CN101526119B - 阻尼与位移相关型阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于减振耗能的阻尼系数可变的阻尼器。其包括装有阻尼液的阻尼缸，特征是阻尼缸内设置至少一个可移动的动片，沿动片的移动方向两侧设置与动片之间间距变化的静片，静片设置于阻尼缸体内或至少部分直接由阻尼缸体构成。本发明通过动片移动过程中与静片之间的间距变化或/和有效工作面积变化实现阻尼器阻尼系数的变化，不需要电液阀等复杂的控制机构，就能实现阻尼器阻尼系数随位移自动变化，在许多阻尼缸开口向上的使用场合可以不必使用耐压密封，简化了阻尼器的结构和加工精度，降低了生产成本，提高了阻尼器的适用范围，可广泛应用于机械、交通工具、桥梁、建筑结构等领域的减振、缓冲、耗能，其经济效益与社会效益十分显著。

Description

阻尼与位移相关型阻尼器

技术领域

本发明涉及一种振动控制装置，尤其是一种用于机械设备、电梯、建筑结构减振耗能的阻尼系数可变的阻尼器。

背景技术

阻尼器是一种应用广泛的振动控制基本元件，用于机械、交通工具、桥梁、建筑结构的减振、缓冲、耗能。常见的阻尼器为液压油缸式，活塞相对于油缸仅在轴向相互运动，称之为单轴阻尼器，其由动体、动体杆、缸体和密封组成，动体一般为圆柱形，动体设有若干小孔或与缸体之间留有适当径向间隙，动体将油缸分为两动体腔，动体腔内充有液压油或粘度稍高的粘滞液体，如硅油，当动体相对于油缸运动时，密闭于受压一侧动体腔内的液体受挤压，压力升高，从动体间隙或小孔流到另一动体腔，两动体腔压力差形成对动体的运动阻力，做功，将机械能转化为热能，从而达到吸收外界能量的目的，因此可广泛应用于减震、缓冲、耗能的场合，如车辆悬挂阻尼器和建筑消能减震。此类阻尼器虽然减振耗能性能较好，但由于结构复杂，对密封及加工精度要求高，因此经济性普遍较差。特别是这类阻尼器的阻尼系数通常为定值，不可调整或调整起来较为复杂，如通过电液伺服阀控制，故而其适应性也较差。而在工程应用中的一些场合，需要阻尼器的阻尼系数随着振动位移的变化而变化，例如位移越大，阻尼系数越大，或者反之，此时上述形式的阻尼器显然无法满足这样的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单，阻尼系数随动片位移(位置)自动变化的阻尼与位移相关型阻尼器。

本发明是这样实现的，包括阻尼缸，阻尼缸内装有阻尼液，其特征在于阻尼缸内设置至少一个可移动的动片，沿动片的移动方向两侧设置与动片之间间距变化的静片，静片设置于阻尼缸体内或至少部分直接由阻尼缸体构成。

沿动片的移动方向两侧设置的静片与动片之间间距呈梯级变化或/和连续变化。为规范动片的移动，可以在动片与阻尼缸之间设置导向装置，所述的动片可以仅沿某一方向做单自由度往复运动，此时导向装置为一维导向装置，动片仅有一维方向的运动自由度；动片还可以在阻尼缸或/和静片围成的空间内做多自由度空间移动，此时导向装置为二维导向装置，动片有二维方向的运动自由度。导向装置为直接设置在阻尼缸体或/和动片上或者直接设置在外部结构上与动片直接或间接相连的导向块、导向轮、滚珠导轨、连杆机构、导向套、导轨或导向槽。当然，如果动片的驱动装置本身可以实现导向功能，也可以不再另设导向装置。

所述的动片可以是板状、盘状、环状、管状、球状或椭圆形球状，静片为板状、环状、管状或盘状。为增大阻尼器的阻尼系数，动片或/和静片上还可以设置凹凸、通孔、楞条、翅片或翅管。一般情况下，静片沿动片的移动方向两侧对称设置，和/或沿动片的移动方向中心对称设置，当然在特殊的应用场所，本发明阻尼器中的静片也可以采用非对称设置的方式。

本发明阻尼与位移相关型阻尼器的阻尼缸可以采用开放式结构，开口向上，为避免灰尘或雨水等杂物进入阻尼缸体，在阻尼缸体上方或动片与阻尼缸体间设置防尘防水罩；阻尼缸也可以采用封闭式结构，在动片与阻尼缸体间设置密封装置，密封装置根据使用要求的不同可以是单纯防止阻尼液渗漏的普通密封件，也可以是能够承受较大压力的耐压密封件。

理论分析及实际应用结果均表明，对于非孔隙节流式的粘着式阻尼器，阻尼器的阻尼系数(阻尼力与速度的比值)大小与动片和静片之间的间距大小成反比，与两者间有效工作面积(相对剪切面积)成正比，与阻尼液粘度成正比。基于上述原理，在阻尼液粘度不变的情况下，本发明利用变化动片与静片的相对位置，调整动片与静片之间的有效工作面积或/和两者之间的间距，从而实现阻尼器阻尼系数随动片位移(位置)变化，以适应工程应用中的变阻尼需求。此外，本发明阻尼与位移相关型阻尼器还可以采用静片的位置可以调整、或静片与动片在动片移动方向两侧的间距可以调整的结构，以更好的满足变阻尼的使用要求。

本发明阻尼与位移相关型阻尼器，通过在阻尼缸内设置可以移动的动片和固定的静片，利用动片移动过程中与静片之间的间距变化或/和有效工作面积变化实现阻尼器阻尼系数的变化，不需要电液阀等复杂的控制机构，就能实现阻尼器阻尼系数随位移自动变化，其工作原理保证了本发明对部件的加工精度及密封没有很严格要求，在许多阻尼缸开口向上的使用场合可以不必使用耐压密封，甚至不采用任何密封。与目前常用的小孔节流等形式的阻尼器相比，在不影响减振性能的前提下，成功简化了阻尼器的结构和加工精度，大大降低了生产成本，可以更好的发挥阻尼器的缓冲减振性能，并且这种结构连接形式多样，阻尼系数变化范围宽，大大提高了阻尼器的适用范围，可广泛应用于机械、交通工具、桥梁、建筑结构等领域的减振、缓冲、耗能，其经济效益与社会效益十分显著。

附图说明

图1为本发明的结构示意图之一。

图2为图1的A-A剖视结构示意图。

图3为本发明的结构示意图之二。

图4为本发明的结构示意图之三。

图5为本发明的结构示意图之四。

图6为本发明的结构示意图之五。

图7为本发明的结构示意图之六。

图8为本发明的结构示意图之七。

图9为本发明的结构示意图之八。

图10为图9的B-B剖视结构示意图。

图11为本发明的结构示意图之九。

图12为本发明的结构示意图之十。

具体实施方式

实施例一

如图1、图2所示本发明阻尼与位移相关型阻尼器，包括阻尼缸1，阻尼缸为槽式，开口向上，阻尼缸1内装有粘着阻尼液2，粘着阻尼液为高粘度的硅油，阻尼缸1内还设置有可移动的板状动片3，动片3固定在托架12上，托架12与阻尼缸1之间设置有导向装置5，导向装置为相互配合的一维导向轮轨。动片3的移动方向两侧设置与动片3之间间距呈非连续变化的静片4a及4b，其中，静片4a及4b固定焊接在阻尼缸1内，静片4a及4b各设置四块，两块一组分别沿动片移动方向及侧向对称分布。

通过导向装置5，可以使动片3沿阻尼缸1长度方向做单自由度往复运动，由于静片4a及4b呈阶梯状分布，而阻尼器的阻尼系数大小与动片和静片之间的间距大小成反比，与两者间有效工作面积成正比，因此，当动片3由阻尼缸中部移动至静片4a之间或由静片4a之间移动至静片4b之间时，阻尼器的阻尼系数都会发生变化，如图2所示的本发明阻尼器，当动片3沿阻尼缸长度方向由中间向两端移动时，阻尼器阻尼系数都会增大。根据这一原理，通过调整动片在阻尼缸内的位置，就可以实现本发明阻尼器的阻尼系数随动片位移自动变化之目的。

当然，基于上述原理，为了获得更多的阻尼器阻尼系数变化梯度，也可以如图3所示，设置更多组间距不同的静片4a、4b、4c、4d和4e。

本发明阻尼与位移相关型阻尼器利用阻尼液的粘滞阻力进行缓冲耗能，其采用开放式设计，减振功能不需要依靠压力差来实现。因此，相比传统的孔隙节流式阻尼器，本发明阻尼器无须耐压密封，使用时，仅根据使用场所的具体环境对其开放一侧进行普通的防尘、防水处理即可，例如在阻尼缸体上方设置防尘防水罩。因此加工装配容易，成本较低，使用可靠、寿命长，基本无须维修保养。此外，本发明阻尼器的阻尼系数随着振动位移梯级递增变化，可以在某些工程使用场合带来卓越的优点：如当阻尼器用于TMD控制高层建筑风振和地震响应振幅时，希望在台风和强震时，TMD质量块摆动的振幅，不要线性增大，而是振幅越大，阻尼系数越大，这样既可以保证TMD在强风、台风和强地震时，在保证足够耗能的前提下最大振幅比阻尼系数恒定时小很多，振幅不超出允许范围，又可以保证在中小风力和中小地震时，TMD有较明显的振幅，产生较大的耗能，从而有效地提高了阻尼器的技术性能和经济性，有利于提高阻尼器的进一步推广应用。

实施例二

基于本发明的原理，静片还可以直接由阻尼缸体构成。如图4所示，与实施例一不同之处在于，动片3的驱动装置(图中未示出)本身可以实现导向功能，因此，不需要在阻尼缸1与动片3之间另设导向装置。可以直接将阻尼缸体做成多段宽度不等的箱体，其在动片3运动方向两侧的缸体可等同于静片4a及静片4b，因此，当动片3由阻尼缸中部移动至静片4a之间或由静片4a之间移动至静片4b之间时，阻尼器的阻尼系数会发生梯级递增。

这种结构的本发明阻尼与位移相关型阻尼器，可以有效节省空间和材料，有利于进一步降低产品成本。

实施例三

如图5所示本发明阻尼与位移相关型阻尼器，与实施例一的区别在于，在动片3上焊接设置楞条6，这种结构有利于进一步增加动片3与阻尼液2之间的有效工作面积，从而保证粘着阻尼器在阻尼缸尺寸不变的情况下获得更大的阻尼系数。此外，在阻尼缸体1上固定焊接设置支撑板13，支撑板13通过螺杆14与静片4a及4b相连。旋转螺杆14可以调整静片与支撑板间的相对位置，同时也改变了静片与动片在动片移动方向两侧的间距，因此，采用这种技术方案可以实现在不改变静片数量的情况下进一步增大阻尼器阻尼系数的调节范围。

本发明这种槽式的阻尼与位移相关型阻尼器，结构更为简单紧凑，对加工精度要求不高，同样无需密封，工作可靠，减振、缓冲、耗能效果明显，经济性与适用性俱佳。除在动片上设置楞条外，也可以在静片上或两者侧壁上同时设置楞条，此外，通过附加设置通孔、凹凸、翅片或翅管等结构也可以实现同样的效果。

实施例四

如图6所示本发明阻尼与位移相关型阻尼器，与实施例一的区别在于，将导向装置5设置在阻尼缸体内部，所述导向装置5为与静片4a及静片4b焊连的钢筋框架构成的导向槽，动片3可以沿导向槽做单自由度往复运动。

这种结构的阻尼器，其构造更加简单，易于加工制作，而且由于导向装置设置在阻尼缸体内部，因此阻尼器尺寸更小，结构更为紧凑。

实施例五

本发明阻尼与位移相关型阻尼器除适用于水平单自由度动作外，也可以适用于垂向单自由度动作。如图7所示的，包括阻尼缸1，阻尼缸为开放的盆式，开口向上，阻尼缸1内装有粘着阻尼液2，阻尼缸内还设置有可移动的管状和盘状组合的动片2，以及与动片2间距不等的多个环状静片4a及4b。其中，为便于阻尼液流通，动片2上设置多个通孔15，静片呈阶梯状分布，彼此焊连形成盆状并与阻尼缸焊接固定成一体。此外，导向连杆10与滑动导向装置7相连，导向装置7为固定在外部结构上的滚珠滑动导向套。动片2通过导向连杆10与外部结构相连。

由于静片4a及4b呈阶梯状分布，而阻尼器的阻尼系数大小与动片和静片之间的间距大小成反比，与两者间有效工作面积成正比，因此，当动片3由阻尼缸上部移动至静片4a之间或由静片4a之间移动至静片4b之间时，阻尼器的阻尼系数都会发生变化，如图7所示的本发明阻尼器，当动片3沿阻尼缸轴线方向向下移动时，阻尼器阻尼系数会增大。

这种盆式的本发明阻尼器除具有良好的减振、缓冲、耗能作用外，其还具有结构简单，工作可靠，且无需设置耐压密封的特点，其较大的阻尼系数变化范围极大地拓宽了阻尼器的适用范围，有效地提高了阻尼器的适应性和经济性。此外，本发明阻尼器与待减振结构的连接方式更加灵活多样，有利于阻尼器的进一步推广应用。

实施例六

可以通过增加动片的方式来获得更大变化范围的阻尼系数和阻尼力，如图8所示本发明阻尼与位移相关型阻尼器，与实施例五的区别在于，导向连杆10由外部的二维连杆式导向装置16导向，可以在垂向和图示平面中水平方向自由运动，导向连杆10上设置多个盘状动片，包括动片3、3a和3b，为了市省材料，直接将阻尼缸1加工成阶梯状的多段结构。

这种结构的本发明阻尼器，不同尺寸的阻尼缸体段可以等同于静片4a和4b，此外，由于增设了动片3a和3b，阻尼缸体的上部也参与工作，等同于静片4f，此外台阶处11a和11b可以分别和动片3a和3b配合起到静片的作用，因此动片、静片与阻尼液之间的有效工作面积显著增加，阻尼器的阻尼系数变化更多，在阻尼缸尺寸不变的情况下，可以提供更大的阻尼力及更大的阻尼系数。

当动片在垂直方向运动时，除了动片静片之间的间距变化外，浸入阻尼液部分的动片的面积还发生变化，因此可以在更大范围内实现阻尼系数随位移自动变化。

实施例七

本发明阻尼与位移相关型阻尼器同样可以适用于多自由度控制的应用场所，如图9、图10所示，与实施例一的区别在于，除托架12与阻尼缸1之间设置导向装置5外，托架12与动片3之间增设滑动导向装置7，动片3为椭球形，椭球的长轴沿槽式阻尼缸的长轴，除可以在阻尼缸体长度方向上移动外，还可以同时在阻尼缸体的宽度方向上移动，即可以在二维的水平面内实现多自由度运动。此外，静片4在阻尼缸内倾斜地连续设置，阻尼缸体及静片围成的缸体内设置阻尼液2。当动片3移动时，由于动片与阻尼缸体或静片的间距不断发生变化，从而实现阻尼系数随动片位移(位置)自动变化。

由于椭球在两个导向轴向的投影面积不同，在两个导向轴向的阻尼系数可以不同，这样可适用于两轴向阻尼系数不同的场合。此外，与板式的动片相比，椭球式动片可以产生更大的阻尼力。

当然出于节省材料和节省空间的考虑，也可以直接将阻尼缸体加工成如图11所示形状，即完全利用阻尼缸体来替代静片，也可以实现同样的效果。

实施例八

如图12所示本发明阻尼与位移相关型阻尼器，包括阻尼缸1，阻尼缸1为圆筒式，内装有粘着阻尼液2，阻尼缸内还设置有可移动的柱状动片2以及与动片2间距不等的多个静片，包括管状的静片4a和静片4b，其中，静片呈阶梯状分布，彼此相连并与阻尼缸焊接固定成一体。为防止阻尼液2渗漏，动片2的活塞杆与阻尼缸1之间设置有密封装置8，密封装置为橡胶密封件。

使用时，利用动片2位移变化时，分别先后与中间部分阻尼缸缸体、静片4a或静片4a配合，即可获得梯级逐步递增的阻尼器阻尼系数。

需要指出的是，由于本发明不需要依靠压力差来实现其功能，因此根据某些工程实际需要，密封装置8可以为普通的防液体渗漏密封，不必采用精度高、造价高昂的耐压密封，因此整体造价较低。但对于需要提供很大阻尼系数和阻尼力的特殊工程应用场合时，也可以采用耐压密封，虽然造价会有所上升，但由于其可实现的阻尼系数调节范围大，因此与现有阻尼器相比，仍然具备更高的性价比和适用性。

Claims (11)

1.一种阻尼与位移相关型阻尼器，包括装有阻尼液的阻尼缸，其特征在于阻尼缸内设置可移动的动片，沿动片的移动方向两侧设置与动片之间间距变化的静片，静片设置于阻尼缸体内或至少部分直接由阻尼缸体构成。

2.根据权利要求1所述的阻尼与位移相关型阻尼器，其特征在于动片与阻尼缸之间设置导向装置，导向装置为导向块、导向轮、导向套、连杆机构、导轨或导向槽。

3.根据权利要求1所述的阻尼与位移相关型阻尼器，其特征在于动片为板状、盘状、环状、管状、球状或椭圆形球状，静片为板状、环状、管状或盘状。

4.根据权利要求3所述的阻尼与位移相关型阻尼器，其特征在于动片或/和静片上设置有凹凸、通孔、楞条、翅片或翅管。

5.根据权利要求1所述的阻尼与位移相关型阻尼器，其特征在于动片与阻尼缸体间设置耐压密封装置。

6.根据权利要求1所述的阻尼与位移相关型阻尼器，其特征在于阻尼缸为开放式，开口向上，在阻尼缸体上方或在动片与阻尼缸体间设置防尘防水罩。

7.根据权利要求2所述的阻尼与位移相关型阻尼器，其特征在于导向装置为一维导向装置，动片仅有一维方向的运动自由度。

8.根据权利要求2所述的阻尼与位移相关型阻尼器，其特征在于导向装置为二维导向装置，动片有二维方向的运动自由度。

9.根据权利要求1所述的阻尼与位移相关型阻尼器，其特征在于静片的位置可以调整，或静片与动片在动片移动方向两侧的间距可以调整。

10.根据权利要求1所述的阻尼与位移相关型阻尼器，其特征在于静片沿动片的移动方向两侧对称设置，和/或沿动片的移动方向中心对称设置。

11.根据权利要求1所述的阻尼与位移相关型阻尼器，其特征在于沿动片移动方向两侧设置的静片与动片之间间距呈梯级变化或/和连续变化。

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