CN105138798A - 一种实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器及方法，涉及结构减振技术领域。该阻尼器主体的顶板底部固定有两个轴承，两个轴承的内圈通过一水平设置的转轴连接；转轴的下方竖直设置有摆杆，摆杆的顶部与转轴连接，底部焊接有质量块，质量块朝向前板、后板的两侧面均嵌有多个永磁铁，前板、后板与质量块对应之处均设置有涡流板；摆杆的左、右两侧均设置有可沿摆杆上下移动的弹簧，通过调整弹簧与转轴的间距，使得阻尼器的频率可实现无级调节。本发明的阻尼器不但质量块运动状态稳定、耗能方式可靠，而且频率调节范围大，可适应中高自振频率。

Description

一种实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器及方法

技术领域

本发明涉及结构减振技术领域，具体来讲是一种实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器及方法。

背景技术

随着现代建筑技术的快速发展，新建大楼的高度和桥梁的跨度越来越大。新结构、新材料的应用导致建筑的长细比增大、自身阻尼减小，进而使得结构稳定性差。特别是高耸、细长的建筑结构在地震、风和行车等外界荷载激励下极易发生振动，从而导致结构的破坏或疲劳损伤，进而影响结构使用安全性和使用寿命。而调谐质量阻尼器(TunedMassDamper-TMD)由于能有效控制结构固定频率的振动，因此得到了广泛的应用。

调谐质量阻尼器(TMD)一般是由弹簧、阻尼器和质量块组成，其减振机理是：将TMD的振动频率调整到主结构频率附近，通过调整阻尼至优化的参数值，使主结构的振动能量最大限度地向TMD转移并由其耗散，从而达到降低主结构振动的目的。

调谐质量阻尼器作为振动控制的主要装置，要求其具有良好的稳定性和耐久性，同时要有精确、连续的参数调节功能。但是，现有的调谐质量阻尼器由于存在各种缺陷，均不能很好的满足上述要求。

例如，专利号为ZL200610057990.8的“悬吊式调谐质量阻尼器减振控制装置”专利，公开了一种刚性杆悬吊式多向水平振动、摩擦耗能的调谐质量阻尼装置，能通过摩擦耗能，在一定程度上实现振动控制的目的，且刚性吊杆的设计增加了质量块振动的稳定性。但该阻尼器的缺点在于：使用摩擦片接触式耗能，对阻尼器稳定性和耐久性不利，并且该阻尼器将拉簧置于质量块底部的刚性杆上，通过微调弹簧作用点的位置来调节阻尼器频率，使得可调范围较小，无法实现精确、连续的参数调节功能。

又例如，公告号为CN103132628B的“摆式电涡流调谐质量阻尼装置”专利，公开了一种柔性吊索多向水平振动、电涡流耗能的调谐质量阻尼装置，能通过安装在质量块底部的电涡流阻尼产生装置，实现振动控制的目的，且非接触式耗能提高了阻尼器的稳定性和耐久性。但该阻尼器的缺点在于：由于采用柔性吊索带动质量块的运动，使得对质量块的动态稳定性难以控制，无法达到阻尼器稳定性和耐久性要求；除此之外，该阻尼器通过调节吊索长度的方式调节质量块振动频率，使得其频率可调范围极小，仅适用于较低的阻尼器自振频率，应用范围不大。

因此，如何解决现有技术中质量块运动状态不稳定、耗能方式不可靠、频率调节范围小等问题，是调谐质量阻尼器研究中亟待解决的技术问题。

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实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器及方法，不但质量块运动状态稳定、耗能方式可靠，而且频率调节范围大，可适应中高自振频率。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：提供一种实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器，包括阻尼器主体，阻尼器主体包括长方体结构的支架，支架包括前板、后板、顶板和底板；其中，所述顶板的底部固定有两个与前板、后板平行的轴承，两个轴承的内圈通过一水平设置的转轴连接；转轴的下方竖直设置有摆杆，摆杆的顶部与转轴连接，底部焊接有质量块，质量块朝向前板、后板的两侧面均嵌有多个永磁铁，前板、后板与质量块对应之处均设置有涡流板；

所述摆杆的左、右两侧均设置有弹簧，摆杆的中部开有1个摆杆导向孔，前板的板壁上开有左右2个前板导向孔，后板与前板导向孔对应之处开有左右2个后板导向孔；所述摆杆导向孔、前板导向孔和后板导向孔内均设置有锁紧螺栓，每根弹簧的两端分别设置有第一弹簧挡板和第二弹簧挡板；左侧弹簧的一端通过第一弹簧挡板与摆杆导向孔内的锁紧螺栓连接，另一端通过第二弹簧挡板分别与左侧前板导向孔、左侧后板导向孔的锁紧螺栓连接；右侧弹簧的一端通过第一弹簧挡板与摆杆导向孔内的锁紧螺栓连接，另一端通过第二弹簧挡板分别与右侧前板导向孔、右侧后板导向孔的锁紧螺栓连接。

在上述技术方案的基础上，所述前板与涡流板、所述后板与涡流板均通过用于调节涡流板与永磁铁之间的距离的调节组合件固定。

在上述技术方案的基础上，所述调节组合件为内六角螺钉和螺母。

在上述技术方案的基础上，该阻尼器还包括外壳，所述阻尼器主体封装于外壳内，该外壳扣设有可拆卸式外壳盖板，所述外壳与阻尼器主体的支架顶部固定连接。

在上述技术方案的基础上，所述质量块位于摆动方向上的两侧面均设置有缓冲橡胶垫。

在上述技术方案的基础上，所述质量块设有永磁铁的两个侧面，开有多个用于固定永磁铁的凹槽，每个凹槽内嵌有一个永磁铁，且永磁铁按照摆动方向上磁极交替变化的规则设置。

在上述技术方案的基础上，所述摆杆导向孔、前板导向孔和后板导向孔均为条形孔。

在上述技术方案的基础上，所述质量块采用软铁制成；所述永磁铁选用大小相同的矩形汝铁硼永磁铁；所述涡流板选用铜板或铝板。

本发明还提供一种基于上述阻尼器的实现结构减振的方法，包括如下步骤：

S1：测试主结构的振动频率，设计摆式电涡流调谐质量阻尼器的质量比、阻尼比和频率比，转到S2；

S2：根据设计的质量比选择合适的质量块；根据设计的阻尼比调整涡流板与永磁铁的间距；计算摆式电涡流调谐质量阻尼器的系统频率f，转到S3：

S3：将计算得到的阻尼器的系统频率f与主结构的振动频率进行比较，通过锁紧螺栓调整弹簧与转轴之间的相对距离，以此来改变阻尼器的系统频率f，直至阻尼器的系统频率f与主结构的振动频率之间达到设计的频率比；将调整好的摆式电涡流调谐质量阻尼器与主结构相连接。

在上述技术方案的基础上，S2中所述计算摆式电涡流调谐质量阻尼器的系统频率f，具体包括以下步骤：将质量块简化为一质点，设该质点到转轴的距离为l₁，弹簧中心位置到转轴的距离为l₂，每个弹簧刚度为k，则由动量矩定理得出：

$J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}=-{\mathrm{mgl}}_{1}sin\mathrm{\θ}-2{\mathrm{kl}}_2^{2}sin\mathrm{\θ}$

其中，J为转动惯量，θ为摆杆的摆角，m为质量块的质量，g为重力加速度；

由于摆角θ＜5°，则sinθ≈θ，将转动惯量带入上式得：

$\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{{\mathrm{mgl}}_1+2{\mathrm{kl}}_2^2}{{\mathrm{ml}}_1^2}\mathrm{\θ}=0$

设角速度则计算出的阻尼器的系统频率f为： $f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{g}{l_1}+\frac{2{\mathrm{kl}}_2^2}{{\mathrm{ml}}_1^2}}.$

本发明的有益效果在于：

1、本发明中，通过电涡流耗能产生阻尼力，非接触式耗能提高了阻尼器的稳定性和耐久性；采用刚性的摆杆作为摆动的传动部件，使得质量块运动状态更加稳定；弹簧和摆杆组合提供系统刚度，使系统的刚度和阻尼完全分离；摆动的转轴与轴承配合使用，降低了机械摩擦，使阻尼器的结构摩擦阻尼小于1％，后期通过改变涡流板与永磁铁的间距、以及弹簧与转轴的间距，使得阻尼器的阻尼比和频率都可以实现无级调节，频率调节范围大，可适应中高自振频率，进而达到结构减振的目的。

2、本发明的阻尼器主体封装于一个外壳内，该外壳的设计一方面能隔离外界的水汽，使外壳内部的阻尼器主体不易受到侵蚀，从而保证了阻尼器的使用寿命；另一方面，外壳的内壁能对质量块的摆动起到安全限位的作用，进而保证了阻尼器的使用安全。除此之外，该外壳还扣设有可拆卸式外壳盖板，不但拆卸方便、便于后期使用和维护，而且外形美观。

3、本发明中，质量块位于摆动方向上的两侧面均设置有缓冲橡胶垫，该缓冲橡胶垫的设计保证阻尼器在最不利地工况下(即质量块摆幅达到最大时)，能缓冲质量块与外壳内壁之间的碰撞，维持阻尼器的安全运行。

4、本发明中，永磁铁按照摆动方向上磁极交替变化的规则进行设置，使得在相对运动的方向上，涡流板处于交替变化的磁场中。与单一磁场方向的方案比较而言，涡流板在方向交错的磁场中会产生更大的电涡流，继而输出更大的阻尼力，具备较好的阻尼性能。

5、本发明的阻尼器结构简单，便于制造，后期的调试与养护便捷，且使用寿命长，经济适用。

附图说明

图1为本发明实施例中摆式电涡流调谐质量阻尼器的主视图；

图2为图1另一视角的示意图；

图3为内六角螺钉与螺母配合的示意图；

图4为外壳与外壳盖板配合的示意图；

图5为质量块的受力简图。

附图标记：

1-支架；2-固定耳板；3-转轴；4-轴承；5-轴承端盖；6-第一弹簧挡板；7-弹簧；8-第二弹簧挡板；9-锁紧螺栓；10-摆杆；11-内六角螺钉；12-质量块；13-永磁铁；14-缓冲橡胶垫；15-涡流板；16-螺母；17-外壳；18-外壳盖板；19-连接耳板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器，包括阻尼器主体，阻尼器主体包括长方体结构的支架1，该支架1包括前板、后板、顶板和底板，其中，顶板的底部通过固定耳板2固设有两个与前板、后板平行的轴承4(优选为深沟球轴承)，每个轴承4的端面设置有轴承端盖5，两个轴承4的内圈通过一水平设置的转轴3连接，该转轴3的下方竖直设置有摆杆10，摆杆10的顶部与转轴3连接，底部焊接有质量块12，该质量块12朝向前板、后板的两侧面均嵌有多个永磁铁13，前板、后板与质量块12对应之处均设置有涡流板15，涡流板15为铜板、铝板等不可被磁化的金属板。该涡流板15与质量块12的永磁铁13构成了阻尼器的阻尼元件，当质量块12的永磁铁13随摆杆10做往复运动时，涡流板15内将产生感应电动势，进而在涡流板15内产生电流(即电涡流)，根据楞次定律(感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因)，即产生了阻尼力的来源，从而达到减小结构振动的目的。

另外，摆杆10的左、右两侧均水平设置有弹簧7，摆杆10的中部开有1个摆杆导向孔，前板的板壁上开有左右2个前板导向孔，后板与前板导向孔对应之处开有左右2个后板导向孔；所有摆杆导向孔、前板导向孔和后板导向孔内均设置有锁紧螺栓9，每根弹簧7的两端均分别设置有第一弹簧挡板6和第二弹簧挡板8；左侧弹簧7的一端通过第一弹簧挡板6与摆杆导向孔内的锁紧螺栓9连接，另一端通过第二弹簧挡板8分别与左侧前板导向孔、左侧后板导向孔的锁紧螺栓9连接；右侧弹簧7的一端通过第一弹簧挡板6与摆杆导向孔内的锁紧螺栓9连接，另一端通过第二弹簧挡板8分别与右侧前板导向孔、右侧后板导向孔的锁紧螺栓9连接。

本实施例中，所有摆杆导向孔、前板导向孔和后板导向孔均为条形孔；弹簧7优选为圆柱螺旋压缩弹簧。使用时，通过调整锁紧螺栓9在对应导向孔内的位置，使得弹簧7能相对摆杆10上下滑动，进而使得弹簧7与转轴3之间的相对距离得到改变，最终实现阻尼器系统频率的无级调节，使得频率调节范围大，可适应中高自振频率。

参见图1和图3所示，前板与涡流板15、后板与涡流板15均通过用于调节涡流板15与永磁铁13之间的距离的调节组合件固定。本实施例中，调节组合件为内六角螺钉11和螺母16，且可调节范围为0.5～2.0mm。由于永磁铁13表面的磁感应强度随距离的增大而减小，因此，通过内六角螺钉11和螺母16来调整涡流板15与永磁铁13之间的距离，就可以改变电涡流的强弱，进而实现阻尼力的调节。

参见图4所示，本阻尼器还包括外壳17，阻尼器主体封装于外壳17内，该外壳17扣设有可拆卸式外壳盖板18，该外壳17与阻尼器主体的支架1顶部通过螺栓固定连接，且外壳17的顶部设置有用于与主结构连接的连接耳板19。该外壳17的设计一方面能隔离外界的水汽，使外壳17内部的器件不易受到侵蚀，从而保证了阻尼器的使用寿命；另一方面，外壳17的内壁能对质量块12的摆动起到安全限位的作用，进而保证了阻尼器的使用安全。本实施例中，外壳17采用不锈钢制成。

与此同时，为了保证阻尼器在最不利地工况下(即质量块12摆幅达到最大时)，能缓冲质量块12与外壳17内壁之间的碰撞，维持阻尼器的安全运行，参见图1所示，在质量块12位于摆动方向上的两侧面均设置有缓冲橡胶垫14。

本实施例中，质量块12的纵截面为倒梯形，使得质量块12在摆动后与外壳17的碰撞为平面碰撞，增大了受力面积，减小了冲击力，从而提高安全性；质量块12设有永磁铁13的两个侧面开有多个用于固定永磁铁13的凹槽，每个凹槽内嵌有一个永磁铁13，且质量块12采用导磁性能好的软铁制成，可以增加吸附在质量块12上的永磁铁13表面磁通密度。另外，永磁铁13选用大小相同的矩形汝铁硼永磁铁13，按照摆动方向上磁极交替变化的规则设置，使得在相对运动的方向上，涡流板15处于交替变化的磁场中。与单一磁场方向的方案比较而言，涡流板15在方向交错的磁场中会产生更大的电涡流，继而输出更大的阻尼力，具备较好的阻尼性能。

本发明的摆式电涡流调谐质量阻尼器在使用时，先通过外壳17上的连接耳板19与主结构相连，当主结构发生振动时，质量块12以转轴3为中心往复摆动，带动质量块12的永磁铁13一起运动，从而在固定的涡流板15上产生阻碍质量块12摆动的电涡流，形成阻尼器耗能所需的阻尼，从而达到减小结构振动的目的。

本发明还提供一种基于上述阻尼器的实现结构减振的方法，包括以下步骤：

S1：测试主结构的振动频率，设计摆式电涡流调谐质量阻尼器最优的质量比、阻尼比和频率比，转到S2。

S2：根据设计的质量比选择合适的质量块12；根据设计的阻尼比调整涡流板15与永磁铁13的间距；计算摆式电涡流调谐质量阻尼器的系统频率f，转到S3。

实际操作时，S2中计算摆式电涡流调谐质量阻尼器的系统频率f，具体包括以下步骤：如图5所示，将质量块12简化为一质点，设该质点到转轴3的距离为l₁，弹簧7中心位置到转轴3的距离为l₂，每个弹簧7刚度为k，则由动量矩定理得出：

$J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}=-{\mathrm{mgl}}_{1}sin\mathrm{\θ}-2{\mathrm{kl}}_2^{2}sin\mathrm{\θ}$

其中，J为转动惯量，θ为摆杆10的摆角，m为质量块12的质量，g为重力加速度；

由于摆角θ很小(θ＜5°)，则sinθ≈θ，将转动惯量带入上式得：

$\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{{\mathrm{mgl}}_1+2{\mathrm{kl}}_2^2}{{\mathrm{ml}}_1^2}\mathrm{\θ}=0$

设角速度则计算出的阻尼器系统频率f为：

$f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{g}{l_1}+\frac{2{\mathrm{kl}}_2^2}{{\mathrm{ml}}_1^2}}.$

S3：将计算得到的阻尼器的系统频率f与主结构的振动频率进行比较，通过锁紧螺栓9调整弹簧7与转轴3之间的相对距离，以此来改变阻尼器的系统频率f，直至阻尼器的系统频率f与主结构的振动频率之间达到设计的频率比；将调整好的摆式电涡流调谐质量阻尼器与主结构相连接。

本发明中，通过电涡流耗能产生阻尼力，非接触式耗能提高了阻尼器的稳定性和耐久性；弹簧7和摆杆10组合提供系统刚度，使系统的刚度和阻尼完全分离；摆动的转轴3与轴承4配合使用，降低了机械摩擦，使阻尼器的结构摩擦阻尼小于1％，后期通过改变涡流板15与永磁铁13的间距以及弹簧7在刚性杆(即摆杆10)的位置，使得阻尼器的阻尼比和频率都可以实现无级调节。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型属在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器，包括阻尼器主体，阻尼器主体包括长方体结构的支架(1)，支架(1)包括前板、后板、顶板和底板，其特征在于：所述顶板的底部固定有两个与前板、后板平行的轴承(4)，两个轴承(4)的内圈通过一水平设置的转轴(3)连接；转轴(3)的下方竖直设置有摆杆(10)，摆杆(10)的顶部与转轴(3)连接，底部焊接有质量块(12)，质量块(12)朝向前板、后板的两侧面均嵌有多个永磁铁(13)，所述前板、后板与质量块(12)对应之处均设置有涡流板(15)；

所述摆杆(10)的左、右两侧均设置有弹簧(7)，摆杆(10)的中部开有1个摆杆导向孔，前板的板壁上开有左右2个前板导向孔，后板与前板导向孔对应之处开有左右2个后板导向孔；所述摆杆导向孔、前板导向孔和后板导向孔内均设置有锁紧螺栓(9)，每根弹簧(7)的两端分别设置有第一弹簧挡板(6)和第二弹簧挡板(8)；左侧弹簧(7)的一端通过第一弹簧挡板(6)与摆杆导向孔内的锁紧螺栓(9)连接，另一端通过第二弹簧挡板(8)分别与左侧前板导向孔、左侧后板导向孔的锁紧螺栓(9)连接；右侧弹簧(7)的一端通过第一弹簧挡板(6)与摆杆导向孔内的锁紧螺栓(9)连接，另一端通过第二弹簧挡板(8)分别与右侧前板导向孔、右侧后板导向孔的锁紧螺栓(9)连接。

2.如权利要求1所述的实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述前板与涡流板(15)、所述后板与涡流板(15)均通过用于调节涡流板(15)与永磁铁(13)之间的距离的调节组合件固定。

3.如权利要求2所述的实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述调节组合件为内六角螺钉(11)和螺母(16)。

4.如权利要求1所述的实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：该阻尼器还包括外壳(17)，所述阻尼器主体封装于外壳(17)内，该外壳(17)扣设有可拆卸式外壳盖板(18)，所述外壳(17)与阻尼器主体的支架(1)顶部固定连接。

5.如权利要求4所述的实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述质量块(12)位于摆动方向上的两侧面均设置有缓冲橡胶垫(14)。

6.如权利要求1所述的实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述质量块(12)设有永磁铁(13)的两个侧面，开有多个用于固定永磁铁(13)的凹槽，每个凹槽内嵌有一个永磁铁(13)，且永磁铁(13)按照摆动方向上磁极交替变化的规则设置。

7.如权利要求1所述的实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述摆杆导向孔、前板导向孔和后板导向孔均为条形孔。

8.如权利要求1至7中任一项所述的实现结构减振的摆式电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述质量块(12)采用软铁制成；所述永磁铁(13)选用大小相同的矩形汝铁硼永磁铁；所述涡流板(15)选用铜板或铝板。

9.一种基于权利要求1所述摆式电涡流调谐质量阻尼器的实现结构减振的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：测试主结构的振动频率，设计摆式电涡流调谐质量阻尼器的质量比、阻尼比和频率比，转到S2；

S2：根据设计的质量比选择合适的质量块(12)；根据设计的阻尼比调整涡流板(15)与永磁铁(13)的间距；计算摆式电涡流调谐质量阻尼器的系统频率f，转到S3：

S3：将计算得到的阻尼器的系统频率f与主结构的振动频率进行比较，通过锁紧螺栓(9)调整弹簧(7)与转轴(3)之间的相对距离，以此来改变阻尼器的系统频率f，直至阻尼器的系统频率f与主结构的振动频率之间达到设计的频率比；将调整好的摆式电涡流调谐质量阻尼器与主结构相连接。

10.如权利要求9所述的实现结构减振的方法，其特征在于：S2中所述计算摆式电涡流调谐质量阻尼器的系统频率f，具体包括以下步骤：将质量块(12)简化为一质点，设该质点到转轴(3)的距离为l₁，弹簧(7)中心位置到转轴(3)的距离为l₂，每个弹簧(7)刚度为k，则由动量矩定理得出：

$J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}=-{\mathrm{mgl}}_{1}sin\mathrm{\θ}-2{\mathrm{kl}}_2^{2}sin\mathrm{\θ}$

其中，J为转动惯量，θ为摆杆(10)的摆角，m为质量块(12)的质量，g为重力加速度；

由于摆角θ＜5°，则sinθ≈θ，将转动惯量带入上式得：

$\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{{\mathrm{mgl}}_1+2{\mathrm{kl}}_2^2}{{\mathrm{ml}}_1^2}\mathrm{\θ}=0$

设角速度则计算出的阻尼器的系统频率f为： $f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{g}{l_1}+\frac{2{\mathrm{kl}}_2^2}{{\mathrm{ml}}_1^2}}.$