CN103510637B - 三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器 - Google Patents

三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，包括：外壳；质量块，内部中空，形成气室；空气弹簧，一端与质量块外表面固定连接，另一端与外壳内表面滑动连接。与现有技术相比，本发明具有稳定性好、安装维护方便、密封性好、隔振频率低、节省空间等优点。

Description

三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器
技术领域
本发明涉及一种调谐质量阻尼器，尤其是涉及一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器。
背景技术
调谐质量阻尼器(TMD)是由质量块、弹簧与阻尼系统组成，即通过弹簧和质量块将其振动频率调至主结构频率附近，改变结构的共振特性，利用阻尼系统耗散输入振动能量，以达到减振的作用。
目前工程结构领域常用的调谐质量阻尼器一般为搁置式和悬挂式两种，搁置式常用的弹簧为钢制弹簧(圆柱或圆锥形拉压弹簧，受压叠板弹簧和蝶形弹簧)，通过调节弹簧刚度和质量块质量来调整频率。悬挂式则一般为单摆构造，可通过调节摆长和质量块质量来调整频率，一般都为一维(竖向)或二维(水平X、Y方向)减振，少数三向减振TMD也是两种方式的简单组合。
由钢制弹簧组成的TMD自振频率可达2-5Hz(减振范围≥6Hz)，对于很多自振频率较低的工程结构而言，其减振效果不佳，悬挂单摆式TMD的频率虽然理论上可做的很低，但过长的摆长且一般只能控制水平振动的缺陷也使其应用受到了限制。
通常TMD的阻尼系统为粘滞液体型或摩擦型，阻尼性能与速度相关或位移相关，一旦制作安装到位后，阻尼性能均固定不可调节。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种稳定性好、安装维护方便、密封性好、隔振频率低、节省空间、刚度和阻尼方便可调的三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，将空气弹簧创造性的应用于调谐质量阻尼器(TMD)中，充分利用空气弹簧的低频特性，可用于TMD架设空间有限的低频工程结构，隔振有效频率可低至3Hz甚至以下。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于，包括：
外壳；
质量块，内部中空，形成气室；
空气弹簧，一端与质量块外表面固定连接，另一端与外壳内表面滑动连接。
所述的空气弹簧一端通过连接法兰与质量块连接，另一端通过PTFE层与外壳内表面连接。
所述的PTFE层的非光滑面通过粘结方式与空气弹簧端部连接板连接，光滑面与外壳内表面接触连接。
所述的连接法兰为气密式法兰。
所述的空气弹簧设有6个，并对称设置。
还包括阻尼调节螺栓，所述的质量块的侧壁上设有可调节阻尼孔，所述的阻尼调节螺栓一端与可调节阻尼孔连接，另一端穿过外壳后与螺母连接，通过阻尼调节螺栓可调节阻尼孔的形状系数，并可带动质量块侧壁运动，从而来调节气室的大小以调节阻尼比大小。
所述的外壳上设有用于充气弹簧使用的充气孔。
所述的外壳上设有与外部物件连接的连接件，该连接件上设有螺栓孔。
所述的空气弹簧采用囊式或膜式空气弹簧。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)使用空气弹簧作为TMD的弹性元件，隔振频率低，可用于自振频率3Hz甚至以下的工程结构减振。安装所需空间较小，适用于空间有限的工程结构。
2)质量块与气室的一体化设计可有效节省空间，且气室与阻尼孔大小可方便调节，TMD的频率和阻尼可调范围较大，便于根据现场实际情况安装调试。
3)空气弹簧分三个方向独立设置，与外壳间的低摩擦滑动接触连接，能保证其在三个方向独立工作，可有效避免三向频率之间的耦合，能精确实现三向减振，还可有效避免空气弹簧的横向稳定性问题。
4)封闭式构造防水防尘，避免阳光直射，可有效提高空气弹簧的使用年限，外部形态简单美观，安装维护方便。
5)空气弹簧利用气体的体积和弹性发挥弹簧的作用，可自由地选择其承载力、刚度和高度，可对不同方向和旋转干扰振动获得综合减振效果且无高阶颤振现象，重量轻，能经受强振，耐疲劳，使用寿命长。与气室相连的话，可通过调节气室的大小和其上阻尼孔的形状系数来调节其刚度和阻尼比，为理想的减振弹性元件。
附图说明
图1为本发明内部构造剖面图；
图2为本发明去掉上部外壳钢板及充气软管的俯视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1和图2所示，一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，包括：
外壳2；质量块1，内部中空，形成气室；空气弹簧3，一端与质量块外表面固定连接，另一端与外壳内表面滑动连接。
所述的空气弹簧3一端通过连接法兰5与质量块1连接，另一端通过PTFE层4与外壳2内表面连接。所述的PTFE层4的非光滑面通过粘结方式与空气弹簧3连接，光滑面与外壳2内表面接触连接。
所述的连接法兰5为气密式法兰。所述的空气弹簧3设有6个，并对称设置。
本发明还包括阻尼调节螺栓6，所述的质量块1的侧壁上设有可调节阻尼孔，所述的阻尼调节螺栓6一端与可调节阻尼孔连接，另一端穿过外壳后与螺母连接，通过阻尼调节螺栓可调节阻尼孔的形状系数，并可带动质量块侧壁运动，从而来调节气室的大小以调节阻尼比大小。
所述的外壳2上设有用于充气弹簧使用的充气孔8。所述的外壳2上设有与外部物件连接的连接件7，该连接件上设有螺栓孔71。所述的空气弹簧3采用囊式或膜式空气弹簧。
本发明将空气弹簧创造性的应用于调谐质量阻尼器(TMD)中，充分利用空气弹簧的低频特性，可用于TMD架设空间有限的低频工程结构，隔振有效频率可低至3Hz甚至以下。
本发明中的质量块设计成密闭可调节式气室，实现TMD的频率和阻尼比可调。
质量块1为钢制的质量块，内部中空，兼做气室，可调节大小，其质量由减振计算确定。侧壁设置可调节阻尼孔，通过调节螺杆，可方便的从外部调整气室的大小及阻尼孔的形状系数，以调整TMD的自振频率和阻尼比。
外壳2为钢制外壳，起到固定及保护内部构件的作用，保证TMD的正常工作，外壳开有充气孔，与空气弹簧采用软管连接，以便必要时为空气弹簧充气。
空气弹簧3是TMD的核心组件，可采用囊式或膜式，具体型式根据频率和空间要求选用。空气弹簧在三个方向对称设置6个，可实现三向减振，其基准频率由减振计算或现场结构实测确定后制作安装，频率调节范围(通过调节气室大小)可达±20％。
空气弹簧3通过PTFE层与外壳接触连接，PTFE背面(非光滑面)采用粘结方式与空气弹簧固定连接，正面(光滑面，带储油槽)与外壳内表面自由接触。PTFE为低摩擦系数的滑动材料(与钢件摩擦时无润滑条件下摩擦系数0.03，有润滑时摩擦系数0.01)，此构造可保证空气弹簧随质量块在外壳内部自由滑动。
空气弹簧3通过气密式法兰与质量块(气室)连接，保证空气弹簧与质量块之间连接牢固，且能自由交换气体。
阻尼调节螺栓6为伸出外壳且与气室连通的调节螺杆，安装调试过程中，可通过该部件调节气室大小和阻尼孔的形状系数，借此调整TMD的频率和阻尼比。在运输过程中该装置可锁紧，起到临时固定措施的作用。安装调试完毕后可拧出另行妥善保管以备需要时使用。
连接件7为TMD与工程主体结构相连接的措施，可根据具体情况做成螺栓连接(如图2所示)或焊接的构造。
应用实例；
某美术馆室外人行钢连桥，空间桁架结构，长42m，宽3m，高2.2m，两端与主体结构铰接连接，一阶自振频率竖向2.2Hz，侧向(横桥向)1.4Hz，两个方向均存在人行及风致振动，计算结果显示最大振动加速度达到90gal，严重影响到使用的舒适度，设计之初考虑采用一个搁置式钢制弹簧TMD和一个悬挂单摆式TMD分别解决竖向和水平的振动问题，但钢制弹簧TMD减振频率过高，减振效果不佳，悬挂式TMD的安装空间又不够。使用本发明后(实际产品尺寸2200×1600×800mm，长×宽×高，总重约3.2吨)，两个方向的频率可达到1.4Hz(竖向)和1.0Hz(水平向)，实测阻尼比可达18％，经安装前后测试结果对比，减振效果比可达57％。

Claims (9)

1.一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，包括：
外壳；
质量块，内部中空，形成气室；
其特征在于，
所述的阻尼器还包括空气弹簧，一端与质量块外表面固定连接，另一端与外壳内表面滑动连接。
2.根据权利要求1所述的一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的空气弹簧一端通过连接法兰与质量块连接，另一端通过PTFE层与外壳内表面连接。
3.根据权利要求2所述的一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的PTFE层的非光滑面通过粘结方式与空气弹簧端部连接板连接，光滑面与外壳内表面接触连接。
4.根据权利要求2所述的一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的连接法兰为气密式法兰。
5.根据权利要求1所述的一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的空气弹簧设有6个，并对称设置。
6.根据权利要求1所述的一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于，还包括阻尼调节螺栓，所述的质量块的侧壁上设有可调节阻尼孔，所述的阻尼调节螺栓一端与可调节阻尼孔连接，另一端穿过外壳后与螺母连接，通过阻尼调节螺栓可调节阻尼孔的形状系数，并可带动质量块侧壁运动，从而来调节气室的大小以调节阻尼比大小。
7.根据权利要求1所述的一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的外壳上设有用于充气弹簧使用的充气孔。
8.根据权利要求1所述的一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的外壳上设有与外部物件连接的连接件，该连接件上设有螺栓孔。
9.根据权利要求1所述的一种三向低频变刚度变阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的空气弹簧采用囊式或膜式空气弹簧。
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