CN109138566B - 使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于土木工程和能源基础设施领域的使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统，包括调谐弹簧单元、惯容单元、碰撞摩擦阻尼单元以及安装单元，其中惯容单元作为吸能、耗能增效机构，其一端与安装单元的侧部连接，其另一端与碰撞摩擦阻尼单元连接，且惯容单元与碰撞摩擦阻尼单元分别通过各自的底部滑动设置在安装单元的底部上，同时调谐弹簧单元的两端分别与安装单元的侧部和碰撞摩擦阻尼单元连接。本发明建立了多重的振动吸收和耗能量散机制，充分利用惯容系统质量增效的作用，有效地减低了碰撞摩擦阻尼单元所需要附加的物理质量，同时还可以有效地控制碰撞摩擦阻尼单元整体的变形，进一步提高碰撞摩擦阻尼内部阻尼耗能的效率。

Description

使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统

技术领域

本发明所属于土木工程结构耗能减振技术领域，尤其涉及一种使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统。

背景技术

消能减振技术，通过在结构上附加消能减振装置，与结构本身共同承担地震和风振等作用，附加减振装置的耗能作用从而减小结构本身的动力响应，保证了结构的安全性、舒适性和正常使用性等功能要求。

本领域碰撞摩擦阻尼器作为一种非线性的消能减振装置，通过碰撞摩擦阻尼单元的非线性行为，比如运动、碰撞和摩擦来吸收和耗散受控结构的振动能量。但此类减振装置往往存在着碰撞摩擦球碰撞噪音大，附加碰撞摩擦球质量大、碰撞摩擦球碰撞不充分和减振装置耗能效率不高等问题。碰撞摩擦球单元整体相对于受控结构的变形如果很大，将会占用更多的建筑室内空间。在地震等强烈外部作用下，碰撞摩擦阻尼器较大的附加质量不仅不能有效地降低结构在地震作用下的动力响应，还存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明目的在于，提供一种使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统，其采用碰撞摩擦阻尼单元耗散结构振动能量，并附加设计一套或者若干套多级惯容吸能增效机构，联合构成一种新型惯容减振系统。

本发明需要保护的技术方案概括为：

一种使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统，该系统包括调谐弹簧单元、安装单元以及碰撞摩擦阻尼单元，同时还设计有惯容单元作为吸能、耗能增效机构。

其中，安装单元包括相互连接的一侧部和一底部，惯容单元的一端与安装单元的侧部连接，其另一端与碰撞摩擦阻尼单元连接，且惯容单元与碰撞摩擦阻尼单元分别通过各自的底部滑动设置在安装单元的底部上，同时调谐弹簧单元的两端分别与安装单元的侧部和碰撞摩擦阻尼单元连接。

具体的，惯容单元包括传动齿轮组、惯容容器、旋转轴、飞轮、传动齿条、惯容弹簧、永磁体。

进一步，惯容容器的一端与碰撞摩擦阻尼单元固定连接，其另一端通过惯容弹簧与安装单元的侧部连接，其底部滑动设置在安装单元的底部上；

进一步，传动齿轮组内置于惯容容器的内部，以实现不同比例的水平位移到旋转运动的放大；传动齿轮组包括若干齿轮，齿轮的轴心均固定穿设有旋转轴，齿轮可与旋转轴做同角速度的旋转运动，旋转轴的两端分别穿过惯容容器的器壁，并通过旋转轴承各与一个飞轮同轴固定连接，传动齿条穿过惯容容器的底部与齿轮的底部啮合；永磁体贴在惯容容器的外侧壁与飞轮相对的一面。

作为举例而非限定，传动齿轮组包括第一主动齿轮，第二主动齿轮，若干被动齿轮。第一主动齿轮与第二主动齿轮同轴，且两者的轴心穿设有一根旋转轴；同时，第一主动齿轮的两侧对称设置有依次啮合连接的若干被动齿轮。传动齿条穿过惯容容器的底部与第一主动齿轮的底部啮合。

具体的，碰撞摩擦阻尼单元包括若干碰撞摩擦球、缓冲材料和碰撞摩擦阻尼容器。

碰撞摩擦阻尼容器为封闭空腔，其内部设置若干圆形阻尼碰撞摩擦球，其腔体内壁粘贴有缓冲材料，其底部滑动设置在安装单元的底部上。

在优选的实施方式中，碰撞摩擦球的外壳为金属材质，其内部包含一个直径更小的圆形金属球,两个金属球之间填充黏滞液体。

作为举例而非限定，安装单元的底部为一安装底座，其侧部为一反力板；反力板垂直设置于安装底座上，同时安装底座上设置有与反力板垂直的滑轨槽，用以滑动安装惯容单元与碰撞摩擦阻尼单元。

本发明可以根据结构减振设计的目标需求和预计的质量放大、阻尼增效效果，可灵活设计传动齿轮组的齿轮数量和几何尺寸，以及飞轮的数量和几何尺寸。

本发明与现有技术相比，具有以下优点与有益效果：

1.本发明建立了多重的振动吸收和耗能量散机制，首先通过碰撞摩擦球单元和调谐弹簧单元的调谐作用将振动能量转移并以调谐弹簧变形能、碰撞摩擦球单元动能以及惯容单元的动能的形式储存起来。其次，通过飞轮在旋转过程中切割磁感线，以及碰撞摩擦阻尼单元碰撞摩擦球内部、碰撞摩擦球与碰撞摩擦球以及碰撞摩擦球与容器之间的摩擦、碰撞来耗散结构振动的能量。

2.本发明充分利用惯容系统质量增效的作用，本发明可以有效地减低碰撞摩擦阻尼单元所需要附加的物理质量，提供了一种轻量化调谐型减振装置。

3.本发明通过惯容单元的设置，有效地控制碰撞摩擦阻尼单元整体的变形，节省了装置所需要的安装空间。通过惯容单元有效的出力，进一步激起了碰撞摩擦阻尼单元内部碰撞摩擦球的非线性碰撞，提高了碰撞摩擦阻尼内部阻尼耗能的效率。

4.本发明惯容单元部件实际安装质量小，对装置部件机械加工要求低，质量增效效果显著且易于调节和分级，能够提供有效的控制力。

5.本发明装置设置方便灵活，能够有效吸收并耗散振动能量，方便高效地解决土木工程结构抗震、抗风和人致激励等问题，具有轻量化，耗能高效和鲁棒性强等特点，有较好的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的传动齿轮组的结构示意图。

图中标号：

碰撞摩擦阻尼容器1、碰撞摩擦球2、调谐弹簧单元3、惯容弹簧4、传动齿轮组5、飞轮6、旋转轴7、惯容容器8、传动齿条9、滑轨槽10、永磁体11、螺栓12、反力板13、缓冲材料14、安装底座15、第一主动齿轮51，被动齿轮52，第二主动齿轮53。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，一种使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统，包括调谐弹簧单元3、安装单元、惯容单元以及碰撞摩擦阻尼单元。

安装单元包括安装底座15和反力板13，反力板13垂直设置于安装底座15上，同时安装底座15上还设置有与反力板13垂直的滑轨槽10。

碰撞摩擦阻尼单元包括若干阻尼碰撞摩擦球2、缓冲材料14和碰撞摩擦阻尼容器1。碰撞摩擦阻尼容器1为任一便于安装的封闭盒子，其内部设置若干圆形阻尼碰撞摩擦球2。作为一种优选的实施方式，所述阻尼碰撞摩擦球2的外壳为金属，其内部包含一个直径更小的圆形金属球，内外两个金属球之间填充黏滞液体。碰撞摩擦阻尼容器1的腔体内壁粘贴有缓冲材料14。同时，碰撞摩擦阻尼单元的碰撞摩擦阻尼容器1还通过调谐弹簧单元3与反力板13连接。在本发明中，所述调谐弹簧单元3可以是一调谐弹簧。

作为该系统的吸能、耗能增效机构，惯容单元包括惯容容器8、传动齿轮组5、传动齿条9、旋转轴7、飞轮6、惯容弹簧4以及永磁体11。

在本发明中，传动齿轮组5内置于惯容容器8内部，其可以实现不同比例的水平位移到旋转运动的放大。作为举例而非限定，如图2所示，传动齿轮组5可以包括第一主动齿轮51，第二主动齿轮53，若干被动齿轮52。其中，传动齿轮组5中第一主动齿轮51与第二主动齿轮53同轴，且两者的轴心穿设有一根旋转轴7；同时，第一主动齿轮51的两侧各与一个被动齿轮52啮合。作为举例而非限定，每个被动齿轮52的外侧还可以各与一个被动齿轮52啮合，由此，第一主动齿轮51两侧可以对称设置有若干被动齿轮52。

进一步，每个被动齿轮52的轴心也均穿设有一根旋转轴7。本发明中，旋转轴7与齿轮的轴心均固定连接，以保证齿轮可以同旋转轴7做同角速度的旋转运动。

进一步，穿设于被动齿轮52轴心的旋转轴7的两端分别通过旋转轴承穿过惯容容器8器壁，并各与一个飞轮6固定连接，且每个飞轮6均与该旋转轴7同轴设置。在优选的实施方式中，飞轮6可以为铁、铜等材质。

进一步，传动齿条9穿过惯容容器8的底部与第一主动齿轮51的底部啮合。

进一步，惯容容器8的一端与碰撞摩擦阻尼单元固定连接，用于直接地传递控制的控制力，其另一端通过惯容弹簧4与反力板13连接。

本发明所述永磁体11为片状，片状永磁体11贴在惯容容器8器壁外侧与飞轮6相对的一面。

进一步，惯容容器8底部和碰撞摩擦阻尼容器1底部均设置有导向滑轨，导向滑轨与安装底座15预先设定的滑轨槽10光滑接触，使得碰撞摩擦阻尼单元和惯容单元可以在安装底座15上并沿着预设的滑轨槽10方向往复滑动。

安装单元的安装底座15以及反力板13通过螺栓12与受控结构构件固定连接。

基于上述的结构设计，受控结构在外部作用下发生振动时，碰撞摩擦阻尼容器1和惯容容器8会沿着预设的滑轨槽10在安装底座15上往复滑动，该运动会进一步带动碰撞摩擦阻尼容器1内部的阻尼碰撞摩擦球2晃动，同时飞轮6绕着旋转轴7高速旋转。

在设计时，根据结构减振设计的目标需求和预计的质量放大、阻尼增效效果，可以灵活地设计传动齿轮组5的齿轮数量和几何尺寸，设置飞轮6的数量和几何尺寸，若干个飞轮6可以有序地分布在惯容容器8两侧。

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 (7)

1.一种使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统，包括调谐弹簧单元(3)、安装单元以及碰撞摩擦阻尼单元，其特征在于：还设计有惯容单元作为吸能、耗能增效机构；

所述安装单元包括相互连接的一侧部和一底部，惯容单元的一端与安装单元的侧部连接，其另一端与碰撞摩擦阻尼单元连接，且惯容单元与碰撞摩擦阻尼单元分别通过各自的底部滑动设置在安装单元的底部上，同时调谐弹簧单元(3)的两端分别与安装单元的侧部和碰撞摩擦阻尼单元连接。

2.如权利要求1所述的一种使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统，其特征在于：所述惯容单元包括传动齿轮组(5)、惯容容器(8)、旋转轴(7)、飞轮(6)、传动齿条(9)、惯容弹簧(4)、永磁体(11)；

所述惯容容器(8)的一端与碰撞摩擦阻尼单元固定连接，其另一端通过惯容弹簧(4)与安装单元的侧部连接，其底部滑动设置在安装单元的底部上；

所述传动齿轮组(5)内置于惯容容器(8)的内部，以实现不同比例的水平位移到旋转运动的放大；所述传动齿轮组(5)包括齿轮，齿轮的轴心均固定穿设有旋转轴(7)，齿轮可与旋转轴(7)做同角速度的旋转运动，旋转轴(7)的两端分别穿过惯容容器(8)的器壁，并通过旋转轴承各与一个飞轮(6)同轴固定连接，传动齿条(9)穿过惯容容器(8)的底部与齿轮的底部啮合；所述永磁体(11)贴在惯容容器(8)的外侧壁与飞轮(6)相对的一面。

3.如权利要求2所述的一种使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统，其特征在于：所述传动齿轮组(5)包括第一主动齿轮(51)，第二主动齿轮(53)，若干被动齿轮(52)；

所述第一主动齿轮(51)与第二主动齿轮(53)同轴，且两者的轴心穿设有一根旋转轴(7)；同时，第一主动齿轮(51)的两侧对称设置有依次啮合连接的若干被动齿轮(52)。

4.如权利要求1所述的一种使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统，其特征在于：所述碰撞摩擦阻尼单元包括若干碰撞摩擦球(2)、缓冲材料(14)和碰撞摩擦阻尼容器(1)；

所述碰撞摩擦阻尼容器(1)为封闭空腔，其内部设置若干圆形阻尼碰撞摩擦球(2)，其腔体内壁粘贴有缓冲材料(14)，其底部滑动设置在安装单元的底部上。

5.如权利要求4所述的一种使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统，其特征在于：所述碰撞摩擦球(2)的外壳为金属材质，其内部包含一个直径更小的圆形金属球,两个金属球之间填充黏滞液体。

6.如权利要求1所述的一种使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统，其特征在于：所述安装单元的底部为一安装底座(15)，其侧部为一反力板(13)；所述反力板(13)垂直设置于安装底座(15)上，同时安装底座(15)上设置有与反力板(13)垂直的滑轨槽(10)，用以滑动安装惯容单元与碰撞摩擦阻尼单元。

7.如权利要求1所述的一种使用碰撞摩擦阻尼耗能的调谐惯容系统，其特征在于：根据结构减振设计的目标需求和预计的质量放大、阻尼增效效果，可灵活设计传动齿轮组(5)的齿轮数量和几何尺寸，以及飞轮(6)的数量和几何尺寸。

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