CN102606665A - 高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器，属于工程减振技术领域，包括活塞杆、缸头、缸筒、活塞头，活塞头与缸筒之间形成阻尼间隙，构成流体主通道，活塞头上设置软金属环状阀门，软金属环状阀门和缸筒的间隙构成了流体通过的最小间隙，活塞头两侧设置有导向圆盘。本发明的阻尼器具有在复杂工作环境下阻尼力稳定，可以抵抗较大的冲击荷载同时构造简单等特点。

Description

高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器

技术领域

本发明涉及一种阻尼器，特别是一种高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器，属于工程减振技术领域。

背景技术

结构消能减振技术是一种新的抗震防灾技术。在采用消能减振技术的结构中，结构的某些非承重构件被设计成具有较大耗能能力的特殊元件——阻尼器。在地震过程中产生较大阻尼，集中地耗散结构的地震能量，迅速衰减结构的振动反应，从而避免或减小主体结构的损伤。而耗能减振结构的实现主要依赖于研制出结构形式简便且性能优越的阻尼器。目前国内外已研制出大量的阻尼器，如软钢阻尼器、摩擦阻尼器、金属阻尼器、智能阻尼器等。随着减振技术的推广，研制开发各种简便实用的新型消能减振装置来满足工程应用的需要已是发展趋势。而粘滞阻尼器以其构造简单，性能稳定和性能优越等优点，正逐渐被工程师们认可并大力研究和推广。

近些年来国内的学者和公司对结构用粘滞阻尼器进行了系列的研究和开发，其形式大体分为间隙式、孔隙式和混合式。其基本工作原理都是粘滞液体通过小空间时产生的局部阻力和流体流动时产生的沿程阻力做功消耗能量。

由于震/振动的随机性，结构在地震和风振作用下的反应有很大的随机性，同时由于现在各种特殊结构形式和巨型构件的出现，导致结构和构件的反应有很大的不可预测性，因此对于工作在这种状态下的阻尼器也有了更高的要求。尤其是应对某些冲击荷载，由于阻尼器在很短时间内受到很大的冲击荷载，导致瞬时阻尼器承受的荷载完全超出其设计的额定荷载和额定工作速度从而使阻尼器完全破坏而瞬间失去了其吸收地震能量保护主体结构的作用；另外，目前单一形式的阻尼直孔和阻尼器缸体虽然结构比较简单但是其对阻尼力的控制效果和耗能效果都比较差，很难在复杂的外界激励条件下工作。

发明内容

为了解决传统粘滞阻尼器在复杂的外界激励尤其是冲击荷载下阻尼力变化变化过大从而导致相连构件受力过大和耗能效率低的问题，本发明提出了一种高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器，通过改变阻尼间隙的形式该阻尼器可以提供0.3以下的速度指数，同时该阻尼器具有在复杂工作环境下阻尼力稳定，可以抵抗较大的冲击荷载。

本发明的技术方案如下：

一种高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器，包括活塞杆、缸头、缸筒、活塞头，所述缸筒和两侧的缸头组成封闭的缸体，活塞杆穿过两侧的缸头伸入到缸体内，缸体内的活塞杆上设置有活塞头，其特征在于：所述活塞头与缸筒之间形成流体主要通道，活塞头中部外围设置有软金属环状阀门，软金属环状阀门和缸筒之间形成阻尼间隙，活塞头两侧设置有导向圆盘，导向圆盘边缘斜向外倾斜，缸筒两侧设置有缓冲槽。

所述的流体主要通道的间隙为1～2mm。

所述的阻尼间隙的间隙小于0.5mm。

所述的软金属环状阀门的厚度为1～2mm。

所述的导向圆盘上斜向外倾斜的角与导向圆盘轴线形成的角度为15°～30°。

活塞杆一端的缸头外侧设置有连接套筒，连接套筒上设置有消声器；活塞杆另一端与端支座之间采用销轴连接。

所述的软金属环状阀门的圆环刚度根据阻尼器的吨位和阻尼间隙确定。

所述的活塞头外围两端设置有引流通道，引流通道的坡角度为15°～30°。

所述的导向圆盘外侧设置有缓冲头，所述缓冲槽的深度和缓冲头的长度相当。

本发明通过对粘滞阻尼器的活塞头添加简单的被动控制装置、对缸体进行重新设计，实现了在外界激励条件复杂多变的条件下阻尼器的阻尼力稳定而且耗能效率显著提高。与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明通过改变在阻尼器中活塞头上安置一个软金属圆环达到了金属阀门的效果使阻尼器可以根据软金属圆环两边的液体压差被动调节阻尼间隙的宽度从而适应了更加复杂的工作环境。阻尼器不仅可以在速度较低情况下通过软金属圆环自身的刚度保证足够小的阻尼间隙从而提供足够大的阻尼力，而且阻尼器在速度较高的情况下软金属圆环通过自身的屈服变形扩大了阻尼间隙增加了通过阻尼间隙的流体流量从而降低了阻尼力，不会出现阻尼力过大从保证阻尼器在运动过程中的安全性。

2)本发明中通过改变一些构造措施改变了流体在缸体内的循环，使流体在缸体内的对流更加显著从而加速了热量的传导耗散，提高了阻尼器耗能的效率。

3)本发明中通过添加缓冲槽使阻尼器能够在接近最大行程的时候有缓冲的效果，从而可以防止阻尼器的缸体和活塞头的碰撞保护阻尼器主体。

附图说明

图1本发明的阻尼器断面示意图；

图2本发明的阻尼器活塞头构造示意图；

图3本发明的阻尼器在压力差ΔP1下软金属环状阀门变形示意图；

图4本发明的阻尼器在压力差ΔP2下软金属环状阀门变形示意图；

图5本发明的阻尼器在压力差ΔP3下软金属环状阀门变形示意图；

图6为一般形式的阻尼器力-速度曲线；

图7为本发明的阻尼器力-速度曲线；

图8本发明的阻尼器受冲击荷载作用时力-位移曲线；

图9本发明的阻尼器缓冲作用示意图；

图中：1、活塞杆；2、缸头；3、缸筒；4、活塞头；5、导向圆盘；6、引流通道；7、软金属环状阀门；8、销轴；9、轴端挡板；10、端支座；11、缓冲槽；12、连接螺栓；13、软金属环基槽；14、缓冲头；15、轴用导向环；16-17、轴用单向密封圈；18、防尘圈；19、内六角螺钉；20、O型密封圈；21、螺纹堵；22、锁紧螺母；23、流体主要通道；24、阻尼间隙；25、消声器；26、连接套筒；

具体实施方式

其具体构造见图1～9，本发明的一种高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器，包括活塞杆1、缸头2、缸筒3、活塞头4，缸筒3和两侧的缸头2组成封闭的缸体，活塞杆1穿过两侧的缸头2伸入到缸体内，缸体内的活塞杆1上设置有活塞头4，活塞头4与缸筒3之间形成流体主要通道23，活塞头4中部外围设置有软金属环状阀门7，软金属环状阀门7和缸筒3之间形成阻尼间隙24，活塞头4两侧设置有导向圆盘5，导向圆盘5边缘斜向外倾斜，缸筒3两侧设置有缓冲槽11。其中，流体主要通道23的间隙为1～2mm，阻尼间隙24的间隙小于0.5mm，软金属环状阀门7的厚度为1～2mm，导向圆盘5上斜向外倾斜的角与导向圆盘5轴线形成的角度为15°～30°，活塞杆1一端的缸头2外侧设置有连接套筒26，连接套筒26上设置有消声器25；活塞杆1另一端与端支座10之间采用销轴8连接。活塞头4通过锁紧螺母22锁紧在活塞杆1上，在由缸头2和缸筒3组成的阻尼器的基本空间内运动。轴用导向环15则保证了活塞杆1在运动过程中的直线轨迹，轴用单向密封圈16-17和O型密封圈20保证了活塞杆1在运动过程中的密封性。

阻尼器和外界构件的连接主要是依靠端支座10和连接螺栓12。为了避免阻尼器在使用过程中由安装误差引起的偏心受力和偏心荷载作用下产生附加弯矩，在活塞杆1和端支座10之间采用具有一定转动功能的销轴8连接。当活塞杆1在连接套筒26内往复运动的时候会引起连接套筒26腔体内空间发生改变，从而引起气流的改变，采用消声器25来减小这种由于空气流动产生的气流噪音。缸筒3的内壁两侧设置有向中间倾斜的导向圆盘5。

该阻尼器的关键构造是活塞头4。活塞头4上设置有软金属环状阀门7固定在软金属环基槽13内。当活塞头4如图3方向向右运动，流体相对于活塞向左运动，当活塞运动速度较低即通过阻尼孔的流体流量较低时候软金属环状阀门7两边的压差ΔP1较小(其中，P1和P1’分别为活塞头4两侧的压力)，软金属环状阀门7在压差ΔP1作用下不会弯曲因此阻尼间隙24的最小宽度为C-C1，流体通过阻尼孔的宽度相当于图3中的C-C1宽度，由于阻尼孔宽度较小所以可以加速流体从而保证阻尼器在低流量的情况下产生一定的阻尼力从而在微弱的外界振动下也能消耗振动能量。当通过阻尼间隙的流量增加时候流体在软金属环状阀门7两端产生的压差增加达到了ΔP2(其中，P2和P2’分别为活塞头4两侧的压力)，软金属环状阀门7在ΔP2作用下产生了一定的弯曲变形相当于阻尼间隙24的宽度从C-C1加大到了C-C2(如图4所示)，从而加大了断面面积。从经典的阻尼力计算公式F＝Cv^a，a为系数，计算公式中由于阻尼间隙24的尺寸发生了改变所以改变了阻尼系数C值。这时即使通过阻尼间隙24的流体流速有所增加，由于C值的降低阻尼力F也不会明显提高从而减小了阻尼器在较高速度下阻尼力过大的问题。当阻尼器速度进一步提高的时候软金属环状阀门7两端的压差达到ΔP3时(如图5所示，其中，P3和P3’分别为活塞头4两侧的压力)，软金属环状阀门7的弯曲变形进一步加大从而进一步加大了阻尼间隙24的断面面积使其达到了C-C3，流体通过活塞断面更加顺畅从而进一步降低了C值，在流速V显著增加的时候能够保持阻尼力F缓慢增加，从而在阻尼器在很高速度情况下依然保证稳定的出力。阻尼力和速度的关系曲线见图6-7，图6的曲线为一般形式阻尼器的力速度曲线其速度指数高于1，图7为本发明的阻尼器，其力速度曲线速度指数小于1，其中V1，V2，V3均为速度。软金属环状阀门7的材料采用复合的金属，其尺寸根据阻尼器的吨位和阻尼间隙确定。未发生变形时候软金属环状阀门7顶部和缸筒内壁的间隙小于0.5mm。当阻尼器承受一个冲击荷载作用时候一般构造阻尼器会有一个较大的阻尼力反应，如图8中曲线1所示，而本发明的阻尼在经历较大的冲击荷载时候反应如图8中曲线2所示，阻尼力峰值得到了削弱从而保护了阻尼器本身同时也保护了和阻尼器相连接的结构构件。

另外该阻尼器还对缸体内流体的循环进行了设计，使其在高速流的情况下循环更加顺畅，更加容易消耗流体的热量从而更加快捷的把输入结构的能量转化为热能耗散到空气中。由于导向圆盘5的存在使通过流体主要通道23流出的流体射向缸筒3，而由于缸体是很好的导热材料所以更加容易散发流体携带的热量。导向圆盘5上斜向外倾斜角与导向盘15轴线形成的角度由阻尼器的行程确定为15°～30°。

另外该阻尼器在阻尼器行程较大的时候可以利用缓冲槽11作为一个缓冲装置。如图9所示当活塞行程较大运动到缓冲槽11里面时候，其内部的液体会形成厚度为C4的液体弹簧，从而起到了缓冲的作用防止活塞头4和两侧的缸头2发生碰撞。缓冲槽的深度和缓冲头的长度相当。

本发明可以应用在建筑的抗震加固与改造或者需要减小结构在风荷载下动力反应增加舒适度的高层、超高层结构。

Claims (6)

1.一种高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器，包括活塞杆(1)、缸头(2)、缸筒(3)、活塞头(4)，所述缸筒(3)和两侧的缸头(2)组成封闭的缸体，活塞杆(1)穿过两侧的缸头(2)伸入到缸体内，缸体内的活塞杆(1)上设置有活塞头(4)，其特征在于：所述活塞头(4)与缸筒(3)之间形成流体主要通道(23)，活塞头(4)中部外围设置有软金属环状阀门(7)，软金属环状阀门(7)和缸筒(3)之间形成阻尼间隙(24)，活塞头(4)两侧设置有导向圆盘(5)，导向圆盘(5)边缘斜向外倾斜，缸筒(3)两侧设置有缓冲槽(11)。

2.根据权利要求1所述的一种高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器，其特征在于：所述的流体主要通道(23)的间隙为1～2mm。

3.根据权利要求1所述的一种高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器，其特征在于：所述的阻尼间隙(24)的间隙小于0.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器，其特征在于：所述的软金属环状阀门(7)的厚度为1～2mm。

5.根据权利要求1所述的一种高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器，其特征在于：所述的导向圆盘(5)上斜向外倾斜的角与导向圆盘(5)轴线形成的角度为15°～30°。

6.根据权利要求1所述的一种高耗能间隙被动调节粘滞阻尼器，其特征在于：活塞杆(1)一端的缸头(2)外侧设置有连接套筒(26)，连接套筒(26)上设置有消声器(25)；活塞杆(1)另一端与端支座(10)之间采用销轴(8)连接。

Images