CN108105303A - 拉索式旋转电涡流阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种拉索式旋转电涡流阻尼器，涉及土木工程技术领域。本发明提供的拉索式旋转电涡流阻尼器，包括旋转电涡流阻尼器和拉索；所述旋转电涡流阻尼器包括定子和转子；所述拉索缠绕于所述转子的转轴上，其两端分别斜向连接于结构，用于将所述结构的水平线位移转换为所述旋转电涡流阻尼器的转轴的角位移实现能量的转换，发挥阻尼效果。本发明提供的方案，其有益效果在于：本发明结合板式电涡流阻尼器和带拉索支撑系统的特点，提出的拉索式旋转电涡流阻尼器，一方面可以实现阻尼系数的简单易调、阻尼与刚度完全分离；另一方面，电涡流阻尼器不存在像粘滞阻尼器易漏油和不易养护的问题，从而大大提高阻尼器的耐久性和工程实用性。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种拉索式旋转电涡流阻尼器。
背景技术
电涡流阻尼产生的基本原理是：当处于局部磁场中的导体盘切割磁力线时会在导体盘中产生电涡流，电涡流又会产生与原磁力方向相反的新磁场，从而在原磁场和导体之间形成阻碍二者相对运动的阻尼力，同时导体盘的电阻效应将导体盘获得的动能通过电涡流转换为热能耗散出去，如果将导体盘和振动结构相连接，就可以产生结构减振与耗能作用，成为电涡流阻尼器。电涡流阻尼器作为新型高效的结构被动振动控制手段，具有非接触、无机械性摩擦和损耗、无须润滑、使用寿命长、和易安装等优点，特别适合用于要求疲劳寿命长且不易维护的工作环境。
目前，常用的电涡流阻尼器主要有板式、摆式、基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器等。计算表明，按磁体与导体之间直接采用轴向相对运动方式制作一个在每秒一厘米的速度下产生阻尼力的轴向电涡流阻尼器，其重量要比粘滞流体阻尼器高一到两个数量级，已无实用价值。因此，提高电涡流阻尼器的阻尼力与自身重量比，制作出大阻尼系数的电涡流阻尼器是在土木工程领域推广和应用电涡流阻尼技术亟待解决的关键问题。
增大阻尼系数的一个思路是增大导体在磁场中的运动速度，惯容器可以将层间相对位移放大很多倍，将惯容器的原理运用到电涡流阻尼器上可以使阻尼系数大大增加，但惯容器一个很大的缺点是机械上构造非常复杂，对于加工精度要求很高，而且很难实现刚度和阻尼的完全分离；带拉索支撑的阻尼器的拉索也可实现位移传递效果，安装也非常方便，而且在震后可以根据拉索的状态快速评估是否应该更换。
现有技术中使用的拉索均为柔性，目前研究中带拉索的阻尼器主要有两种，一种是拉索式中心摩擦阻尼器，装置由前后钢板转子和连接在钢片上的拉索组成，结构的层间相对位移通过拉索带动两个钢板转子朝相反方向运动，通过转子间的摩擦作用起到消能减震的作用，一种是基于超弹性记忆金属环的拉索阻尼器，这种消能系统仅由SMA环和承受拉力的拉索组成。而且目前已有的带拉索支撑的阻尼器的位移转换的效率不如惯容器高，且其耗能能力也往往很低下。因此，开发基于无需与结构直接接触、且具有大阻尼系数的电涡流阻尼器具有较大的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种拉索式旋转电涡流阻尼器，安装在结构中起抗震耗能的作用，其能够充分利用构件之间的连接关系进行层间相对位移的转换，通过滚轴和导体盘，将结构位移进行放大，大大提高位移转换效率，有效地提高阻尼器耗能能力，同时在震后也非常容易通过拉索的松弛程度判断阻尼器的工作性能。
为实现上述目标，本发明提供了如下技术方案:
一种拉索式旋转电涡流阻尼器，包括旋转电涡流阻尼器和两根拉索；所述旋转电涡流阻尼器包括定子和转子；所述拉索的一端缠绕于所述转子的转轴上，其另一端斜向连接于结构，用于将所述结构的水平线位移转换为所述旋转电涡流阻尼器的转轴的角位移，实现能量的转换，发挥阻尼效果。
由于，拉索式电涡流阻尼器和结构之间无直接接触，使得阻尼与刚度分离，因此可以通过拉索将结构的水平线位移转换为转轴的角位移，实现能量的转换，发挥阻尼效果。
进一步，所述定子包括箱体和若干永磁体，所述转子包括滚轴和一对导体盘；在优选的实施方式中，所述箱体为钢箱体；
所述滚轴可转动地支承于箱体的前后两面上；所述一对导体盘分别穿设于滚轴上，并与滚轴固定连接；
所述若干永磁体对称布置在箱体的前后内表面上，并位于导体盘在箱体前后内表面的正投影范围内；无需外部能源输入，永磁体数量与磁场强度线性相关，同等条件下，磁场越强则阻尼力越大，因此永磁体具体数量可根据所需要的不同阻尼效果进行灵活调整。由于整个装置为惯容器设计，即使在没有永磁体的情况下，由于导体盘的转动惯量的存在，结构克服导体盘的惯性力带动导体盘产生往复角位移，整个装置仍然具备一定的阻尼效果，不至于完全失效；在优选的实施方式中，所述永磁体可以是短柱状的；
所述拉索的一端缠绕于滚轴上，起到带动滚轴转动进行位移传递的效果；在优选的实施方式中，拉索最好缠绕于两个导体盘中间的位置，这样不容易把滚轴带偏，位移传递效果最好。
进一步，两个导体盘相对的面上各安装有一个法兰；
所述滚轴中部沿轴向均匀开设有限位孔；所述法兰穿设于滚轴上，并通过中部限位螺栓固定在所述限位孔中，因为只有将法兰固定在滚轴上，在滚轴转动时才能够带动导体盘转动。在优选的实施方式中，滚轴上的限位孔可以分多排布置，以实现不同气隙大小的调节，可以灵活地改变阻尼器的阻尼系数。
进一步，所述箱体的前后外表面上各安装有一个方形轴承；例如，可以在方形轴承的四角开设螺栓孔，通过固定螺栓与箱体牢固连接；
对应于方形轴承的内孔(轴承内圈孔)所在位置处，在所述箱体的前后两面上分别开设有与方形轴承的内孔贯通的通孔；所述通孔的孔径与所述方形轴承的内孔径相同。
进一步，所述滚轴的两端分别从箱体前后两侧的通孔和方形轴承的内孔中穿过。
进一步，所述方形轴承的内孔表面光滑，且所述方形轴承的内孔径略大于滚轴的直径。
进一步，所述滚轴的两端开设有槽孔，并通过所述槽孔与方形轴承之间采用端部限位螺栓连接。一方面可以限制滚轴横向的移动，另一方面由于方形轴承的存在使得滚轴的运动由传统的滑动摩擦变为滚动摩擦，可以大大减小阻力。
在本发明中，所述方形轴承是带轴承座的轴承，轴承座和箱体固定在一起，轴承座和轴承内圈中间有滚珠，轴承内圈上开有螺栓孔，通过螺栓可以将轴承内圈固定在滚轴的槽孔位置，滚轴转动时，轴承内圈也会同步转动。
进一步，所述拉索为钢绞线，其通过夹具和收紧装置保持绷紧状态。实际使用时，宜附加测力装置来测量拉索中的张力进行实时监测，一旦拉索张力大幅降低则证明阻尼器工作性能不佳，需要进行构件的检查和更换。
进一步，所述导体盘为铁质的或铜制的。试验表明相同厚度下，导体盘材质为铁的情况的阻尼比要大于铜盘的情况，为取得较好的振动控制效果，铁宜为首选材料；导体盘的厚度也会影响电涡流阻尼器的效果，厚度增大，阻尼也会增大，与此同时，转子的转动惯量也会增大，带来惯容器部分阻尼效果的增强。角位移通过导体盘与滚轴间的半径比实现了放大，再次进行了位移的传递，导体盘与滚轴的半径比越大，结构位移的放大效果越好，切割磁感线的速度也随之增大，阻尼力增大。
本发明采用的以上技术方案，与现有技术相比，作为举例而非限定，具有以下的有益效果：本发明所述的拉索式旋转电涡流阻尼器不依靠机械摩擦耗能，也不存在密封问题，与结构无直接接触，无机械性磨擦和损耗，耐久性好，结构大大简化，加工安装方便；采用拉索的位移转换机制，实现阻尼器刚度和阻尼力的分离；采用永磁铁来提供形成电涡流所需的磁场，无需外界能源，就可实现较大的阻尼比，由永磁体和结构位移来提供阻尼力，无需润滑，易养护；采用方形轴承连接滚轴与箱体，通过轴承内部的滚珠滚动大幅减小摩擦；在滚轴中部沿轴向均匀布置限位孔，用于固定限位螺栓，不同气隙大小对应不同限位孔，可以灵活调节阻尼系数的大小；利用拉索、轴承、金属盘将结构线位移放大为角位移，位移转换效率高，耗能能力强；通过改变永磁强度、导体盘材质、导体盘大小、永磁铁与导体盘的间距，很容易地实现阻尼参数的调节；震后可通过拉索的张紧状态快速评估阻尼器工作状态，是否需更换相关构件；大大提高了阻尼器的耐久性和工程实用性。
附图说明
图1为拉索式旋转电涡流阻尼器的示意图；
图2为拉索式旋转电涡流阻尼器的正视图；
图3为图2所示拉索式旋转电涡流阻尼器的A-A截面的剖视图；
图4为图3所示拉索式旋转电涡流阻尼器的B-B截面的剖视图；
图5为图3所示拉索式旋转电涡流阻尼器的C-C截面的剖视图。
附图标记说明
1-结构、2-拉索、3-旋转电涡流阻尼器、4-箱体、5-方形轴承、6-第一固定螺栓、7-滚轴、8-端部限位螺栓、9-永磁体、10-导体盘、11-法兰、12-中部限位螺栓、13-第二固定螺栓。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的拉索式旋转电涡流阻尼器的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图1至图5所示，本发明提供一种拉索式旋转电涡流阻尼器，包括旋转电涡流阻尼器3和两根拉索2。其中，旋转电涡流阻尼器3包括定子和转子；拉索2的一端缠绕于转子的转轴上，其另一端斜向连接于结构1，用于将结构1的水平线位移转换为旋转电涡流阻尼器3的转轴的角位移，实现力和位移的传递。由于，旋转电涡流阻尼器3和结构1之间无直接接触，使得阻尼与刚度分离，因此可以通过拉索2将结构1的水平线位移转换为转轴的角位移，实现力和位移的传递效果。
进一步，定子包括箱体1和若干永磁体9；在优选的实施方式中，所述箱体4为钢箱体，所述永磁体9为短柱状的。转子包括滚轴7和一对导体盘10；滚轴7可转动地支承于箱体4的前后两面上；一对导体盘10分别穿设于滚轴7上，并与滚轴7固定连接；若干永磁体9对称布置在箱体4的前后内表面上，并位于导体盘10在箱体4前后内表面的正投影范围内；拉索2的一端缠绕于滚轴7上，起到带动滚轴7转动进行位移传递的效果；在优选的实施方式中，拉索2最好缠绕于两个导体盘10中间的位置，这样不容易把滚轴7带偏，位移传递效果最好。
本发明提供的旋转电涡流阻尼器3无需外部能源输入，永磁体9数量与磁场强度线性相关，同等条件下，磁场越强则阻尼力越大，因此永磁体9具体数量可根据所需要的不同阻尼效果进行灵活调整。在没有永磁体的情况下，由于导体盘10的转动惯量的存在，结构1克服导体盘的10惯性力带动导体盘10产生往复角位移，整个装置就是一个惯容器，仍然具备一定的阻尼效果，不至于完全失效。
进一步，两个导体盘10相对的面上各安装有一个法兰11；例如，可以在导体盘10上开设螺栓孔，采用第二固体螺栓13将导体盘10与法兰11固定连接，因为只有将法兰11固定在滚轴7上，在滚轴7转动时才能够带动导体盘10转动。
进一步，滚轴7中部沿轴向均匀开设有多个等间距的限位孔；法兰11穿设于滚轴7上，并通过中部限位螺栓12固定在限位孔中。每个限位孔对应于一个气隙大小，当需要调节气隙时，将法兰11的固定位置从当前限位孔移到到目标限位孔，进行固定即可完成；由此，可以实现不同气隙大小的调节，灵活地改变阻尼器的阻尼系数。
在优选的实施方式中，滚轴7上的限位孔可以分多排布置；因为如果只在单排布置多个限位孔，可能会由于限位孔的间距较小而导致加工不便，将限位孔绕着滚轴7分多排布置，比较有利于加工。
进一步，箱体4的前后外表面上各安装有一个方形轴承5；例如，可以在方形轴承5的四角开设螺栓孔，通过第一固定螺栓6与箱体4牢固连接。对应于方形轴承5的内孔所在位置处，在箱体4的前后两面上分别开设有与方形轴承5的内孔贯通的通孔；通孔的孔径与方形轴承5的内孔径相同；滚轴7的两端分别从箱体4前后两侧的通孔和方形轴承5的内孔中穿过。本发明所述拉索式旋转电涡流阻尼器采用方形轴承5连接滚轴7与箱体4，通过方形轴承5内部的滚珠滚动可以大幅减小摩擦。
进一步，滚轴7的两端开设有槽孔，并通过槽孔与方形轴承5之间采用端部限位螺栓8连接。一方面可以限制滚轴7横向的移动，另一方面由于方形轴承5的存在使得滚轴7的运动由传统的滑动摩擦变为方形轴承5内滚珠的滚动摩擦，可以大大减小阻力。
在本发明中，所述方形轴承5是带轴承座的轴承，轴承座和箱体4固定在一起，轴承座和轴承内圈中间有滚珠，轴承内圈上开有螺栓孔，通过螺栓可以将轴承内圈固定在滚轴7的槽孔位置，滚轴7转动时，轴承内圈也会同步转动。
进一步，拉索2为钢绞线，且拉索2上设置有夹具和收紧装置，其通过夹具和收紧装置保持绷紧状态。实际使用时，还可以附加测力装置来测量拉索2中的张力进行实时监测，一旦拉索2张力大幅降低则证明阻尼器工作性能不佳，需要进行构件的检查和更换。
进一步，导体盘10为铁质的或铜制的。试验表明相同厚度下，导体盘10材质为铁的情况的阻尼比要大于铜盘的情况，为取得较好的振动控制效果，铁宜为首选材料；导体盘10的厚度也会影响电涡流阻尼器的效果，厚度增大，阻尼也会增大，与此同时，转子的转动惯量也会增大，带来惯容器部分阻尼效果的增强。角位移通过导体盘10与滚轴7间的半径比实现了放大，再次进行了位移的传递，导体盘10与滚轴7的半径比越大，结构1位移的放大效果越好，切割磁感线的速度也随之增大，阻尼力增大。
本发明所述拉索式旋转电涡流阻尼器工作时，要保证旋转电涡流阻尼器3和结构1牢固连接，通过收紧装置保持拉索2绷紧状态。当与拉索式旋转电涡流阻尼器3相连的结构1发生振动时，拉索2会带动滚轴7转动，将结构1的线位移转换为滚轴7的角位移，并通过导体盘10和滚轴7的半径比将位移进行放大。导体盘10在永磁体9形成的磁场中旋转，切割磁感线，在导体盘10中产成了抑制结构1振动的电涡流，形成了阻尼器耗能所需的阻尼，阻尼力与导体盘的转动速度成线性关系；可以通过调整永磁体9数量，导体盘10的材质、转速，以及气隙大小实现旋转电涡流阻尼器3阻尼大小的调节。
综上所述，本发明提供的拉索式旋转电涡流阻尼器，以电涡流效应为原理，综合了惯容器和带拉索的耗能构件的特点，具有以下优点：本发明所述的拉索式旋转电涡流阻尼器不依靠机械摩擦耗能，也不存在密封问题，与结构无直接接触，无机械性磨擦和损耗，耐久性好，结构大大简化，加工安装方便；采用拉索的位移转换机制，实现阻尼器刚度和阻尼力的分离；采用永磁铁来提供形成电涡流所需的磁场，无需外界能源，就可实现较大的阻尼比，由永磁体和结构位移来提供阻尼力，无需润滑，易养护；采用方形轴承连接滚轴与箱体，通过轴承内部的滚珠滚动大幅减小摩擦；在滚轴中部沿轴向均匀布置限位孔，用于固定限位螺栓，不同气隙大小对应不同限位孔，可以灵活调节阻尼系数的大小；利用拉索、轴承、金属盘将结构线位移放大为角位移，位移转换效率高，耗能能力强；通过改变永磁强度、导体盘材质、导体盘大小、永磁铁与导体盘的间距，很容易地实现阻尼参数的调节；震后可通过拉索的张紧状态快速评估阻尼器工作状态，是否需更换相关构件。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (10)
1.一种拉索式旋转电涡流阻尼器，其特征在于：包括旋转电涡流阻尼器(3)和两根拉索(2)；
所述旋转电涡流阻尼器(3)包括定子和转子；所述拉索(2)的一端缠绕于所述转子的转轴上，其另一端斜向连接于结构(1)，用于将所述结构(1)的水平线位移转换为所述旋转电涡流阻尼器(3)的转轴的角位移。
2.根据权利要求1所述的拉索式旋转电涡流阻尼器，其特征在于：所述定子包括箱体(4)和若干永磁体(9)，所述转子包括滚轴(7)和一对导体盘(10)；
所述滚轴(7)可转动地支承于箱体(4)的前后两面上；所述一对导体盘(10)分别穿设于滚轴(7)上，并与滚轴(7)固定连接；所述若干永磁体(9)对称布置在箱体(4)的前后内表面上，并位于导体盘(10)在箱体(4)前后内表面的正投影范围内；
所述拉索(2)的一端缠绕于滚轴(7)上。
3.根据权利要求2所述的拉索式旋转电涡流阻尼器，其特征在于：两个导体盘(10)相对的面上各安装有一个法兰(11)；
所述滚轴(7)中部沿轴向均匀开设有限位孔；所述法兰(11)穿设于滚轴(7)上，并通过中部限位螺栓(12)固定在所述限位孔中。
4.根据权利要求2所述的拉索式旋转电涡流阻尼器，其特征在于：所述箱体(4)的前后外表面上各安装有一个方形轴承(5)；
对应于方形轴承(5)的内孔所在位置处，在所述箱体(4)的前后两面上分别开设有与方形轴承(5)的内孔贯通的通孔；所述通孔的孔径与所述方形轴承(5)的内孔径相同。
5.根据权利要求4所述的拉索式旋转电涡流阻尼器，其特征在于：所述滚轴(7)的两端分别从箱体(4)前后两侧的通孔和方形轴承(5)的内孔中穿过。
6.根据权利要求5所述的拉索式旋转电涡流阻尼器，其特征在于：所述方形轴承(5)的内孔表面光滑，且所述方形轴承(5)的内孔径略大于滚轴(7)的直径。
7.根据权利要求5所述的拉索式旋转电涡流阻尼器，其特征在于：所述滚轴(7)的两端开设有槽孔，并通过所述槽孔与方形轴承(5)之间采用端部限位螺栓(8)连接。
8.根据权利要求2所述的拉索式旋转电涡流阻尼器，其特征在于：所述拉索(2)为钢绞线，其通过夹具和收紧装置保持绷紧状态。
9.根据权利要求2所述的拉索式旋转电涡流阻尼器，其特征在于：所述导体盘(10)为铁质的或铜制的。
10.根据权利要求1所述的拉索式旋转电涡流阻尼器，其特征在于：所述箱体(4)为刚箱体。
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