CN103758028A - 一种低频质量调谐减振装置及其调节方法 - Google Patents

Abstract

一种低频质量调谐减振装置及其调节方法，涉及大跨度桥梁结构的振动控制领域，转动轴架设于支座上，转动轴通过轴承垂直连接一根杠杆，杠杆的一端设置质量块，所述频率调节弹簧、阻尼器分别连接杠杆和支座，每对弹簧机构均套设于转动轴，且对称设置于所述杠杆两侧，每个弹簧机构的远端平面涡卷弹簧和近端平面涡卷弹簧旋向相同且相互平行，转动轴的一端设置蜗轮蜗杆机构。转动蜗轮蜗杆机构，移动频率调节弹簧的位置，使本减振装置的频率为设定值。本发明的目的在于提供一种低频质量调谐减振装置及其调节方法，其能够实现受控频率较低的大跨度桥梁的振动控制。

Description

一种低频质量调谐减振装置及其调节方法

技术领域

本发明涉及大跨度桥梁结构的振动控制领域，具体涉及一种低频质量调谐减振装置及其调节方法。

背景技术

随着我国跨海大桥的不断修建，钢箱梁结构的大跨度桥梁在较低风速下容易产生涡激振动。由于其发生频次高，且振幅大，足以影响行车安全，因此，限制涡激振动使其振动幅值在可接受范围内或者避免涡激振动具有十分重要的现实意义。

目前常用的减振装置是通过调节装置自身频率使其与主结构产生共振，将主结构的大部分振动转移至调谐质量阻尼器的质量块的振动，同时通过阻尼器内的耗能装置，将质量块的振动能量迅速耗散，以此达到控制降低主结构振动的目的。这种减振装置已在受控频率相对较高的人行天桥振动控制，以及钢箱梁机构桥梁振动控制中得到了广泛的理论研究和工程应用。如专利号为200810082654.8，名为“弹簧刚度可调式调谐质量阻尼器”的专利，应用弹簧刚度调节装置调节减振器的刚度，简化了调整工作难度；专利号为200810082663.7，名为“阻尼比可调式调谐质量减振器”的专利，提出一种阻尼比可调式竖向质量调谐减振器；专利号为201110197020.9，名为“大跨度桥梁用减震钢箱梁”的专利，将现有大跨度桥梁钢箱梁中用于压重的质量块，改造设计成减小钢箱梁振动响应的调谐质量阻尼器，以减小主梁的各类涡激振动。

以上专利虽然构造不同，但它们的共同点在于，减振器中的刚度元件和质量元件直接作用，减振器的频率较高，仅能满足受控频率较高的振动结构。对于大跨度桥梁而言，其主要竖向受控振动模态对应的频率较低，按照上述常规设计方法，由于圆柱螺旋压缩弹簧的静力变形量极大，在钢箱梁结构内净空受限的情况下，难以设计出符合要求的减振器。

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低频质量调谐减振装置及其调节方法，能够实现受控频率较低的大跨度桥梁的振动控制。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种低频质量调谐减振装置，包括支座、转动轴、频率调节弹簧、阻尼器和质量块，所述转动轴架设于支座上，所述转动轴通过轴承垂直连接一根杠杆，所述杠杆的一端设置质量块，所述频率调节弹簧、阻尼器分别连接杠杆和支座。一种低频质量调谐减振装置还包括至少一对弹簧机构，每对弹簧机构均套设于转动轴，且对称设置于所述杠杆两侧，所述每个弹簧机构包括一个远端平面涡卷弹簧和一个近端平面涡卷弹簧，所述远端平面涡卷弹簧和近端平面涡卷弹簧旋向相同且相互平行，所述远端平面涡卷弹簧的内端与转动轴固定连接，外端与杠杆不具有质量块的另一端固定连接；所述近端平面涡卷弹簧的内端与转动轴固定连接，外端与杠杆的中部固定连接，所述转动轴的一端设置蜗轮蜗杆机构。

在上述技术方案的基础上，所述转动轴上的弹簧机构为一对。

在上述技术方案的基础上，所述远端平面涡卷弹簧的外端和近端平面涡卷弹簧的外端通过设置于杠杆两侧的连接件与杠杆连接。

在上述技术方案的基础上，所述支座上设置两个带孔的支撑件，所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮和蜗杆，所述蜗杆插入所述支撑件内，所述蜗杆与蜗轮啮合，所述蜗轮固定于所述转动轴的一端。

在上述技术方案的基础上，所述杠杆为空心矩形钢管。

在上述技术方案的基础上，所述质量块的重心在杠杆的轴线上，所述质量块在杠杆上的位置可调。

在上述技术方案的基础上，所述频率调节弹簧和阻尼器设置于弹簧机构与质量块之间。

一种基于所述低频质量调谐减振装置的调节方法，包括步骤：

S1：将质量块固定在杠杆一端的预设位置，并在质量块底部设置临时支架；

S2：转动蜗轮蜗杆机构，直至质量块上升脱离临时支架，且杠杆处于水平位置；

S3：移动频率调节弹簧的位置，对低频质量调谐减振装置的频率进行微调，同时转动蜗轮蜗杆机构，使调频后的杠杆重新处于水平位置；

S4：利用动力测试仪器测试调频后的低频质量调谐减振装置的频率，判断是否为预设值，若否，进入S3；若是，进入S5；

S5：调节阻尼器的参数，使本减振装置的阻尼值达到最优值，完成调节。

在上述技术方案的基础上，转动蜗轮蜗杆机构时，首先转动蜗杆，蜗杆啮合蜗轮转动，蜗轮带动转动轴转动，转动轴带动弹簧机构转动，弹簧机构对杠杆的作用力使杠杆绕转动轴运动。

本发明的有益效果在于：

1、利用弹簧机构作为减振装置的主要刚度元件，在减振装置体积受限的前提下，实现了低频受控主体的控制要求。

2、通过远端平面涡卷弹簧和近端平面涡卷弹簧的配合作用，使转动轴处的竖向力为零，减小了减振装置的初始阻尼值。

3、减振装置中，作为刚度元件的弹簧机构和作为阻尼元件的阻尼器完全分离，调节其一不会对另一项产生影响，调节更方便。

4、蜗轮蜗杆机构不但省力，其正转带动转动轴转动、反转可自锁，保证杠杆在静力平衡状态下始终处于水平位置，同时保证振动过程中转动轴与支座固定连接。

5、频率调节弹簧通过适量的压缩，即可保证频率调节弹簧在质量块振动过程中始终处于受压状态，只要移动频率调节弹簧在杠杆上的位置，即可实现对减振装置频率的微调。

附图说明

图1为本发明低频质量调谐减振装置的结构示意图。

图2为本发明低频质量调谐减振装置的主视图。

图3为本发明低频质量调谐减振装置的调节方法流程图。

附图标记：支座1，转动轴2，蜗轮蜗杆机构3，蜗轮31，蜗杆32，远端平面涡卷弹簧4，近端平面涡卷弹簧5，杠杆6，频率调节弹簧7，阻尼器8，质量块9，连接件10，支撑件11。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，一种低频质量调谐减振装置，包括支座1、转动轴2、蜗轮蜗杆机构3、杠杆6、频率调节弹簧7、阻尼器8、质量块9和至少一对弹簧机构，所述转动轴2架设于支座1上，所述转动轴2通过轴承垂直连接一根杠杆6，所述杠杆6可以绕转动轴2转动。所述杠杆6的一端设置质量块9，所述质量块9的重心在杠杆6的轴线上，所述质量块9在杠杆6上的位置可调，所述频率调节弹簧7、阻尼器8分别连接杠杆6和支座1，且均设置于弹簧机构与质量块9之间。所述每对弹簧机构均套设于转动轴2，且对称设置于所述杠杆6两侧，所述每个弹簧机构包括一个远端平面涡卷弹簧4和一个近端平面涡卷弹簧5，所述远端平面涡卷弹簧4和近端平面涡卷弹簧5旋向相同且相互平行，所述远端平面涡卷弹簧4的内端与转动轴2固定连接，外端通过设置于杠杆6两侧的连接件10与杠杆6不具有质量块9的另一端固定连接；所述近端平面涡卷弹簧5的内端与转动轴2固定连接，外端通过设置于杠杆6两侧的连接件10与杠杆6的中部固定连接。所述支座1上设置两个带孔的支撑件11，所述蜗轮蜗杆机构3包括蜗轮31和蜗杆32，所述蜗杆32插入所述支撑件11内，所述蜗杆32与蜗轮31啮合，所述蜗轮31固定于所述转动轴2的一端。

如图3所示，一种基于所述低频质量调谐减振装置的调节方法，包括步骤：

S1：将质量块9固定在杠杆6一端的预设位置，并在质量块9底部设置临时支架；

S2：转动蜗轮蜗杆机构3，首先转动蜗杆32，蜗杆32啮合蜗轮31转动，蜗轮31带动转动轴2转动，转动轴2带动弹簧机构转动，弹簧机构对杠杆6的作用力使杠杆6绕转动轴2运动，直至质量块9上升脱离临时支架，且杠杆6处于水平位置；

S3：移动频率调节弹簧7的位置，对低频质量调谐减振装置的频率进行微调，同时转动蜗轮蜗杆机构3，使调频后的杠杆6重新处于水平位置；

S4：利用动力测试仪器测试调频后的低频质量调谐减振装置的频率，判断是否为预设值，若否，进入S3；若是，进入S5；

S5：调节阻尼器8的参数，使本减振装置的阻尼值达到最优值，完成调节。

本发明减振装置的设计选型方法为：

根据减振装置的静力平衡方程：

和减振装置的振动特征方程：

$I\·\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}+C\·L_C\·\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}+(K_{\mathrm{\θ}}+K_S\·L_S)\·\mathrm{\θ}=0$

计算得出减振装置的频率f和弹簧机构的初始扭转角θ₀：

$F=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_{\mathrm{\θ}}+K_S\·L_S}{I}}$

其中，K_θ=K_yθ+K_jθ，K_θ为弹簧机构的总刚度，K_yθ为所有远端平面涡卷弹簧4的总刚度，K_jθ为所有近端平面涡卷弹簧5的总刚度，K_s为频率调节弹簧7的刚度，Δ_s0为频率调节弹簧7的初始压缩量，L_s为频率调节弹簧7在杠杆6上的作用点至转动轴2的距离，为杠杆6的线密度，l为杠杆6的重心至转动轴2的距离，l_杠杆为杠杆6的长度，M为质量块9的质量，L_m为杠杆6上质量块9的重心至转动轴2的距离，I为质量块9及杠杆6对转动轴2的转动惯量，θ为质量块9及杠杆6对转动轴2的转动角，C为阻尼器8的阻尼系数，L_C为阻尼器8在杠杆6上的作用点至转动轴2的距离。

一般，K_θ提供减振装置的主要刚度，占总刚度的90%，K_s起刚度补充作用，Δ_s0不需要很大的值，只要保证频率调节弹簧7在在减振装置振动过程中始终受压即可，根据客户提供的f、M，以及上述公式，可以分配弹簧机构的总刚度K_θ和频率调节弹簧7的刚度K_s，以及弹簧机构的初始转动角θ₀和频率调节弹簧7的静力压缩量Δ_s0，按照此分配值选择频率调节弹簧7和弹簧机构中近端平面涡卷弹簧5、远端平面涡卷弹簧4的型号，以及它们的初始安装状态。

某跨海大桥的受控频率为0.332Hz，需要的减振装置的质量块为1t，本低频质量调谐减振装置包括支座1、重量为1t的质量块9、空心矩形钢管制作的杠杆6、两个远端平面涡卷弹簧4，两个近端平面涡卷弹簧5，频率调节弹簧7和阻尼器8，按照本发明的减振装置及调节方法完成本减振装置并使其频率为0.332Hz。所述远端平面涡卷弹簧4对杠杆6向下的作用力、近端平面涡卷弹簧5对杠杆6向上的作用力，频率调节弹簧7对杠杆6的竖直向上作用力，质量块9对杠杆6竖直向下的重力，共同作用下使杠杆6的竖向力为零。支座1与受控主结构固定安装，并尽量保持水平状态，按本发明中的调节方法调节减振装置。当主结构以受控频率振动时，由于频率调谐作用，主结构的振动转化为质量块9的振动，质量块9以旋转轴2为轴心发生周期性振动。振动过程中转移至质量块9的动能一部分转化为远端平面涡卷弹簧4、近端平面涡卷弹簧5和频率调节弹簧7的弹性势能存储起来维持减振装置的振动，另一部分由阻尼器8通过自身耗能机制耗散掉，已达到将主结构振动能量转移并耗散的过程，从而达到控制主结构振动的目的。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。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 (9)

1.一种低频质量调谐减振装置，包括支座（1）、转动轴（2）、频率调节弹簧（7）、阻尼器（8）和质量块（9），所述转动轴（2）架设于支座（1）上，所述转动轴（2）通过轴承垂直连接一根杠杆（6），所述杠杆（6）的一端设置质量块（9），所述频率调节弹簧（7）、阻尼器（8）分别连接杠杆（6）和支座（1），其特征在于：还包括至少一对弹簧机构，每对弹簧机构均套设于转动轴（2），且对称设置于所述杠杆（6）两侧，所述每个弹簧机构包括一个远端平面涡卷弹簧（4）和一个近端平面涡卷弹簧（5），所述远端平面涡卷弹簧（4）和近端平面涡卷弹簧（5）旋向相同且相互平行，所述远端平面涡卷弹簧（4）的内端与转动轴（2）固定连接，外端与杠杆（6）不具有质量块（9）的另一端固定连接；所述近端平面涡卷弹簧（5）的内端与转动轴（2）固定连接，外端与杠杆（6）的中部固定连接，所述转动轴（2）的一端设置蜗轮蜗杆机构（3）。

2.如权利要求1所述的低频质量调谐减振装置，其特征在于：所述转动轴（2）上的弹簧机构为一对。

3.如权利要求1所述的低频质量调谐减振装置，其特征在于：所述远端平面涡卷弹簧（4）的外端和近端平面涡卷弹簧（5）的外端通过设置于杠杆（6）两侧的连接件（10）与杠杆（6）连接。

4.如权利要求1所述的低频质量调谐减振装置，其特征在于：所述支座（1）设置两个带孔的支撑件（11），所述蜗轮蜗杆机构（3）包括蜗轮（31）和蜗杆（32），所述蜗杆（32）插入所述支撑件（11）内，所述蜗杆（32）与蜗轮（31）啮合，所述蜗轮（31）固定于所述转动轴（2）的一端。

5.如权利要求1所述的低频质量调谐减振装置，其特征在于：所述杠杆（6）为空心矩形钢管。

6.如权利要求1或5所述的低频质量调谐减振装置，其特征在于：所述质量块（9）的重心在杠杆（6）的轴线上，所述质量块（9）在杠杆（6）上的位置可调。

7.如权利要求1所述的低频质量调谐减振装置，其特征在于：所述频率调节弹簧（7）和阻尼器（8）设置于弹簧机构与质量块（9）之间。

8.一种基于权利要求1所述低频质量调谐减振装置的调节方法，其特征在于，包括步骤：

S1：将质量块（9）固定在杠杆（6）一端的预设位置，并在质量块（9）底部设置临时支架；

S2：转动蜗轮蜗杆机构（3），直至质量块（9）上升脱离临时支架，且杠杆（6）处于水平位置；

S3：移动频率调节弹簧（7）的位置，对低频质量调谐减振装置的频率进行微调，同时转动蜗轮蜗杆机构（3），使调频后的杠杆（6）重新处于水平位置；

S4：利用动力测试仪器测试调频后的低频质量调谐减振装置的频率，判断是否为预设值，若否，进入S3；若是，进入S5；

S5：调节阻尼器（8）的参数，使本减振装置的阻尼值达到最优值，完成调节。

9.如权利要求8所述低频质量调谐减振装置的调节方法，其特征在于：转动蜗轮蜗杆机构（3）时，首先转动蜗杆（32），蜗杆（32）啮合蜗轮（31）转动，蜗轮（31）带动转动轴（2）转动，转动轴（2）带动弹簧机构转动，弹簧机构对杠杆（6）的作用力使杠杆（6）绕转动轴（2）运动。

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