CN109138567B - 双调谐型惯容系统 - 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双调谐型惯容系统，包括一级碰撞摩擦型调谐质量单元、二级调谐质量单元、液体惯容阻尼单元以及安装单元。本发明建立了双重减振调谐机制来调整系统频率并进行减振控制，提高了该减振系统有效减振控制的频带宽度。利用双级调谐质量单元和液体惯容单元来储存能量；利用碰撞摩擦块非线性碰撞和液体惯容阻尼耗散结构振动能量。基于液体惯容单元质量增效作用，显著地降低了一级碰撞摩擦型调谐质量单元所需附加的质量，提供了一种轻量化调谐型减振装置。此外，惯容单元有效控制了一级碰撞摩擦型调谐质量单元整体的变形，节省了装置安装空间，提高了碰撞摩擦块阻尼内部阻尼耗能的效率，具有广泛应用前景。

Description

双调谐型惯容系统

技术领域

本发明属于土木工程结构耗能减振技术领域，尤其涉及一种双调谐型惯容系统。

背景技术

消能减振技术，通过在结构会发生相对运动的部位增设消能减振装置，该装置可以在结构受强迫作用时产生抵抗结构运动的控制力来共同承担地震和风振等作用，利用其自身的耗能作用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。

本领域碰撞摩擦块阻尼器作为一种比较成熟的非线性消能减振装置，通过碰撞摩擦块之间的非线性行为，比如运动、碰撞和摩擦来吸收和耗散受控结构的振动能量。在地震等强烈外部作用的初期，结构动力响应水平较小，此类减振装置由于碰撞摩擦块间隙等原因不能有效迅速地耗散结构振动能量。为了满足结构更高的性能要求，碰撞摩擦块型阻尼器需要附加碰撞摩擦块质量较大，不便于安装更可能带来结构在地震等强烈作用下的安全问题。此外，现有的调谐型碰撞摩擦块阻尼器主要针对结构低阶响应进行控制，控制频带较窄，调谐机制单一。

发明内容

本发明目的在于，提供一种双调谐型惯容系统，该惯容系统采用碰撞摩擦块阻尼单元和液体阻尼单元耗散能量，附加设计一套液体型惯容机构和调谐质量单元，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：

一种双调谐型惯容系统，包括一级碰撞摩擦型调谐质量单元、二级调谐质量单元、液体惯容阻尼单元以及安装单元。

其中，液体惯容阻尼单元包括一级液体惯容阻尼单元和二级液体惯容阻尼单元。一级液体惯容阻尼单元的一端与安装单元固定连接，其另一端与一级碰撞摩擦型调谐质量单元连接；二级液体惯容阻尼单元的一端与安装单元固定连接，其另一端与二级调谐质量单元连接；同时，一级液体惯容阻尼单元的阻尼液体与二级液体惯容阻尼单元的阻尼液体之间通过连接油管连通。进一步，一级碰撞摩擦型调谐质量单元、二级调谐质量单元均滑动设置在安装单元上，且一级碰撞摩擦型调谐质量单元、二级调谐质量单元中均设置有调谐弹簧。

具体的，安装单元包括安装底座和反力板，反力板垂直设置在安装底座上，同时安装底座上设置有两条相互平行并与反力板垂直的的滑轨槽。

液体惯容阻尼单元包括一级液体惯容单元、二级惯容单元以及连接油管。其中，一级液体惯容单元包含大油缸、第一活塞、第一活塞杆；第一活塞与第一活塞杆固定连接，第一活塞杆穿过大油缸并与大油缸的轴线重合，第一活塞内置于大油缸内部并可沿着第一活塞杆轴线方向做往复运动。二级液体惯容单元包含小油缸、第二活塞、第二活塞杆；第二活塞与第二活塞杆固定连接，第二活塞杆穿过小油缸并与小油缸的轴线重合，第二活塞内置于大油缸内部并可沿着第二活塞杆轴线方向做往复运动。大油缸和小油缸内部充满阻尼液体，两油缸之间通过若干连接油管连接，阻尼液体可以在连接油管内流动。

一级碰撞摩擦型调谐质量单元包括若干阻尼碰撞摩擦块、缓冲材料、碰撞摩擦块阻尼容器和一级调谐弹簧。碰撞摩擦型调谐质量单元碰撞摩擦块阻尼容器为任一便于安装的封闭容器，其内部设置若干圆形阻尼碰撞摩擦块。作为一种优选的实施方式，所述阻尼碰撞摩擦块的外壳为金属材料，其内部包含一个直径更小的圆形碰撞摩擦块,两个碰撞摩擦块球之间填充黏滞液体。碰撞摩擦块阻尼容器的内侧壁上粘贴有缓冲材料。一级调谐弹簧的两端分别与碰撞摩擦块阻尼容器及反力板连接。同时，一级液体惯容单元的两端也分别与碰撞摩擦块阻尼容器及反力板连接，其中一级液体惯容单元的第一活塞杆与碰撞摩擦块阻尼容器连接，一级液体惯容单元的大油缸与反力板连接。

二级调谐质量单元包括调谐质量块、二级调谐弹簧。调谐质量块为具有一定质量的块体。二级调谐弹簧的两端分别与调谐质量块及反力板连接。同时，二级液体惯容单元的两端也分别与调谐质量块及反力板连接，其中二级液体惯容单元的第二活塞杆与调谐质量块连接，二级液体惯容单元的小油缸与反力板连接。通过调谐质量块与二级液体惯容单元之间的连接，使液体惯容单元整体的物理质量被显著地放大为表观质量，其放大比例与调谐质量块的物理质量、大油缸的内径、小油缸的内径有关。

调谐质量块底部和碰撞摩擦块阻尼容器底部均设置导向滑轨，导向滑轨与安装底座预先设定的滑轨槽光滑接触，使一级碰撞摩擦型调谐质量单元的碰撞摩擦块阻尼容器和调谐质量块可以在安装底座上沿着预设的滑轨槽方向往复滑动。安装单元的安装底座以及反力板通过螺栓与受控结构构件固定连接。

根据结构减振设计的目标需求和预计的表观质量放大效果、阻尼增效效果，可以灵活地设计和调整一级液体惯容单元和二级液体惯容单元油缸的几何尺寸、阻尼液体的类型。

本发明与现有技术相比，具有以下优点与有益效果：

1.本发明建立了双重的减振调谐机制，包括一级碰撞摩擦型调谐质量单元、二级调谐质量单元，通过调谐弹簧来调整系统频率并进行减振控制。利用这种双调谐的机制，提高了该减振系统有效减振控制的频带宽度，提高了装置整体的吸能效果。

2.本发明建立了多重的能量吸收和耗散机制。包括利用双级的质量调谐单元中调谐质量的运动和调谐弹簧的变形来吸收储存能量，利用液体惯容单元中液体运动形式储存能量；利用碰撞摩擦块非线性碰撞来耗散能量，利用液体惯容阻尼液体的流动来耗散结构振动能量。

2.本发明充分利用液体惯容单元质量增效的作用，将二级调谐单元的调谐质量与液体惯容机制有效地结合在一起，使用惯容的吸能作用部分代替传统的调谐质量块，可以显著地降低一级碰撞摩擦型调谐质量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，有效地控制一级碰撞摩擦型调谐质量单元整体的变形，节省了装置所需要的安装空间。同时，由于惯容单元传递的加速度相关的作用力，进一步激起了一级碰撞摩擦型调谐质量单元内部碰撞摩擦块有效碰撞，提高了碰撞摩擦块阻尼内部阻尼耗能的效率。

4.本发明装置设置方便灵活，能够有效吸收并耗散振动能量，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双调谐型惯容系统的结构示意图。

图中标号：

阻尼碰撞摩擦块1、碰撞摩擦块阻尼容器2、一级调谐弹簧3、第一活塞杆4、大油缸5、第一活塞6、第二活塞杆7、连接油管8、小油缸9、第二活塞10、阻尼液体11、二级调谐弹簧12、调谐质量块13、滑轨槽14、安装底座15、反力板16、螺栓17、缓冲材料18。

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，一种双调谐型惯容系统，包括安装单元、液体惯容阻尼单元、一级碰撞摩擦型调谐质量单元和二级调谐质量单元。

安装单元包括安装底座15和反力板16，反力板16垂直设置在安装底座15上，同时安装底座15上设置有两条相互平行并与反力板16垂直的的滑轨槽14。

液体惯容阻尼单元包括一级液体惯容单元、二级惯容单元以及连接油管8。其中，一级液体惯容单元包含大油缸5、第一活塞6、第一活塞杆4；第一活塞6与第一活塞杆4固定连接，第一活塞杆4穿过大油缸5并与大油缸5的轴线重合，第一活塞6内置于大油缸5内部并可沿着第一活塞杆4轴线方向做往复运动。二级液体惯容单元包含小油缸9、第二活塞10、第二活塞杆7；第二活塞10与第二活塞杆7固定连接，第二活塞杆7穿过小油缸9并与小油缸9的轴线重合，第二活塞10内置于大油缸9内部并可沿着第二活塞杆7轴线方向做往复运动。大油缸5和小油缸9内部充满阻尼液体11，两油缸之间通过若干连接油管8连接，阻尼液体11可以在连接油管8内流动。

一级碰撞摩擦型调谐质量单元包括若干阻尼碰撞摩擦块1、缓冲材料18、碰撞摩擦块阻尼容器2和一级调谐弹簧3。碰撞摩擦型调谐质量单元的碰撞摩擦块阻尼容器2为任一便于安装的封闭容器，其内部设置若干圆形阻尼碰撞摩擦块1。作为一种优选的实施方式，所述阻尼碰撞摩擦块1的外壳为金属材料，其内部包含一个直径更小的圆形碰撞摩擦块,两个碰撞摩擦块球之间填充黏滞液体。碰撞摩擦块阻尼容器2的内侧壁上粘贴有缓冲材料18。一级调谐弹簧3的两端分别与碰撞摩擦块阻尼容器2及反力板16连接。同时，一级液体惯容单元的两端也分别与碰撞摩擦块阻尼容器2及反力板16连接，其中一级液体惯容单元的第一活塞杆4与碰撞摩擦块阻尼容器2连接，一级液体惯容单元的大油缸5与反力板16连接。

二级调谐质量单元包括调谐质量块13、二级调谐弹簧12。调谐质量块13为具有一定质量的块体。二级调谐弹簧12的两端分别与调谐质量块13及反力板16连接。同时，二级液体惯容单元的两端也分别与调谐质量块13及反力板16连接，其中二级液体惯容单元的第二活塞杆7与调谐质量块13连接，二级液体惯容单元的小油缸9与反力板16连接。通过调谐质量块13与二级液体惯容单元之间的连接，使液体惯容单元整体的物理质量被显著地放大为表观质量，其放大比例与调谐质量块13的物理质量、大油缸5的内径、小油缸10的内径有关。

调谐质量块13底部和碰撞摩擦块阻尼容器2底部均设置导向滑轨，导向滑轨与安装底座15预先设定的滑轨槽14光滑接触，使一级碰撞摩擦型调谐质量单元的碰撞摩擦块阻尼容器2和调谐质量块13可以在安装底座15上沿着预设的滑轨槽14方向往复滑动。安装单元的安装底座15以及反力板16通过螺栓17与受控结构构件固定连接。

根据结构减振设计的目标需求和预计的表观质量放大效果、阻尼增效效果，可以灵活地设计和调整一级液体惯容单元和二级液体惯容单元油缸的几何尺寸、阻尼液体11的类型。

综上，本发明建立了双重的减振调谐机制来调整系统频率并进行减振控制，提高了该减振系统有效减振控制的频带宽度。同时，利用双级调谐质量单元和液体惯容单元来储存能量；利用碰撞摩擦块非线性碰撞和液体惯容阻尼耗散结构振动能量。基于液体惯容单元质量增效作用，显著地降低了一级碰撞摩擦型调谐质量单元所需要附加的质量，提供了一种轻量化调谐型减振装置。此外，惯容单元有效地控制了一级碰撞摩擦型调谐质量单元整体的变形，节省了装置安装空间，提高了碰撞摩擦块阻尼内部阻尼耗能的效率，具有广泛的应用前景。

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)

1.一种双调谐型惯容系统，其特征在于：包括一级碰撞摩擦型调谐质量单元、二级调谐质量单元、安装单元、液体惯容阻尼单元；

所述液体惯容阻尼单元用于双调谐型惯容系统的质量调谐、能量吸收、阻尼耗能增效，其包括通过连接油管连通的一级液体惯容阻尼单元和二级液体惯容阻尼单元；

所述一级液体惯容阻尼单元的一端与安装单元连接，其另一端与一级碰撞摩擦型调谐质量单元连接；所述二级液体惯容阻尼单元的一端与安装单元连接，其另一端与二级调谐质量单元连接；

同时，所述一级碰撞摩擦型调谐质量单元、二级调谐质量单元均滑动设置在安装单元上，且一级碰撞摩擦型调谐质量单元、二级调谐质量单元中均设置有调谐弹簧。

2.如权利要求1所述的一种双调谐型惯容系统，其特征在于：所述安装单元包括安装底座(15)和反力板(16)；所述反力板(16)垂直设置在安装底座(15)上，同时安装底座(15)上还设置有两条相互平行并与反力板(16)垂直的的滑轨槽(14)。

3.如权利要求2所述的一种双调谐型惯容系统，其特征在于：所述一级液体惯容阻尼单元包含大油缸(5)、第一活塞(6)、第一活塞杆(4)；第一活塞(6)与第一活塞杆(4)固定连接，第一活塞杆(4)穿过大油缸(5)的一端并与大油缸(5)的轴线重合，第一活塞(6)内置于大油缸(5)内部并可沿着第一活塞杆(4)轴线方向做往复运动，大油缸(5)的另一端与所述反力板(16)固定连接；

所述二级液体惯容阻尼单元包含小油缸(9)、第二活塞(10)、第二活塞杆(7)；第二活塞(10)与第二活塞杆(7)固定连接，第二活塞杆(7)穿过小油缸(9)的一端并与小油缸(9)的轴线重合，第二活塞(10)内置于大油缸(9)内部并可沿着第二活塞杆(7)轴线方向做往复运动，小油缸(9)的另一端与所述反力板(16)固定连接；

所述大油缸(5)和小油缸(9)内部充满阻尼液体(11)，两油缸之间通过若干连接油管(8)连接，所述阻尼液体(11)在连接油管(8)内流动。

4.如权利要求3所述的一种双调谐型惯容系统，其特征在于，所述一级碰撞摩擦型调谐质量单元包括若干碰撞摩擦块(1)、缓冲材料(18)、碰撞摩擦块阻尼容器(2)和一级调谐弹簧(3)；

所述碰撞摩擦块阻尼容器(2)为封闭容器，其内部设置若干圆形阻尼碰撞摩擦块(1)，其内侧壁上粘贴有缓冲材料(18)，其底部设置有导向滑轨，并通过所述导向滑轨滑动安装在所述安装底座(15)的一条滑轨槽(14)上；

同时，所述碰撞摩擦块阻尼容器(2)的同一侧分别与一级液体惯容阻尼单元的第一活塞杆(4)以及一级调谐弹簧(3)的一端固定连接，一级调谐弹簧(3)的另一端与所述反力板(16)固定连接。

5.如权利要求4所述的一种双调谐型惯容系统，其特征在于：所述碰撞摩擦块(1)的外壳为金属材料，其内部包含一个直径更小的圆形碰撞摩擦块,两个碰撞摩擦块球之间填充黏滞液体。

6.权利要求3所述的一种双调谐型惯容系统，其特征在于：所述二级调谐质量单元包括调谐质量块(13)、二级调谐弹簧(12)；

所述调谐质量块(13)为具有一定质量的块体，其底部设置有导向滑轨，并通过所述导向滑轨滑动安装在所述安装底座(15)的另一条滑轨槽(14)上；

同时，所述调谐质量块(13)的同一侧分别与二级液体惯容阻尼单元的第二活塞杆(7)以及二级调谐弹簧(12)的一端固定连接，二级调谐弹簧(12)的另一端与所述反力板(16)固定连接；

通过调谐质量块(13)与二级液体惯容阻尼单元之间的连接，液体惯容阻尼单元整体的物理质量被显著地放大为表观质量，其放大比例与调谐质量块(13)的物理质量、大油缸(5)的内径、小油缸(9)的内径有关。

7.如权利要求3所述的一种双调谐型惯容系统，其特征在于，根据结构减振设计的目标需求和预计的表观质量放大效果、阻尼增效效果，可灵活地设计和调整一级液体惯容阻尼单元和二级液体惯容阻尼单元的油缸的几何尺寸、阻尼液体(11)的类型。

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