CN109113203A - 力放大式主动调谐质量阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种力放大式主动调谐质量阻尼器，由驱动装置、齿轮传动装置以及调谐质量装置组成；其中，驱动装置包括驱动器以及由驱动器驱动沿水平向运动的齿条；齿轮传动装置包括受力齿轮、传动齿轮和转动齿轮，受力齿轮与齿条通过齿轮齿条相互配合连接，受力齿轮和传动齿轮通过齿轮轴固定连接，受力齿轮的齿数多于传动齿轮，传动齿轮和转动齿轮传动连接；调谐质量装置包括支架、质量块、弧形承台以及固定在支架上且与支架转动连接的旋转轴，旋转轴与转动齿轮固定连接，质量块固定在旋转轴下方，旋转轴带动质量块沿着弧形承台做圆周运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种力放大式主动调谐质量阻尼器，属于主动减震控制技术领域。
背景技术
在土木工程结构中恰当地安装振动控制系统能够有效地减小结构的动力反应，减轻结构构件的破坏和损伤，从而达到经济、安全与可靠的合理平衡。结构主动控制是利用外部能源，在结构物受激励而振动的过程中，瞬间施加控制力或瞬时改变结构的动力特性，以迅速衰减和控制结构震动反应的一种减震技术。
主动减震控制具有很多优点，并已经在理论研究，试验和应用上取得某些突破，但仍存在一些亟待解决的问题，其中一个主要方面就是要使控制系统的能量输入尽量减少，以满足经济性和实用性的要求。
结构主动控制驱动器通常是液压驱动系统或电机伺服系统，但是直接将能量转变为控制力并施加在结构层间的主动控制系统一般需要很大的能量和多个驱动器，这在实际工程中难以实现。主动斜撑或主动锚索系统控制小型结构就需要数千瓦能源，控制大型结构则需要高达数千千瓦能源。本发明通过同轴齿轮间传动力放大原理设置的一种新型力放大式主动调谐质量阻尼器，使主动控制系统的驱动力输入按比例减小，从而解决驱动力输入过大的问题。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种力放大式主动调谐质量阻尼器，该调谐质量阻尼器依靠同轴齿轮传动力放大原理，解决了现有建筑结构主动调谐质量阻尼器在结构抗震中需要输入过大驱动力的问题；其可根据具体的建筑结构的实际情况调整力的放大比例，减小外部驱动力的输入；在地震作用下，该调谐质量阻尼器能够在小驱动力输入下调谐结构频率并耗散外部的动能(振动能量)，从而保证结构安全。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：
力放大式主动调谐质量阻尼器，由驱动装置、齿轮传动装置以及调谐质量装置组成；其中，驱动装置包括驱动器以及由驱动器驱动沿水平向运动的齿条；齿轮传动装置包括受力齿轮、传动齿轮和转动齿轮，所述受力齿轮与齿条通过齿轮齿条相互配合连接，受力齿轮和传动齿轮通过齿轮轴固定连接，受力齿轮的齿数多于传动齿轮，传动齿轮和转动齿轮传动连接；所述调谐质量装置包括支架、质量块、弧形承台以及固定在支架上且与支架转动连接的旋转轴，旋转轴与转动齿轮固定连接，质量块固定在旋转轴下方，旋转轴带动质量块沿着弧形承台做圆周运动。
本发明的齿轮传动装置采用了同轴大小齿轮之间传动力放大原理，通过大齿轮施加力作用于小齿轮达到力的放大作用，放大比例与两个齿轮之间的半径比例一致，传动齿轮通过与转动齿轮相连接达到传递放大后的驱动力的作用，将放大后的作用力施加于质量块上。
其中，还包括齿轮轴安装承台和驱动器安装承台，齿轮轴通过轴承固定安装在齿轮轴安装承台上，受力齿轮和传动齿轮通过齿轮轴固定在齿轮轴安装承台上，驱动器通过驱动器支座固定在驱动器安装承台上。
其中，所述弧形承台上设有多个呈矩阵式排布的万向滚动球铰。
其中，所述质量块横截面呈扇形，所述质量块的半径与转动齿轮的半径一致。
其中，所述驱动器为液压驱动式驱动器或电机伺服式驱动器，用来提供水平方向的可控推力。
其中，所述旋转轴与支架的接触部、齿轮轴与齿轮轴安装承台的接触部以及质量块与万向滚动球铰的接触面上均涂有润滑剂。
本发明通过同轴之间的两个不同半径的齿轮形成的传动力放大原理，使驱动器在输出主动控制力控制质量块的运动时输出的力按比例变小，改善原主动控制调谐质量阻尼器驱动器输出力大，能源需求大的问题，实现在小能源输入情况下驱动大质量块运动的功能。
本发明能够实现减小驱动力的输入，其原理如下：驱动器将水平作用力通过直齿条传递到受力齿轮，受力齿轮与传动齿轮固定在齿轮轴上，因此受力齿轮与传动齿轮上产生的扭矩相同，扭矩传递到传动齿轮后传动齿轮边缘的力被放大，同杠杆原理类似，两个齿轮边缘力的比值同力臂的比值相同，两个力臂即为两个齿轮的半径。传动齿轮与转动齿轮之间仅产生力的传递作用，将力传递给质量块从而驱动质量块运动。结构在地震作用下产生振动后通过主动控制系统计算出需要实时施加在调谐质量阻尼系统中质量块上的主动控制力的大小，此时驱动器施加按比例缩小的该主动控制力的值，使质量块达到计算后所需的运动。
本发明通过同轴之间的两个不同半径的齿轮形成的力放大原理，使驱动器在输出主动控制力控制质量块的运动时输出的力按比例变小，改善原主动控制调谐质量阻尼器驱动器输出力大，能源需求大的问题，实现在小能源输入情况下驱动大质量块运动的功能。此外质量块选用弧形质量块一方面使控制更加方便，易于调节振动周期，另一方面弧形轨道设计使质量块可以利用重力的分力产生质量块运动的恢复力，通过合理的设计弧面曲率半径，可以省去主动调谐质量阻尼器系统中的弹簧部件。
有益效果：本发明采用了较为灵活的齿轮配置方式，可以根据具体的建筑结构的实际情况适当的选择传动齿轮和受力齿轮的半径大小，从而使驱动器出力设计到很小的值，减小外部驱动力的输入，通过小驱动力输入达到控制质量块运动的目的，有效提高了能源的利用效率；另外，本发明结构简单，具有良好的减震耗能性能。
附图说明
图1为本发明主动调谐质量阻尼器的结构示意图；
图2为本发明主动调谐质量阻尼器的左视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步说明。
如图1～2所示，本发明力放大式主动调谐质量阻尼器，由驱动装置2、齿轮传动装置1以及调谐质量装置3组成；其中，驱动装置2包括驱动器11以及由驱动器11驱动沿水平向运动的齿条12，驱动装置2还包括驱动器安装承台9，驱动器11通过驱动器支座10固定在驱动器安装承台9上；齿轮传动装置1包括受力齿轮6、传动齿轮5和转动齿轮4，齿轮传动装置1还包括齿轮轴安装承台8，受力齿轮6与齿条12通过齿轮齿条相互配合连接，受力齿轮6和传动齿轮5通过齿轮轴7固定连接，齿轮轴7通过轴承固定安装在齿轮轴安装承台8上，受力齿轮6和传动齿轮5通过齿轮轴7固定在齿轮轴安装承台8上，传动齿轮5和转动齿轮4传动连接；调谐质量装置3包括支架15、质量块16、弧形承台13以及固定在支架15上且与支架15转动连接的旋转轴17，旋转轴17端部与转动齿轮4的圆心处固定连接，质量块16固定在旋转轴17下方，旋转轴17带动质量块16沿着弧形承台13做圆周运动；弧形承台13上设有多个呈矩阵式排布的万向滚动球铰14。
旋转轴17与质量块16和转动齿轮4均为刚性连接，无相对位移，用来保证质量块16能够沿旋转轴17往复运动。质量块16为弧形质量块，质量块16的横截面呈扇形，质量块16的半径与转动齿轮4的半径一致；质量块16与弧形承台13之间通过涂有润滑剂的万向滚动球铰14相接触，使质量块16可以在平面内做自由往复运动，旋转轴17嵌入在涂有润滑剂的支架15内自由转动。
齿轮轴7与传动齿轮5和受力齿轮6之间均为刚性连接，保证扭矩的传递，齿轮轴7嵌入涂有润滑剂的齿轮轴安装承台8上内自由转动。转动齿轮4、传动齿轮5、受力齿轮6以及齿条12所选模数、标称轴直径(由支架12和齿轮轴安装承台8上安装的旋转轴17和齿轮轴7所需开口大小决定)、压力角、面宽等均相同。转动齿轮4半径与弧形质量块16的半径相同。传动齿轮5与受力齿轮6的齿数按照设计需要放大的力的倍数成比例设置，需要放大的力的倍数等于受力齿轮6半径与传动齿轮5半径的比值。
齿轮轴安装承台8需通过计算所得到的驱动力大小，计算所承受的最大扭矩大小来确定齿轮轴安装承台8的截面尺寸。驱动器安装承台9需要通过实际计算得到的最大驱动力来确定驱动器安装承台9的横截面尺寸；调谐质量装置3的设计按没有主动控制驱动器的被动调谐质量阻尼器系统设计，满足被动调谐质量阻尼器系统的最优频率比和最优阻尼比的关系；支架15通过计算质量块16旋转对支架15产生的反力大小确定支架15的截面尺寸。
本发明首先根据实际建筑结构的平面尺寸、基本周期、质量、刚度等选取最优的调谐质量及阻尼比；然后根据所能提供的驱动器11最大出力及最大行程确定驱动器11选型、驱动器安装承台9的截面尺寸、受力齿轮6与传动齿轮5的齿数比，并通过最大驱动力计算各齿轮需要的最大强度，选取齿轮及齿条所用材料。当建筑结构产生振动时，主动控制系统计算所需施加在质量块16上的实时控制力大小，驱动器11通过施加给齿条12按设计比例缩小的驱动力来达到驱动质量块16运动的目的。由此看出，本发明力放大式主动调谐质量阻尼器利用同轴齿轮传动力放大原理，减小了驱动器驱动质量块的驱动力，解决了现有主动调谐质量阻尼器中驱动器驱动质量块的驱动力输入过大问题。本发明主动调谐质量阻尼器具有结果简单、布置灵活、可根据需求调整力的放大比例。在地震作用下，阻尼器整体具有在小驱动力输入下调谐结构频率并耗散外部动能的功能，从而保证建筑结构安全。
Claims (6)
1.力放大式主动调谐质量阻尼器，其特征在于：由驱动装置、齿轮传动装置以及调谐质量装置组成；其中，驱动装置包括驱动器以及由驱动器驱动沿水平向运动的齿条；齿轮传动装置包括受力齿轮、传动齿轮和转动齿轮，所述受力齿轮与齿条通过齿轮齿条相互配合连接，受力齿轮和传动齿轮通过齿轮轴固定连接，受力齿轮的齿数多于传动齿轮，传动齿轮和转动齿轮传动连接；所述调谐质量装置包括支架、质量块、弧形承台以及固定在支架上且与支架转动连接的旋转轴，旋转轴与转动齿轮固定连接，质量块固定在旋转轴下方，旋转轴带动质量块沿着弧形承台做圆周运动。
2.根据权利要求1所述的力放大式主动调谐质量阻尼器，其特征在于：还包括齿轮轴安装承台和驱动器安装承台，齿轮轴通过轴承固定安装在齿轮轴安装承台上，受力齿轮和传动齿轮通过齿轮轴固定在齿轮轴安装承台上，驱动器通过驱动器支座固定在驱动器安装承台上。
3.根据权利要求1所述的力放大式主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述弧形承台上设有多个呈矩阵式排布的万向滚动球铰。
4.根据权利要求1所述的力放大式主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述质量块的横截面呈扇形，所述质量块的半径与转动齿轮的半径一致。
5.根据权利要求1所述的力放大式主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述驱动器为液压驱动式驱动器或电机伺服式驱动器。
6.根据权利要求3所述的力放大式主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述旋转轴与支架的接触部、齿轮轴与齿轮轴安装承台的接触部以及质量块与万向滚动球铰的接触面上均涂有润滑剂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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