CN106760016A - 一种惯性电涡流调谐阻尼装置 - Google Patents
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Abstract
一种惯性电涡流调谐阻尼装置。用于房屋、桥梁、大跨度空间结构等工程结构的阻尼装置，该装置包括质量块，至少一个与该质量块连接的竖向弹簧以及至少一个与质量块连接的加速度型电涡流惰性阻尼器。其中，弹簧与加速度型电涡流惰性阻尼器并联地设置在主体结构与质量块之间。在竖向地震、人致激励、行车激励等竖向作用下，弹簧压缩伸长，质量块通过对连接结构提供反向作用力在竖向实现质量调谐减震。加速度型电涡流惰性阻尼器通过两节点质量单元吸收能量，相较于传统调谐质量阻尼器，有效降低了质量块所需质量；通过电涡流阻尼单元消耗能量，有效控制质量块振动幅度。
Description
技术领域
本发明涉及一种惯性电涡流调谐阻尼装置，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,其中质量调谐装置通常附加在建筑结构主体上，并设置质量块、调谐弹簧以及阻尼装置。质量调谐装置，通过设定装置频率在目标减振频率区域之间，利用在外部振动激励作用下质量块的反向运动提供一个足以抵消外力的反作用力，从而起到控制结构振动的目的，而装置内设的阻尼装置则用于耗散振动能量，控制质量块的振动幅度。电涡流的耗能原理逐渐运用到阻尼器的设计当中。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。
在现有的传统质量调谐阻尼装置设计中，为了满足结构在竖向振动作用下的减振目标，质量块设置体积大，安装难度大(这是目前建筑结构在竖向振动控制中普遍存在的问题)，不便于调整阻尼装置的调谐频率，设置在结构上不仅增加结构荷载更有安全隐患。
发明内容
基于以上不足，研制一种惯性电涡流调谐阻尼装置，从而有效地降低质量调谐阻尼装置中质量块的重量，高效地耗散振动能量具有极强的工程现实价值。
本发明出于降低质量调谐阻尼装置质量块质量的目的，将传统质量调谐阻尼装置中的阻尼单元代替为根据两节点质量单元模型提出的加速度型电涡流惰性阻尼装置。两节点质量单元的提出目的在于区分惯性质量单元与现有质量单元的不同。不同于既有质量单元模型，两节点质量单元模型在单元内部可以发生相对位移，其惯性力根据牛顿力学第二定律可表述为F＝m(a2-a1)。
本发明设计模型：弹簧单元与加速度型电涡流单元并联，该并联整体与质量单元串联。这样一种耗能减震模型，在有效耗能的同时有效的降低了质量单元的质量。
为此，本发明需要保护的技术方案表征为：
一种惯性电涡流调谐阻尼装置，其特征在于，包括质量块(1)、竖向弹簧(2)、加速度型电涡流惰性阻尼器(3)、连接结构(4)，
弹簧(2)与加速度型电涡流惰性阻尼器(3)并联地设置在连接结构(4)与质量块(1)之间；弹簧(2)起到质量调谐的作用；
所述加速度型电涡流惰性阻尼器3，包括连接板5，滚珠螺杆6，旋转质量7，外筒卡槽8，外筒9，滚珠10，旋转内筒11，线圈12，环形永磁体13、旋转螺母14、旋转轴承15和连接螺栓16；
旋转螺母14外侧固定布置一定数量和形式的旋转质量7，旋转螺母14与旋转内筒11通过焊接连接为整体，三者构成旋转体，共同旋转；
旋转内筒11外侧环向布置若干线圈12，两者能同步旋转，线圈12的位置与外筒9内侧永磁体13位置对应，所述永磁体13固定在外筒9内侧；
外筒9固定于下部的连接机构4上；
旋转内筒11通过外筒卡槽8限定其在外筒9内的位置，防止旋转内筒11在外筒9内沿滚珠螺杆6轴向的运动；
所述旋转体与外筒9两者之间的接触处都设有滚动辅助装置，以减少接触摩擦且协同位于底部的旋转轴承15优化满足旋转运动；旋转轴承15的底端固定在外筒9内；
滚珠螺杆6通过外螺纹约束在旋转螺母14上，满足轴向运动；
上部的连接板5和滚珠螺杆6焊接，连接板5通过连接螺栓16与位于最顶部的质量块1连接固定，外筒9底部通过焊接等各种固定形式与连接结构4连接。
每个滚动辅助装置，结构设计为:在内外筒接触处设有闭合的环形槽结构，闭合的环形槽内设置滚珠10。
本发明与现有技术相比，具有以下优点与有益效果：
1、本发明在竖向地震、人致激励、行车激励等竖向作用下，弹簧压缩伸长，质量块通过对连接结构提供反向作用力在竖向实现质量调谐减震。
2、加速度型电涡流惰性阻尼器通过两节点质量单元吸收能量，相较于传统调谐质量阻尼器，有效降低了质量块所需质量；通过电涡流阻尼单元消耗能量，有效控制质量块振动幅度。
3、本发明整体装置是由质量单元(质量块1)、弹簧单元和加速度型电涡流惰性单元组成，质量单元和弹簧单元共同实现调谐减震，加速度型电涡流惰性单元自身在质量增效、减轻质量块1的质量的前提下高效耗散振动能量。这种耗能机制可以更有效保护结构在竖向振动作用下的安全，在有效降低质量块1质量的前提下，高效地消耗地震、行车和人致激励等振动能量，耗能性能优良。
4、本发明利用竖向弹簧2实现质量调谐减震，竖向弹簧2的刚度可以根据结构的设计要求设定；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。
附图说明
图1为本发明整体示意图；
图2为图1中加速度型电涡流阻尼器的正视图。
图中标号：1质量块、2竖向弹簧、3加速度型电涡流惰性阻尼器、4连接结构，5连接板，6滚珠螺杆，7旋转质量，8外筒卡槽，9外筒，10滚珠，11旋转内筒，12线圈，13环形永磁体，14旋转螺母，15旋转轴承、16连接螺母。
具体实施方式
本发明涉及一种用于房屋、桥梁、大跨度空间结构等工程结构的阻尼装置，该装置包括质量块，至少一个与该质量块连接的竖向弹簧以及至少一个与质量块连接的加速度型电涡流惰性阻尼器。其中，弹簧与加速度型电涡流惰性阻尼器并联地设置在主体结构与质量块之间。在竖向地震、人致激励、行车激励等竖向作用下，弹簧压缩伸长，质量块通过对连接结构提供反向作用力在竖向实现质量调谐减震。加速度型电涡流惰性阻尼器通过两节点质量单元吸收能量，相较于传统调谐质量阻尼器，有效降低了质量块所需质量；通过电涡流阻尼单元消耗能量，有效控制质量块振动幅度。本发明由质量单元、弹簧单元和加速度型电涡流惰性单元组成，质量单元和弹簧单元共同实现调谐减震，加速度型电涡流惰性单元在质量增效、减轻质量块质量的前提下高效耗散振动能量。这种耗能机制可以更有效保护结构在竖向振动作用下的安全，在有效降低质量块质量的前提下，高效地消耗地震、行车和人致激励等振动能量，耗能性能优良。
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1-2所示，一种惯性电涡流调谐阻尼装置，该装置包括质量块(1)、竖向弹簧(2)、加速度型电涡流惰性阻尼器(3)、连接结构(4)，
弹簧(2)与加速度型电涡流惰性阻尼器(3)并联地设置在连接结构(4)与质量块(1)之间；弹簧(2)起到质量调谐的作用。
如图2所示：本实施例中提供一种加速度型电涡流惰性阻尼器3，包括连接板5，滚珠螺杆6，旋转质量7，外筒卡槽8，外筒9，滚珠10，旋转内筒11，线圈12，环形永磁体13、旋转螺母14、旋转轴承15和连接螺栓16。
旋转螺母14外侧固定布置一定数量和形式的旋转质量7，旋转螺母14与旋转内筒11通过焊接连接为整体，三者构成旋转体，共同旋转。
旋转内筒11外侧环向布置若干线圈12，两者能同步旋转，线圈12的位置与外筒9内侧永磁体13位置对应，所述永磁体13固定在外筒9内侧，外筒9固定于下部的连接机构4上。
旋转内筒11通过外筒卡槽8限定其在外筒9内的位置，防止旋转内筒11在外筒9内沿滚珠螺杆6轴向的运动。
所述旋转体与固定的外筒9之间的接触处都设有滚动辅助装置，以减少接触摩擦且协同位于底部的旋转轴承15优化满足旋转运动。
每个滚动辅助装置，结构设计为:在内外筒接触处设有闭合的环形槽结构，闭合的环形槽内设置滚珠10。
旋转轴承15的底端固定在外筒9内。
滚珠螺杆6通过外螺纹约束在旋转螺母14上，满足轴向运动。
上部的连接板5和滚珠螺杆6焊接，连接板5通过连接螺栓16与位于最顶部的质量块1连接固定，外筒9底部通过焊接等各种固定形式与连接结构4连接。
当外部存在竖向激励时，该装置的工作状态为：整个阻尼器装置在滚珠螺杆(6)竖直轴方向存在的线性运动，即滚珠螺杆(6)的线性运动在旋转螺母(14)和滚珠螺杆(6)外螺纹作用下可转化为旋转内筒(11)的环向运动。而内筒(11)外侧环向缠绕布置有若干线圈(12)，随同内筒(11)做环向运动；环形永磁体13随外筒(9)相对静止，如此，线圈随内筒(11)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。本发明加速度型电涡流惰性阻尼器3，是由旋转单元、附加质量7单元和电涡流单元组成，内筒作为旋转单元，附加质量7的存在使得质量增效效果显著。本发明阻尼器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表观质量，分担更多的外部输入结构的能量，同时通过电涡流阻尼机制耗能。这种增效机制可以更有效保护结构安全，消耗竖向激励等振动能量，耗能性能优良。
本发明中的加速度型电涡流惰性阻尼器3，其原理来源于本发明提出“两节点质量单元”的概念，可设计应用于建筑、桥梁等工程结构领域。本发明的“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设计出本发明的加速度型电涡流惰性阻尼器3。本发明技术方案中质量块1质量与其所连接主体结构质量，两者的质量比值远远小于传统调谐质量阻尼器的质量比值。
加速度型电涡流惰性阻尼器3的阻尼比可根据设计需要选定；加速度型电涡流惰性阻尼器3的阻尼比、质量放大比例和电涡流的耗能能力可以根据结构的设计要求方便设定。加速度型电涡流惰性阻尼器3，其质量增效方式可依据两节点质量单元模型的原理，结合主体结构的设置条件方便设计。
Claims (2)
1.一种惯性电涡流调谐阻尼装置，其特征在于，包括质量块(1)、竖向弹簧(2)、加速度型电涡流惰性阻尼器(3)、连接结构(4)，
弹簧(2)与加速度型电涡流惰性阻尼器(3)并联地设置在连接结构(4)与质量块(1)之间；弹簧(2)起到质量调谐的作用；
所述加速度型电涡流惰性阻尼器(3)，包括连接板(5)，滚珠螺杆(6)，旋转质量(7)，外筒卡槽(8)，外筒(9)，滚珠(10)，旋转内筒(11)，线圈(12)，环形永磁体(13)、旋转螺母(14)、旋转轴承(15)和连接螺栓(16)；
旋转螺母(14)外侧固定布置一定数量和形式的旋转质量(7)，旋转螺母(14)与旋转内筒(11)通过焊接连接为整体，三者构成旋转体，共同旋转；
旋转内筒(11)外侧环向布置若干线圈(12)，两者能同步旋转，线圈(12)的位置与外筒(9)内侧永磁体(13)位置对应，所述永磁体(13)固定在外筒(9)内侧；
外筒(9)固定于下部的连接机构(4)上；
旋转内筒(11)通过外筒卡槽(8)限定其在外筒(9)内的位置，防止旋转内筒(11)在外筒(9)内沿滚珠螺杆(6)轴向的运动；
所述旋转体与外筒(9)两者之间的接触处都设有滚动辅助装置，以减少接触摩擦且协同位于底部的旋转轴承(15)优化满足旋转运动；旋转轴承(15)的底端固定在外筒(9)内；
滚珠螺杆(6)通过外螺纹约束在旋转螺母(14)上，满足轴向运动；
上部的连接板(5)和滚珠螺杆(6)焊接，连接板(5)通过连接螺栓(16)与位于最顶部的质量块(1)连接固定，外筒(9)底部与连接结构(4)连接。
2.如权利要求1所述的惯性电涡流调谐阻尼装置，其特征在于，每个滚动辅助装置，结构设计为:在内外筒接触处设有闭合的环形槽结构，闭合的环形槽内设置滚珠(10)。
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