CN108316503B - 一种基于压电耗能的碰撞减振杆 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构振动控制技术领域，尤其涉及一种基于压电耗能的碰撞减振杆。该减振杆包括碰撞耗能阻尼单元、空心杆、内端板、拉压弹簧、碰撞体和导杆；本发明利用压电陶瓷特有的压电效应，将结构的机械能转化为电势能继而利用电阻效应又转化为导体片的热能，不断的将能量耗散，实现结构的良好减振效果；本发明的碰撞耗能阻尼空心杆，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。

Description

一种基于压电耗能的碰撞减振杆

技术领域

本发明属于结构振动控制技术领域，尤其涉及一种基于压电耗能的碰撞减 振杆。

背景技术

空间网架结构以其新颖的结构形式、优雅的建筑造型和强大的跨越能力等 优点，已被广泛应用于公共建筑和工业建筑等领域。特别是近年来，随着我国 一些重大社会经济活动的开展，建设了一批高标准、高规格的体育场馆、会议 展览馆、机场航站楼、高铁站等社会公共建筑，这些建筑在提供强大功能的同 时，往往作为重大工程也是一个城市或国家的标志性建筑，故保证其在地震、台风等动力荷载作用下的安全性尤为重要。但随着此类结构跨度增大、高度增 加以及结构形式的日益复杂，按照传统方法设计的工程结构在强地震/强风等作 用下，往往会产生较大的动力响应，造成破坏或倒塌。近年来发展迅速的振动控制技术为保障这类结构的安全可靠提供了一个新途径。

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。压电耗能碰撞阻尼器是基于能量守 恒定律将机械能转化为压电陶瓷片内部的电势能，然后通过导体板的电阻效应 将电势能转化为热能来耗散系统的振动能量。碰撞体在空心杆运动时与包有橡 胶层的压电陶瓷片碰撞，由于受压，压电陶瓷片内产生电势能，橡胶起耗能和隔振保护作用；同时压电陶瓷片内产生的电势能通过电阻效应以热能的形式不 断地耗散到周围的环境中。与其他类型阻尼器相比，压电耗能碰撞阻尼器具有 结构简单、磨损小、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，本发明将压电技术同其他被动减振技术相结合，提供了一种基于压 电耗能的碰撞减振杆，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

本发明将压电技术同其他被动减振技术相结合，提供了一种基于压电耗能 的碰撞减振杆。杆内拉压弹簧和碰撞耗能阻尼单元共同工作，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：

一种基于压电耗能的碰撞减振杆，包括碰撞耗能阻尼单元、空心杆1、内端 板3、拉压弹簧5、碰撞体6和导杆9；

所述的空心杆1为内部设有多个等间距、具有通孔圆片结构的等直径空心 圆杆，空心杆1的两端设置一体结构的内端板3，空心杆1与两内端板3之间构 成空腔，在空腔内设置多个碰撞耗能阻尼单元；

所述的内端板3的外侧面设置井字型加劲肋10，内端板3的中心设有通孔， 导杆9穿过内端板3和圆片的通孔，并在其中滑动；所述的导杆9两端的外壁 四周开有滚珠凹槽，所述的内端板3的通孔内环壁上开有与导杆9上的滚珠凹 槽配合的滚珠凹槽，滚珠4嵌在滚珠凹槽内，与滚珠凹槽共同完成对导杆9的 位移导向，使导杆9在通孔内滑动；

所述的碰撞耗能阻尼单元，包括导体片2、圆形橡胶垫片7和压电陶瓷片8；

所述的导体片2由具有高电阻率的金属材料制成，中心开有通孔，通孔直 径大于导杆9的直径；多个导体片2穿过导杆9并固定在圆片上，导体片2与 空心杆1的内壁垂直；

所述的压电陶瓷片8，中心开有通孔，通孔直径大于导杆9的圆孔直径，粘 结在导体片2的两侧，压电陶瓷片8用导线与导体片2连接；当压电陶瓷片8 受到压力作用时，在其两个端面产生电压差，形成电回路；

所述的圆形橡胶垫片7，中心开有通孔，通孔直径大于导杆9的圆孔直径， 粘结于压电陶瓷片8的表面，压电陶瓷片8被圆形橡胶垫片7包裹，在碰撞过 程中以保护压电陶瓷片8；

所述的导杆9依次穿过多个碰撞耗能阻尼单元中心的通孔，碰撞耗能阻尼 单元中心的通孔直径大于导杆9的直径，导杆9无摩擦的往复运动；

所述的碰撞体6，位于相邻两个碰撞耗能阻尼单元之间，等间距的固接于导 杆9上，两端的碰撞耗能阻尼单元外侧也设有碰撞体6；空心杆1振动时，碰撞 体6与碰撞耗能阻尼单元相接触；

所述的拉压弹簧5，套在导杆9的两端，限位于内端板3的内侧和碰撞体6 之间，拉压弹簧5一端连接在内端板3上，另一端连接在相邻的碰撞体6上。

工作原理：当结构发生小幅振动时，由拉压弹簧和碰撞体的小幅摆动将结 构的机械能转化为拉压弹簧内的弹性势能，此时工作原理同调谐质量阻尼器或 质量摆；当结构发生大幅振动时，各个碰撞体在导杆的位移导向下与碰撞耗能 阻尼单元发生碰撞，具有橡胶层的碰撞耗能阻尼单元将结构的机械能转化为橡 胶层吸收转化的热能和压电陶瓷内部的电势能，电势能又由电阻效应转化为导 体片的热能而不断耗散；结构的振幅越大时，碰撞体的碰撞能量越大，压电陶瓷和橡胶层相应的能量耗散更多。

本发明的有益效果：

(1)本发明的碰撞耗能减振杆，由橡胶垫片压缩变形和导体片散热共同耗 能，显著增强了耗能控制效果。当结构发生小幅振动时，由碰撞体和拉压弹簧 将结构的机械能转化为弹簧内的弹性势能；当结构发生大幅振动时，由碰撞耗 能单元将结构的机械能转化为压电陶瓷的电势能和橡胶层吸收转化的热能，之后，由于电阻效应，压电陶瓷的电势能通过导体片转化为热能，实现能量的分 级耗散。

(2)本发明的碰撞耗能减振杆，通过调节耗能阻尼单元的数量和间距、改 变碰撞体的质量，或者调整压电陶瓷片的规格，均可实现碰撞耗能单元阻尼参 数的调节；通过调节拉压弹簧的刚度，可以实现小幅振动下的阻尼参数调节。

(3)本发明的碰撞耗能减振杆，采用压电陶瓷特有的压电效应，无需外界 能源，由于压电陶瓷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，具有很好的耐久性。

(4)本发明的碰撞耗能减振杆，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。

(5)本发明的碰撞耗能减振杆，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基于压电耗能的碰撞减振杆的纵向剖面图；

图2为本发明实施例提供的一种基于压电耗能的碰撞减振杆的A-A剖面图；

图3为本发明实施例提供的一种基于压电耗能的碰撞减振杆的B-B剖面图；

图4为本发明实施例提供的一种基于压电耗能的碰撞减振杆的C-C剖面图。

图中：1空心杆；2导体片；3内端板；4滚珠；5拉压弹簧；6碰撞体； 7圆形橡胶垫片；8压电陶瓷片；9导杆；10井字型加劲肋。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1至图4，本发明提供一种基于压电耗能的碰撞减振杆，包括：空心杆 1、导体片2、内端板3、滚珠4、拉压弹簧5、碰撞体6、圆形橡胶垫片7、压 电陶瓷片8、导杆9和井字型加劲肋10；

在本实施例中，空心杆1为等直径空心圆杆，在空心杆1的两端设置内端 板3构成空腔，在此空腔内设置碰撞耗能阻尼单元，耗能阻尼单元的数量可以 根据结构的需要调整，内端板3起支撑和导向作用；在碰撞耗能阻尼单元设置 较多时，可以将空腔内的导体片2加厚制作为类似带有滚珠凹槽端板以保证导 杆9有良好的支撑。

将井字型加劲肋10与内端板3的外侧面和空心杆1的内壁固接，保证内端 板3与空心杆1连接的可靠性；

导杆9径向固定于内端板3中心部位，四周开有滚珠凹槽；

导杆9穿过内端板3上预留的圆孔，内端板3上的圆孔内壁开有滚珠凹槽， 通过滚珠4使导杆9往复滑动；

滚珠4嵌在导杆9与内端板3的滚珠凹槽内，与滚珠凹槽共同完成对导杆9 的位移导向；

导体片2等间距的固结于空心杆1内部、两个内端板3之间，导体片2采 用高电阻率的金属材料，电流产生的电阻热能耗散明显；

压电陶瓷片8粘结于导体片2的两侧，压电陶瓷片8的正负极通过铜线与 导体片2连接，组成电流回路，利用导体片2的电阻效应将电势能转化为热能 进行能量耗散；

圆形橡胶垫片7粘结于压电陶瓷8表面并包裹住压电陶瓷，当碰撞发生时， 可以将一部分能量转化为橡胶垫的弹性势能和热能，同时保护压电陶瓷片不会 发生破坏；

碰撞体6位于相邻两个碰撞耗能阻尼单元之间，等间距的固结于导杆9上， 其数量比耗能阻尼单元多一个，布置间距和耗能阻尼单元的间距相同，在结构 振动时，导杆9带动碰撞体6做往复运动，保证各个碰撞体同时接触各个耗能 阻尼单元，耗能阻尼单元同时接受碰撞，使能量耗散达到最大；

拉压弹簧5一端连接在内端板3上，另一端连接在最外侧的碰撞体6上； 一方面，拉压弹簧5的弹性势能可以将结构振动的机械能转化，另一方面，对 碰撞体6进行限位，结构没有振动时，使其保持在平衡位置；

本发明的碰撞耗能阻尼空心杆，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，由碰撞体6和拉压弹簧5 共同工作将结构的机械能转化为弹性势能；当结构发生大幅振动时，碰撞体6 在导杆9的导向下与碰撞耗能阻尼单元发生碰撞，将机械能转化为圆形橡胶垫 片7的热能和压电陶瓷片8的电势能，与压电陶瓷片8共同组成电回路的导体 片2有较大的电阻率，可以将电势能转化为热能，从而进行能量耗散。

本发明的碰撞耗能阻尼空心杆，通过改变碰撞耗能阻尼单元的数量，实现 耗能大小的调节；改变各碰撞耗能阻尼单元的间距，可以实现适应不同振幅振 动的调节；同时，由于压电陶瓷片8和导体片2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。

本发明的碰撞耗能阻尼空心杆，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，本阻尼空心杆的碰撞耗能单元数量和拉压 弹簧的刚度应根据结构的振动强度合理取值；第二，碰撞体6的外径要大于压 电陶瓷片8的外径，以实现充分有效碰撞；第三，压电陶瓷片8与导体片2粘 结要牢固，铜线11与压电陶瓷片8和导体片2的连接要牢固，保证电回路平稳 运行；第四，圆形橡胶垫片7要包裹住压电陶瓷片8，充分保护压电陶片8受到 冲击时不至于发生破坏；第五，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 (1)

1.一种基于压电耗能的碰撞减振杆，其特征在于，该减振杆包括碰撞耗能阻尼单元、空心杆(1)、内端板(3)、拉压弹簧(5)、碰撞体(6)和导杆(9)；

所述的空心杆(1)为内部设有多个等间距、具有通孔圆片结构的等直径空心圆杆，空心杆(1)的两端设置一体结构的内端板(3)，空心杆(1)与两内端板(3)之间构成空腔，在空腔内设置多个碰撞耗能阻尼单元；

所述的内端板(3)的外侧面设置井字型加劲肋(10)，内端板(3)的中心设有通孔，导杆(9)穿过内端板(3)和圆片的通孔，并在其中滑动；所述的导杆(9)两端的外壁四周开有滚珠凹槽，所述的内端板(3)的通孔内环壁上开有与导杆(9)上的滚珠凹槽配合的滚珠凹槽，滚珠(4)嵌在滚珠凹槽内，与滚珠凹槽共同完成对导杆(9)的位移导向，使导杆(9)在通孔内滑动；

所述的碰撞耗能阻尼单元，包括导体片(2)、圆形橡胶垫片(7)和压电陶瓷片(8)；

所述的导体片(2)由具有高电阻率的金属材料制成，中心开有通孔，通孔直径大于导杆(9)的直径；多个导体片(2)穿过导杆(9)并固定在圆片上，导体片(2)与空心杆(1)的内壁垂直；

所述的压电陶瓷片(8)，中心开有通孔，通孔直径大于导杆(9)的圆孔直径，粘结在导体片(2)的两侧，压电陶瓷片(8)用导线与导体片(2)连接；当压电陶瓷片(8)受到压力作用时，在其两个端面产生电压差，形成电回路；

所述的圆形橡胶垫片(7)，中心开有通孔，通孔直径大于导杆(9)的圆孔直径，粘结于压电陶瓷片(8)的表面，压电陶瓷片(8)被圆形橡胶垫片(7)包裹，在碰撞过程中以保护压电陶瓷片(8)；

所述的导杆(9)依次穿过多个碰撞耗能阻尼单元中心的通孔，碰撞耗能阻尼单元中心的通孔直径大于导杆(9)的直径，导杆(9)无摩擦的往复运动；

所述的碰撞体(6)，位于相邻两个碰撞耗能阻尼单元之间，等间距的固接于导杆(9)上，两端的碰撞耗能阻尼单元外侧也设有碰撞体(6)；空心杆(1)振动时，碰撞体(6)与碰撞耗能阻尼单元相接触；

所述的拉压弹簧(5)，套在导杆(9)的两端，限位于内端板(3)的内侧和碰撞体(6)之间，拉压弹簧(5)一端连接在内端板(3)上，另一端连接在相邻的碰撞体(6)上。