CN105387115A - 一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，包括两块摩擦板、两块固定板、两块端板、定位板、楔形滑动摩擦块、挤压楔形块、中间连接轴以及两个压缩弹簧；两块摩擦板、两块固定板、两块端板和定位板围成一板式腔体，腔体内部设有变摩擦装置，所述变摩擦装置由一对摩擦组件、一对压缩弹簧和中间连接轴组成；所述楔形滑动摩擦块包括一个摩擦面和两个斜面，所述挤压楔形块包括上、下两个斜面，两个斜面相对的挤压楔形块和两个楔形滑动摩擦块组成一个摩擦组件。本阻尼器具有复阻尼的特征，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，且摩擦界面性能稳定，性价比占优。

Description

一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器

技术领域

本发明涉及一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，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，提出一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，解决了阻尼器复阻尼特征以及摩擦界面性能稳定性的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，所述阻尼器包括两块摩擦板、两块固定板、两块端板、定位板、楔形滑动摩擦块、挤压楔形块、中间连接轴以及两个压缩弹簧；其中两块摩擦板、两块固定板、两块端板和定位板围成一板式腔体，腔体内部设有变摩擦装置，所述变摩擦装置由一对摩擦组件、一对压缩弹簧和中间连接轴组成；所述楔形滑动摩擦块包括一个摩擦面和两个斜面，所述挤压楔形块包括上、下两个斜面，两个斜面相对的挤压楔形块和两个楔形滑动摩擦块组成一个摩擦组件，所述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；其中定位板、压缩弹簧、挤压楔形块以及右侧端板中部皆开有圆形洞口，上、下固定板中部沿中间连接轴移动方向开有矩形凹槽，中间连接轴穿过洞口且位于腔体的中部，中间连接轴中部的挡板上、下端部有矩形凸起滑块，矩形凸起滑块配合设置于所述矩形凹槽内，当中间连接轴往复移动时，上、下固定板的矩形凹槽会限制中间连接板只能沿矩形凹槽方向左右滑动；所述腔体被中间连接轴中部的挡板分割成左、右两部分，各有一个压缩弹簧和摩擦组件分别位于挡板左、右两边，左边的压缩弹簧位于定位板和挡板以左摩擦组件之间，右边的压缩弹簧位于挡板以右摩擦组件和右侧端板之间，并且两个压缩弹簧和两个摩擦组件都套在中间连接轴上；所述摩擦板呈L型，所述定位板和左侧端板将摩擦板左端夹紧固定，且定位板与左侧端板之间留有一定间隙，以便于中间连接轴相对于摩擦板往复运动时有足够的移动空间。

进一步地，两块固定板、两块端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，所述定位板也用螺栓固定在摩擦板左端。

进一步地，所述压缩弹簧的压缩反力大于楔形滑动摩擦块与摩擦板之间的摩擦力。

进一步地，位于腔体两端的压缩弹簧和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，所述压缩弹簧为采用高性能铬合金弹簧钢制作的模具弹簧。

进一步地，所述腔体通过高强限位螺栓连接固定起来，保证其工作时不发生相对错动。

进一步地，所述定位板与左侧端板之间的距离，大于中间连接轴向左移动的最远距离，以保证中间连接轴向左侧的运动不受阻碍，满足设计要求。

进一步地，所述腔体内部楔形滑动摩擦块的摩擦面与摩擦板的表面齐平。

本发明取得了以下有益效果：

本文提出了一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器。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。而本专利的造价远低于粘滞阻尼器，性价比占优。同时，本文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是本发明提出的双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器结构构造示意图；

图2是本发明阻尼器结构A-A剖面图；

图3是本发明阻尼器结构三维立体效果图；

图4是楔形滑动摩擦块结构示意图；

图5是图4的B-B剖面图；

图6是楔形滑动摩擦块结构三维立体效果图；

图7是挤压楔形块结构示意图；

图8是图7的C-C剖面图；

图9是挤压楔形块三维立体效果图；

图10是中间连接轴结构示意图；

图11是图10的C-C剖面图；

图12是中间连接轴三维立体效果图；

图13是固定板三维立体效果图；

图14是摩擦板三维立体效果图；

图中：1：摩擦板，2：上部固定板，3：下部固定板，4：左侧端板，5：右侧端板，6：中间连接轴，7：定位板，8、9：楔形滑动摩擦块，10、11、12、13：挤压楔形块，14、15：压缩弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-14所示，本发明的一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，如图1-2所示，包括摩擦板1、上部固定板2、下部固定板3、左侧端板4、右侧端板5、中间连接轴6、定位板7、楔形滑动摩擦块8、9、挤压楔形块10、11、12、13以及压缩弹簧14、15。其中两块摩擦板1、两块固定板2、3、两块端板4、5和定位板7围成一板式腔体，腔体内部设有变摩擦装置，变摩擦装置由一对摩擦组件、一对压缩弹簧14、15和中间连接轴6组成。如图3所示。其中中间连接轴6挡板以左摩擦组件由两个楔形滑动摩擦块8和两个挤压楔形块10、11组成；中间连接轴6挡板以右摩擦组件由两个楔形滑动摩擦块9和两个挤压楔形块12、13组成，如图4-9所示。楔形滑动摩擦块8、9包括一个摩擦面和两个斜面，挤压楔形块10、11、12、13包括上下两个斜面，摩擦组件中两个楔形滑动摩擦块8、9的摩擦面分别与上下两个摩擦板1的摩擦面接触，摩擦组件中楔形滑动摩擦块8、9的两个斜面分别与挤压楔形块10、11、12、13的两个斜面接触。其中定位板7、压缩弹簧14、15、挤压楔形块10、11、12、13以及右侧端板5中部皆开有圆形洞口，上下固定板2、3中部沿中间连接轴6移动方向开有矩形凹槽，如图13所示，中间连接轴6穿过洞口且位于腔体的中部，中间连接轴6中部的挡板上下端部有矩形凸起，当中间连接轴6往复移动时，上下固定板2、3的矩形凹槽会限制中间连接板6只能沿凹槽方向水平左右滑动，

另外，所述腔体内部的摩擦组件的上下表面与两块摩擦板1的上下表面要齐平，这样才能保证滞回性能的稳定性。为了使该阻尼器具有较高刚度和承载能力，所述压缩弹簧14、15采用高性能铬合金弹簧钢制作，其他部件采用Q345低合金结构钢制作。进一步地，所述楔形滑动摩擦块8、9和挤压楔形块10、11、12、13的大小和尺寸应相同，加工精密，相互接触要良好。所述中间连接轴6往复运动时，本身长度要满足一定要求，其移动范围要能满足实际工程要求。进一步地，所述板式腔体通过高强限位螺栓连接固定起来，保证其工作时不发生相对错动。进一步地，定位板7与左侧端板4之间的距离，大于中间连接轴向左移动的最远距离。以保证中间连接轴向左侧的运动不受阻碍，满足设计要求。

腔体被中间连接轴6中部的挡板分割成左右两部分，各有一个压缩弹簧14、15和摩擦组件分别位于挡板左右两边，左边的压缩弹簧14位于定位板7和挡板以左摩擦组件之间，右边的压缩弹簧15位于挡板以右摩擦组件和右侧端板5之间，并且两个压缩弹簧14、15和两个摩擦组件都套在中间连接轴6上。所述位于腔体两端的压缩弹簧和摩擦组件至少为一对，可根据实际需要实现出力吨位较大且不同的阻尼力。两块固定板2、3、两块端板4、5分别用螺栓连接在两块摩擦板1的侧边上，用于固定其位置。定位板7也用螺栓固定在两块摩擦板1左端，定位板7与左侧端板4之间留有一定间隙，以便于中间连接轴6相对于摩擦板1往复运动时有足够的移动空间，当阻尼器安装于结构上时，分别连接在左侧端板和中间连接轴上。

初始状态时，所述楔形滑动摩擦块8、9与摩擦板1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。中间连接轴6位于板式腔体中部且左端和定位板7左端面平齐，两个压缩弹簧14、15与两个摩擦组件均处于不受力状态。当中间连接轴6从初始位置向右移动进行加载时，中间连接轴7会带动其挡板以右挤压楔形块12挤压与之相接触的两块楔形滑动摩擦块9的斜面，而该楔形滑动摩擦块9的另外一个斜面与该摩擦组件中另外一个与压缩弹簧15相连的挤压楔形块13接触，中间连接轴6的运动会导致压缩弹簧15的压缩变形，压缩弹簧15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12、13对楔形滑动摩擦块9的挤压作用传递到楔形滑动摩擦块9与摩擦板1之间的接触面上，压缩弹簧15压缩量越大，楔形滑动摩擦块9与摩擦板1之间的摩擦力就越大，阻尼器的阻尼力等于弹簧压缩反力与楔形滑动摩擦块9和摩擦板1之间摩擦力之和；当中间连接轴6向右加载到位移幅值处并开始反向卸载回到初始位置的过程中时，压缩弹簧15压缩量逐渐变小，传递到楔形滑动摩擦块9与摩擦板1之间的摩擦力也越来越小，阻尼器的阻尼力等于弹簧压缩反力与楔形滑动摩擦块9和摩擦板1之间摩擦力之差。且摩擦力与弹簧压缩量呈线性关系，在此加载与卸载的过程中，只有中间连接轴挡板以右部分的摩擦组件和压缩弹簧15起作用，挡板以左的摩擦组件和压缩弹簧板14处于不受力状态；同理当中间连接轴6在初始位置以左进行加载与卸载时，只有中间连接轴挡板以左部分的摩擦组件和压缩弹簧14起作用，挡板以右部分的摩擦组件和压缩弹簧15处于不受力状态，且与中间连接轴6在初始位置以右部分进行加载与卸载时的摩擦原理相同。通常设置为压缩弹簧14、15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。由于加载与卸载时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的形状为位于一、三象限的两个对角三角形，具有复阻尼特征。

实施例1

本实施例的双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，为了提高阻尼器的承载能力和变形能力，延长压缩弹簧的使用寿命，所用压缩弹簧为采用高性能铬合金弹簧钢制作的模具弹簧，高度50mm，外径30mm，内径15（16）mm，刚度为35（100）N/mm，摩擦组件长度为36mm，宽度为59mm，在实际试验中两组压缩弹簧和摩擦组件依次循环起作用，提高了其抗疲劳能力。板式腔体、端板、中间连接轴、挤压楔形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，以保证楔形滑动摩擦块与摩擦板内壁之间的摩擦系数达到一定数值，满足设计要求。楔形块斜面角度采用π/4。腔体总长度237mm，加上中间连接轴右端连接板总长277mm，宽度79mm。该阻尼器能提供具有“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。

通过试验装置对该阻尼器进行研究得滞回曲线，在多次循环往复荷载作用下其滞回环线近似为一、三象限的两个对角三角形。试验中压缩弹簧为刚度不同的模具弹簧，1﹟压缩弹簧刚度为35N/mm；2﹟压缩弹簧刚度为100N/mm。采用1﹟压缩弹簧在位移为23mm时阻尼力可达到800N左右，而采用2﹟压缩弹簧在位移为19mm时阻尼力可达到2000N左右，可见增加压缩弹簧刚度可提高阻尼器出力。该阻尼器能提供具有“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。

上述实施例只是为了更清楚说明本发明的技术方案做出的列举，并非对本发明的限定，本发明的保护范围仍以所附权利要求限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，其特征在于：所述阻尼器包括两块摩擦板、两块固定板、两块端板、定位板、楔形滑动摩擦块、挤压楔形块、中间连接轴以及两个压缩弹簧；其中两块摩擦板、两块固定板、两块端板和定位板围成一板式腔体，腔体内部设有变摩擦装置，所述变摩擦装置由一对摩擦组件、一对压缩弹簧和中间连接轴组成；所述楔形滑动摩擦块包括一个摩擦面和两个斜面，所述挤压楔形块包括上、下两个斜面，两个斜面相对的挤压楔形块和两个楔形滑动摩擦块组成一个摩擦组件，所述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；其中定位板、压缩弹簧、挤压楔形块以及右侧端板中部皆开有圆形洞口，上、下固定板中部沿中间连接轴移动方向开有矩形凹槽，中间连接轴穿过洞口且位于腔体的中部，中间连接轴中部的挡板上、下端部有矩形凸起滑块，矩形凸起滑块配合设置于所述矩形凹槽内，当中间连接轴往复移动时，上、下固定板的矩形凹槽会限制中间连接板只能沿矩形凹槽方向左右滑动；所述腔体被中间连接轴中部的挡板分割成左、右两部分，各有一个压缩弹簧和摩擦组件分别位于挡板左、右两边，左边的压缩弹簧位于定位板和挡板以左摩擦组件之间，右边的压缩弹簧位于挡板以右摩擦组件和右侧端板之间，并且两个压缩弹簧和两个摩擦组件都套在中间连接轴上；所述摩擦板呈L型，所述定位板和左侧端板将摩擦板左端夹紧固定，且定位板与左侧端板之间留有一定间隙，以便于中间连接轴相对于摩擦板往复运动时有足够的移动空间。

2.根据权利要求1所述的一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，其特征在于：两块固定板、两块端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。

3.根据权利要求2所述的一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，其特征在于：所述定位板也用螺栓固定在摩擦板左端。

4.根据权利要求1所述的一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，其特征在于：所述压缩弹簧的压缩反力大于楔形滑动摩擦块与摩擦板之间的摩擦力。

5.根据权利要求1所述的一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，其特征在于：位于腔体两端的压缩弹簧和摩擦组件至少为一对。

6.根据权利要求1所述的一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，其特征在于：所述楔形滑动摩擦块的大小和尺寸相同。

7.根据权利要求1所述的一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，其特征在于：所述压缩弹簧为采用高性能铬合金弹簧钢制作的模具弹簧。

8.根据权利要求1所述的一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，其特征在于：所述腔体通过高强限位螺栓连接固定起来，保证其工作时不发生相对错动。

9.根据权利要求1-8所述的一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，其特征在于：所述定位板与左侧端板之间的距离，大于中间连接轴向左移动的最远距离，以保证中间连接轴向左侧的运动不受阻碍，满足设计要求。

10.根据权利要求1所述的一种双压簧平板式-向心变摩擦阻尼器，其特征在于：所述腔体内部楔形滑动摩擦块的摩擦面与摩擦板的表面齐平。