CN103061425B - 一种串、并联多级阀粘滞阻尼方法及阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种串、并联多级阀粘滞阻尼方法及阻尼器，阻尼器中设有m个串联活塞，每个活塞上单方向并联n个薄壁小孔阀；当左右两万向球铰距离伸长时，粘滞阻尼器内的流体介质将沿着1级活塞至m级活塞方向流动，通过每级活塞两端的压差及每个薄壁小孔阀流量的调节作用，使粘滞阻尼器产生抗拉方向阻尼力；当左右两万向球铰距离缩短时，粘滞阻尼器内的流体介质将沿着m级活塞至1级活塞方向流动，通过每级活塞两端的压差及每个薄壁小孔阀流量的调节作用，使粘滞阻尼器产生抗压方向阻尼力。本发明所述的串、并联多级阀粘滞阻尼方法及阻尼器，构造简单，可实现阻尼参数精确可调，便于实现大吨位阻尼力，而且具有较好的使用稳定性和耐久性。

Description

一种串、并联多级阀粘滞阻尼方法及阻尼器

技术领域

本发明涉及土木工程结构抗震防灾领域，具体说是一种串、并联多级阀粘滞阻尼方法及阻尼器。尤指用于桥梁、高层建筑及大跨空间结构抗震并保护主体结构安全的串、并联多级阀粘滞阻尼方法及阻尼器。

背景技术

随着地震等自然灾害的频发，土木工程结构抗震防灾装置及方法备受业界关注。在现有技术中，应用于土木工程结构中的抗震装置有多种类型，如金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器等。

粘滞阻尼器作为一种速度相关性阻尼装置，具有阻尼效率高、极小的静力刚度等优点，更适合于土木工程结构抗震。现有的粘滞阻尼器主要有如下几种：

1、多功能单出杆式粘滞阻尼器。

如专利号为201020584783.X、授权公告号为CN201818696U、名称为“一种可设定初始刚度的单活塞杆粘滞阻尼器”的实用新型专利，以及申请号为201020584796.7、授权公告号为CN201884543U、名称为“一种单活塞杆弹性粘滞阻尼器”的实用新型专利。

以上两种专利通过设置于内外缸筒之间的间隙作为补偿缸，可即便在活塞杆为单出杆的情形下消除活塞移动运动过程中工作缸体内出现“真空”和“锁死”现象，通过在缸体内设置阻尼单向阀和弹簧，实现初始刚度可调及弹性刚度功能。该类型阻尼器活塞杆为单出杆，可有效减少阻尼器总长度，节约安装空间，但补偿缸构造复杂，适用阻尼力吨位较小。

2、利用缸筒和活塞之间的间隙调节阻尼力的双出杆粘滞阻尼器。

如专利号为200420073009.7、授权公告号为CN2716585Y、名称为“变间隙式粘滞阻尼器”的实用新型专利及如申请号为201110409853.7、公开号为CN102518731A、名称为“高耗能间隙自适应型粘滞阻尼器”的发明专利申请。

以上两种专利通过利用缸筒和活塞之间的间隙实现阻尼作用，该耗能原理与缸体内部的介质的粘度有关，而粘度与温度具有一定相关性，因而，在工程实践中，此种阻尼作用方式的温度稳定性较差。

3、能实现各种附加功能的阻尼器。

如专利号为201120262317.4、授权公告号为CN202248354U、名称为“一种建筑用具有自动监测滞回性能的粘滞阻尼器”的实用新型专利和如专利号为200810040841.X、授权公告号为CN100585217C、名称为“带轴向限位装置的粘滞阻尼器”的发明专利。

前者可实时在线监测阻尼器的工作状态，后者可通过限位装置，有效保护阻尼器在极端荷载作用下不发生损伤破坏。

因此，现有已公开的粘滞阻尼器专利存在如下缺点：

1、改进型单出杆阻尼器的补偿装置复杂，阀门耐久性差，且阻尼吨位小。

2、阻尼作用机理与温度相关，阻尼器温度稳定性较差。

3、大吨位及较好温度稳定性的土木工程抗震粘滞阻尼器的构造特性及阻尼作用机理，参考资料有限。

4、阻尼系数可调范围狭窄，粘滞阻尼器参数设计相对困难。

5、缸筒内工作压力大、所需备压较大，对构件及密封件的冲击效应较大，缸筒阻尼吨位小，耐久性不够。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种串、并联多级阀粘滞阻尼方法及阻尼器，实现大吨位阻尼力，具有较好阻尼稳定性，且阻尼系数参数灵活可调。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种串、并联多级阀粘滞阻尼方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在确定粘滞阻尼器需要产生的阻尼力值F后，根据下述公式计算出阻尼系数C，

F=C×V^α

公式中，V为粘滞阻尼器的活塞杆3的速度，α为非线性速度指数，

步骤2，根据下述公式计算并调整粘滞阻尼器的串联活塞7的个数m和每个活塞7上单方向并联的薄壁小孔阀6的个数n以获得所需的阻尼系数C

公式中，C_i为薄壁小孔阀6的阻尼系数，A_净为粘滞阻尼器的缸体5内截面的净面积，α为非线性速度指数，

步骤3，根据步骤2的计算，将n个薄壁小孔阀6装配到每个活塞7上完成薄壁小孔阀6的单方向并联，

步骤4，根据步骤2的计算，将m个活塞7装配到活塞杆3上完成活塞7的串联，

步骤5，将活塞杆3装入粘滞阻尼器中，完成粘滞阻尼器的装配，所述粘滞阻尼器的左右两端各设有一个万向球铰1，粘滞阻尼器通过万向球铰1安装于结构预留的耳座上，

步骤6，当左右两万向球铰1距离伸长时，粘滞阻尼器内的流体介质12将沿着1级活塞7至m级活塞7方向流动，通过每级活塞7两端的压差Δp_i及每个薄壁小孔阀6流量Q_j的调节作用，使粘滞阻尼器产生抗拉方向阻尼力；

当左右两万向球铰1距离缩短时，粘滞阻尼器内的流体介质12将沿着m级活塞7至1级活塞7方向流动，通过每级活塞7两端的压差Δp_i及每个薄壁小孔阀6流量Q_j的调节作用，使粘滞阻尼器产生抗压方向阻尼力。

在上述技术方案的基础上，各级活塞7两端压差值与总阻尼力值之间的关系为：

公式中，Δp_i为第i级活塞两侧产生的压差，A_净为缸体5内截面的净面积。

一种串、并联多级阀式粘滞阻尼器，包括缸体5，其左右两端分别设有左缸盖4、右缸盖8，缸体5中充满流体介质12，其特征在于：

活塞杆3穿装于缸体5内，活塞杆3的两端分别穿出左缸盖4、右缸盖8，

在活塞杆3位于缸体5内的部分设有m级活塞7，

每级活塞7上设有若干通孔，每个通孔内设有一个薄壁小孔阀6，

缸体5的左端设有带万向球铰1的防护外罩2，

缸体5的右端设有带万向球铰1的连接缸筒9，

活塞杆3的左端与防护外罩2固定连接，

连接缸筒9设有开口向左的内腔，活塞杆3的右端位于该内腔中。

在上述技术方案的基础上，活塞杆3与左缸盖4、右缸盖8之间分别设有动密封装置10。

在上述技术方案的基础上，缸体5与左缸盖4、右缸盖8之间分别设有静密封装置11，各活塞7与缸体5之间分别设有静密封装置11。

在上述技术方案的基础上，所述活塞7上的若干通孔，以活塞杆3为圆心，呈圆形等间隔均匀分布。

在上述技术方案的基础上，所述薄壁小孔阀6分为产生受拉阻尼力的薄孔阻尼阀和产生受压阻尼力的薄孔阻尼阀两类，二者交替设置，

每级活塞上拉方向、压方向各n个薄壁小孔阀6。

在上述技术方案的基础上，所述薄壁小孔阀6通过细牙螺纹固定在活塞7的通孔内。

本发明所述的串、并联多级阀粘滞阻尼方法及阻尼器，构造简单，可实现阻尼参数精确可调，便于实现大吨位阻尼力，而且具有较好的使用稳定性和耐久性。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明的结构示意图，

图2活塞上薄壁小孔阀分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明给出了一种串、并联多级阀粘滞阻尼方法，包括以下步骤：

步骤1，在确定粘滞阻尼器需要产生的阻尼力值F后，根据下述公式计算出阻尼系数C，

F=C×V^α

公式中，V为粘滞阻尼器的活塞杆3的速度，α为非线性速度指数，

步骤2，根据下述公式计算并调整粘滞阻尼器的串联活塞7的个数m和每个活塞7上单方向并联的薄壁小孔阀6的个数n以获得所需的阻尼系数C

公式中，C_i为薄壁小孔阀6的阻尼系数，A_净为粘滞阻尼器的缸体5内截面的净面积，α为非线性速度指数，

步骤3，根据步骤2的计算，将n个薄壁小孔阀6装配到每个活塞7上完成薄壁小孔阀6的单方向并联，所述单方向指拉方向或压方向，每个方向各n个薄壁小孔阀6，因此，每个活塞7上共计2n个薄壁小孔阀6，

步骤4，根据步骤2的计算，将m个活塞7装配到活塞杆3上完成活塞7的串联，

步骤5，将活塞杆3装入粘滞阻尼器中，完成粘滞阻尼器的装配，所述粘滞阻尼器的左右两端各设有一个万向球铰1，粘滞阻尼器通过万向球铰1安装于结构预留的耳座上，

步骤6，当左右两万向球铰1距离伸长时，粘滞阻尼器内的流体介质12将沿着1级活塞7至m级活塞7方向流动，通过每级活塞7两端的压差Δp_i及每个薄壁小孔阀6流量Q_j的调节作用，使粘滞阻尼器产生抗拉方向阻尼力；

当左右两万向球铰1距离缩短时，粘滞阻尼器内的流体介质12将沿着m级活塞7至1级活塞7方向流动，通过每级活塞7两端的压差Δp_i及每个薄壁小孔阀6流量Q_j的调节作用，使粘滞阻尼器产生抗压方向阻尼力。

在上述技术方案的基础上，各级活塞7两端压差值与总阻尼力值之间的关系为：

公式中，Δp_i为第i级活塞两侧产生的压差，A_净为缸体5内截面的净面积。

本发明所述的串、并联多级阀粘滞阻尼方法，实现较大吨位阻尼力及调节阻尼系数方便可调，其作用机理为：

设：F为粘滞阻尼器产生的阻尼力值，C为阻尼系数，V为活塞杆3的速度，α为非线性速度指数，ΔP为缸体5内的总压差值，Δp_i为第i级活塞两侧产生的压差，m为缸体5内串联活塞7的个数，A_净为缸体5内截面的净面积，Q_j为每个薄壁小孔阀6内流体介质12的流量，n为每个活塞7上单方向并联的薄壁小孔阀6的个数，C_i为薄壁小孔阀6的阻尼系数。

则：式(1)为粘滞阻尼器的非线性阻尼力表示式，

F=C×V_α   (1)

式(2)为活塞7多级串联之后的总压差值表达式，

$\mathrm{\ΔP}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{p}_i---\left(2\right)$

式(3)为各级活塞7两端压差值与总阻尼力值之间的关系表达式，

式(4)为根据流量平衡原理得出的活塞杆3的移动速度与净面积、单个薄壁小孔阀6流量及薄壁小孔阀6并联个数之间的表达式，

式(5)为第i级活塞7两端由于单个薄壁小孔阀6产生的压差与流量的关系表达式，

Δp_i＝C_i×Q_j ^α   (5)

由式(2)及式(5)可得：

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δp}}_i=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i\×{Q_j}^{\mathrm{\α}}---\left(6\right)$

将式(4)代入式(6)可得式(7)，

将式(7)代入式(3)，对比式(1)可得式(8)中串、并联多级阀粘滞阻尼器中阻尼系数C的表达式，

可见，可灵活通过改变缸体5内串联活塞7的个数m和每个活塞7上单方向并联的薄壁小孔阀6的个数n调整阻尼系数C。

根据上述方法，本发明给出了一种串、并联多级阀粘滞阻尼器，如图1、2所示，包括：缸体5，其左右两端分别设有左缸盖4、右缸盖8，缸体5中充满流体介质（阻尼介质）12，

活塞杆3穿装于缸体5内，活塞杆3的两端分别穿出左缸盖4、右缸盖8，

在活塞杆3位于缸体5内的部分设有m级活塞7，即m个活塞7，例如：活塞7采用螺纹连接方式固定于活塞杆3上，m为大于1的正整数，

每级活塞7上设有若干通孔，每个通孔内设有一个薄壁小孔阀6，如前所述，通过在活塞杆3上设置多级串联方式的活塞7，将缸体5分隔为多个腔室，此种方式可有效降低每级活塞7上薄壁小孔阀6内的流速，避免气蚀的产生，使得仅需较小的缸体备压就能实现较大的阻尼力，粘滞阻尼器总阻尼力为各级活塞7产生的阻尼力之和，

缸体5的左端设有带万向球铰1的防护外罩2，

缸体5的右端设有带万向球铰1的连接缸筒9，

活塞杆3的左端与防护外罩2固定连接，

连接缸筒9设有开口向左的内腔，活塞杆3的右端位于该内腔中，

例如：缸体5的左端设有防护外罩2，防护外罩2的左侧壁外侧设有万向球铰1，活塞杆3的左端穿出左缸盖4后，与防护外罩2的左侧壁内侧螺纹连接，万向球铰1、防护外罩2及活塞杆3通过相互螺纹连接成为一个整体，三者之间无相对运动，

缸体5的右端设有连接缸筒9，右缸盖8的右端面与连接缸筒9的左端面抵靠，连接缸筒9的右侧壁外侧设有与其焊接为一整体的万向球铰1，连接缸筒9设有开口向左的内腔，活塞杆3的右端穿出右缸盖8后，伸入连接缸筒9的内腔中，连接缸筒9通过螺纹固定方式将右缸盖8与缸体5连接。

粘滞阻尼器通过活塞杆3与缸体5之间的相对运动造成各级活塞7两侧产生压差，进而转化为阻尼力。

万向球铰1能锁定阻尼器两端，在承受桥梁非轴向变形时保证锁定活塞杆3的轴向运动，不会发生弯曲变形等。

在上述技术方案的基础上，活塞杆3与左缸盖4、右缸盖8之间分别设有动密封装置10。多级串联方式活塞7可在缸体5内形成多个支点，大大提高较长行程下粘滞阻尼器的抗弯性能及动密封装置10端面的受力性能，提高粘滞阻尼器的耐久性。

在上述技术方案的基础上，缸体5与左缸盖4、右缸盖8之间分别设有静密封装置11，各活塞7与缸体5之间分别设有静密封装置11。

在上述技术方案的基础上，如图2所示，所述活塞7上的若干通孔，以活塞杆3为圆心，呈圆形等间隔均匀分布。通过在每级活塞7上面对称并联布置多个正反方向的薄壁小孔阀6，可有效调节粘滞阻尼器的阻力系数，且阻尼作用机理与缸内及环境温度无关，大大提高粘滞阻尼器的性能稳定性。

在上述技术方案的基础上，所述薄壁小孔阀6分为产生受拉阻尼力的薄孔阻尼阀和产生受压阻尼力的薄孔阻尼阀两类，二者交替设置。每级活塞上拉方向、压方向各n个薄壁小孔阀6。n为正整数。

在上述技术方案的基础上，所述薄壁小孔阀6通过细牙螺纹固定在活塞7的通孔内。

由流体力学原理可知，当缸体截面尺寸确定后，缸体产生的阻尼力与缸内活塞两侧压强差成正比，且流过活塞上薄壁孔内的流速与活塞两侧压差的平方根成正比。因此，当粘滞阻尼器提供较大的阻尼力时，如采用单级活塞，会造成薄壁孔内介质产生较大的流速，有时甚至超过声速，致使孔内高流速区产生气蚀现象，缸体会迅速升温，严重时会造成缸体爆炸，影响粘滞阻尼器的正常使用。当采用间隙阻尼方式时，阻尼作用机理与温度相关，阻尼器温度稳定性较差，影响粘滞阻尼器的使用稳定性。

本发明通过在粘滞阻尼器缸体内设置多级活塞，将缸体分隔为多个腔室，使得每级活塞两端的压差逐级降低，有效降低每级活塞孔内的流速，可在实现大吨位阻尼力的工况下避免产生气蚀；通过在每级活塞上面设置薄壁小孔阀，薄壁孔阻尼机理与阻尼介质的粘度无关，可有效屏蔽环境温度变化对阻尼器工作稳定性方面的影响；通过调整薄壁小孔阀的个数及活塞级数，方便灵活调节粘滞阻尼器的阻力系数。

本发明的优点可概括如下：

1.通过串联多级活塞，降低每级活塞薄壁阻尼阀内的流体介质流速，避免气蚀产生，可有效提高粘滞阻尼器的阻尼力值。

2.通过串联多级活塞，且在活塞上并联多个薄壁阻尼阀，可有效调节粘滞阻尼器的阻尼系数，实现参数化设计。

3.通过在活塞上并联多个薄壁阻尼阀，使得阻尼作用机理与缸内及环境温度无关，大大提高粘滞阻尼器的性能稳定性。

4.通过串联多级活塞，可在缸体内形成多个支点，大大提高较长行程下粘滞阻尼器的抗弯性能及动密封装置端面的受力性能，提高粘滞阻尼器的耐久性。

下面结合实施例和附图对本发明进一步说明，该实施例粘滞阻尼器的最大阻尼值F为3000kN，阻尼系数C为4750kN(s/m)^α，速度指数α为0.4，最大行程±500mm。由公式(1)-(8)计算确定采用缸体5内径为320mm，缸体5外径为400mm，活塞杆3直径为125mm，缸体5内净面积A_净为0.0682m²，阻尼介质12采用粘温特性更稳定的甲基硅油。采用串联m=2级活塞的方式，其中第一级活塞两端压差Δp₁为29.35MPa，产生2000kN的阻尼力，第二级活塞两端压差Δp₂为14.68MPa，产生1000kN的阻尼力，每级活塞上面单向并联n=5个薄壁小孔阀，因此阻尼器拉、压两方向共使用了20个同样的薄壁小孔阀，薄壁小孔阀安装于液压缸活塞的安装孔中。采用上述物理参数可得到预期的F、C及α参数值。

当左右两万向球铰1距离伸长时，粘滞阻尼器产生受拉方向阻尼力，此时，由于串联的两级活塞7上的薄壁阻尼阀6的节流作用使得每级活塞7两端产生一定量的压差，调整硅油在该节流方向上两级活塞7上薄壁阻尼阀6中阻尼系数值，使得第一级活塞两端压差产生2000kN的阻尼力，第二级活塞两端压差产生1000kN的阻尼力，两级活塞压差产生的受拉阻尼力之和为3000kN，同样，当左右两万向球铰1距离缩短时，粘滞阻尼器产生受压方向阻尼力，此时，由于串联的两级活塞7上的薄壁阻尼阀6的节流作用使得每级活塞7两端产生一定量的压差，调整硅油在该节流方向上两级活塞7上薄壁阻尼阀6中阻尼系数值不同，使得第一级活塞两端压差产生2000kN的阻尼力，第二级活塞两端压差产生1000kN的阻尼力，两级活塞压差产生的受压阻尼力之和为3000kN。

本实施例中粘滞阻尼器在实施前经理论计算及计算机模拟，制造安装后经试验测试，测试其最大阻尼力、阻尼系数及速度指数，满足设计要求，而且性能稳定。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种串、并联多级阀粘滞阻尼方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在确定粘滞阻尼器需要产生的阻尼力值F后，根据下述公式计算出阻尼系数C，

F＝C×V^α

公式中，V为粘滞阻尼器的活塞杆(3)的速度，α为非线性速度指数，

步骤2，根据下述公式计算并调整粘滞阻尼器的串联活塞(7)的个数m和每个活塞(7)上单方向并联的薄壁小孔阀(6)的个数n以获得所需的阻尼系数C

公式中，C_i为薄壁小孔阀(6)的阻尼系数，A_净为粘滞阻尼器的缸体(5)内截面的净面积，α为非线性速度指数，

步骤3，根据步骤2的计算，将薄壁小孔阀(6)装配到每个活塞(7)上完成薄壁小孔阀(6)的单方向并联，每个活塞(7)上拉方向和压方向各设有n个薄壁小孔阀(6),产生受拉阻尼力的薄壁小孔阀(6)和产生受压阻尼力的薄壁小孔阀(6)交替设置，薄壁小孔阀(6)通过细牙螺纹固定在活塞(7)的通孔内，

步骤4，根据步骤2的计算，将m个活塞(7)装配到活塞杆(3)上完成活塞(7)的串联，

步骤5，将活塞杆(3)装入粘滞阻尼器中，完成粘滞阻尼器的装配，所述粘滞阻尼器的左右两端各设有一个万向球铰(1)，粘滞阻尼器通过万向球铰(1)安装于结构预留的耳座上，

步骤6，当左右两万向球铰(1)距离伸长时，粘滞阻尼器内的流体介质(12)将沿着1级活塞(7)至m级活塞(7)方向流动，通过每级活塞(7)两端的压差Δp_i及每个薄壁小孔阀(6)流量Q_j的调节作用，使粘滞阻尼器产生抗拉方向阻尼力；

当左右两万向球铰(1)距离缩短时，粘滞阻尼器内的流体介质(12)将沿着m级活塞(7)至1级活塞(7)方向流动，通过每级活塞(7)两端的压差Δp_i及每个薄壁小孔阀(6)流量Q_j的调节作用，使粘滞阻尼器产生抗压方向阻尼力。

2.如权利要求1所述的串、并联多级阀粘滞阻尼方法，其特征在于：各级活塞(7)两端压差值与总阻尼力值之间的关系为：

公式中，Δp_i为第i级活塞两侧产生的压差，A_净为缸体(5)内截面的净面积。

3.一种串、并联多级阀式粘滞阻尼器，包括缸体(5)，其左右两端分别设有左缸盖(4)、右缸盖(8)，缸体(5)中充满流体介质(12)，其特征在于：

活塞杆(3)穿装于缸体(5)内，活塞杆(3)的两端分别穿出左缸盖(4)、右缸盖(8)，

在活塞杆(3)位于缸体(5)内的部分设有m级活塞(7)，

每级活塞(7)上设有2n个通孔，每个通孔内设有一个薄壁小孔阀(6)，拉方向和压方向上的薄壁小孔阀(6)的数目均为n个，并且交替设置，薄壁小孔阀(6)通过细牙螺纹固定在活塞(7)的通孔内，

缸体(5)的左端设有带万向球铰(1)的防护外罩(2)，

缸体(5)的右端设有带万向球铰(1)的连接缸筒(9)，

活塞杆(3)的左端与防护外罩(2)固定连接，

连接缸筒(9)设有开口向左的内腔，活塞杆(3)的右端位于该内腔中。

4.如权利要求3所述的串、并联多级阀粘滞阻尼器，其特征在于：活塞杆(3)与左缸盖(4)、右缸盖(8)之间分别设有动密封装置(10)。

5.如权利要求3所述的串、并联多级阀粘滞阻尼器，其特征在于：缸体(5)与左缸盖(4)、右缸盖(8)之间分别设有静密封装置(11)，各活塞(7)与缸体(5)之间分别设有静密封装置(11)。

6.如权利要求3所述的串、并联多级阀粘滞阻尼器，其特征在于：所述活塞(7)上的若干通孔，以活塞杆(3)为圆心，呈圆形等间隔均匀分布。