CN105351419B - 具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器，包括摩擦板、上部固定板、下部固定板、端板、中间连接板、楔形滑动摩擦块、挤压楔形块以及压缩弹簧；摩擦板、上下部固定板围成一板式腔体，腔体内部设有变摩擦构造装置，其由一对摩擦组件、中间连接板和压缩弹簧组成；每个摩擦组件均由两个楔形滑动摩擦块以及两个挤压楔形块组成；压缩弹簧固定安装在两个摩擦组件之间；摩擦板的一侧平面开有凹槽，摩擦板的摩擦面位于凹槽的底面，摩擦组件正好嵌于两个摩擦板的凹槽中。本发明制作简单、成本低廉、性能稳定，具有复阻尼特征，摩擦界面初始状态无接触应力。

Description

具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器

技术领域

本发明涉及一种具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器，可应用于工程结构减振控制，属于振动控制技术领域。

背景技术

工程结构减振和隔振领域采用的减振阻尼器目前大体上可分为速度相关型和位移相关型两大类，位移相关型阻尼器主要包括利用金属材料塑性变形耗能的各种金属阻尼器和利用摩擦机制耗能的各类摩擦阻尼器；速度相关型阻尼器目前主要包括利用粘滞流体通过阻尼孔产生阻尼力耗散能量的粘滞阻尼器和利用粘弹性材料塑性能力耗能的粘弹性阻尼器。大多数位移相关型阻尼器具有明确的开始耗能的阻尼力阈值，当阻尼器受力小于该阈值时，阻尼器提供弹性刚度，不产生能量消耗，当其受力超过该阈值后，阻尼器进入屈服状态或摩擦滑动状态，开始耗散能量，但其阻尼力随变形的增长通常很小或者不再增长。从这个角度看，位移相关型通常需要设定其发挥耗能作用的变形条件，变形小于设定值时，阻尼器不起耗能作用，而当变形远大于设定值，由于对阻尼力的增长较小，其附加的等效阻尼比将随变形的增加而减小，仅在设定变形幅值附近可提供预期的附加阻尼比。粘滞阻尼器则可随速度变化提供不同的阻尼力和能量消耗，速度越高、阻尼力越大、消耗能量越多，不存在位移相关型阈值问题，因而在工程结构的减振控制中粘滞阻尼器的使用要多于位移相关型。不过粘滞阻尼器的加工精度和密封要求要远远高于位移相关型，这导致其造价也要远远高于一般的位移相关型，综合其性价比不如后者。但在一些特殊情况下，粘滞阻尼器具有一些位移相关型不具备的优势，通常情况下不能用位移型阻尼器替代。例如对于TMD减振结构体系，未获得最优的减震效果TMD子结构的阻尼比存在最优值，且其振幅通常不确定，采用位移相关型明显是不行的：如果选择过高的起阻尼力阈值，会导致TMD不能适时启动而失去调频减振作用；选择过小的起滑力阈值，又会出现耗能能力不足缺陷，导致TMD在大振幅作用下控制效果不佳。因而目前的TMD减振工程应用中，绝大多数情况下都是采用粘滞阻尼器提供阻尼力。另外，常规摩擦阻尼器需要预加摩擦正应力，摩擦界面在长期处于高应力状态下的摩擦性能会发生变化。

发明内容

本发明为了解决现有阻尼器的上述缺陷，本发明提出了一种具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器，用以提供复阻尼特征以及稳定的摩擦界面。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器，所述阻尼器包括摩擦板、上部固定板、下部固定板、端板、中间连接板、楔形滑动摩擦块、挤压楔形块以及压缩弹簧；两块摩擦板、上部固定板以及下部固定板围成一板式腔体，腔体左端与端板连接，腔体内部设有变摩擦构造装置，所述变摩擦构造装置由一对摩擦组件、中间连接板和压缩弹簧组成；每个摩擦组件均由两个楔形滑动摩擦块以及两个挤压楔形块组成；压缩弹簧固定安装在两个摩擦组件之间，其两端分别固定在两个摩擦组件内侧的两个挤压楔形块上；中间连接板中部开有洞口，用压缩弹簧连接的两个摩擦组件安装在中间连接板的洞口中；摩擦板的一侧平面开有凹槽，摩擦板的摩擦面位于凹槽的底面，用压缩弹簧连接的两个摩擦组件正好嵌于两个摩擦板的凹槽中，使得楔形滑动摩擦块不能移动到凹槽之外；中间连接板通过挤压楔形块上部与下部的凹槽卡住连接，从而可带动中间的摩擦组件左、右往复移动。

进一步地，所述腔体左端通过限位螺栓与端板连接，且上部固定板、下部固定板分别用螺栓连接在两块摩擦板的侧边，用于固定摩擦板的位置。

进一步地，所述中间连接板位于挤压楔形块中间。

进一步地，两个所述摩擦组件中与中间连接板洞口接触的端部的两个挤压楔形块通过螺栓固定在中间连接板上。

进一步地，所述中间连接板与端板之间留有间隙，且中间连接板左端与左侧端板之间的距离，大于中间连接板向左移动的最远距离，以保证中间连接板向左侧的运动不受阻碍。

进一步地，楔形滑动摩擦块包括一个摩擦面和两个斜面，挤压楔形块包括上、下两个斜面，两个斜面相对的挤压楔形块、两个楔形滑动摩擦块组成一个摩擦组件，摩擦组件中两个楔形滑动摩擦块的摩擦面分别与两个摩擦板的摩擦面接触，摩擦组件中楔形滑动摩擦块的两个斜面分别与两个挤压楔形块的斜面接触。

进一步地，所述压缩弹簧连接的摩擦组件至少为一对。

进一步地，所述楔形滑动摩擦块的大小和尺寸相同。

进一步地，所述压缩弹簧采用高性能铬合金弹簧钢制作，且压缩弹簧的压缩反力大于楔形滑动摩擦块与摩擦板摩擦面之间的摩擦力。

进一步地，所述上部固定板、下部固定板中间沿中间连接板移动方向设有凹槽，以使中间连接板和摩擦组件往复运动时，不会被挤压造成错动而偏离，影响滞回性能的稳定性。

当阻尼器安装于结构上时，分别连接在端板和中间连接板上。初始状态时，压缩弹簧处于不受力状态，当中间连接板进行加载时，中间连接板会带动挤压楔形块挤压与之相接触的楔形滑动摩擦块的斜面，而该楔形滑动摩擦块的另外一个斜面与该摩擦组件中另外一个与压缩弹簧相连的挤压楔形块接触，中间连接板的运动会导致压缩弹簧的压缩变形，压缩弹簧变形后产生的压力会通过该摩擦组件中两个相对的挤压楔形块对楔形滑动摩擦块的挤压作用传递到楔形滑动摩擦块与摩擦板之间的接触面上，压缩弹簧压缩量越大，楔形滑动摩擦块与摩擦板之间的摩擦力就越大，且摩擦力与弹簧压缩量呈线性关系。加载时，阻尼力等于弹簧压缩反力与楔形滑动摩擦块和摩擦板之间摩擦力之和；当中间连接板从位移幅值处卸载时，阻尼力等于二者之差。通常设置为压缩弹簧的压缩反力大于摩擦力，这样可使得卸载时阻尼器可以自行回到初始位置。由于组成阻尼力的两部分力都与压缩弹簧压缩量保持线性关系，因此，在往复荷载作用下阻尼器的滞回曲线为位于一、三象限的两个对角三角形，具有复阻尼特征。同时，初始状态时，所述楔形滑动摩擦块与摩擦板之间无预压力（即接触应力为零），故阻尼器的加载不需要起滑力，这有利于保证摩擦界面的性能稳定。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

该阻尼器制作简单、成本低廉、性能稳定，同时该阻尼器还具有以下优点：

1）阻尼力随变形线性变化，具有复阻尼特征，在大多数情况下可替代粘滞阻尼器。即该阻尼器在变形从初始位置增大时（即加载过程），提供随位移幅值线性增加的阻尼力，当其从振幅位置向初始位置回复时（即卸载过程），提供随位移幅值线性减小的阻尼力，且相同变形位置处对应的加载过程阻尼力大于卸载过程阻尼力。由于加载过程和卸载过程都是线性的，二者对应的力-变形曲线所围面积（即为耗散的能量）也随着振幅的增加而线性增加；当结构保持弹性时，该阻尼器附加给结构的等效阻尼比不受变形幅值的影响，具有复阻尼的特征。复阻尼力随变形幅值线性变化，粘滞阻尼力随变形速度线性变化，在绝大多数工程应用条件下，包括TMD减振结构体系中，两种阻尼具有相近的减振效果。而本发明的造价远低于粘滞阻尼器，性价比占优。

2）摩擦界面初始状态无接触应力，即本发明提出的阻尼器虽然也是基于摩擦机制提供耗能，但在初始状态时，摩擦界面接触应力为零，有利于保证摩擦界面的性能稳定性，这也是一个重要的优点。

附图说明

图1是本发明的具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器的结构构造图；

图2是图1的C-C剖面图；

图3是楔形滑动摩擦块的结构示意图；

图4是图3的A-A剖面图；

图5是图3楔形滑动摩擦块的三维立体图；

图6是挤压楔形块的结构示意图；

图7是图6的B-B剖面图；

图8是图6挤压楔形块的三维立体图；

图9是中间连接板的结构示意图；

图10是图9的A-A剖面图

图11是图9中间连接板的三维立体图；

图12是本发明阻尼器滞回曲线；

图13是本发明阻尼器所用不同弹簧的力-位移关系曲线；

图中：1：摩擦板，2：上部固定板，3：下部固定板，4：端板，5：中间连接板，6、7：楔形滑动摩擦块、8、9、10、11：挤压楔形块，12：压缩弹簧。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步说明。

如图1-11所示，本发明的一种具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器，如图1-2所示，包括摩擦板1、上部固定板2、下部固定板3、端板4、中间连接板5、楔形滑动摩擦块6、7、挤压楔形块8、9、10、11以及压缩弹簧12；两块摩擦板1、上部固定板2以及下部固定板3围成一板式腔体，腔体左端与端板4连接，腔体内部设有变摩擦构造装置，变摩擦构造装置由一对摩擦组件、中间连接板5和压缩弹簧12组成。每个摩擦组件均由两个楔形滑动摩擦块6、7以及两个挤压楔形块8、9、10、11组成，如图3-8所示。压缩弹簧12固定安装在两个摩擦组件之间，其两端分别固定在两个摩擦组件内侧的两个挤压楔形块9、10上。如图9-11所示，中间连接板5中部开有洞口，用压缩弹簧12连接的两个摩擦组件安装在中间连接板5的洞口中；摩擦板1的一侧平面开有凹槽，摩擦板1的摩擦面位于凹槽的底面，用压缩弹簧12连接的两个摩擦组件正好嵌于两个摩擦板1的凹槽中，使得楔形滑动摩擦块6、7不能移动到凹槽之外。中间连接板5通过挤压楔形块8、9、10、11上部与下部的凹槽卡住连接，从而可带动中间的摩擦组件左、右往复移动。其中，腔体左端通过限位螺栓与端板4连接，且上部固定板2、下部固定板3分别用螺栓连接在两块摩擦板1的侧边，用于固定摩擦板1的位置，中间连接板5位于挤压楔形块8、9、10、11中间，两个所述摩擦组件中与中间连接板5洞口接触的端部的两个挤压楔形块8、11通过螺栓固定在中间连接板5上。述中间连接板5与端板4之间留有间隙，且中间连接板5左端与左侧端板4之间的距离，大于中间连接板5向左移动的最远距离，以保证中间连接板5向左侧的运动不受阻碍。

特别的，楔形滑动摩擦块6、7包括一个摩擦面和两个斜面，挤压楔形块8、9、10、11包括上、下两个斜面，两个斜面相对的挤压楔形块、两个楔形滑动摩擦块组成一个摩擦组件，摩擦组件中两个楔形滑动摩擦块的摩擦面分别与两个摩擦板1的摩擦面接触，摩擦组件中楔形滑动摩擦块6、7的两个斜面分别与两个挤压楔形块8、9、10、11的斜面接触。

另外，压缩弹簧12连接的摩擦组件至少为一对，楔形滑动摩擦块6、7的大小和尺寸相同。压缩弹簧12采用高性能铬合金弹簧钢制作，且压缩弹簧12的压缩反力大于楔形滑动摩擦块6、7与摩擦板1摩擦面之间的摩擦力。同时，上部固定板2、下部固定板3中间沿中间连接板5移动方向设有凹槽，以使中间连接板5和摩擦组件往复运动时，不会被挤压造成错动而偏离，影响滞回性能的稳定性。

初始状态时，所述左右两端的楔形滑动摩擦块6、7恰好和所述摩擦板1左右两端部的卡槽相切，无间隙，压缩弹簧12处于不受力状态。以左侧摩擦组件为例来进一步说明变摩擦机理。加载时，中间连接板5会带动挤压楔形块8挤压与之相接触的楔形滑动摩擦块6的斜面，而该楔形滑动摩擦块6的另外一个斜面与该摩擦组件中另外一个与压缩弹簧12相连的挤压楔形块9接触，中间连接板5的运动会导致压缩弹簧12的压缩变形，压缩弹簧12变形后产生的压力会通过该摩擦组件中两个相对的挤压楔形块8、9对楔形滑动摩擦6的挤压作用传递到楔形滑动摩擦块6与摩擦板1之间的接触面上，压缩弹簧压缩量越大，楔形滑动摩擦块6与摩擦板1之间的摩擦力就越大，且摩擦力与压缩弹簧12压缩量呈线性关系。由于组成阻尼力的两部分力弹簧反力与摩擦力都与压缩弹簧12压缩量保持线性关系，因此，在往复荷载作用下阻尼器的滞回曲线为位于一、三象限的两个对角三角形，从而实现了具有复阻尼特征的滞回性能。

本实施例的具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器，能提供具有“三角形”线性复刚度特征的滞回曲线，且性能稳定，不存在起滑力问题。图12所示即为本实施例的具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器的试验所得滞回曲线，在往复荷载作用下其滞回环线为一、三象限的两个对角三角形。位移幅值15mm，性能比较稳定，具有复阻尼特征。该例中的板式腔体、端板、中间连接板、挤压滑块以及楔形滑动摩擦块均采用高性能钢材制作，摩擦面进行了特殊处理，保证楔形滑动摩擦块与摩擦板内壁之间的摩擦系数保持恒定。楔形块斜面角度为π/10。阻尼器长度210mm，试验中压缩弹簧为刚度不同的模具弹簧，其力与位移关系曲线如图13所示，1﹟弹簧刚度为35N/mm；2﹟弹簧刚度为100N/mm。由图12可知采用1﹟弹簧的阻尼力可达到1000N左右，而采用2﹟弹簧的阻尼力可达到2000N左右，可见增加压缩弹簧刚度可提高阻尼器出力。此外，当楔形块斜面角度适当减小时，阻尼力可随之增加；当楔形滑动摩擦块数量增加时，阻尼力也将随之增加。

以上是本发明的一典型实施例，本发明的实施不限于此。

Claims (3)

1.一种具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器，其特征在于：所述阻尼器包括摩擦板（1）、上部固定板（2）、下部固定板（3）、端板（4）、中间连接板（5）、楔形滑动摩擦块（6、7）、挤压楔形块（8、9、10、11）以及压缩弹簧（12）；两块摩擦板（1）、上部固定板（2）以及下部固定板（3）围成一板式腔体，腔体左端与端板（4）连接，腔体内部设有变摩擦构造装置，所述变摩擦构造装置由一对摩擦组件、中间连接板（5）和压缩弹簧（12）组成；每个摩擦组件均由两个楔形滑动摩擦块（6、7）以及两个挤压楔形块（8、9、10、11）组成；压缩弹簧（12）固定安装在两个摩擦组件之间，其两端分别固定在两个摩擦组件内侧的两个挤压楔形块（9、10）上；中间连接板（5）中部开有洞口，用压缩弹簧（12）连接的两个摩擦组件安装在中间连接板（5）的洞口中；摩擦板（1）的一侧平面开有凹槽，摩擦板（1）的摩擦面位于凹槽的底面，用压缩弹簧（12）连接的两个摩擦组件正好嵌于两个摩擦板（1）的凹槽中，使得楔形滑动摩擦块（6、7）不能移动到凹槽之外；中间连接板（5）通过挤压楔形块（8、9、10、11）上部与下部的凹槽卡住连接，从而可带动中间的摩擦组件左、右往复移动；所述腔体左端通过限位螺栓与端板（4）连接，且上部固定板（2）、下部固定板（3）分别用螺栓连接在两块摩擦板（1）的侧边，用于固定摩擦板（1）的位置；所述中间连接板（5）位于挤压楔形块（8、9、10、11）中间；两个所述摩擦组件中与中间连接板（5）洞口接触的端部的两个挤压楔形块（8、11）通过螺栓固定在中间连接板（5）上；所述中间连接板（5）与端板（4）之间留有间隙，且中间连接板（5）左端与左侧端板（4）之间的距离，大于中间连接板（5）向左移动的最远距离，以保证中间连接板（5）向左侧的运动不受阻碍；所述楔形滑动摩擦块（6、7）的大小和尺寸相同；所述压缩弹簧（12）采用高性能铬合金弹簧钢制作，且压缩弹簧（12）的压缩反力大于楔形滑动摩擦块（6、7）与摩擦板（1）摩擦面之间的摩擦力；所述上部固定板（2）、下部固定板（3）中间沿中间连接板（5）移动方向设有凹槽，以使中间连接板（5）和摩擦组件往复运动时，不会被挤压造成错动而偏离，影响滞回性能的稳定性。

2.根据权利要求1所述的具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器，其特征在于：楔形滑动摩擦块（6、7）包括一个摩擦面和两个斜面，挤压楔形块（8、9、10、11）包括上、下两个斜面，两个斜面相对的挤压楔形块、两个楔形滑动摩擦块组成一个摩擦组件，摩擦组件中两个楔形滑动摩擦块的摩擦面分别与两个摩擦板（1）的摩擦面接触，摩擦组件中楔形滑动摩擦块（6、7）的两个斜面分别与两个挤压楔形块（8、9、10、11）的斜面接触。

3.根据权利要求1所述的具有复阻尼特征的板式向心摩擦阻尼器，其特征在于：所述压缩弹簧（12）连接的摩擦组件至少为一对。