CN101216088A - 筒式变摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种筒式变摩擦阻尼器，可应用于建筑结构减振控制及机车减振。包括有外套筒、第一摩擦套筒、第二摩擦套筒、滑动轴、碟形弹簧、锁紧螺母、挤压锥环、摩擦滑块。内套筒包括有第二摩擦套筒和设置在第二摩擦套筒两端的第一摩擦套筒，第一摩擦套筒和第二摩擦套筒的内径位于同一柱面上，左端板和带铰右端板固定连接在内套筒和外套筒的左右两端筒式变摩擦阻尼器在变形过程中，实际提供摩擦阻力的接触面的面积随阻尼器的变形而变化，而整个接触面上的正压力保持不变，因此而实现变摩擦。该阻尼器具有线性阻尼特征，耗能能力随变形幅度的增大而增加，用于建筑结构减振控制时，能够同时满足强振和弱振作用下的减振要求，具有很高的实际应用价值。

Description

筒式变摩擦阻尼器

技术领域

本发明涉及一种筒式变摩擦阻尼器，可应用于建筑结构减振控制及机车减振。亦可用于制作用于航天、电子、化工、能源、仪表、医疗、卫生等领域的阻尼器。

背景技术

摩擦阻尼器是一类利用摩擦面的摩擦耗能消散振动能量的一种控制装置。建筑用摩擦阻尼器的摩擦面通常包括钢-铜、钢-钢和重载制动衬面。常见的摩擦阻尼器的核心部位为具有一定预压力的一对或多对摩擦面，外力需要克服摩擦面之间的摩擦力才能驱使阻尼器的摩擦面发生相对运动。一般的摩擦阻尼器的预压力和摩擦面的属性都是不能自动发生改变的，因而其提供的摩擦阻力也通常保持不变，阻尼器的滞回曲线接近矩形。具有矩形滞回曲线的阻尼器在工程应用中，最为关键的问题是如何确定振动荷载的作用强度，因为此类阻尼器的最大摩擦阻力一旦确定就不能更改。比如在建筑结构的抗震和抗风设计中，如果按照强振作用下的情况设计摩擦阻尼器，则该阻尼器在弱振作用下根本不会滑动，而如果按弱振情况确定滑动摩擦力，则该阻尼器在强振作用下将因为出力吨位过小而达不到理想的减振效果。由于建筑结构面临的地震作用的强度是不能准确预测的，所以在建筑结构中采用摩擦阻尼器作为减振部件存在强振和弱振不能兼顾的问题，这是影响摩擦阻尼器的广泛应用的一种重要因素。基于此，出现了一些对变摩擦的研究。

目前有三种方法产生变摩擦的效果：

1)哈尔滨工业大学在上世纪九十年代提出的“拟粘滞摩擦阻尼器”，该阻尼器的摩擦面由两个相对的凸起弧面组成，而且在初始状态时两个凸起顶点接触，如图1.(a)所示。摩擦面位于两个弹性横梁的中部，在这两个弹性横梁的端部通过螺栓施加预压力，通过弹性变形压紧弹性横梁中部的摩擦面。当摩擦面相对滑动时，两个凸起顶点错开，摩擦面将相互贴近，弹性横梁的弹性变形逐步减小，正压力相应减小，摩擦阻力因而随之减小；

2)半主动摩擦装置，此类装置在常规摩擦阻尼器中增加半控制元件，如压电元件和电磁元件，通过改变控制元件的电流调节摩擦面的正压力，从而实现变摩擦，如图1.(b)所示。

3)向心式摩擦阻尼器。美国加州伯克利大学曾研究过一种向心式变摩擦阻尼器，该阻尼器设有内置弹簧，阻尼器变形越大，弹簧压力越大，导致摩擦面正压力越大，进而实现变摩擦，如图1.(c)所示。该阻尼器的滞回曲线表现为在加载时提供大刚度、卸载时提供小刚度，能够用被动的方式实现半主动控制。其滞回曲线是两个顶点相对的三角形。

上述三种方法有一个共同点：都是通过调整摩擦面的正压力而摩擦面的属性保持不变实现变摩擦。存在较为严重的缺陷：

1)拟粘滞阻尼器虽然能够产生类似于粘滞阻尼器的滞回曲线，但是其最大值依然是固定的，这是与粘滞阻尼器的主要区别，因而该阻尼器依然存在常规摩擦阻尼器不能同时适应强振和弱振的缺陷；

2)半主动摩擦装置虽然性能优越，但是该类装置构造复杂、造价高昂、维护要求高，目前尚不可能推广使用；

3)向心式摩擦阻尼器构造精巧，但是由于其摩擦面的正压力主要来自于中间的弹簧，如图1.(c)所示，为获得建筑结构减振所需的吨位和变形能力，需要图1.(c)中的弹簧同时具有极大的刚度和较大的变形能力，如果采用螺旋弹簧，变形能力可以满足，但难获得满足要求的大刚度；

而如果采用碟形弹簧，则刚度要求可以满足，而变形能力要求则不易满足。总之，对于向心式摩擦阻尼器，很难同时满足大吨位和大变形能力的要求，因而，该阻尼器应用于小型设备减振尚可，不能满足建筑结构的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于解决了现有阻尼器的上述缺陷，提供了一种筒式变摩擦阻尼器。本发明为线性摩擦阻尼，能够同时满足工程结构强振和弱振时的减振要求。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。筒式变摩擦阻尼器，包括有外套筒15、内套筒、滑动轴18、碟形弹簧19、锁紧螺母20、挤压锥环21、摩擦滑块22、左端板23和带铰右端板24。所述的内套筒包括有第二摩擦套筒17和设置在第二摩擦套筒两端的第一摩擦套筒16，第一摩擦套筒16和第二摩擦套筒17的内径位于同一柱面上，第一摩擦套筒16和第二摩擦套筒17的外径与外套筒1的内径相同；左端板23和带铰右端板24分别固定连接在内套筒和外套筒15的左右两端；滑动轴18位于内套筒的中心轴线上，其一端伸出内套筒用于与建筑结构固定；在滑动轴18上设置有有两个挤压锥环21，在挤压锥环21的两端设置有锁紧螺母19，在锁紧螺母19和挤压锥环21之间置有碟形弹簧20；若干个摩擦滑块22拼成环状设置在两个挤压锥环21和内套筒内壁之间；摩擦滑块22与挤压锥环21接触面为锥形弧面，摩擦滑块22的锥形弧面的坡度与挤压锥环21外表面坡度相同；第二摩擦套筒17内壁与摩擦滑块22的接触面的摩擦系数小于第一摩擦套筒16内壁与摩擦滑块22的接触面的摩擦系数。

所述的摩擦滑块22与第二摩擦套筒17之间的接触面的摩擦系数小于摩擦滑块22与第一摩擦套筒16之间接触面摩擦系数的0.01倍。

所述的第二摩擦套筒17的内壁嵌有滚珠28，摩擦滑块22与第二摩擦套筒17接触面为滚动摩擦。

所述的第二摩擦套筒17为内壁附有特氟龙涂层的套筒。

本发明提出的筒式变摩擦阻尼器通过改变摩擦面中实际发挥作用的接触面积来获得变摩擦性能，可获得如下有益效果：

1)通过拧紧锁紧螺母19，可以方便的调节摩擦滑块22与第一摩擦套筒16和第二摩擦套筒17接触面的正压力，从而提高阻尼器的出力吨位。摩擦滑块22的滑动距离不受摩擦面正压力的影响，因而通过合理设计，本发明阻尼器可同时提供超过100吨以上的最大阻尼力和200毫米以上的大位移能力。

2)由于初始状态下，摩擦滑块22与第二摩擦套筒17在第二摩擦套筒17轴线方向上中心对齐，且摩擦滑块22与第二摩擦套筒17接触面的摩擦系数小于摩擦滑块22与第一摩擦套筒16接触面的摩擦系数，所以，当摩擦滑块22开始发生偏离第二摩擦套筒17的相对运动后，摩擦滑块22与第一摩擦套筒16的接触面积逐步增大，摩擦滑块22与第一摩擦套筒16和第二摩擦套筒17之间总接触面的之间的摩擦力将逐步增大。与上述过程类似，当摩擦滑块22从偏离位置向初始位置运动时，阻尼器摩擦阻力将随着偏离距离的减小而减小。显然：当建筑结构中安装该阻尼器后，当结构变形幅度增大时，阻尼器提供的阻尼力随结构变形幅度的增大而增加，即提供正刚度阻止结构变形幅度的增加；当结构从振幅处返回平衡位置时，其变形速度将随着变形幅度的减小而增大，此时阻尼器提供阻尼力阻止结构变形速度的增加。相对于结构变形而言，此时阻尼器提供的阻尼力为负值，且随结构变形幅度的下降而减小，即提供负刚度。即实现了变刚度控制。

3)本发明提出的阻尼器可以实现如图9所示的滞回曲线，即阻尼器提供线性摩擦阻尼。该阻尼器的阻尼力将随变形幅度的增加而线性增大，能够同时满足工程结构强振和弱振时的减振要求。

附图说明：

图1(a)拟粘滞阻尼器的变摩擦元件示意图

图1(b)半主动变摩擦阻尼器的变摩擦元件示意图

图1(c)向心式摩擦阻尼器的构造示意图

图2是本发明提出的筒式变摩擦阻尼器的整体构造图

图3是本发明提出的阻尼器的挤压锥环21的左视图

图4挤压锥环21剖面图a-a

图5实施例1中摩擦滑块22的左视图

图6实施例1中摩擦滑块22的剖面图b-b

图7实施例1摩擦滑块22摩擦面宽度与第二摩擦套筒17的高度h相等，且二者在初始时沿第二摩擦套筒轴线方向中心对齐时的结构示意图

图8实施例1的摩擦滑块22偏离初始位置后摩擦力增大时的结构示意图

图9实施例1的滞回曲线示意图

图10实施例2的整体构造图

图11实施例2摩擦滑块22摩擦面宽度与第二摩擦套筒17的高度h相等且二者在初始时中心对齐的结构示意图

图12实施例2的摩擦滑块22偏离初始位置后摩擦力增大的结构示意图

图13实施例3的摩擦滑块22宽度大于第二摩擦套筒17的高度h且二者在初始时中心对齐的结构示意图

图14实施例3的摩擦滑块22的一端完全进入第二摩擦套筒17的范围之内后摩擦阻力才开始增加的结构示意图

图15实施例3的滞回曲线

图16本发明提出的筒式变摩擦阻尼器在建筑结构中的斜撑式安装方法

图17本发明提出的筒式变摩擦阻尼器在建筑结构中的人字支撑式安装方法

图中：1、拟粘滞摩擦阻尼器的上横梁，2、拟粘滞摩擦阻尼器的下横梁，3、拟粘滞摩擦阻尼器的滑块，4、拟粘滞摩擦阻尼器的锁紧螺栓，5、半主动变摩擦阻尼器的上下盖板，6、半主动变摩擦阻尼器的滑块，7、半主动变摩擦阻尼器的锁紧螺栓，8、半主动变摩擦阻尼器中改变正压力的半主动控制元件，9、向心式摩擦阻尼器的缸筒，10、向心式摩擦阻尼器的锁紧螺母，11、向心式摩擦阻尼器的弹簧，12、向心式摩擦阻尼器的挤压锥环，13、向心式摩擦阻尼器的摩擦滑块，14、向心式摩擦阻尼器的滑动轴，15、外套筒，16、第一摩擦套筒，17、第二摩擦套筒，18、滑动轴，19、锁紧螺母，20、碟形弹簧，21、挤压锥环，22、摩擦滑块，23、左端板，24、带铰右端板，25、连接铰头，26、钢-铜摩擦面，27、钢-特氟龙(Teflon)摩擦面，28、滚珠，29、钢-铜滑动摩擦面，30、滚动摩擦面，31、本发明提出的筒式变摩擦阻尼器，32、建筑结构的横梁，33、建筑结构的立柱，34、安装阻尼器的支撑。

具体实施方式

实施例1：

本实例采用特氟龙(Teflon)涂层作为第二摩擦套筒17的内壁接触面。

如图11所示，两个第一摩擦套筒16分别对接于一个第二摩擦套筒17的两端，外套筒15套在上述三个摩擦套筒外壁。第一摩擦套筒16和第二摩擦套筒17的外径相同，都等于外套筒1的内径。第二摩擦套筒17与摩擦滑块22发生接触的部位与第一摩擦套筒16的内壁位于同一个柱面上。第二摩擦套筒17内壁与摩擦滑块22的接触面的摩擦系数小于第一摩擦套筒16内壁与摩擦滑块22的接触面的摩擦系数。本实施例中外套筒15、第一摩擦套筒16和第二摩擦套筒17都是钢质缸筒，第二摩擦套筒17的内壁附有Teflon涂层，摩擦滑块22与第二摩擦套筒17之间的接触面的摩擦系数小于摩擦滑块22与第一摩擦套筒16之间接触面摩擦系数的0.01倍。

通过左端板23和带铰右端板24固定第一摩擦套筒16与外套筒的相对位置，滑动轴18位于第一摩擦套筒16和第二摩擦套筒17组成的圆筒的中心线上，滑动轴18是钢质实心圆柱体。挤压锥环21为环状椎体，其内径大于滑动轴18，两个挤压锥环21锥头对着锥头的套在滑动轴18上，挤压锥环21为钢质环形元件，如图3和图4所示，

多个摩擦滑块22拼成环状位于两个挤压锥环21和内套筒(包括第一摩擦套筒16和第二摩擦套筒17)内壁之间，摩擦滑块22为120度的扇形钢块，共3块组合在一起，如图5和图6所示。在本实施例中，摩擦滑块22的摩擦面与第二摩擦套筒17的高度h相同，如图7所示。

摩擦滑块22与内套筒内壁接触的滑动面为圆弧面，其弧度与第一摩擦套筒16内壁相同。摩擦滑块22与挤压锥环21接触面为锥形弧面，摩擦滑块22的锥形弧面的坡度与挤压锥环21外表面坡度相同。两个锁紧螺母19从两端锁住两个挤压锥环21，在锁紧螺母19和挤压锥环21之间置有碟形弹簧20，通过拧紧两端锁紧螺母19可以给摩擦滑块22与第一摩擦套筒16和第二摩擦套筒17的接触面之间施加正压力。

初始时，摩擦滑块22与第二摩擦套筒17沿第二摩擦套筒17轴线方向中心对齐，如图7所示。当图2中滑动轴18相对外套筒15运动时，摩擦滑块22与第一摩擦套筒16的铜质摩擦面开始接触并逐渐增大，如图8所示，接触面产生的摩擦阻力也相应的增大。这就实现了变摩擦。本实施例的滞回曲线形状如图9所示。

实施例2：

如图10所示，本实施例第二摩擦套筒17内壁嵌有滚珠30，其余部件与实施例1相同。

摩擦滑块22的摩擦面的宽度与第二摩擦套筒17的高度h相等，如图11所示。第二摩擦套筒17中滚珠30与摩擦滑块22的接触部位与第一摩擦套筒16的内壁位于同一个柱面上。摩擦滑块22与第二摩擦套筒17之间的接触面的滚动摩擦系数小于摩擦滑块22与第一摩擦套筒16之间接触面摩擦系数的0.01倍。

初始时，摩擦滑块22与第二摩擦套筒17对齐，如图11所示。当阻尼器发生变形后，摩擦滑块22与第一摩擦套筒16的铜质摩擦面的接触面积开始增大，如图12所示，接触面产生的摩擦阻力也相应的增大。这就实现了变摩擦。本实施例的滞回曲线形状如图9所示。

实施例3：

如图13所示，本实施例中摩擦滑块22的摩擦面宽度大于第二摩擦套筒17的高度h。其余部件与实施例2相同。

初始时，摩擦滑块22与第二摩擦套筒17对齐。由于摩擦滑块22的宽度大于第二摩擦套筒17的高度h，所以当摩擦滑块22相对第二摩擦套筒17从初始位置开始运动时，阻尼器的摩擦阻力将保持不变，直到摩擦滑块22的一端进入第二摩擦套筒17的范围内，如图15所示，在此之后，阻尼器的摩擦阻力将随着相对位移的继续增大而线性增加。因此，实施例3的滞回曲线将如图16所示。

本实施例提出的筒式摩擦阻尼器在建筑结构中的应用形式如图16和图17所示。本发明提出的第二摩擦套筒17还有许多具体实现方式，都属于本发明所提出的技术方案。

本实施例中的阻尼器可实现100吨以上的大阻尼力和200毫米以上的大位移。

Claims (4)

1.筒式变摩擦阻尼器，包括有外套筒(15)、内套筒、滑动轴(18)、碟形弹簧(19)、锁紧螺母(20)、挤压锥环(21)、摩擦滑块(22)、左端板(23)和带铰右端板(24)，其特征在于：所述的内套筒包括有第二摩擦套筒(17)和设置在第二摩擦套筒(17)两端的第一摩擦套筒(16)，第一摩擦套筒(16)和第二摩擦套筒(17)的内径位于同一柱面上，第一摩擦套筒(16)和第二摩擦套筒(17)的外径与外套筒(1)的内径相同；左端板(23)和带铰右端板(24)分别固定连接在内套筒和外套筒(15)的左右两端；滑动轴(18)位于内套筒的中心轴线上，其一端伸出内套筒用于与建筑结构固定；在滑动轴(18)上设置有有两个挤压锥环(21)，在挤压锥环(21)的两端设置有锁紧螺母(19)，在锁紧螺母(19)和挤压锥环(21)之间置有碟形弹簧(20)；若干个摩擦滑块(22)拼成环状设置在两个挤压锥环(21)和内套筒内壁之间；摩擦滑块(22)与挤压锥环(21)接触面为锥形弧面，摩擦滑块(22)的锥形弧面的坡度与挤压锥环(21)外表面坡度相同；第二摩擦套筒(17)内壁与摩擦滑块(22)的接触面的摩擦系数小于第一摩擦套筒(16)内壁与摩擦滑块(22)的接触面的摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的筒式变摩擦阻尼器，其特征在于：所述的摩擦滑块(22)与第二摩擦套筒(17)之间的接触面的摩擦系数小于摩擦滑块(22)与第一摩擦套筒(16)之间接触面摩擦系数的0.01倍。

3.根据权利要求1所述的筒式变摩擦阻尼器，其特征在于：所述的第二摩擦套筒(17)的内壁嵌有滚珠(28)，摩擦滑块(22)与第二摩擦套筒(17)接触面为滚动摩擦。

4.根据权利要求1所述的筒式变摩擦阻尼器，其特征在于：所述的第二摩擦套筒(17)为内壁附有特氟龙涂层的套筒。

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