CN106758772B - 一种加速度型电涡流惰性消能器 - Google Patents

一种加速度型电涡流惰性消能器 Download PDF

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Abstract

一种加速度型电涡流惰性消能器，其特征在于，包括连接耳环、滚珠螺杆、旋转外筒、旋转螺母、线圈内筒、线圈、旋转永磁体、附加质量块、旋转槽、滚珠、连接杆、弹簧单元和弹簧单元保护筒，等。有益效果：附加质量设置更加方便，质量增效效果显著。通过增效机制将实际的小质量增效为等效大质量，分担更多的输入结构的能量，同时更有效保护结构安全，消耗地震、风振和人致激励等振动能量，耗能性能优良，可广泛应用于减隔震(振)领域和能源基础设施领域。符合我国发展的安全、绿色、高效的社会和环境目标。方便设定电磁阻尼力，有效降低结构的地震响应。

Description

一种加速度型电涡流惰性消能器
技术领域
本发明涉及一种加速度型电涡流惰性消能器，属于土木工程结构耗能减震技术领域。
背景技术
消能减振技术，是在结构上附加消能减振装置，附加减振装置和结构本身共同承担地震和风振等作用，通过附加减振装置的耗能作用从而减小结构本身的动力响应，保证了结构的安全性、舒适性和正常使用性等功能要求。国内外学者已经对消能减振技术进行了大量研究。消能减震装置作为一种有效的减轻建筑和基础设施灾害的手段，通常分为速度型消能器和位移型消能器。速度型阻尼器耗能效果好，但是往往对消能器本身要求高，密封严格和缸体内压高；位移型消能器虽然成本较为低廉，但是耗能效果不如速度型阻尼器出色，另外面临震后难以自复位的问题；此外，常见的消能减震产品还有调谐质量阻尼器，但是其本身自重大，使用和安装不方便。
电涡流技术也逐渐运用到阻尼器的设计和研发当中。电磁阻尼力，是导体在磁场中切割磁力线时，导体中将产生感应电流，感应电流受到的安培力总是阻碍导体的运动，进而提供电磁阻尼，但一般耗能效率较低。
发明内容
本发明提出“两节点质量单元”的概念，设计应用于建筑、桥梁等工程结构领域，为首次公开一种新耗能原理的耗能减震消能器。具体说，“两节点质量单元”不同于既有的质量单元。既有质量单元模型可视为刚体，只存在刚体位移，不发生单元内部相对位移，且惯性力可根据牛顿力学第二定律可表述为F＝ma；两节点质量单元在单元内允许发生相对位移，且受到约束，单元外力可表示为质量与两节点加速度的矢量差的乘积，即F＝m(a2-a1)。两节点质量单元的提出主要为了区别惯性质量两节点单元单元模型与现有刚体质量单元模型的不同，依据两节点质量单元提出加速度型惰性消能器。
为此，本发明技术方案表征为：
1、一种加速度型电涡流惰性消能器，其特征在于，包括连接耳环(1)、滚珠螺杆(2)、旋转外筒(3)、旋转螺母(4)、线圈内筒(5)、线圈(6)、旋转永磁体(7)、附加质量块(8)、旋转槽(9)、滚珠(10)、连接杆(11)、弹簧单元(12)和弹簧单元保护筒(13)，
滚珠螺杆(2)和线圈内筒(5)通过焊接形式组成整体；
旋转外筒(3)内侧固定随其一同转动的旋转永磁体(7)，外侧设置若干附加质量块(8)，附加质量块(8)数量，形式可根所需阻尼力调整；
旋转螺母(4)与旋转外筒(3)连接为整体，通过旋转螺母(4)内螺纹约束滚珠螺杆(2)；
弹簧单元(12)与旋转外筒(3)一端串联，并置于弹簧保护筒(13)的内部，起到质量调谐的作用；
线圈内筒(5)内置于旋转外筒(3)内，并位于滚珠螺杆(2)一侧；线圈内筒(5)外侧环向缠绕布置有若干线圈(6)，随同线圈内筒(5)做径向运动；如此，线圈内筒(5)的径向运动和旋转外筒(3)的环向运动将转化为磁场中的切割磁力线运动，从而产生涡流电流和电磁阻尼力；
整个阻尼器装置在滚珠螺杆(2)轴侧方向存在的线性运动，即滚珠螺杆(2)的线性运动在旋转螺母(4)和滚珠螺杆(2)外螺纹作用下可转化为旋转外筒(3)的环向运动。
两节点分别指的是线性运动中可以发生相对位移的结构，以上阻尼器技术方案当中指的是滚珠螺杆2可以相对阻尼器发生相对位移。本发明技术方案是由旋转单元、附加质量单元和电涡流单元组成，外筒作为旋转单元，附加质量设置更加方便，质量增效效果显著。本发明充分利用两节点质量单元吸能，通过增效机制将实际的小质量增效为等效大质量，分担更多的输入结构的能量，同时通过电涡流阻尼机制耗能，并于弹簧单元12串联，起到调谐质量的作用，这种增效机制可以更有效保护结构安全，消耗地震、风振和人致激励等振动能量，耗能性能优良，可广泛应用于减隔震(振)领域和能源基础设施领域。
本发明中，利用电磁涡流产生阻尼，其电磁阻尼力可调。根据结构抗震需要，通过调节内筒外壁缠绕的线圈(6)数和旋转永磁体(7)磁力的大小，可以方便设定电磁阻尼力，有效降低结构的地震响应。
本发明中,所述的线圈内筒(5)的径向运动和旋转外筒(3)的环向运动将转化为磁场中的切割磁力线运动，从而产生涡流电流和电磁阻尼力。
本发明中，与旋转外筒(3)共同旋转的若干质量块(8)，通过附加质量单元的两节点相对加速度，在旋转运动下，利用质量增效机制将实际的小质量增效为等效大质量，分担更多的输入结构的能量，质量增效能力与装置规格和内外筒相对运动加速度有关。
本发明与现有技术相比，具有以下优点与有益效果：
1、本发明由附加质量单元和电涡流单元组成，外筒作为旋转单元，附加质量设置更加方便，质量增效效果显著。
2、本发明充分利用两节点质量单元吸能，通过增效机制将实际的小质量增效为等效大质量，分担更多的输入结构的能量，同时通过电涡流阻尼机制耗能，弹簧单元作为调谐单元使用，这种增效机制可以更有效保护结构安全，消耗地震、风振和人致激励等振动能量，耗能性能优良，可广泛应用于减隔震(振)领域和能源基础设施领域。
3、本发明属于两节点质量增效型消能器，有耗能效率高、体型小、无密封、无高压、装配式、节约材料等特点，符合我国发展的安全、绿色、高效的社会和环境目标。
4、本发明利用电磁涡流产生阻尼，其电磁阻尼力可调的。根据结构抗震需要，通过调节内筒外壁缠绕的线圈圈数和环形磁体磁力的大小，可以方便设定电磁阻尼力，有效降低结构的地震响应。
5、本发明中与旋转外筒3共同旋转的若干质量块8，通过旋转运动的增效机制将实际的小质量增效为等效大质量，分担更多的输入结构的能量，质量增效能力与装置规格和内外筒相对运动加速度有关。
附图说明
图1为本发明加速度型电涡流惰性消能器示意图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的俯视图；
图4为图1的右视图；
图中标号：1连接耳环、2滚珠螺杆、3旋转外筒、4旋转螺母、5线圈内筒、6线圈、7旋转永磁体、8附加质量块、9旋转槽、10滚珠，11连接杆，12弹簧单元、13弹簧单元保护筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1-4所示，一种加速度型电涡流惰性消能器，该装置包括连接耳环1、滚珠螺杆2、旋转外筒3、旋转螺母4、线圈内筒5、线圈6、旋转永磁体7、附加质量块8、旋转槽9、滚珠10、连接杆11、弹簧单元12和弹簧单元保护筒13，其中：
滚珠螺杆2和线圈内筒5通过焊接形式组成整体。
旋转外筒3内侧固定随其一同转动的旋转永磁体7，外侧设置若干附加质量块8，附加质量块8数量，形式可根所需阻尼力调整。
旋转螺母4与旋转外筒3连接为整体，通过旋转螺母4内螺纹约束滚珠螺杆2。
弹簧单元12与旋转外筒3一端串联，并置于弹簧保护筒13的内部，起到质量调谐的作用；
线圈内筒5内置于滚珠螺杆2一侧，线圈内筒5外侧环向布置若干线圈6，随同内筒做径向运动。滚珠螺杆2的径向运动在旋转螺母4和滚珠螺杆2外螺纹作用下，转化为旋转外筒3的环向运动。
本发明引入两节点质量单元的模型概念，既有质量单元模型可视为刚体，只存在刚体位移，不发生单元内部相对位移，且惯性力根据牛顿力学第二定律可表述为F＝ma；两节点质量单元在单元内允许发生相对位移，且受到约束，单元外力可表示为质量与两节点加速度的矢量差的乘积，即F＝m(a2-a1)。两节点质量单元的提出主要为了区别惯性质量单元模型与现有质量单元模型的不同。依据两节点质量单元模型，提出加速度型惰性消能器，通过在耗能减震装置上附加质量单元，利用其两节点相对加速度，将线性运动转换为旋转运动，起到两节点质量增效作用，具有良好的吸能效果。利用加速度消能减震的增效原理，并使用电涡流提供阻尼，本发明首次公开一种加速度型电涡流惰性消能器，具有极强的工程现实价值。这种消能器可应用于主体结构的各部分，也可用于结构的隔震层，能够达到耗散地震、风振和人致激励能量的目的。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种加速度型电涡流惰性消能器，其特征在于，包括连接耳环(1)、滚珠螺杆(2)、旋转外筒(3)、旋转螺母(4)、线圈内筒(5)、线圈(6)、旋转永磁体(7)、附加质量块(8)、旋转槽(9)、滚珠(10)、连接杆(11)、弹簧单元(12)和弹簧单元保护筒(13)，
滚珠螺杆(2)和线圈内筒(5)通过焊接形式组成整体；
旋转外筒(3)内侧固定随其一同转动的旋转永磁体(7)，外侧设置若干附加质量块(8)，附加质量块(8)数量；
旋转螺母(4)与旋转外筒(3)连接为整体，通过旋转螺母(4)内螺纹约束滚珠螺杆(2)；
弹簧单元(12)与旋转外筒(3)一端串联，并置于弹簧保护筒(13)的内部，起到质量调谐的作用；
线圈内筒(5)内置于旋转外筒(3)内，并位于滚珠螺杆(2)一侧；线圈内筒(5)外侧环向缠绕布置有若干线圈(6)，随同线圈内筒(5)做径向运动；线圈内筒(5)的径向运动和旋转外筒(3)的环向运动将转化为磁场中的切割磁力线运动，产生涡流电流和电磁阻尼力；
整个阻尼器装置在滚珠螺杆(2)轴侧方向的线性运动在旋转螺母(4)和滚珠螺杆(2)外螺纹作用下可转化为旋转外筒(3)的环向运动。
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