CN106352002B - 一种早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器，其特征在于，该阻尼器的两块端板之间还设有反压装置，该反压装置包括数量分别至少为三根的两组预压钢索和两块浮动压板，其中，所述的两块浮动压板分别套设在一块端板与碟形弹簧组之间的导向杆上；所述的两组预压钢索分别绕导向杆的轴线以直线状态对称分布于所述碟形弹簧组的四周，且，每一组预压钢索的一头分别固定在一块浮动压板上，另一头分别穿过另一块浮动压板固定在与该浮动压板相邻的端板上；张紧所述的两组预压钢索，将碟形弹簧组始终夹持在两块浮动压板之间。

Description

一种早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器

技术领域

本发明涉及减震装置，特别是涉及采用碟形弹簧组的阻尼器。

背景技术

阻尼器是一种以提供运动的阻力来耗减运动能量的减震装置。利用阻尼器来吸能减震是一种被广泛应用于航天、航空、军工、枪炮以及汽车等行业的传统技术。自二十世纪七十年代以来，人们开始逐步的把利用阻尼器吸能减震的技术应用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中。而碟形弹簧阻尼器以其抗冲击能力高、成本低、减震效果好的特性被广泛应用于各种建筑的抗震结构中。

人们对于建筑物尤其是高层建筑的抗震结构的设计追求一种“抗”与“耗”相结合的综合抗震性能，即在弱风振和小地震的作用下抗震结构能为建筑物主体提供额外的附加刚度来抵抗外部载荷的作用，保持主体结构的完整性，避免结构主体出现内部损伤，而在强风振和大地震的作用下抗震结构则开始屈服变形，通过抗震结构中的阻尼器的阻尼作用来耗散外部能量，使结构主体在强风振和大地震中不至于被严重破坏甚至倒塌，保证人们的生命和财产安全。这便要求应用于抗震结构在外部弱载荷的作用下能保持刚性，不发生变形，在外部强载荷的作用下则能变形耗能。然而现有的弹簧阻尼器还无法满足上述抗震需求，任何弹簧阻尼器在外部载荷的作用下均会产生或多或少的弹性变形。因此上述人们所追求的建筑物抗震结构的性能是很难实现的。

另外，地震波的作用呈多向随机性，即，作用于建筑物上力的大小方向和频率都是随机的，因此用于抗震的阻尼器需满足以下两个要求：一是阻尼器的特征频率要与地震输入激励的共振频域错开，二是阻尼器的特征频率要与建筑物或建筑结构的特征频率错开。根据《碟形弹簧基本特性参数分析》作者易先忠的理论分析，单片碟形弹簧的自振频率(式中，K_p为刚度，m_s为碟形弹簧的质量，m为与碟形弹簧相连物体的质量，ξ为当量质量转化系数)[见，《石油机械》杂志，1995年第23卷第3期第10至等22页]，可见，当碟形弹簧的质量和与碟形弹簧相连物体的质量设计确定后，碟形弹簧自振频率的平方与上碟形弹簧的刚度成正比。

公开号为CN1932324A的发明专利申请公开了一种“可调节碟形弹簧机械式减震阻尼器”，该阻尼器包括外壳、设在外壳内的载荷连接杆和两组碟形弹簧，所述，所述载荷连接杆的中部设有与之固连的调节齿轮，所述调节齿轮两侧的载荷连接杆上分别设有与载荷连接杆螺纹配合的左旋螺母和右旋螺母，所述两组碟形弹簧分别设在所述左旋螺母和右旋螺母的外侧，并分别被夹持在所述左旋螺母或右旋螺母与外壳端部的封板之间。所述可调节碟形弹簧机械式减震阻尼器，只需拨转载荷连接杆上的调节齿轮，使所述左旋螺母和右旋螺母相互靠拢或远离即可调节两组碟形弹簧的预紧力从而调节阻尼器的阻尼系数，以满足不同频率和不同振幅的使用需求。然而该发明仍具有如下不足：

1、所述载荷连接杆是在两组碟形弹簧的共同作用下保持平衡的，两组碟形弹簧的预紧力虽然能够调节，但是无论如何调节，两组碟形弹簧对载荷连接杆的作用力都是一组大小相等，方向相反的力，只需在载荷连接杆上施加任何外力都会破坏这种平衡，使两组碟形弹簧发生变形，所以所述的阻尼器无法预设早期刚度；

2、依靠对两组碟形弹簧预压来改变碟形弹簧的阻尼系数，这种改变十分有限，这导致阻尼器的等效刚度调节范围小，往往无法满足建筑隔震对于频率的要求；

3、该发明中必须配合使用两组碟形弹簧，才能在阻尼器受到压或拉荷载时都提供阻尼，这不仅造成了一定的浪费，还使得阻尼器的长度大大的增加了，不适合一些安装空间紧凑的场合使用。

公开号为CN101457553A的发明专利申请公开了一种“弹簧刚度可调式调谐质量减振器”，该减振器是一种复合阻尼器，通过改变质量块的厚度改变其特征频率，通过改变粘滞阻尼器的工作介质的流量改变其阻尼比，通过改变弹簧的有效工作长度改变其刚度，其中改变弹簧的有效工作长度的手段有三种，一是采用固化材料将弹簧位于固化筒内的一段固化，二是往螺旋弹簧的中心内塞入约束块，并二者过盈配合，使与约束块接触的一段弹簧失效，三是在约束块表面设置螺旋状凸起，将螺旋状凸起卡在弹簧丝之间，使弹簧丝之间卡有螺旋状凸起的一段弹簧失效。由此可见，该专利申请方案中的弹簧虽然可改变刚度，但所述的弹簧不仅有效工作长度明显缩短，而且只能压缩耗能减振，不能拉伸耗能减振。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器，该碟形弹簧阻尼器不仅保持了碟形弹簧的有效工作长度，而且既可压缩耗能减振，又可拉伸耗能减振。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器，该碟形弹簧阻尼器包括两块端板，所述的两块端板之间设有碟形弹簧组，其中一块端板上设有导向杆，该导向杆沿所述碟形弹簧组的中心孔穿出另一端板；所述的碟形弹簧组由一组碟形弹簧叠合组成；其特征在于，

所述的两块端板之间还设有反压装置，该反压装置包括数量分别至少为三根的两组预压钢索和两块浮动压板，其中，

所述的两块浮动压板分别套设在一块端板与碟形弹簧组之间的导向杆上；

所述的两组预压钢索分别绕导向杆的轴线以直线状态对称分布于所述碟形弹簧组的四周，且，每一组预压钢索的一头分别固定在一块浮动压板上，另一头分别穿过另一块浮动压板固定在与该浮动压板相邻的端板上；

所述的浮动压板上在穿过所述预压钢索的位置分别设有穿设该预压钢索的通孔，该通孔的孔径大于所穿设的预压钢索的直径；

张紧两组预压钢索，使两块浮动压板之间的距离等于将碟形弹簧组压缩至预设早期刚度的长度。

上述方案中，所述的预压钢索可以是钢丝绳，也可以是预应力钢铰线。

本发明所述的早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器，其中所述的预压钢索两头可采用采用常规的方法锚固，也可采用类似吊环螺钉或由钢筋弯曲的U形构件系接固定，因此，如果将所述预压钢索的两头都采用锚固或吊环螺钉系接固定死，那么要达到预设早期刚度的目的，就必须预先计算并严格控制所述预压钢索的长度才能获得预设的张力，进而达到预设早期刚度的目的。但是，在实际生产调试过程中，要采用控制所述预压钢索长度的方法达到预设早期刚度的目的则存在下述两大难题，一是焊接或系接的过程会产生误差，二是即使控制了焊接或系接的过程所产生误差，但预压钢索在切断、放置过程中还会导致其特性参数的变化。为了解决上述技术难题，本发明的一个改进方案是：

每一组预压钢索的另一头分别由钢索自锁锚具固定在相应的端板上；所述的钢索自锁锚具由安装孔、夹爪和防松螺栓构成，其中，

所述的安装孔设在与浮动压板相邻的端板上；所述的安装孔由一段锥孔和一段螺纹孔组成，其中所述锥孔位于靠近浮动压板的一侧，且尖头指向浮动压板，所述螺纹孔位于远离浮动压板的一侧；

所述的夹爪为与所述锥孔相匹配圆锥形，并由3～5瓣组成，其体内沿轴线设有夹持预压钢索的装夹孔；

所述的防松螺栓与所述螺纹孔相匹配，且体内沿轴线设有直径大于所述预压钢索直径的圆孔；

所述的夹爪安装在所述锥孔内，防松螺栓安装在所述螺纹孔内。

由上述改进方案可见，将所述预压钢索的一头固定在所述一块浮动压板上，另一头穿过另一块浮动压板由所述钢索自锁锚具的装夹孔和圆孔中穿出，这样即可把露出的绳头系接在牵引张拉机上，在牵引张拉的同时监测两块浮动压板之间的距离；当两块浮动压板之间的距离等于将碟形弹簧组压缩至满足早期刚度的长度时，拧动防松螺栓即可推动所述夹爪将预压钢索夹紧并锁死，即使在振动过程中两组预压钢索反复张紧、松驰的情况下也不会松动。

本发明所述的阻尼器可广泛用于各种一维隔震领域，如，机械设备内部振动的隔离、设备基础隔震、建筑结构的抗震加固、建筑基础隔震等。

本发明所述的阻尼器具有如下有益效果：

(1)仅需一组碟形弹簧就可使阻尼器无论所受轴向外力为正向还是反向，所述的碟形弹簧组均能产生弹性压缩变形而耗能，不仅节省了一组碟形弹簧，而且大大的缩短了阻尼器的长度。

(2)当动载荷大于阻尼器所设早期刚度的抵御能力时，双向弹性变形对称，因此外力载荷的正负方向的变化不影响其压缩变形而耗能的效果。

(3)改变预压钢索的长度即可改变整个阻尼器的早期刚度，当早期刚度大于零时，外力在克服该早期刚度之前无法使阻尼器产生变形，因此将其用于建筑结构抗震时，可预设地震设防等级，显著降低隔震成本。

(4)可利用碟形弹簧的特性合理选择预设早期刚度，进而选择阻尼器的特征频域范围，避开建筑结构固有频域范围和竖向地震波的频域范围，防止共振。

(5)预设所述预压钢索的长度即可预设阻尼器早期刚度，而且所述碟形弹簧组中没有一片碟形弹簧失效，即有效工作长度不变，不会改变碟形弹簧组原有的特性参数。

附图说明

图1～6为本发明所述阻尼器的一个具体实施例的结构示意图，其中，图1为主视图(剖视)，图2为图1的A-A剖视图，图3为图1的B-B剖视图，图4为仰视图，图5为图1中局部Ⅰ的放大图，图6为图2中局部Ⅱ的放大图。

图7～12为本发明所述阻尼器的第二个具体实施例的结构示意图，其中，图7为主视图(剖视)，图8为图7的C-C剖视图，图9为图7的D-D剖视图，图10为仰视图，图11为图7中局部Ⅲ的放大图，图12为图8中局部Ⅳ的放大图；为便于观察，图8～9中均隐藏了保护套。

图13～15为图7～12所示实施例中钢索自锁锚具的结构示意图，其中图13为主视图(剖视图，图中双点划线示意预压钢索)，图14为俯视图，图15为图13的E-E剖视图。

图16～18为本发明所述阻尼器第三个具体实施例的结构示意图，其中，图16为主视图(剖视)，图17为图16的F-F剖视图，图18为图16的G-G剖视图；为便于观察，图17～18中均隐藏了保护套。

具体实施方式

例1

参见图1和4，本例中早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器是一种可用于建筑结构抗震加固的阻尼器，该阻尼器包括圆盘状的上端板2和下端板3，上下端板之间设有碟形弹簧组4，其中上端板2上设有导向杆1，该导向杆4向下沿碟形弹簧组4的中心孔穿出下端板3；所述的碟形弹簧组4由十六块碟形弹簧叠合组成，所述下端板3与所述导向杆1动配合。

参见图1和4，所述上端板2的上表面和下端板3的下表面分别设有两个带铰接孔12的连接耳板11。且下端板3上所设连接耳板11上的铰接孔12与下端板3的距离大于所述导向杆1端部穿出下端板3下表面的长度，在该两铰接孔12与下端板3的下表面之间形成供导向杆1端部伸缩的活动空间。

参见图1～6，所述上端板2和下端板3之间设有反压装置，该反压装置包括两组预压钢索和两块浮动压板；其中，所述的两组预压钢索为由五根预压钢索组成的第一组预压钢索8和由三根预压钢索组成的第二组预压钢索7；所述的两块浮动压板为套设在所述下端板3与碟形弹簧组4之间的导向杆上的第一浮动压板6和套设在上端板2与碟形弹簧组4之间的导向杆上的第二浮动压板5。

参见图1～6，所述两组预压钢索分别以直线状态绕导向杆1轴线对称分布在所述碟形弹簧组4的四周，每一根预压钢索均平行于导向杆1轴线，且第一组预压钢索8距导向杆轴线的距离等于第二组预压钢索7距导向杆轴线的距离；其中，所述第一组预压钢索8的上头分别由吊环螺钉13固定在第二浮动压板5上，下头分别穿过第一浮动压板6由吊环螺钉13固定在所述下端板3上；所述第二组预压钢索7的下头分别由吊环螺钉13固定在第一浮动压板6上，上头穿过第二浮动压板5由吊环螺钉13固定在上端板2上；所述第一浮动压板6上在每一根第一组预压钢索8穿过的位置设有供其穿越的第一通孔10，该第一通孔10的孔径大于所述第一组预压钢索8的直径；所述第二浮动压板5上在每一根第二组预压钢索7穿过的位置设有供其穿越的第二通孔9，该第二通孔9的孔径大于所述第二组预压钢索7的直径；所述的预压钢索的两头由吊环螺钉固定在相应构件上的方法为：将吊环螺钉13固定在相应的构件上，然后将预压钢索的一头系接在吊环螺钉的吊环上，并由钢丝绳夹(图中未画出)固定死。

本例中的所述的预压钢索可以是钢丝绳，也可以是预应力钢铰线，具体实施时，可根据实际需要自行选取。

为了实现可预设早期刚度的目的，上述两组预压钢索的安装及张紧方法如下所述：(1)按图1～6将本例所述阻尼器中除所述两组预压钢索以外的其他构件全部组装好；(2)对步骤(1)所得的阻尼器的两头施加压力，使所述碟形弹簧组4压缩至满足早期刚度的长度(此长度可根据碟形弹簧组4的特性参数以及需预设的早期刚度计算得到)；(3)用常见的钢丝绳夹(图中没显示)将每一根预压钢索的两头系接到对应的吊环螺钉13上，使每一根预压钢索张紧，然后撤消步骤(2)中所施加的压力，所述两组预压钢索就会将所述碟形弹簧组4始终夹持在第一浮动压板6与第二浮动压板5之间。

参见图1，所述两组预压钢索分别牵拉两块浮动压板压缩所述碟形弹簧组4为其来提供预压力，通过改变预压钢索的长度即可改变预压力的大小，进而达到预设早其刚度的目的。参见图1，当阻尼器受到轴向的外部载荷时，无论外部载荷是压力还是拉力，只要其小于上述预压力，碟形弹簧组4是不会继续变形的。当外部载荷大于所述预压力时，若外部载荷为压力，所述下端板3推动所述第一浮动压板6继续压缩碟形弹簧组4产生弹性变形耗能，若外部载荷为拉力，所述两组预压钢索分别牵拉两块浮动压板相对移动压缩碟形弹簧组4产生弹性变形耗能。因为无论阻尼器所受的动载荷为拉力或压力，最终产生的变形均是同一组碟形弹簧的压缩变形，所以阻尼器的双向弹性变形必然是对称的。

例2

参见图7～10，所述第一组预压钢索8和第二组预压钢索7均由三根预压钢索组成。

参见图7～12，所述的第一组预压钢索8的下头和第二组预压钢索7的上头分别采用钢索自锁锚具14替代例1中的吊环螺钉固定在所述下端板3和上端板2上。为防止灰尘与其它杂物落到碟形弹簧组4上而影响阻尼器的正常工作，在反压装置外侧包裹一层橡胶的保护套15，该保护套15的两头分别与第一浮动压板6和第二浮动压板5的外周面粘接在一起。所述护套15的长度大于上端板2上表面与下端板3下表面之间的距离，以免影响阻尼器的工作。

参见图13～15，并结合图7，所述的钢索自锁锚具14由设置在安装板14-1上的安装孔、夹爪14-2和防松螺栓14-4构成，其中，所述安装板14-1即为下端板3或上端板2。所述的安装孔的轴线与相应的预压钢索所在的直线共线；所述的安装孔由一段锥孔和一螺纹孔组成，其中所述锥孔位于靠浮动压板的一侧，且尖头指向所述浮动压板，螺纹孔位于远离浮动压板的另一侧。所述的夹爪14-2为与所述锥孔相匹配圆锥形，并由3瓣组成，其体内沿轴线设有夹持相应预压钢索的装夹孔14-3。所述的防松螺栓14-4与所述螺纹孔相匹配，且体内沿轴线设有直径大于相应预压钢索直径的圆孔14-5。所述的夹爪14-2安装在所述锥孔内，防松螺栓14-4安装在所述螺纹孔内；相应的预压钢索的另一头被夹持在所述的装夹孔14-3内，且末端自对应防松螺栓14-4的圆孔14-5穿出。

按本例的方案制作组装好所述阻尼器后，把露出的第一组预压钢索8和第二组预压钢索7的绳头系接在牵引张拉机上，在牵引张拉的同时监测两块浮动压板之间的距离；当两块浮动压板之间的距离等于将碟形弹簧组4压缩至满足早期刚度的长度时，拧动防松螺栓14-4即可推动所述夹爪14-2将预压钢索夹紧并锁死，从而将碟形弹簧组4始终夹持在第一浮动压板6与第二浮动压板5之间。

本例上述以外的实施方法与例1相同。

例3

参见图16～18，本例中的早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器为一种可用于建筑物竖向隔震的隔振装置(也称隔震支座)，本例与例2相比主要具有如下区别：

1、作为隔震支座，为便于安装，本例中省略了上端板2上所设的连接耳板，而将上端板2的边缘先向上轴向延伸再向外径向延伸，并于边缘处均匀设置连接螺栓孔16；其中，向上轴向延伸的长度需大于所述钢索自锁锚具14露在上端板2外侧部分的长度。

2、省略了下端板3外侧所设的连接耳板，而将下端板3自边缘开始先向下轴向延伸再向外径向延伸形成阻尼器的底座，并于边缘均匀设置连接螺栓孔16；其中向下轴向延伸的长度大于所述导向杆1端部穿出下端板3外侧的长度和所述钢索自锁锚具14露在下端板3外侧部分的长度以形成供导向杆1端部伸缩的活动空间17。

3、所述第一组预压钢索8和第二组预压钢索7均由五根预压钢索组成。

本例上述以外的其它实施方式与例2相同。

Claims (5)

1.一种早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器，该碟形弹簧阻尼器包括两块端板，所述的两块端板之间设有碟形弹簧组，其中一块端板上设有导向杆，该导向杆沿所述碟形弹簧组的中心孔穿出另一端板；所述的碟形弹簧组由一组碟形弹簧叠合组成；其特征在于，

所述的两块端板之间还设有反压装置，该反压装置包括两组预压钢索和两块浮动压板，其中每组预压钢索的数量至少为三根；其中，

所述的两块浮动压板分别套设在一块端板与碟形弹簧组之间的导向杆上；

所述的两组预压钢索分别绕导向杆的轴线以直线状态对称分布于所述碟形弹簧组的四周，且，每一组预压钢索的一头分别固定在一块浮动压板上，另一头分别穿过另一块浮动压板固定在与该浮动压板相邻的端板上；

所述的浮动压板上在穿过所述预压钢索的位置分别设有穿设该预压钢索的通孔，该通孔的孔径大于所穿设的预压钢索的直径；

张紧两组预压钢索，使两块浮动压板之间的距离等于将碟形弹簧组压缩至预设早期刚度的长度。

2.根据权利要求1所述的一种早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器，其特征在于，该早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器为用于建筑结构抗震加固的阻尼器。

3.根据权利要求1所述的一种早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器，其特征在于，该早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器为用于建筑物抗震的竖向隔震装置。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器，其特征在于，所述的预压钢索为钢丝绳或预应力钢铰线。

5.根据权利要求4所述的一种早期刚度可预设的碟形弹簧阻尼器，其特征在于，每一组预压钢索的另一头分别由钢索自锁锚具固定在相应的端板上；所述的钢索自锁锚具由安装孔、夹爪和防松螺栓构成，其中，

所述的安装孔设在与浮动压板相邻的端板上；所述的安装孔由一段锥孔和一段螺纹孔组成，其中所述锥孔位于靠近浮动压板的一侧，且尖头指向浮动压板，所述螺纹孔位于远离浮动压板的一侧；

所述的夹爪为与所述锥孔相匹配圆锥形，并由3～5瓣组成，其体内沿轴线设有夹持预压钢索的装夹孔；

所述的防松螺栓与所述螺纹孔相匹配，且体内沿轴线设有直径大于所述预压钢索直径的圆孔；

所述的夹爪安装在所述锥孔内，防松螺栓安装在所述螺纹孔内。