CN105604203A - 具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，包括摩擦套筒、两个套筒外挡块、中间滑动轴、滑动轴定位挡块、两个摩擦组件以及两个压缩弹簧；其中摩擦套筒、两个套筒外挡块围成一圆形筒式腔体，楔形滑动摩擦块包括一个四分之一圆形摩擦面和两个四分之一圆形斜面，挤压楔形块包括一个圆形斜面，四个楔形滑动摩擦块围成一圆筒和两个斜面相对的挤压楔形块组成一个摩擦组件；滑动轴定位挡块、压缩弹簧、挤压楔形块以及右侧套筒外挡块套在中间滑动轴上；腔体被中间滑动轴中部的圆形挡板分割成左、右两部分。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

具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器

技术领域

本发明涉及一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，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，提出一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，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：

一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，所述阻尼器包括摩擦套筒、两个套筒外挡块、中间滑动轴、滑动轴定位挡块、两个摩擦组件以及两个压缩弹簧；其中摩擦套筒、两个套筒外挡块围成一圆形筒式腔体，楔形滑动摩擦块包括一个四分之一圆形摩擦面和两个四分之一圆形斜面，挤压楔形块包括一个圆形斜面，四个楔形滑动摩擦块围成一圆筒和两个斜面相对的挤压楔形块组成一个摩擦组件；其中摩擦组件中楔形滑动摩擦块的摩擦面与摩擦套筒的摩擦面之间相互接触，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；滑动轴定位挡块、压缩弹簧、挤压楔形块以及右侧套筒外挡块中部皆开有圆形洞口，中间滑动轴穿过洞口且位于筒式腔体的中部；腔体被中间滑动轴中部的圆形挡板分割成左、右两部分，其中各有一个压缩弹簧和摩擦组件分别位于挡板左、右两端，左端的压缩弹簧位于左侧定位挡块和圆形挡板以左摩擦组件之间，右边的压缩弹簧位于圆形挡板以右摩擦组件和右侧定位挡块之间；两块套筒外挡块分别用螺栓连接在摩擦套筒的两边，用于固定其位置；左端定位挡块与左端套筒外挡块夹住摩擦套筒左端，右端定位挡块固定在右端套筒外挡块上；左端定位挡块与左端套筒外挡块之间留有一定空间距离，以便于中间滑动轴相对于摩擦套筒往复运动时有足够的移动范围。

进一步地，阻尼器左端套筒外挡块和中间滑动轴右端板分别连接在结构上。

进一步地，初始状态时，所述楔形滑动摩擦块与摩擦套筒之间无预压力，即接触应力为零。故阻尼器在加载时不需要起滑力，这有利于保证摩擦界面的性能稳定。

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。可根据实际需要实现出力吨位较大且不同的阻尼力。

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套筒摩擦面之间的摩擦力。

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，所述腔体各构件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，所述中间滑动轴往复运动时，其本身长度要满足一定要求，以使其往复移动时不会与组成该阻尼器的其他构件发生相互碰撞。

进一步地，相同构件的尺寸应相同，要求加工精密，相互之间接触要良好，这样可保证阻尼器性能稳定。

初始状态时，中间滑动轴位于筒式腔体中部且满足向左移动到达位移幅值时不会撞到左端套筒外挡块上，两个压缩弹簧与两个摩擦组件均处于不受力状态。当中间滑动轴从初始位置向右移动进行加载时，中间滑动轴会带动其圆形挡板以右挤压楔形块挤压与之相接触的四个楔形滑动摩擦块的斜面，而该楔形滑动摩擦块的另外一端的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，因此，中间滑动轴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四个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套筒之间的接触面上，压缩弹簧变形量越大，楔形滑动摩擦块与摩擦套筒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和摩擦套筒之间摩擦力之和；当中间滑动轴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，压缩弹簧变形量逐渐变小，传递到楔形滑动摩擦块与摩擦套筒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该摩擦力之差。且摩擦力与弹簧变形量呈线性关系。在此加载与卸载的过程中，只有中间滑动轴圆形挡板以右部分的摩擦组件和压缩弹簧起作用，挡板以左的摩擦组件和压缩弹簧板处于不受力状态。同理当中间滑动轴在初始位置以左进行加载与卸载时，只有中间滑动轴挡板以左部分的摩擦组件和压缩弹簧起作用，挡板以右部分的摩擦组件和压缩弹簧均处于不受力状态，且与中间滑动轴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变形量保持线性关系，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。

本发明取得了以下有益效果：

本文提出了一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，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-位移曲线所围面积（即耗散的能量）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。而本申请的造价远低于粘滞阻尼器，性价比占优。同时，本文提出的压簧-楔形滑块变摩擦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。另外，本发明的阻尼器由于做成了圆筒式腔体与板式腔体相比，不但减少了构件之间的相互连接，而且增加了楔形滑动摩擦块与摩擦套筒之间的接触面积，根据其摩擦耗能机理，在两者间正应力相同时，可知该阻尼器耗能性能更好。

附图说明：

图1是本发明的具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器结构构造示意图；

图2是图1的F-F剖面图；

图3是本发明阻尼器整体三维立体图；

图4是楔形滑动摩擦块结构示意图；

图5是图4的C-C剖面图；

图6是楔形滑动摩擦块三维立体图；

图7是挤压楔形块结构示意图；

图8是图7的A-A剖面图；

图9是挤压楔形块三维立体图；

图10是摩擦组件结构示意图；

图11是图10的B-B剖面图；

图12是摩擦组件三维立体图；

图13是中间滑动轴三维立体图；

图14是滑动轴定位挡块三维立体图；

图中：1：摩擦套筒，2：套筒外挡块（左端），3：套筒外挡块（右端），4：中间滑动轴，5：滑动轴定位挡块，6、7：楔形滑动摩擦块，8、9、10、11：挤压楔形块，12、13：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，本发明的一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，包括摩擦套筒1、两个套筒外挡块2、3、中间滑动轴4、滑动轴定位挡块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、13。其中摩擦套筒1、两个套筒外挡块2、3围成一圆形筒式腔体，两块套筒外挡块2、3分别用螺栓连接在摩擦套筒1的侧边，用于固定其位置，左端定位挡块5与左端套筒外挡块2之间留有一定空间距离，初始状态时中间滑动轴4位于图示1所处位置，以便于其相对于摩擦套筒1往复运动时有足够的移动范围。楔形滑动摩擦块6、7分别包括一个四分之一圆形摩擦面和两个四分之一圆形斜面，挤压楔形块8、9、10、11分别包括一个圆形斜面，四个楔形滑动摩擦块6围成一圆筒和两个斜面相对的挤压楔形块8、9组成一个摩擦组件，另外四个楔形滑动摩擦块7和挤压楔形块10、11组成另一个摩擦组件。其中两个摩擦组件中楔形滑动摩擦块6、7的摩擦面与摩擦套筒1的摩擦面之间相互接触，两个摩擦组件中楔形滑动摩擦块6、7的两个斜面分别与挤压楔形块8、9和10、11的斜面接触。两个滑动轴定位挡块5、两个压缩弹簧12、13、四个挤压楔形块8、9、10、11以及右侧套筒外挡块3中部皆开有圆形洞口，孔洞内壁和中间滑动轴4表面经过光滑打磨处理，使得他们之间摩擦力几乎为零，不会阻碍中间滑动轴4的往复运动。中间滑动轴4穿过洞口且位于筒式腔体的中轴线上，由于滑动轴定位挡块5上孔洞的约束作用，当中间滑动轴4往复移动时，只能沿摩擦套筒1轴向滑动，腔体被中间滑动轴4中部的圆形挡板分割成左右两部分，其中各有一个压缩弹簧12、13和摩擦组件分别位于挡板左右两端，左端的压缩弹簧12位于左侧定位挡块5和圆形挡板以左摩擦组件之间，右边的压缩弹簧13位于圆形挡板以右摩擦组件和右侧定位挡块5之间。当阻尼器安装于结构上时，分别连接在左端套筒外挡块2和中间滑动轴4右端板上。且左端定位挡块5与左端套筒外挡块2夹住摩擦套筒1左端，右端定位挡块5固定在右端套筒外挡块3上。

初始状态时，所述楔形滑动摩擦块6、7与摩擦套筒1之间接触应力为零，阻尼器在加载时不需要起滑力，两个压缩弹簧12、13与两个摩擦组件沿摩擦套筒1轴向处于不受力状态。以阻尼器中间滑动轴4在初始位置以右的运动过程进行分析对阻尼器的摩擦原理加以解释，当中间滑动轴4从初始位置向右移动进行加载时，会带动其圆形挡板以右挤压楔形块10挤压与之相接触的四个楔形滑动摩擦块7的斜面，而该楔形滑动摩擦块7的另外一端的斜面与该摩擦组件中另外一个与压缩弹簧13相连的挤压楔形块11接触，故中间滑动轴4的运动会导致压缩弹簧13的压缩变形，压缩弹簧13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10、11对四个楔形滑动摩擦块7的挤压作用传递到四个楔形滑动摩擦块7与摩擦套筒1之间的接触面上，压缩弹簧13变形量越大，楔形滑动摩擦块7与摩擦套筒1之间的摩擦力就越大，阻尼器的阻尼力等于压缩弹簧13反力与四个楔形滑动摩擦块7和摩擦套筒1之间摩擦力之和；当中间滑动轴4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13变形量逐渐变小，传递到楔形滑动摩擦块7与摩擦套筒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该摩擦力之差。且摩擦力与压缩弹簧13变形量呈线性关系，在此加载与卸载的过程中，只有中间滑动轴4挡板以右部分的摩擦组件和压缩弹簧13起作用，挡板以左的摩擦组件和压缩弹簧板12不起作用；同理当中间滑动轴4在初始位置以左进行加载与卸载时，只有中间滑动轴4挡板以左部分的摩擦组件和压缩弹簧12起作用，挡板以右部分的摩擦组件和压缩弹簧13不起作用，且与中间滑动轴4在初始位置以右部分进行加载与卸载时的摩擦原理相同。这样的构思设置使压缩弹簧和摩擦组件依次循环起作用，提高了阻尼器抗疲劳能力，可以延长其使用寿命。

此外，所述阻尼器内部两端两个定位挡块5中部所开的圆槽形孔洞直径和中间滑动轴4的直径尺寸相当，从而保证阻尼器中间滑动轴4只沿轴向精确运动。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均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。所述相同构件的尺寸应相同，要求加工精密，相互之间接触要良好；所述中间滑动轴4往复运动时，其本身长度要满足一定要求，以使其往复移动时不会与组成该阻尼器的其他构件发生相互碰撞；所述位于腔体两端的压缩弹簧12、13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的阻尼力。

进一步地，所述阻尼器由于做成了圆筒式腔体，与板式腔体相比，不但减少了构件之间的相互连接的复杂性，节约造价，能够发挥更好的耗能性能。

实施例

本实施例的具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，通过阻尼器两端各一组压缩弹簧和摩擦组件循环往复耗能的机制，可以提高阻尼器的抗疲劳能力，可以延长其使用寿命。同时，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15mm，，刚度为112.5N/mm，摩擦组件长度为37mm，最大宽度为42mm，组成阻尼器的其他构件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套筒内壁之间的摩擦系数满足设计要求。楔形滑动摩擦块和挤压楔形块斜面角度均采用π/12。阻尼器总长度为310mm，圆筒外直径为60mm（即最大宽度为60mm）。试验初始状态设置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，由于加载与卸载时组成阻尼力的两部分力都与压缩弹簧变形量呈线性关系，在往复荷载作用下阻尼器的滞回曲线近似为位于一、三象限的两个对角三角形，因此，该阻尼器具有复阻尼特征，且不存在起滑力问题，性能较为稳定。

通过试验装置得出该阻尼器的滞回曲线，在位移幅值为13mm时，阻尼力可达到3000N左右，工程应用中可根据实际需要，设计出构造、体型、原理相似的阻尼器，可采用不同刚度的压缩弹簧，从而实现不同的出力吨位和位移大小。

以上是本发明的一典型实施例，本发明的实施不限于此。

Claims (8)

1.一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，其特征在于：所述阻尼器包括摩擦套筒、两个套筒外挡块、中间滑动轴、滑动轴定位挡块、两个摩擦组件以及两个压缩弹簧；其中摩擦套筒、两个套筒外挡块围成一圆形筒式腔体，楔形滑动摩擦块包括一个四分之一圆形摩擦面和两个四分之一圆形斜面，挤压楔形块包括一个圆形斜面，四个楔形滑动摩擦块围成一圆筒和两个斜面相对的挤压楔形块组成一个摩擦组件；其中摩擦组件中楔形滑动摩擦块的摩擦面与摩擦套筒的摩擦面之间相互接触，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；滑动轴定位挡块、压缩弹簧、挤压楔形块以及右侧套筒外挡块中部皆开有圆形洞口，中间滑动轴穿过洞口且位于筒式腔体的中部；腔体被中间滑动轴中部的圆形挡板分割成左、右两部分，其中各有一个压缩弹簧和摩擦组件分别位于挡板左、右两端，左端的压缩弹簧位于左侧定位挡块和圆形挡板以左摩擦组件之间，右边的压缩弹簧位于圆形挡板以右摩擦组件和右侧定位挡块之间；两块套筒外挡块分别用螺栓连接在摩擦套筒的两边，用于固定其位置；左端定位挡块与左端套筒外挡块夹住摩擦套筒左端，右端定位挡块固定在右端套筒外挡块上；左端定位挡块与左端套筒外挡块之间留有一定空间距离，以便于中间滑动轴相对于摩擦套筒往复运动时有足够的移动范围。

2.根据权利要求1所述的一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，其特征在于：阻尼器左端套筒外挡块和中间滑动轴右端板分别连接在结构上。

3.根据权利要求2所述的一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，其特征在于：初始状态时，所述楔形滑动摩擦块与摩擦套筒之间无预压力，即接触应力为零。

4.根据权利要求3所述的一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，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。

5.根据权利要求4所述的一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，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套筒摩擦面之间的摩擦力。

6.根据权利要求5所述的一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，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。

7.根据权利要求6所述的一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，其特征在于：所述腔体各构件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。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种具有复阻尼特征的双压簧圆筒向心式变摩擦阻尼器，其特征在于：所述中间滑动轴往复运动时，其本身长度要满足一定要求，以使其往复移动时不会与组成该阻尼器的其他构件发生相互碰撞。