CN108061126A - 一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆，属于结构振动控制技术领域。该阻尼空心杆包括空心杆、永磁体、导体片、转动弹簧、拉压弹簧、滑块、滚珠、碰撞环、导杆、圆形橡胶垫片、内端板、固定杆、橡胶层和加劲肋。本发明将电涡流阻尼技术同其他被动减振技术相结合，具有多级耗能机制。当结构发生小幅振动时，利用电涡流耗能单元与旋转弹簧耗能单元共同耗能；当结构发生大幅振动时，利用电涡流耗能单元与碰撞耗能单元共同耗能，各不同耗能单元协同耗能工作，显著增强了其耗能控制效果，同时可以方便的调节阻尼参数，基本避免了磁路的漏磁。
Description
技术领域
本发明属于结构振动控制技术领域，尤其涉及一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆。
背景技术
大跨空间结构多用于建造人员和设备相对集中的体育场馆、高铁站、候机楼、娱乐场馆或工业厂房等重要建筑，但由于大跨空间结构的质量轻、跨度大，往往导致刚度不足、结构较柔，在地震、风荷载或其他环境激励等作用下，结构的振动反应较为强烈，无法满足正常使用要求甚至发生破坏。近年来，我国大跨空间结构的发展十分迅速，对其进行振动控制的研究具有十分重要的现实意义。
结构振动控制是通过在结构上设置控制系统，由结构和控制系统共同抵御外荷载，以减小结构的动力反应。常用于大跨空间结构的控制系统主要有：在结构节点上设置TMD系统；采用附加杆式设置粘滞或粘弹性阻尼器；采用替换杆式设置粘滞阻尼器；采用替换杆式设置变刚度或变阻尼的可控杆件；设置粘弹性阻尼支座；设置ER或MR阻尼器等等。
近年来各种利用粘弹性材料、粘滞流体等材料开发的阻尼器取得了良好的减振效果，但此类阻尼器应用于工程实际中时需要克服疲劳、老化、耐久性、及流体阻尼器可能存在的渗漏现象等问题。电涡流阻尼器是基于电磁感应定律把物体运动的机械能转化为导体板(非导磁材料)中的电能，然后通过导体板的电阻效应将电能转化为热能来耗散系统的振动能量。导体板在磁场中运动产生涡电流后，涡电流会与原磁场相互作用，产生阻碍导体板与磁场相对运动的阻尼力，同时导体板内产生的涡电流以热能的形式不断地耗散到周围的环境中。与其他类型阻尼器相比，电涡流阻尼器具有结构简单、无接触、无磨损、无需工作介质、寿命长及刚度和阻尼易调节等特点，具有极高的应用前景。
因此，本发明将电涡流阻尼技术同其他被动减振技术相结合，提供了一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆，能够同时满足结构在小幅、大幅振动时对阻尼器的减振要求，具有很高的工程应用价值。
发明内容
本发明将电涡流阻尼技术同其他被动减振技术相结合，提供了一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆。杆内不同的耗能单元分级协同工作，不仅显著增强了阻尼空心杆的耗能控制效果，而且能够满足结构在小幅和大幅振动时对阻尼器的减振要求。
本发明的技术方案：
一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆，包括空心杆、永磁体、导体片、转动弹簧、拉压弹簧、滑块、滚珠、碰撞环、导杆、圆形橡胶垫片、内端板、固定杆、橡胶层和加劲肋；
所述的空心杆为等直径空心圆杆，在空心杆的部分区段两端设置内端板，空心杆与两个内端板之间构成空腔，在空腔内设置阻尼单元，阻尼单元包括电涡流耗能单元、旋转弹簧耗能单元和碰撞耗能单元；
所述的内端板外侧面设置加劲肋，加劲肋分别与内端板、空心杆的内壁固接，确保内端板与空心杆连接的可靠性；两个内端板之间固定设置导杆，导杆固定于内端板的中心部位，导杆外壁四周开有滚珠凹槽；圆形橡胶垫片套在导杆端部，且紧贴内端面布置；
所述的滑块和两个拉压弹簧均套在导杆上，拉压弹簧分别限位于滑块的两侧，一端连接在圆形橡胶垫片上，另一端连接在滑块端部；滑块的内壁开有滚珠凹槽，滑块内壁的滚珠凹槽与导杆外壁的滚珠凹槽相匹配，滚珠嵌在滚珠凹槽之间，与滚珠凹槽共同完成对滑块的位移导向，使滑块通过滚珠沿导杆作轴向滑动；
所述的永磁体间隔地套装固定在滑块的外壁上；
所述的导体片固定在空心杆的内壁上，并与永磁体相对布置；导体片的覆盖范围比永磁体的设计行程大，确保充分切割磁感线；每对导体片和永磁体构成一个电涡流耗能单元；
所述的碰撞环为薄壁圆环，固定在滑块的两端，在碰撞环发生碰撞的一侧粘贴橡胶层；所述的转动弹簧通过固定杆固定在导体片两端的凹槽里，转动弹簧的一端做弯折处理，确保转动弹簧不会绕固定杆转动，并与碰撞环发生碰撞；
碰撞环的宽度大于拉压弹簧被完全压缩时的高度，以便与圆形橡胶垫片发生碰撞；当结构发生小幅振动时，碰撞环和橡胶层随滑块的运动与转动弹簧发生碰撞，并共同形成旋转弹簧耗能单元；当结构发生大幅振动时，碰撞环和圆形橡胶垫片形成碰撞耗能单元；
所述的过渡环为直径渐变的薄壁圆环，套在碰撞环的外侧，与连接环、碰撞环构成一个空腔，当滑块推倒转动弹簧继续向两端运动时，确保转动弹簧被过渡环顺滑地推倒。
所述导杆外壁和滑块内壁的滚珠凹槽，两端加工成同滚珠半径的球面倒角。
所述的加劲肋为十字型；所述的空心杆、内端板和加劲肋均采用导磁材料制成；所述滚珠为球形合金钢珠；所述导体片为铜片。
工作原理：当结构发生小幅振动时，由永磁体和导体片组成的电涡流耗能单元将结构的机械能转化为热能，由转动弹簧和具有橡胶层的碰撞环组成的转动弹簧耗能单元将结构的机械能转化为弹簧内的弹性势能和橡胶层吸收转化的热能；当结构发生大幅振动时，由上述电涡流耗能单元将结构的机械能转化为热能，由圆形橡胶垫片和碰撞环组成的碰撞耗能单元碰撞后吸收结构的机械能亦转化为热能。
本发明的有益效果：
(1)本发明的阻尼空心杆，具有多级耗能机制。当结构发生小幅振动时，利用空心杆内设置的多组电涡流耗能单元与旋转弹簧耗能单元共同耗能；当结构发生大幅振动时，利用上述电涡流耗能单元与碰撞耗能单元共同耗能。
(2)本发明的阻尼空心杆，各不同耗能单元协同耗能，显著增强了耗能控制效果。当结构发生小幅振动时，由永磁体和导体片组成的电涡流耗能单元将结构的机械能转化为热能，由转动弹簧和具有橡胶层的碰撞环组成的耗能单元将结构的机械能转化为弹簧内的弹性势能和橡胶层吸收转化的热能；当结构发生大幅振动时，由上述电涡流耗能单元将结构的机械能转化为热能，由圆形橡胶垫片和碰撞环组成的耗能单元碰撞后吸收结构的机械能亦转化为热能。
(3)本发明的阻尼空心杆，可以很方便的调节阻尼参数。通过调节空心杆或滑块的直径，可以改变永磁体与导体片之间的距离，或者调整永磁体的磁场强度，均可实现电涡流耗能单元阻尼参数的调节；通过调节转动弹簧的数量及转动刚度，可以实现碰撞耗能单元阻尼参数的调节。
(4)本发明的阻尼空心杆，采用永磁体提供连续不断的磁场源，无需外界能源，由于永磁体和导体片的物理性能保持长期不变，阻尼空心杆能提供长期稳定的减振效果。
(5)本发明的阻尼空心杆，基本避免了磁路的漏磁，不仅提高了电涡流阻尼的效率，而且避免了对周围各种元器件的影响。
(6)本发明的阻尼空心杆，可以作为主体结构杆件的替换杆或附加杆，与主体结构的连接非常方便。
(7)本发明的阻尼空心杆，具有构造简单、无需工作介质、寿命长、易于维护等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆的纵向剖面图；
图2为本发明实施例提供的一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆的A-A剖面图；
图3为本发明实施例提供的一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆的B-B剖面图；
图4为本发明实施例提供的一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆的C-C剖面图；
图5为本发明实施例提供的一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆的转动弹簧安装详图；
图中：1空心杆；2圆形橡胶垫片；3导体片；4碰撞环；5永磁体；6滑块；7拉压弹簧；8内端板；9加劲肋；10固定杆；11转动弹簧；12过渡环；13连接环；14滚珠；15导杆；16橡胶层。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图5，本发明实施例提供的一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆的一个实施例，包括：空心杆1、圆形橡胶垫片2、导体片3、碰撞环4、永磁体5、滑块6、拉压弹簧7、内端板8、加劲肋9、转动弹簧11、滚珠14和导杆15等；
在本实施例中，空心杆1为等直径空心圆杆，在空心杆的部分区段两端设置内端板8构成空腔，在此空腔内设置电涡流耗能单元、旋转弹簧耗能单元和碰撞耗能单元，空心杆1和内端板8均采用导磁材料制成，可以避免磁路的漏磁，提高电涡流阻尼的效率；
将十字型加劲肋9与内端板8的外侧面和空心杆1的内壁固接，保证内端板8与空心杆1连接的可靠性，加劲肋9采用与内端板8和空心杆1相同材料的金属；
导杆15固定在内端板8中心部位，四周开有滚珠凹槽；
滑块6套在导杆15上，滑块内壁开有滚珠凹槽，通过滚珠14在导杆15上滑动；
滚珠14嵌在导杆15与滑块6的滚珠凹槽之间，与滚珠凹槽共同完成对滑块6的位移导向；
永磁体5固定在滑块6的外壁上，沿滑块外壁间隔布置；
导体片3固定在空心杆内壁与永磁体5相对的位置，导体片3的覆盖范围略大于永磁体5的设计行程，以便充分切割磁感线，导体片3采用铜片，其导电性能很好，产生的电涡流明显，价格适中，性价比高；
本实施例中每个导体片3和与之相对的永磁体5构成一个电涡流耗能单元，本实施例的阻尼空心杆共设置了4个电涡流耗能单元；
转动弹簧11通过固定杆10固定在导体片3两端的凹槽里，一端做弯折处理，目的是让转动弹簧保持固定，不会绕固定杆10转动，本实施例中每个导体片3一端设置一个转动弹簧11，转动弹簧11的安装详图如图5所示：在导体片3一端设置能放入固定杆10和转动弹簧11的凹槽，将固定杆10穿入转动弹簧11后整体安装进入导体片3，再将导体片3和转动弹簧11固定在空心杆1的内壁上；
碰撞环4为薄壁圆环，固定在滑块6两端，在碰撞环4发生碰撞的一侧粘贴橡胶层16，二者随滑块6的运动与转动弹簧11发生碰撞，构成旋转弹簧耗能单元；
当阻尼空心杆的振动较大时，滑块6推倒转动弹簧11继续向两端运动，为了让转动弹簧11顺滑地被推倒，设置过渡环12；
碰撞环4、过渡环12和连接环13构成一个空腔，以减少阻尼空心杆的重量；
圆形橡胶垫片2套在导杆15端部紧贴内端板8布置，当阻尼空心杆的振动较大时，碰撞环4与圆形橡胶垫片2发生碰撞，通过橡胶吸收并耗散振动能量，二者构成碰撞耗能单元；
拉压弹簧7亦套在导杆15上，在滑块6两侧分别布置，起到使滑块6复位的功能；
本发明的阻尼空心杆，可以作为主体结构杆件的替换杆或附加杆，与主体结构的连接非常方便。
本发明的阻尼空心杆，当结构发生小幅振动时，由永磁体5和导体片3组成的电涡流耗能单元将结构的机械能转化为热能，由转动弹簧11和具有橡胶层16的碰撞环4组成的耗能单元将结构的机械能转化为弹簧内的弹性势能和橡胶层吸收转化的热能；当结构发生大幅振动时，由上述电涡流耗能单元将结构的机械能转化为热能，由圆形橡胶垫片2和碰撞环4组成的耗能单元碰撞后吸收结构的机械能亦转化为热能；本发明的阻尼空心杆，通过调节空心杆1或滑块6的直径，可以改变永磁体5与导体片3之间的距离，实现电涡流耗能单元阻尼参数的调节，通过调节转动弹簧11的数量及转动刚度，可以实现碰撞耗能单元阻尼参数的调节；本发明的阻尼空心杆采用永磁体5提供连续不断的磁场源，适用范围较广，同时，由于永磁体5和导体片3的物理性能保持长期不变，阻尼空心杆能提供长期稳定的减振效果，空心杆1和内端板8的设置基本避免了磁路的漏磁，不仅提高了电涡流阻尼的效率，而且避免了对周围各种元器件的影响；本发明的阻尼空心杆，还具有构造简单、无需工作介质、寿命长、易于维护等优点，具有广泛的应用前景。
设计本发明时需要注意：第一，本阻尼空心杆的电涡流耗能单元数量和转动弹簧数量应根据结构的振动强度合理取值；第二，导体片3在空心杆上的覆盖范围应略大于永磁体5的行程范围；第三，滚珠凹槽的长度即为滚珠14的设计行程，凹槽两端加工成同滚珠14半径的球面倒角，在凹槽内适当涂抹润滑油方便滚珠7滚动；第四，碰撞环4的宽度应略大于拉压弹簧7被完全压缩时的高度，以便能与圆形橡胶垫片2发生碰撞；第五，转动弹簧11的长度及压缩后厚度应使滑块6能往复滑动为宜；第六，本阻尼空心杆在工程结构中的布设位置应根据相应的减振方案和控制目标合理布置。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆，其特征在于，包括空心杆(1)、永磁体(5)、导体片(3)、转动弹簧(11)、拉压弹簧(7)、滑块(6)、滚珠(14)、碰撞环(4)、导杆(15)、圆形橡胶垫片(2)、内端板(8)、固定杆(10)、橡胶层(16)和加劲肋(9)；
所述的空心杆(1)为等直径空心圆杆，在空心杆(1)的部分区段两端设置内端板(8)，空心杆(1)与两个内端板(8)之间构成空腔，在空腔内设置阻尼单元，阻尼单元包括电涡流耗能单元、旋转弹簧耗能单元和碰撞耗能单元；
所述的内端板(8)外侧面设置加劲肋(9)，加劲肋(9)分别与内端板(8)、空心杆(1)的内壁固接，确保内端板(8)与空心杆(1)连接的可靠性；两个内端板(8)之间固定设置导杆(15)，导杆(15)固定于内端板(8)的中心部位，导杆(15)外壁四周开有滚珠凹槽；圆形橡胶垫片(2)套在导杆(15)端部，且紧贴内端面(8)布置；
所述的滑块(6)和两个拉压弹簧(7)均套在导杆(15)上，拉压弹簧(7)分别限位于滑块(6)的两侧，一端连接在圆形橡胶垫片(2)上，另一端连接在滑块(6)端部；滑块(6)的内壁开有滚珠凹槽，滑块(6)内壁的滚珠凹槽与导杆(15)外壁的滚珠凹槽相匹配，滚珠(14)嵌在滚珠凹槽之间，与滚珠凹槽共同完成对滑块(6)的位移导向，使滑块(6)通过滚珠(14)沿导杆(15)作轴向滑动；
所述的永磁体(5)间隔地套装固定在滑块(6)的外壁上；
所述的导体片(3)固定在空心杆(1)的内壁上，并与永磁体(5)相对布置；导体片(3)的覆盖范围比永磁体(5)的设计行程大，确保充分切割磁感线；每对导体片(3)和永磁体(5)构成一个电涡流耗能单元；
所述的碰撞环(4)为薄壁圆环，固定在滑块(6)的两端，在碰撞环(4)发生碰撞的一侧粘贴橡胶层(16)；所述的转动弹簧(11)通过固定杆(10)固定在导体片(3)两端的凹槽里，转动弹簧(11)的一端做弯折处理，确保转动弹簧(11)不会绕固定杆(10)转动，并与碰撞环(4)发生碰撞；
碰撞环(4)的宽度大于拉压弹簧(7)被完全压缩时的高度，以便与圆形橡胶垫片(2)发生碰撞；当结构发生小幅振动时，碰撞环(4)和橡胶层(16)随滑块(6)的运动与转动弹簧(11)发生碰撞，并共同形成旋转弹簧耗能单元；当结构发生大幅振动时，碰撞环(4)和圆形橡胶垫片(2)形成碰撞耗能单元。
2.根据权利要求1所述的一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆，其特征在于，增设过渡环(12)和连接环(13)，过渡环(12)为直径渐变的薄壁圆环，套在碰撞环(4)的外侧，与连接环(13)、碰撞环(4)构成一个空腔，当滑块(6)推倒转动弹簧(11)继续向两端运动时，确保转动弹簧(11)被过渡环(12)顺滑地推倒。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆，其特征在于，所述导杆(15)外壁和滑块(6)内壁的滚珠凹槽，两端加工成同滚珠半径的球面倒角。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆，其特征在于，所述的加劲肋(9)为十字型；所述的空心杆(1)、内端板(8)和加劲肋(9)均采用导磁材料制成；所述滚珠(14)为球形合金钢珠；所述导体片(3)为铜片。
5.根据权利要求3所述的一种具有多级耗能机制的阻尼空心杆，其特征在于，所述的加劲肋(9)为十字型；所述的空心杆(1)、内端板(8)和加劲肋(9)均采用导磁材料制成；所述滚珠(14)为球形合金钢珠；所述导体片(3)为铜片。
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