CN106760846B - 一种串联型加速度惰性消能器 - Google Patents

一种串联型加速度惰性消能器 Download PDF

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Abstract

一种串联型加速度惰性消能器，包括旋转单元、电涡流单元、附加质量单元，所述旋转单元的工作促使电涡流单元的同步工作。包括左侧的外筒，包括左侧的一根滚珠螺杆，通过本身的外螺纹与所述左侧外筒内的内螺纹连接，满足轴向运动。通过两节点质量单元吸能，电涡流单元耗能，具有更好的频域适用性，同时也可与弹性单元串联，有一定的调谐作用。无密封要求，耗能效率高，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。左右外筒的串联并通过旋转摩擦面接触，附加两节点质量增效明显，摩擦面和电涡流耗能相较于传统电涡流阻尼器，效率更高。

Description

一种串联型加速度惰性消能器
技术领域
本发明涉及一种并联型加速度惰性消能器，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。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
基于以上不足，通过两节点质量增效单元和电涡流单元串联，可以同时利用电涡流阻尼力和加速度消能减震的增效原理来有效消耗地震、风振的能量，耗能性能优良，可广泛应用于减隔震(振)领域，具有极强的工程现实价值。
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；本发明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)。本发明对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，本发明依据两节点质量单元的理论模型，结合电涡流耗能原理，通过外部两单元串联的方式提出一种具有更好频域适用性的串联型加速度惰性消能器。
为此，本发明技术方案表征为：
一种串联型加速度惰性消能器，其特征在于，包括旋转单元、电涡流单元、附加质量单元，所述旋转单元的工作促使电涡流单元的同步工作；
一、所述旋转单元，
包括左侧的外筒(3)，
包括左侧的一根滚珠螺杆(2)，通过本身的外螺纹与所述左侧外筒(3)内的内螺纹连接，满足轴向运动；
包括限位铅块(5)，设于所述滚珠螺杆(2)内侧端，用于防止外筒(3)脱离出滚珠螺杆(2)；
二、所述电涡流单元，
包括右侧的外筒(3)；
包括内筒(11)，置于右侧的外筒(3)内，
包括滚珠螺母(13)，所述内筒(11)与滚珠螺母(13)固定；
包括永磁体(12)，布置于右侧的外筒(3)的内侧；
包括右侧的一根滚珠螺杆(2)，通过本身的外螺纹与滚珠螺母(13)连接，满足轴向运动；
包括限位铅块(5)，设于所述右侧滚珠螺杆(2)内侧端，用于防止脱离滚珠螺母(13)；
所述旋转内筒(11)外侧环向缠绕布置有若干螺旋线圈(10)；所述螺旋线圈 (10)位置与外筒(3)内侧的永磁体(12)位置相对应，构成电涡流体；右侧滚珠螺杆(2)的径向运动将带动线圈内筒(11)做环向运动，此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；
三、所述附加质量单元6分布固定于左侧的外筒(3)外侧；
左侧的外筒(3)与右侧的外筒之间设置旋转摩擦面(8)并构成连接机构，所述的旋转摩擦面(8)固定于右侧外筒(3)上，左侧的外筒(3)在旋转摩擦面(8)上进行相对的旋转运动，从而耗散旋转单元在旋转过程中的能量；该连接机构易于左侧的外筒(3)与整个电涡流单元相互之间力的传递，又适宜两者能形成相对的独立体；所述的连接机构由旋转槽(7)和连接轴组成，旋转槽(7) 内设有滚珠，与连接轴形成旋转轴承(9)；
所述内筒(11)的左端与连接机构中的旋转轴承(9)连接。
所述的阻尼器，其特征在于，右侧的外筒(3)通过滚珠(14)、滚珠螺母(13) 与所述的滚珠螺杆(2)连接，以优化旋转性能，滚珠(14)的设置使得滚珠螺母(13)在滚珠螺杆(2)的径向运动下进行相对的旋转运动。
所述的阻尼器，其特征在于，左侧的外筒(3)与旋转螺母(4)固结。
所述的阻尼器，其特征在于，左右两个外筒(3)，外筒(3)上各自的滚珠螺杆(2)处于同一转轴线上。
进一步优化技术方案，所述的阻尼器，其特征在于，还包括弹簧单元(15)、弹簧保护筒(16)，所述弹簧单元(15)与任一侧或者两侧旋转外筒(3)端侧串联，并置于弹簧保护筒(16)的内部，起到质量调谐的作用。
所述耳环(1)，用于连接工程结构，输入外力。
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，旋转单元与电涡流单元串接，附加质量的设置，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，并与弹簧单元15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,整个阻尼器装置在处于同轴线的两根滚珠螺杆(2)所在轴方向的线性运动通过滚珠螺杆(2)自身外部的螺纹与对应的旋转螺母(4、13)的内螺纹之间的相互作用可转化成两个旋转螺母(4、13)和旋转内筒(11)的共同做环向运动。旋转内筒(11)的环向运动又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,旋转单元的旋转外筒(3)外侧布置一定数量和形式的附加质量(6)，通过附加质量单元的两节点相对加速度，将线性运动转换为旋转运动，通过增效机制将实际的小质量增效为等效大质量，吸收等多输入结构的能量，两节点质量增效能力与装置规格和附加质量(6)相对运动滚珠螺杆(2)的加速度有关。
本发明中，所述的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，电涡流单元螺旋线圈10数量、永磁铁12布置数量、形式可根据所需阻尼力设计调整，从而方便设定电磁阻尼力，有效降低结构的地震响应。附加质量单元，其数量、形式可根据所需阻尼力设计调整。
本发明中,所述的内筒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。
本发明中,与外筒(3)共同旋转的若干附加质量(6)，通过附加质量单元的两节点相对加速度，将线性运动转换为旋转运动，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，两节点质量增效能力与装置规格和外筒(3)、滚珠螺杆(2)相对运动加速度有关。
本发明中，所述的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10圈数和旋转永磁体12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，所述的装置左侧、右侧各设一个耳环1，用于固定消能器。
本发明与现有技术相比，具有以下优点与有益效果：
1、本发明将装置两端的轴向运动利用滚珠螺杆原理转化为高速的旋转运动，并与旋转的电涡流单元相串联，组成两节点惰性加速度型消能器。本发明通过两节点质量单元吸能，电涡流单元耗能，具有更好的频域适用性，同时也可与弹性单元串联，有一定的调谐作用。
2、本发明无密封要求，耗能效率高，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、本发明中左右外筒的串联并通过旋转摩擦面接触，附加两节点质量增效明显，摩擦面和电涡流耗能相较于传统电涡流阻尼器，效率更高。
4、本发明所提供的电磁阻尼力可通过调整线圈圈数、永磁体磁力大小来方便设置，从而满足结构振动控制需求。
5、本发明中与旋转外筒共同旋转的若干质量块，通过旋转运动起到两节点质量增效作用，两节点质量增效能力与装置规格和外筒、滚珠螺杆相对运动加速度有关。
附图说明
图1为本发明示意图；
图2为图1所示的一种串联型加速度惰性消能器的主视图；
图3为图1所示的一种串联型加速度惰性消能器的俯视图；
图4为图1所示的一种串联型加速度惰性消能器的右视图；
图5为本发明消能器与弹簧单元串联使用示意图。
图中标号：1连接耳环、2滚珠螺杆、3外筒、4旋转螺母、5限位铅块、6 附加质量、7旋转槽、8旋转摩擦面、9旋转轴承、10线圈、11内筒、12永磁体、 13滚珠螺母、14滚珠、15弹簧单元、16弹簧保护筒。
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，
通过在耗能减震装置上附加多个质量单元，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。电涡流技术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。本发明通过两节点质量增效单元和电涡流单元，可以同时利用电涡流阻尼力和加速度消能减震的增效原理来有效消耗地震、风振的能量，耗能性能优良，可广泛应用于减隔震(振)领域，具有极强的工程现实价值。
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)

1.一种串联型加速度惰性消能器，其特征在于，包括旋转单元、电涡流单元、附加质量单元，所述旋转单元的工作促使电涡流单元的同步工作；
一、所述旋转单元，
包括左侧的外筒(3)，
包括左侧的一根滚珠螺杆(2)，通过本身的外螺纹与左侧外筒(3)内的内螺纹连接，满足轴向运动；
包括限位铅块(5)，设于所述滚珠螺杆(2)内侧端，用于防止外筒(3)脱离出滚珠螺杆(2)；
二、所述电涡流单元，
包括右侧的外筒(3)；
包括内筒(11)，置于右侧的外筒(3)内，
包括滚珠螺母(13)，所述内筒(11)与滚珠螺母(13)固定；
包括永磁体(12 )，布置于右侧的外筒(3)的内侧；
包括右侧的一根滚珠螺杆(2)，通过本身的外螺纹与滚珠螺母(13)连接，满足轴向运动；
包括限位铅块(5)，设于右侧滚珠螺杆(2)内侧端，用于防止脱离滚珠螺母(13)；
旋转内筒(11)外侧环向缠绕布置有若干螺旋线圈(10)；所述螺旋线圈(10)位置与外筒(3)内侧的永磁体(12)位置相对应，构成电涡流体；右侧滚珠螺杆(2)的径向运动将带动线圈内筒(11)做环向运动，此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；
三、所述附加质量单元(6)分布固定于左侧的外筒(3)外侧；
左侧的外筒(3)与右侧的外筒之间设置旋转摩擦面(8)并构成连接机构，所述的旋转摩擦面(8)固定于右侧外筒(3)上，左侧的外筒(3)在旋转摩擦面(8)上进行相对的旋转运动；所述的连接机构由旋转槽(7)和连接轴组成，旋转槽(7)内设有滚珠，与连接轴形成旋转轴承(9)；
所述内筒(11)的左端与连接机构中的旋转轴承(9)连接；右侧的外筒(3)通过滚珠(14)、滚珠螺母(13)与所述的滚珠螺杆(2)连接，滚珠(14)的设置使得滚珠螺母(13)在滚珠螺杆(2)的径向运动下进行相对的旋转运动；左侧的外筒(3)与旋转螺母(4)固结；左右两个外筒(3)，外筒(3)上各自的滚珠螺杆(2)处于同一转轴线上；还包括弹簧单元(15)、弹簧保护筒(16)，所述弹簧单元(15)与任一侧或者两侧旋转外筒(3)端侧串联，并置于弹簧保护筒(16)的内部。
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