缺陷，如滚轮式隔震装置的正交滑轨存在水平解耦问题，滚珠式隔震装 置存在复位和限位保护问题。目前国内外博物馆应用较多的文物隔震装置仅具 有水平二维隔震能力，然而越来越多的地震记录表明，竖向地震作用不容忽视， 竖向地震动能量已可达到水平向地震动能量的2/3，有时还会超过水平地震作 用；且部分水平二维隔震装置还具有水平解耦、自复位和限位保护等问题；同 时，少数的三维隔震装置中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、一定水平解耦能力、自复位功能、限位保护功能、摩擦耗能、良好稳 定性和良好隔震性能的三维隔震装置是很有意义和应用前景的。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种变摩擦滚轮式文物三维 隔震装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种变摩擦滚轮式文物三维隔震装置，包括展柜外缘、支撑梁和支撑板， 所述支撑梁竖直设置在所述展柜外缘内，所述支撑板与所述支撑梁的上端固定 连接，所述隔震装置还包括上层加筋板、中层加筋板、下层加筋板、隔震单元 和弹簧滑块十字结构，所述上层加筋板、所述中层加筋板和所述下层加筋板从 上至下依次层叠设置，多个所述隔震单元分别设置在所述上层加筋板与所述中 层加筋板、所述中层加筋板与所述下层加筋板之间，所述展柜外缘的下端与所 述上层加筋板的上表面固定连接，所述支撑梁的下端通过所述弹簧滑块十字结 构与所述展柜外缘固定连接。

优选地，所述上层加筋板与所述中层加筋板之间、所述中层加筋板与所述 下层加筋板之间均设置有四个所述隔震单元，位于同一层的所述隔震单元呈 “11”构型分布，位于不同层的所述隔震单元之间呈正交分布。

具体地，所述隔震单元包括变摩擦滚轮结构和三曲面滑轨结构，

所述变摩擦滚轮结构包括压缩弹簧、柱身球头摩擦件、两端中空轮轴、滚 轮支座和滚轮，所述滚轮通过轴承与所述两端中空轮轴可转动连接，所述滚轮 支座的下端与所述两端中空轮轴的两端固定连接，所述压缩弹簧和所述柱身球 头摩擦件依次设置在所述两端中空轮轴两端的中空孔内，所述滚轮支座的上端 与所述上层加筋板或所述中层加筋板的下表面固定连接；

所述三曲面滑轨结构包括三曲面滑轨和限位保护板，所述三曲面滑轨为长 方体凹槽结构，所述三曲面滑轨的凹槽结构的底面和侧面均为曲面，所述限位 保护板固定设置在所述三曲面滑轨的两端开口处，所述三曲面滑轨的底面与所 述中层加筋板的上表面或所述下层加筋板的下表面固定连接；

所述变摩擦滚轮结构水平设置在所述三曲面滑轨结构内，所述变摩擦滚轮 结构的两个所述柱身球头摩擦件的球头部分与所述三曲面滑轨的两个侧面接 触，所述滚轮与所述三曲面滑轨的底面接触。

优选地，所述压缩弹簧的外径小于所述两端中空轮轴的中空孔的直径，所 述柱身球头摩擦件的柱身部分的直径小于所述压缩弹簧的内径，所述柱身球头 摩擦件的球头部分的之间大于所述压缩弹簧的外径，所述柱身球头摩擦件的柱 身部分与所述两端中空轮轴的中空孔的底部之间设置有间隙，所述柱身球头摩 擦件的位于所述中空孔外的长度小于其位于所述中空孔内的长度。

具体地，所述三曲面滑轨的侧面和底面的曲率中心均朝向所述三曲面滑杆 的内部。

具体地，所述三曲面滑轨结构还包括缓冲块和防倾覆板，所述缓冲块粘贴 在所述限位保护板的内侧面，所述防倾覆板设置在所述三曲面滑轨的上端两侧， 且两侧的所述防倾覆板之间设置有所述滚轮支座穿过的通槽。

具体地，所述弹簧滑块十字结构包括滑块、弹簧、矩形十字梁和直线滑轨， 四个所述滑块分别与所述矩形十字梁的四端固定连接，四个所述直线滑轨分别 竖直设置在所述展柜外缘的内侧面上，四个所述滑块分别与四个所述直线滑轨 可滑动连接，所述支撑梁的下端与所述矩形十字梁的中部固定连接，多个所述 弹簧分别对称设置在所述弹簧滑块十字结构与所述上层加筋板之间，且多个所 述弹簧的上端分别与所述滑块或所述矩形十字梁的下侧面固定连接，多个所述 弹簧的下端与所述上层加筋板的上表面接触。

进一步，所述隔震装置还包括配重块，所述配重块设置在所述支撑梁与所 述矩形十字梁之间。

本发明变摩擦滚轮式文物三维隔震装置的有益效果在于：

1、本发明具有水平和竖向三维隔震能力；

2、采用变摩擦滚轮结构与三曲面滑轨结构配合，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、三曲面滑轨设有限位保护结构和防倾覆结构，可有效防止隔震装置发生 飞出、倾覆等危险；

4、竖向隔震采用直线滑轨、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；

5、本发明可与展柜进行一体化设计，整体性能良好。

附图说明

图1是本发明所述变摩擦滚轮式文物三维隔震装置的结构示意图；

图2是本发明所述变摩擦滚轮结构的结构示意图；

图3是本发明所述三曲面滑轨结构的结构示意图；

图4是本发明所述三曲面滑轨结构的俯视图；

图5是本发明所述弹簧滑块十字结构的结构示意图；

图6是本发明所述矩形十字梁的结构示意图；

图7是本发明所述变摩擦滚轮结构与所述三曲面滑轨结构之间的水平解耦 能力示意图；

图8是本发明所述变摩擦滚轮式文物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作进一步说明：

如图1所示，本发明一种变摩擦滚轮式文物三维隔震装置，包括展柜外缘8、 支撑梁10、支撑板、配重块9、上层加筋板1、中层加筋板2、下层加筋板3、 隔震单元和弹簧滑块十字结构6，支撑梁10竖直设置在展柜外缘8内，支撑板 与支撑梁10的上端固定连接，上层加筋板1、中层加筋板2和下层加筋板3从 上至下依次层叠设置，多个隔震单元分别设置在上层加筋板1与中层加筋板2、 中层加筋板2与下层加筋板3之间，展柜外缘8的下端与上层加筋板1的上表 面固定连接，支撑梁10的下端与配重块9连接后通过弹簧滑块十字结构6与展 柜外缘8固定连接，上层加筋板1与中层加筋板2之间、中层加筋板2与下层 加筋板3之间均设置有四个隔震单元，位于同一层的隔震单元呈“11”构型分 布，位于不同层的隔震单元之间呈正交分布。

隔震单元包括变摩擦滚轮结构4和三曲面滑轨结构5，

如图2所示，变摩擦滚轮结构4包括压缩弹簧41、柱身球头摩擦件42、两 端中空轮轴43、滚轮支座44和滚轮45，两端中空轮轴43穿过轴承46和滚轮 45，并通过轴肩、十字槽沉头螺钉48等方式紧固，滚轮45可绕两端中空轮轴 43自由转动，滚轮支座44通过内六角圆柱头螺钉47与对应的螺母安装在两端 中空轮轴43上，压缩弹簧41和柱身球头摩擦件42依次设置在两端中空轮轴43 两端的中空孔内，尺寸设计应该满足：压缩弹簧41的外径小于两端中空轮轴43 的中空孔的直径，柱身球头摩擦件42的柱身部分的直径小于压缩弹簧41的内 径，柱身球头摩擦件42的球头部分的之间大于压缩弹簧41的外径，柱身球头 摩擦件42的柱身部分与两端中空轮轴43的中空孔的底部之间设置有间隙，柱 身球头摩擦件42的位于中空孔外的长度小于其位于中空孔内的长度，滚轮支座 44的上端与上层加筋板1或中层加筋板2的下表面固定连接；

轴承46优选圆柱滚子轴承，亦可使用调心滚子轴承或者圆锥滚子轴承等， 轴承46需要有足够的径向承载力、一定的轴向承载力和调心能力。

如图3和图4所示，三曲面滑轨结构5包括三曲面滑轨51、限位保护板53、 缓冲块52和防倾覆板54，三曲面滑轨51为长方体凹槽结构，三曲面滑轨51的 底面和侧面均为曲面，三曲面滑轨51的侧面和底面的曲率中心均朝向三曲面滑 杆的内部，限位保护板53通过螺钉55设置在三曲面滑轨51的两端开口处，防 止变摩擦滚轮结构4在遭遇地震时冲出三曲面滑轨51，缓冲块52通过胶粘粘贴 在限位保护板53的内侧面，防倾覆板54通过螺钉55连接在三曲面滑轨51的 上端两侧，且两侧的防倾覆板54之间设置有滚轮支座44穿过的通槽，不影响 变摩擦滚轮结构4滚动，还可防止整个系统的倾覆，三曲面滑轨51的底面与中 层加筋板2的上表面或下层加筋板3的下表面固定连接；

变摩擦滚轮结构4水平设置在三曲面滑轨结构5内，变摩擦滚轮结构4的 两个柱身球头摩擦件42的球头部分与三曲面滑轨51的两个侧面接触，滚轮45 与三曲面滑轨51的底面接触。

如图5所示，弹簧滑块十字结构6包括滑块61、弹簧62、矩形十字梁63 和直线滑轨7，四个滑块61分别通过焊接等方式与矩形十字梁63的四端固定连 接，并保证一定的平行度，四个直线滑轨7分别竖直设置在展柜外缘8的内侧 面上，直线滑轨7通过螺钉连接在展柜外缘8四个平面的中间位置，四个滑块 61分别与四个直线滑轨7可滑动连接，支撑梁10的下端与矩形十字梁63的中 部固定连接，多个弹簧62分别对称设置在弹簧滑块十字结构6与上层加筋板1 之间，且多个弹簧62的上端分别与滑块61或矩形十字梁63的下侧面固定连接， 多个弹簧62的下端与上层加筋板1的上表面接触。

由于弹簧滑块十字结构6中的滑块61、弹簧62、焊接矩形十字梁63为一 个整体结构，可替换地，弹簧62不仅可以与滑块61连接(共4组)，还可以 根据情况增设多组弹簧62，如在焊接矩形十字梁63的中心底部增设弹簧62， 或者在焊接矩形十字梁63的梁身底部对称地增设多组弹簧62，满足该隔震装置 在大负载情况下的使用。

图6给出了弹簧滑块十字结构6的另一种实施方式，采用柱身十字梁代替 焊接矩形十字梁63，柱身十字梁的端部为外螺纹，可与滑块61通过螺纹连接的 方式进行紧固，其他结构形式与图5相同。

本发明变摩擦滚轮式文物三维隔震装置的工作原理如下：

本发明的装置在使用是，将文物直接浮放于该装置上部，如图8所示，在 地震波水平向分量的作用下，变摩擦滚轮结构4在三曲面滑轨结构5中沿曲面 轨道滚动，在滚动过程中，压缩弹簧41和柱身球头摩擦件42受到三曲面滑轨 51两侧曲面的接触挤压，压缩弹簧41产生压力，球头柱身摩擦件产生摩擦力， 且摩擦力随着变摩擦滚轮结构4沿三曲面滑轨51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。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，同时摩擦力的线性变化，使得减速过程趋 于平稳。呈正交布置的双层隔震单元可实现水平方向360°的摩擦耗能隔震，且 如图7所示，由于变摩擦滚轮结构4特有的压缩弹簧41和柱身球头摩擦件42 设计，在水平方向解耦过程中，变摩擦滚轮结构4可以有一定的旋转自由度， 克服了传统滚轮45式隔震结构水平硬解耦所存在的问题。由于三曲面滑轨51 的凹槽底面为曲面，当变摩擦滚轮结构4在曲面上滚动时，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。

在地震波竖向分量的作用下，弹簧滑块十字结构6带动配重块9、支撑梁 10及支撑板上的文物等在上下方向平稳小幅运动，滑块61沿直线滑轨7上下运 动，在摩擦耗能的同时还可承受水平方向的力，且由于直线滑轨7与展柜外缘8 固连，通过滑块61与直线滑轨7的配合，弹簧滑块十字结构6及其上部分只存 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。 弹簧62起到缓冲和软支撑的作用，与滑块61配合，当地震波竖向分量向上传 递地震能量时，首先由弹簧62吸收部分能量，延长振动周期，并将剩余能量传 递到滑块61和直线滑轨7，进一步通过摩擦来耗损地震能量。

当遭遇三向地震作用时，本发明的变摩擦滚轮式三维文物隔震装置的工作 状态如图8所示，变摩擦滚轮结构4、三曲面滑轨结构5、弹簧滑块十字结构6 以及其他部组件共同作用，可实现水平和竖直三个方向的摩擦耗能隔震。

本发明的变摩擦滚轮式三维文物隔震装置的阻尼力主要由柱身球头摩擦件 42与三曲面滑轨51两侧曲面之间的摩擦力以及滑块61与直线滑轨7之间的摩 擦力提供。

另外的，可将变摩擦滚轮结构4中的压缩弹簧41和柱身球头摩擦件42以 活塞等形式替换。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术 方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。