CN1073675C - 自调型减振装置 - Google Patents

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Abstract

一种装在一减振目标(1)上、减小该减振目标(1)的振动的自调型减振装置，包括一球(5)以及一装在该减振目标(1)上、供该球(5)在其中运动的球壳(3)。

Description

自调型减振装置
本发明涉及减振装置，用来减小风或地震造成的建筑物或塔之类结构件的振动、泵的运转或脉冲造成的管道的振动或电动机运转造成的设备的振动；特别涉及使用一球的与目标的振动调谐的运动来减小减振目标的振动的减振装置。
建筑物、桥或塔之类的巨大结构件呈柔性而容易振动。外部的风力会造成振动。巨大振动会破坏结构件而造成严重事故。下面列出作为防振措施的现有减振装置。
措施1
如图1所示，由一重物10、一弹簧13和一油减振器12构成的减振装置(该装置称为动态减振器)装在建筑物1的顶上(或建筑物的顶旁)，从而减小振动。
措施2
如图2所示，一致动器14装在建筑物1的顶上而驱动一重物10，从而实现减振。
措施3
对于比方说由泵的运转或脉冲造成振动的管道来说，如图3所示通常用从集管6伸出的一支撑件15减小管道8的很大振动。
措施4
如图4所示，一固定台架17经一油减振器12与一管道8连接而减小管道的振动。
措施5
如图5所示，与建筑物一样，管道也可使用一由重物10和弹簧片18构成的动态减振器，其中装有单自由度振动件，其频率与管道8的频率相同而减小管道的振动。
措施6
如图6所示，一由悬挂在一圈簧13上的重物10和一插入在重物10的一凹槽20中的球5构成的减振装置用作圆柱形结构件的减振装置。在振动很小时，球5碰撞圆柱形结构件19。在振动很大时，球5碰撞重物10和圆柱形结构件19。振动能转变成碰撞能，从而减小振动。
但是，现有减振装置存在如下问题。
措施1的问题
为了获得预定减振效果，需要使用由频率可调的重物、弹簧和油减振器构成的减振装置，而把频率调节到最佳是件费事费钱的工作。特别是，弹簧和油减振器的成本高。
措施2的问题
致动器必须驱动重物从而需要很多能量，从而成本提高。
措施3的问题
为了固定支撑件15，必须使用支撑支撑件15的支撑件装配带16，因此该装置无法使用在管道纵横交错的地方。
措施4的问题
用来减振的油减振器12成本高。此外，为了固定油减振器12，必须使用固定台架17。事实上，很难固定油减振器12。对于高温管道，由于油减振器的特性随温度而变，因此几乎无法使用油减振器12。
措施5的问题
与用于建筑物的减振措施(措施1)一样，频率必须调节到目标管道8的频率。动态减振器必须根据预先测量的管道8的频率进行设计、制造和调节。
措施6的问题
由于该装置为碰撞型减振装置，对于同样的质量比(减振装置的质量/目标结构件的重量)来说减振效果不如动态减振器(措施1或5)。此外，另一个问题是球5的碰撞面的磨损和碰撞噪声。
本发明的目的是使用一球的与减振目标的振动调谐的运动来减小减振目标的振动从而解决现有技术的问题并提供一种容易制造、可有效减小各种减振目标的振动的自调型减振装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种减小减振目标的振动的自调型减振装置，包括：
一球，以及
一装在该减振目标上并具有一空心部、供该球在其中运动的球壳，所述球与所述球壳一起减小振动；
其中，所述球壳有一调节件，用来调节所述减振目标与所述球之间的振动相位。
这种结构的本发明装置只须装在减振目标上而无需固定板之类的装配架。该装置可方便地装到现成的建筑物、管道或设备上。由于该装置的减振机制是使用球的与减振目标的振动调谐的圆周运动，因此与动态减振器不同而无需调节频率。此外，该装置由球和球壳构成，因此可使用于管道或设备的高温环境中。
为了实现上述目的，本发明还提供一种减小减振目标的振动的自调型减振装置，包括：
一球；一个具有一空心部以供球在其中运动的球壳；
装在减振目标上并具有一空心部、供球壳在其中运动、其中有一放置球壳的凹座的装置壳；以及
所述球壳呈球形。
这种结构的本发明装置装在建筑物或塔、管道或设备上。对于风之类的稳定外力，该装置使用球的圆周运动调谐到目标(建筑物、塔、管道或设备)的振动而减小目标构件的振动。对于输入很大的地震之类瞬时外力，使用球和球壳的碰撞振动减小目标构件的振动。对于风或泵的振动之类的稳定的外力，使用球的与目标的振动调谐的圆周运动减小振动。与动态减振器不同，在振动很小时无需调节频率即能顺利减振。对于输入很大的地震之类瞬时振动，球与球壳一起在装置壳中发生碰撞振动，从而减小目标构件的振动。使用这种机制，不仅可减小很小的振动，还可减小地震之类很大的振动。
本发明的其他目的和优点由下述说明给出，其一部分可从该说明显然看出或可从对本发明的实施中看出。本发明的目的和优点可由后附权利要求书特别指出的各手段和组合实现。
作为本说明书一部分的附图示出本发明各优选实施例并与上述概述和下述对优选实施例的详述一起用来解释本发明的原理。
图1为建筑物的现有减振装置(措施1)的剖面图；
图2为建筑物的另一现有减振装置(措施2)的侧视图；
图3为管道的现有减振装置(措施3)的立体图；
图4为管道的另一现有减振装置(措施4)的立体图；
图5为管道的又一现有减振装置(措施5)的立体图；
图6为圆柱形结构件的现有减振装置(措施6)的剖面图；
图7示出用于建筑物的本发明第一实施例的减振装置；
图8为第一实施例的减振装置的立体图；
图9为沿图8中Ⅸ-Ⅸ线剖取的剖面图；
图10为应用于管道的本发明第二实施例的减振装置的立体图；
图11为沿图10中Ⅺ- Ⅺ线剖取的剖面图；
图12为第一实施例的减振装置的一修正例的剖面图；
图13A-13D示出在第一或第二实施例的减振装置的输入高时球的运动与减振效果之间的关系；
图14A-14D示出在本发明减振装置的输入低时球的运动与减振效果之间的关系；
图15示出输入与圆周运动半径r之间的关系；
图16示出输入与圆周运动半径r之间的关系；
图17为应用于建筑物的本发明第三实施例的减振装置的立体图；
图18为沿图17中ⅩⅧ-ⅩⅧ线剖取的剖面图；
图19为示出加速度与球壳滚动情况之间的关系的剖面图；
图20为示出加速度与球壳滚动情况之间的关系的剖面图；
图21A-21D示出载荷为风时球的运动与减振效果之间的关系；
图22A-22D示出载荷为地震时球在可动球壳中的运动与减振效果之间的关系；以及
图23A-23D示出载荷为地震时球在固定球壳中的运动与减振效果之间的关系。
下面结合附图详述本发明实施例。
本发明的减振装置是一种使用一球的与减振目标的振动调谐的运动来减小减振目标的振动的自调型减振装置。图7-9的第一实施例示出其减振目标为一建筑物的减振装置。图10和11的第二实施例示出其减振目标为一管道的减振装置。图12示出第一实施例的减振装置的一修正例。
下面结合图7-9说明第一实施例的减振装置。第一实施例减振装置的一球5插入在一包括一椭圆形截面空心部3A的球壳3中。球壳3放置在作为减振目标的建筑物1的顶上(或建筑物1的顶旁)。用来放置球5的球壳3分为若干部分而便于装入球5。球壳3的各部分用螺栓4连接。
在具有上述结构的第一实施例的减振装置中，建筑物1振动时球5在球壳3的椭圆形截面空心部3A中作光滑的圆周运动。球壳3的底面呈光滑椭圆面。即使在输入很小即目标构件的振动很小时回转半径也可很大，从而可获得很大的减振力。
下面结合图10和11说明用于管道的第二实施例的减振装置。一个或多个球5插入在一个或多个各有一球形空心部3B的球壳3中。球壳3装在作为减振目标的管道8上。其中放置球5的球壳3为便于球5的装入和球壳3的装配分为若干部分。球壳3的各部分用螺栓4连接。管道8在振动时，球5在球壳3的球形空心部3B中作圆周运动。当受控目标为管道8时，输入为一很大的加速度(当管道8的振动很大时常常造成问题)。因此，球壳3中球5与球壳3接触的底面也呈球形。
如图12所示，作为第一实施例的一修正例，用尿烷、橡胶、塑料或金属制成的一振动相位调节件3C粘贴在球壳3的内表面上而调节目标构件与球5之间的相位。
在具有上述结构的第一或第二实施例的减振装置中，建筑物1在振动时球5在球壳3的椭圆形截面的空心部3A或球形空心部3B中作圆周运动。下面说明输入很大和很小时的减振效果。
当输入很大时(目标构件的振动很大时)，如图13A-13D所示，球5在球壳3的侧面上作圆周运动。图13A示出球5在球壳3中作圆周运动。图13B和13C示出减振目标(建筑物)的响应。图13B示出减振目标(建筑物)在不使用第一实施例的减振装置时的响应。图13C示出减振目标(建筑物)在使用第一实施例的减振装置时的响应。图13D示出球5在球壳3中的振幅。在图13A中，r表示圆周运动的半径。球5的振动效果随着半径r的增加而提高。
从13A-13D显然可见，在目标构件的振动很大时第一实施例的减振装置可有效地减小该振动。
当输入很小时(目标构件的振动很小时)，如图14A-14D所示，球5在球壳3的底面上作圆周运动。图14A示出球5在球壳3中作圆周运动。图14B和14C示出减振目标(建筑物)的响应。图14B示出减振目标(建筑物)在不使用本发明装置时的响应。图14C示出减振目标(建筑物)在使用本发明装置时的响应。图14D示出球5在球壳3中的振幅。在图14A中，r表示圆周运动的半径。球5的振动效果随着半径r的增加而提高。
从图14A-14D显然可见，即使在目标构件的振动很小时，第一实施例的减振装置也可有效地减小振动。
下面结合图15和16说明输入与半径r之间的关系。在图15和16中，由球5的滚动生成的离心力FR与自重FG的平衡关系由下式给出：
FR·sinθ=FG·cosθ    (1)
如图15所示，当输入增加时，离心力FR增大，从而平衡自重FG的力增大。球5可在球壳3的侧面上滚动。
如图16所示，当输入减小时，离心力FR减小，从而平衡自重FG的力减小。球5可在球壳3的底面上滚动。当底面为椭圆形截面时，回转半径r增加，从而减振力与半径r成比例提高。
如图13A-13D和14A-14D所示，球5以相对于减振目标(例如建筑物)90°的相位滚动而作为减振力作用在目标上。因此目标的振动减小。
下面说明上述第一和第二实施例的效果。由风造成的建筑物或塔之类结构件的振动或由泵的运转或脉冲造成的管道或设备的振动可用第一和第二实施例的装置减小。
第一和第二实施例的减振装置只须放置到减振目标上从而可方便地应用于现成的建筑物、塔、管道或设备上。
第一或第二实施例的减振装置由球5和球壳3构成，从而结构紧凑、小型。由于既不使用弹簧也不使用减振器，因此该装置的成本下降。
第一或第二实施例的减振装置无需致动器之类需要功率和能源供应的部件。
第一或第二实施例的减振装置结构简单；球5在球壳3中滚动，因此无需维修。
第一或第二实施例的减振装置结构紧凑、小型，因此成本下降。
第一或第二实施例的减振装置既无需支撑件，也无需装配带，因此可设置在狭小空间中。
当球5和球壳3用金属制成时，第一和第二实施例的减振装置可使用在高温下从而可用于承受高温的管道或设备中。
第一或第二实施例的减振装置无需调节频率，从而可用于建造之中而频率变化的塔之类结构件中。
当第一或第二实施例的减振装置使用椭圆形截面的球壳3时，即使在振动很小时也可获得很大的减振效果。
第一或第二实施例的减振装置没有碰撞面，因此不存在磨损问题。
下面说明第三实施例。图17和18示出本发明第三实施例(减振目标为建筑物)。在该实施例中，如图17和18所示，一球35插入在一球壳36中。球壳36在一装置壳33中放置在一球壳接受部37即一凹座中。一用作球壳36的缓冲件的缓冲垫34设置在装置壳33的内侧壁上。
按照这种结构，球35响应风之类低输入外力而在球壳36中滚动，从而减小目标构件的振动。对于地震之类较大输入，球35与球壳36一起滚出球壳接受部37而在装置壳33中作碰撞振动，从而减小目标构件的振动。
图19和20示出作用在球35上的加速度大小与决定球壳36是否滚出球壳接受部37的滚动条件之间的关系。在风之类输入较小的稳定外力下，支撑点38处的动量由下述不等式(2)表示，其中α1为作用在球上的加速度。球35和球壳36不滚出球壳接受部37。
mα1×r2＜mg×r1    (2)
当地震之类输入较大的外力作用时，支撑点38处的动量由下述不等式(3)表示，其中α2为作用在球上的加速度。球35和球壳36滚出球壳接受部37，球35与球壳36一起在装置壳33中振动。
mα2×r2＞mg×r1    (3)
图21A-21D示出该装置对风之类输入较小的稳定外力的减振效果。图21A示出球35在球壳36中作圆周运动。图21B和21C示出减振目标(建筑物)的响应。图21B示出减振目标(建筑物)在不使用本发明装置时的响应。图21C示出减振目标(建筑物)在使用本发明装置时的响应。图21D示出球35在本发明装置的球壳36中的振幅。
球35以相对于减振目标90°的相位在球壳36中作圆周运动。球的离心力作为减振力作用在目标构件上，因此振动减小。
图22A-22D和23A-2 3D示出该装置对瞬时地震载荷的减振效果。图22A示出球35与球壳36一起滚动。图22B和22C示出减振目标(建筑物)的响应。图22B示出减振目标(建筑物)在不使用本发明装置时的响应。图22C示出减振目标(建筑物)在使用本发明装置时的响应。图22D示出本发明装置的球壳36和球35的振幅。
如图22A-22D所示，当地震之类大载荷作用时，球35与球壳36一起滚出球壳接受部37而在装置壳33中作碰撞振动，从而减小目标构件的振动。
图23A示出球壳36固定时的减振效果，此时只有球35在球壳36中滚动。图23B和23C示出减振目标(建筑物)的响应。图23B示出减振目标(建筑物)在不使用本发明装置时的响应。图23C示出减振目标(建筑物)在使用本发明装置时的响应。图23D示出本发明装置的球35的振幅。
如图23A-23D所示，当球壳36固定时，球35的运动范围被限制在球壳36的内部空间中，从而减振效果差。
本发明减振装置无需调节频率，从而可用于建造之中而频率变化的塔之类结构件中。
下面说明上述第三实施例的效果。结构件的稳定振动比方说由风造成的建筑物或塔的振动或由泵的运转造成的管道的振动可由使用球的圆周运动的第三实施例的装置减小。
第三实施例的减振装置可使用球35和球壳36的碰撞振动减小由地震之类较大输入造成的瞬时外力造成的振动。
第三实施例的减振装置只须放置到减振目标上从而可方便地应用于现成的建筑物、塔、管道或设备上。
第三实施例的减振装置由球35、球壳36和装置壳33构成，从而结构紧凑、小型。由于既不使用弹簧也不使用减振器，因此该装置的成本下降。
第三实施例的减振装置无需致动器之类需要功率和能源供应的部件。
第三实施例的减振装置结构简单；球35在球壳36中滚动，因此无需维修。
第三实施例的减振装置无需调节频率，从而可用于建造之中而频率变化的塔之类结构件中。
对于较小的振动，第三实施例的减振装置使用球的圆周运动减振。当振动较大时，由球35和球壳36的碰撞振动减振。因此，减振与输入无关。
如上详述，按照本发明，使用球的与减振目标的振动调谐的运动减小减振目标的振动。使用这种结构，可解决现有技术的问题，自调型减振装置容易制造和安装，同时可有效减小各种减振目标的振动。
本领域普通技术人员不难看出其他优点和修正例。因此本发明的更广泛方面不限于上述具体细节和例示性实施例。因此可在后附权利要求及其相当物限定的一般性发明原理的精神和范围内作出种种修正。

Claims (8)

1、一种装在一减振目标(1)上、减小所述减振目标(1)的振动的自调型减振装置，包括：
一球(5)，以及
一装在所述减振目标(1)上并具有一空心部、供所述球(5)在其中运动的球壳(3)，
其中，所述球(5)与所述球壳(3)一起减小振动，
其特征在于，所述球壳(3)有一调节件(3C)，用来调节所述减振目标(1)与所述球(5)之间的振动相位。
2、按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空心部为椭圆形。
3、按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空心部为球形。
4、按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述球壳(3)为一由若干部分构成的可分开构件。
5、按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调节件(3C)用尿烷、橡胶、塑料或金属或其复合物制成。
6、按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述球(5)和所述球壳(3)由金属制成。
7、一种装在一减振目标(1)上、减小所述减振目标(1)的振动的自调型减振装置，包括一球(35)；以及一个具有一空心部以供所述球(35)在其中运动的球壳(36)，其特征在于，进一步包括装在所述减振目标(1)上并具有一空心部、供所述球壳(36)在其中运动、其中有一放置所述球壳(36)的凹座的装置壳(33)，以及
所述球壳(36)呈球形。
8、按权利要求7所述的装置，其特征在于，进一步包括一装在所述装置壳(33)上、缓冲所述球壳(36)的碰撞的冲力的缓冲垫(34)。
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