CN109139765A - 并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置、设计及装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构振动控制技术领域，特别涉及一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置、设计及装配方法，该装置包括弹簧单元、阻尼单元和惯质单元，阻尼单元通过连接件与弹簧单元并联，进而与惯质单元串联形成一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振构型。本发明采用两套滚珠丝杠传动系统实现了并联阻尼和弹簧单元的三元减振构型，能够对惯性力起到调谐作用，通过改变飞轮的尺寸可以实现惯性力的连续调节，能够充分发挥惯质单元的吸能能力。此外，本装置采用装配式技术，具有易调节、耐久性好、耗能能力高等优点。

Description

并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置、设计及装配方法

技术领域

本发明属于结构振动控制技术领域，特别涉及一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置、设计及装配方法。

背景技术

近些年，结构负刚度振动控制理论，以及并联“负刚度弹簧单元”的被动、自适应阻尼器研发为提升结构振动控制效果提供了新的理论方法与技术手段；具有质量放大效应的“Inerter”(两节点惯性质量单元，简称“惯质单元”)为阻尼器研发提供了新的基本单元，阻尼器构型得到了进一步丰富，最终形成了基于“阻尼单元-弹簧单元-惯质单元”的结构三元被动减振理论雏形。研究表明，与传统的“阻尼单元”一元减振、以“阻尼单元-弹簧单元”、“阻尼单元-惯质单元”为代表的二元减振相比，三元被动减振有望进一步提升结构振动控制效果。

目前，二元减振装置的研发多于三元被动减振装置，两种装置多将阻尼单元和惯质单元与滚珠丝杠系统相融合，从而实现惯性质量和等效阻尼系数的双重放大，增强阻尼器的耗能能力。各单元的主要实现方式具体如下：阻尼单元采用粘滞材料或电磁阻尼技术；弹簧单元采用弹簧或磁致刚度；惯质单元采用惯性飞轮。根据磁场源的不同，电磁阻尼器可分为电励磁式、永磁式、混合励磁式；根据导体构成形式，电磁阻尼器可分为电机阻尼器和电涡流阻尼器，其中电涡流阻尼器又可分为直线平板式、轴向相对运动式和轴向旋转式等。弹簧的实现方式主要分为对称预压弹簧(负刚度)或传统拉压弹簧(正刚度)，磁致刚度可采用永磁体或电磁体形成正负刚度。

与传统的粘滞阻尼器相比，利用电磁感应耗能的电磁阻尼器具有无接触、低摩擦、无污染等优点，其中电涡流阻尼器已广泛应用于车辆悬架、汽车制动机械、航空航天等领域，在土木工程领域的成熟应用主要是为调谐质量阻尼器提供阻尼单元，且多采用直线平板型。目前，将电涡流阻尼技术和滚珠丝杠系统相融合形成旋转式电涡流阻尼技术，能够显著提升电涡流阻尼耗能效率，实现大吨位的电涡流阻尼器设计。此外研究表明，与传统拉压弹簧(正刚度)和磁致正刚度相比，对称预压弹簧(负刚度)和磁致负刚度均可以放大阻尼器位移增强耗能能力。

根据相关文献和专利查阅，部分学者已对并联阻尼和弹簧单元的三元减振构型进行了相关研究：1)Wen(Design and Evaluation of Tuned Inerter-Based Dampers forthe Seismic Control of MDOF Structures)采用H2梯度法获得了TID应用于多自由度结构系统减振的最优参数优化；2)Lazar(Using An Inerter-based Device for StructuralVibration Suppression)提出了一种并联阻尼和弹簧单元的的被动振动控制系统来减小土木工程结构在基础激励下的振动；3)；Giaralis和Taflanidis(Optimal Tuned Mass-damper-inerter(TMDI)Design for Seismically Excited MDOF Structures with ModelUncertainties Based on Reliability Criteria)采用可靠度方法对TMDI和TID进行了参数优化；但以上学者均未提出并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置技术与实物。由此可知，目前对并联阻尼和弹簧单元的的三元减振装置的研究主要集中于理论及仿真。此构型能够对惯性力起到调谐作用，充分发挥惯质单元的吸能能力，其三元减振装置实物图、实用技术、设计及装配方法需要进一步解决，将其推广应用于结构振动控制。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置、设计及装配方法，融合旋转式电涡流阻尼、惯性飞轮和电磁体磁致刚度技术，采用两套滚珠丝杠系统实现了阻尼单元和弹簧单元并联，进而与惯质单元串联的构型，该装置能够对惯性力起到调谐作用，通过改变飞轮的尺寸可以实现惯性力的连续调节，能够充分发挥惯质单元的吸能能力。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置，包括弹簧单元、阻尼单元和惯质单元，所述阻尼单元和弹簧单元并联后与惯质单元串联；所述惯质单元包括第一滚珠丝杠系统和飞轮，所述第一滚珠丝杠系统包括第一滚珠丝杆和套装在第一滚珠丝杆上的第一滚珠螺母，所述第一滚珠丝杆从上至下顺序穿过第一滚珠螺母和飞轮；所述阻尼单元包括第二滚珠丝杠系统、多块导体板、两块E型铁芯和多组第一通电线圈，所述第二滚珠丝杠系统包括第二滚珠丝杆和套装在第二滚珠丝杆上的第二滚珠螺母，所述第二滚珠丝杆从上至下顺序穿过导体板和第二滚珠螺母；所述弹簧单元包括运动电磁体、固定电磁体、直线轴承和直线导轨，所述直线导轨穿过运动电磁体、固定电磁体和直线轴承。

进一步地，所述阻尼单元还包括第一外筒、第三圆板和第四圆板，所述第四圆板固定在第一外筒内壁的中间，所述第三圆板固定在第一外筒内壁的下端，所述第三圆板和第四圆板的中心分别嵌入第三推力轴承和第四推力轴承，所述第三推力轴承和第四推力轴承均套装在第二滚珠丝杆上。

进一步地，所述两块E型铁芯对称固定在第一外筒的内壁，且与每块导体板之间留有间隙；每块E型铁芯缠绕多组第一通电线圈，相邻第一通电线圈的电流方向相反，磁极相反，所述第一通电线圈的中轴线垂直于第二滚珠丝杆。

进一步地，所述第二滚珠丝杆从下至上顺序穿过第二滚珠螺母、第三推力轴承、导体板和第四推力轴承，所述第二滚珠螺母的下端与第二连接件固定连接，所述第二连接件为中空圆柱体。

进一步地，所述惯质单元还包括第一圆板和第二圆板，所述第一圆板固定在第一外筒内壁的上端，所述第二圆板固定在第一圆板与第四圆板之间；所述第一圆板和第二圆板的中心分别嵌入第一推力轴承和第二推力轴承，所述第一推力轴承和第二推力轴承均套装在第一滚珠丝杆上，所述第一滚珠丝杆从上至下顺序穿过第一滚珠螺母、第一推力轴承、飞轮和第二推力轴承；所述第一滚珠螺母与第一连接件的下端固定连接，所述第一连接件为中空圆柱体，所述第一连接件的上端设有上连接端。

进一步地，所述弹簧单元还包括第二外筒，所述第二外筒的上端与第三圆板固定连接；所述直线轴承包括第一直线轴承和第二直线轴承，所述固定电磁体包括第一固定电磁体和第二固定电磁体，所述第一直线轴承、第二直线轴承、第一固定电磁体和第二固定电磁体均固定在第二外筒的内壁，且第一固定电磁体、第二固定电磁体的中心孔与直线导轨之间留有间隙；所述直线导轨从上至下顺序穿过第二直线轴承、第二固定电磁体、运动电磁体、第一固定电磁体和第一直线轴承；所述直线导轨的上端与第二连接件固定连接，下端设有下连接端；所述第二滚珠螺母和第二连接件均设置在第二外筒的内部。

进一步地，所述运动电磁体、第一固定电磁体和第二固定电磁体的内部均缠绕第二通电线圈；所述第一固定电磁体和第二固定电磁体的第二通电线圈的电流方向相同，磁极相同，同时运动电磁体两端磁极分别与相邻固定电磁体的磁极相反。

进一步地，所述第一滚珠丝杆、第二滚珠丝杆和直线导轨的中轴线位于同一直线，所述第一滚珠丝杆与第二滚珠丝杆之间留有间隙。

本发明还提供了一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的设计方法，包含以下设计步骤：

步骤1，根据实际工程参数和阻尼器参数优化结果确定并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置所需的惯性质量m_a和频率f；

步骤2，根据步骤1计算结果确定滚珠丝杠系统的型号和参数，参数包括滚珠丝杆直径、导程和逆传动效率；

步骤3，阻尼单元设计：确定合适的E型铁芯尺寸大小、第一通电线圈直径和缠绕匝数，以及导体板的尺寸大小；然后根据公式和c＝σδsB_z ²计算得到主磁感应强度B_z，采用COMSOL Multiphysics软件仿真计算，获得合适的输入电流强度；其中，C_e和C分别表示阻尼器的等效阻尼系数和阻尼系数，σ表示导体板的电导率，δ表示导体板厚度，s表示E型铁芯在导体板表面的平面投影面积，B_z表示导体板处的主磁感应强度，L_d与η分别表示第二滚珠丝杆的导程与第二滚珠丝杠系统的逆传动效率；

步骤4，惯质单元设计：根据公式获得飞轮的转动惯量J_w，进而计算得到飞轮尺寸大小，其中m_a表示飞轮的惯性质量，L_d'与η'分别表示第一滚珠丝杆的导程与第一滚珠丝杠系统的逆传动效率，J_w表示飞轮的转动惯量；

步骤5，弹簧单元设计：根据工程实际确定阻尼器频率，根据公式计算阻尼器刚度设计值，其中，f表示阻尼器频率，k表示阻尼器刚度设计值，m_a表示飞轮的惯性质量，然后确定合适的固定电磁体和运动电磁体型号和参数，通过逐步调整电磁体第二通电线圈中的电流强度、方向以及固定电磁体之间的距离达到目标刚度设计值；

步骤6，根据阻尼单元、惯质单元和弹簧单元的设计参数，确定三元减振装置外筒、推力轴承和圆板的设计参数。

本发明还提供了一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的装配方法，包含以下步骤：

步骤A，将第一滚珠螺母和第二滚珠螺母分别套装在第一滚珠丝杆和第二滚珠丝杆的螺纹区域；

步骤B，第一推力轴承、第二推力轴承、第三推力轴承和第四推力轴承分别嵌入第一圆板、第二圆板、第三圆板和第四圆板的中心孔内；

步骤C，将第一推力轴承、飞轮和第二推力轴承从上至下顺序套装在第一滚珠丝杆的光圆区域；将第四推力轴承、导体板和第三推力轴承从上至下顺序套装在第二滚珠丝杆的光圆区域；

步骤D，在E型铁芯上缠绕第一通电线圈，将E型铁芯的侧面通过螺栓固定在第三圆板和第四圆板的内侧；

步骤E，将步骤C和D装配构件嵌入第一外筒的内部，并将E型铁芯固定在第一外筒的内壁，第一圆板、第二圆板、第三圆板和第四圆板通过螺栓与第一外筒的内壁固定连接；

步骤F，在直线导轨的中部套装运动电磁体，直线导轨从上至下顺序套装第二直线轴承、第二固定电磁体、运动电磁体、第一固定电磁体和第一直线轴承；

步骤G，第二连接件的两端分别连接第二滚珠螺母和直线导轨；

步骤H，将步骤G装配构件嵌入第二外筒的内部，并将第一直线轴承、第二直线轴承、第一固定电磁体和第二固定电磁体固定在第二外筒的内壁；

步骤I，通过螺栓将第三圆板和第二外筒装配为一体，第一连接件和第一滚珠螺母连接为整体。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置融合旋转式电涡流阻尼、惯性飞轮和电磁体磁致刚度技术，采用两套滚珠丝杠系统实现了阻尼单元与弹簧单元并联，进而与惯质单元串联的构型，同时能够对惯性力起到调谐作用，通过改变飞轮的尺寸可以实现惯性力的连续调节，能够充分发挥惯质单元的吸能能力。

2、阻尼单元采用滚珠丝杠系统和旋转式电涡流阻尼技术，显著提高了电涡流阻尼系数，克服了传统粘滞、粘弹性阻尼器易漏油、耐久性差的不足。同时，阻尼单元磁场源采用E型铁芯和第一通电线圈，通过调节第一通电线圈中的电流强度和输入特性，可以简便快速的调节电涡流阻尼力幅值，以及实现电涡流阻尼力非线性特征。

3、与传统拉压弹簧正刚度相比，弹簧单元采用电磁体可形成磁致正负刚度，通过调节电磁体第二通电线圈中的电流强度、方向和固定电磁体之间的初始净间距实现弹性力幅值调节、正负刚度特性和位移非线性。

4、本发明的并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置，构造简单、结构紧凑、易于拆装，能够实现小中大吨位阻尼器设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的正视结构示意图；

图2是本发明实施例的一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的等轴侧图；

图3是本发明实施例的一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的侧视结构示意图；

图4是本发明实施例的一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的后视结构示意图；

图5是本发明实施例的一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的俯视结构示意图；

图6是本发明实施例的一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的仰视结构示意图；

图7是图1中A-A剖视图；

图8是图1中B-B剖视图。

图中序号所代表的含义为：1.上连接端，2.第一滚珠螺母，3.第一圆板，4.第一外筒，5.第四圆板，6.第一通电线圈，7.第三圆板，8.第二外筒，9.第二连接件，10.第二直线轴承，11.运动电磁体，12.第一直线轴承，13.下连接端，14.第一固定电磁体，15.第二固定电磁体，16.直线导轨，17.第二滚珠螺母，18.第二滚珠丝杆，19.导体板，20.E型铁芯，21.第二圆板，22.飞轮，23.第一滚珠丝杆，24.第一连接件，25.第一推力轴承，26.第三推力轴承，27.第二推力轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

如图1至图6所示，本实施例的一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置，包括弹簧单元、阻尼单元和惯质单元，所述阻尼单元和弹簧单元并联后与惯质单元串联；所述惯质单元包括第一滚珠丝杠系统和飞轮22，所述第一滚珠丝杠系统包括第一滚珠丝杆23和套装在第一滚珠丝杆23上的第一滚珠螺母2，所述第一滚珠丝杆23从上至下顺序穿过第一滚珠螺母2和飞轮22；所述阻尼单元包括第二滚珠丝杠系统、多块导体板19、两块E型铁芯20和多组第一通电线圈6，在本实施例中导体板19的数量采用三块，并且相互平行设置，形状为圆形板，第一通电线圈6采用四组，所述第二滚珠丝杠系统包括第二滚珠丝杆18和套装在第二滚珠丝杆18上的第二滚珠螺母17，所述第二滚珠丝杆18从上至下顺序穿过导体板19和第二滚珠螺母17；所述弹簧单元包括运动电磁体11、固定电磁体、直线轴承和直线导轨16，所述直线导轨16穿过运动电磁体11、固定电磁体和直线轴承。

进一步地，所述阻尼单元还包括第一外筒4、第三圆板7和第四圆板5，所述第四圆板5固定在第一外筒4内壁的中间，所述第三圆板7固定在第一外筒4内壁的下端，如图8所示，所述第三圆板7和第四圆板5的中心分别嵌入第三推力轴承26和第四推力轴承，所述第三推力轴承26和第四推力轴承均套装在第二滚珠丝杆18上。

所述两块E型铁芯20对称固定在第一外筒4的内壁，且与每块导体板19之间留有间隙；每块E型铁芯20缠绕两组第一通电线圈6，相邻第一通电线圈6的电流方向相反，磁极相反，所述第一通电线圈6的中轴线垂直于第二滚珠丝杆18。作为优选地，所述第一通电线圈6和导体板19均由优良导电材料制成，如电工紫铜。

所述第二滚珠丝杆18从下至上顺序穿过第二滚珠螺母17、第三推力轴承26、导体板19和第四推力轴承，且所述第二滚珠丝杆18分别与第三推力轴承26、第四推力轴承和导体板19连接为一体；所述第二滚珠螺母17的下端与第二连接件9固定连接，所述第二连接件9为中空圆柱体，保证第二滚珠丝杆18的行程和正常工作。

所述惯质单元还包括第一圆板3和第二圆板21，所述第一圆板3固定在第一外筒4内壁的上端，所述第二圆板21固定在第一圆板3与第四圆板5之间；如图7所示，所述第一圆板3和第二圆板21的中心分别嵌入第一推力轴承25和第二推力轴承27，所述第一推力轴承25和第二推力轴承27均套装在第一滚珠丝杆23上，所述第一滚珠丝杆23从上至下顺序穿过第一滚珠螺母2、第一推力轴承25、飞轮22和第二推力轴承27，且所述第一滚珠丝杆23分别与飞轮22、第一推力轴承25和第二推力轴承27连接为一体；所述第一滚珠螺母2与第一连接件24的下端固定连接，所述第一连接件24为中空圆柱体，保证第一滚珠丝杆23的行程和正常工作，所述第一连接件24的上端设有上连接端1。

所述弹簧单元还包括第二外筒8，所述第二外筒8的上端与第三圆板7固定连接；所述直线轴承包括第一直线轴承12和第二直线轴承10，所述固定电磁体包括第一固定电磁体14和第二固定电磁体15，所述第一直线轴承12、第二直线轴承10、第一固定电磁体14和第二固定电磁体15均固定在第二外筒8的内壁，且第一固定电磁体14、第二固定电磁体15的中心孔与直线导轨16之间留有间隙；所述直线导轨16从上至下顺序穿过第二直线轴承10、第二固定电磁体15、运动电磁体11、第一固定电磁体14和第一直线轴承12；所述直线导轨16的上端与第二连接件9固定连接，下端设有下连接端13；所述第二滚珠螺母17和第二连接件9均设置在第二外筒8的内部。所述运动电磁体11、第一固定电磁体14和第二固定电磁体15的内部均缠绕第二通电线圈；所述第一固定电磁体14和第二固定电磁体15的第二通电线圈的电流方向相同，磁极相同，同时运动电磁体11两端磁极分别与相邻固定电磁体的磁极相反。

所述第一滚珠丝杆23、第二滚珠丝杆18和直线导轨16的中轴线位于同一直线，所述第一滚珠丝杆23与第二滚珠丝杆18之间留有间隙。

本实施例的工作原理如下：

当并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的上连接端1、下连接端13分别与结构内部存在相对位移的两节点相连接，三元减振装置两端连接点之间的相对轴向运动，部分转化为运动磁体11的往复直线运动和导体板19的高速旋转运动，其余转化为飞轮22的高速旋转运动。飞轮22和导体板19的高速旋转运动产生的转动惯性矩及导体板19切割第一通电线圈6磁力线产生的电涡流阻尼力矩经滚珠丝杠传动系统进一步放大分别形成轴向惯性力和电涡流阻尼力。固定电磁体和运动电磁体11之间磁致作用力形成弹性力，产生正刚度或负刚度效应。

本实施例还提供了一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的设计方法，包含以下设计步骤：

步骤101，根据实际工程参数和阻尼器参数优化结果确定并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置所需的惯性质量m_a和频率f；

步骤102，根据步骤101计算结果确定滚珠丝杠系统的型号和参数，参数包括滚珠丝杆直径、导程和逆传动效率(一般为0.9左右)；

步骤103，阻尼单元设计：确定合适的E型铁芯尺寸大小、第一通电线圈直径d_e和缠绕匝数n，以及导体板内径d_c、外径D_c、厚度δ和电导率σ_cu(一般为5.8×10⁷s/m)；然后根据公式和c＝σδsB_z ²计算得到主磁感应强度B_z，采用COMSOL Multiphysics软件仿真计算，获得合适的输入电流强度(幅值A_e)；其中，C_e和C分别表示阻尼器的等效阻尼系数和阻尼系数，σ表示导体板的电导率，δ表示导体板厚度，s表示E型铁芯在导体板表面的平面投影面积，B_z表示导体板处的主磁感应强度，L_d与η分别表示第二滚珠丝杆的导程与第二滚珠丝杠系统的逆传动效率；

步骤104，惯质单元设计：根据公式获得飞轮的转动惯量J_w，进而通过公式计算确定合适的飞轮质量m和半径R，进而确定合适的厚度t，其中m_a表示飞轮的惯性质量，L_d'与η'分别表示第一滚珠丝杆的导程与第一滚珠丝杠系统的逆传动效率，J_w表示飞轮的转动惯量；

步骤105，弹簧单元设计：根据工程实际确定阻尼器频率f，根据公式计算阻尼器刚度设计值k，其中，f表示阻尼器频率，k表示阻尼器刚度设计值，m_a表示飞轮的惯性质量；然后确定合适的固定电磁体和运动电磁体型号和参数，通过逐步调整电磁体第二通电线圈中的电流强度(幅值A_s)、方向以及固定电磁体之间的距离d_s达到目标刚度设计值；

步骤106，根据阻尼单元、惯质单元和弹簧单元的设计参数，确定三元减振装置外筒、推力轴承和圆板的设计参数，主要包括外筒内径d_o、厚度t_o、长度l_o；圆板的内径d_i、外径D_i、厚度h_i；推力轴承内径d_b等。

本实施例还提供了一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的装配方法，包含以下步骤：

步骤201，将第一滚珠螺母2和第二滚珠螺母17分别套装在第一滚珠丝杆23和第二滚珠丝杆18的螺纹区域；

步骤202，第一推力轴承25、第二推力轴承27、第三推力轴承26和第四推力轴承分别嵌入第一圆板3、第二圆板21、第三圆板7和第四圆板5的中心孔内；

步骤203，将第一推力轴承25、飞轮22和第二推力轴承27从上至下顺序套装在第一滚珠丝杆23的光圆区域；将第四推力轴承、导体板19和第三推力轴承26从上至下顺序套装在第二滚珠丝杆18的光圆区域；

步骤204，在E型铁芯20上缠绕第一通电线圈6，将E型铁芯20的侧面通过螺栓固定在第三圆板7和第四圆板5的内侧；

步骤205，将步骤203和204装配构件嵌入第一外筒4的内部，并将E型铁芯20固定在第一外筒4的内壁，第一圆板3、第二圆板21、第三圆板7和第四圆板5通过螺栓与第一外筒4的内壁固定连接；

步骤206，在直线导轨16的中部套装运动电磁体11，直线导轨16从上至下顺序套装第二直线轴承10、第二固定电磁体15、运动电磁体11、第一固定电磁体14和第一直线轴承12；

步骤207，第二连接件9的两端分别连接第二滚珠螺母17和直线导轨16；

步骤208，将步骤207装配构件嵌入第二外筒8的内部，并将第一直线轴承12、第二直线轴承10、第一固定电磁体14和第二固定电磁体15固定在第二外筒8的内壁；

步骤209，通过螺栓将第三圆板7和第二外筒8装配为一体，第一连接件24和第一滚珠螺母2连接为整体。

实施例二，本实施例给出了一个并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的设计方法的计算实例，具体为：

岳阳洞庭湖大桥是位于洞庭湖与长江接口处，是连接岳阳和华容的一座特大公路桥梁，总长5747.82m。全桥共布置222根拉索，经测试岳阳侧边塔下游A11索索力为3095N，一阶模态频率为1.11Hz，索长114.72m，单位质量51.8kg/m。

以A11索为减振对象，针对一阶模态进行并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置优化设计：基于有限差分法建立斜拉索-三元减振装置耦合系统的精细化分析模型，采用龙格-库塔方法求解斜拉索在正弦激励下的自由振动和强迫振动响应，并辨识斜拉索获得的附加模态阻尼比。通过不断优化三元减振装置的惯性质量比、频率比和阻尼比，获得适用于斜拉索减振的三元减振装置的优化参数：质量比(阻尼器惯性质量/拉索质量)为0.3，频率比(阻尼器频率/拉索一阶频率)为1.038，阻尼器的等效阻尼系数为980.7013N/(m/s)，拉索附加阻尼比为2.52％，安装位置距离斜拉索下锚固端2.294m(2％l，l为索长)。

步骤301，根据实际工程参数和阻尼器参数优化结果确定并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置所需的惯性质量m_a＝1782.7488kg和频率f＝1.152Hz；

步骤302，根据步骤301计算结果确定滚珠丝杠系统的型号和参数，参数包括滚珠丝杆直径20mm、导程10mm和逆传动效率0.9，第一滚珠丝杠系统与第二滚珠丝杠系统相同；

步骤303，阻尼单元设计：确定合适的E型铁芯直径20mm，第一通电线圈直径d_e＝2mm和缠绕匝数n＝10，以及导体板内径d_c＝40mm、外径D_c＝120mm、厚度δ＝3mm和电导率σ_cu＝5.8×10⁷s/m；然后根据公式和c＝σδsB_z ²计算得到主磁感应强度B_z＝0.0113T，采用COMSOL Multiphysics软件仿真计算，获得合适的输入电流强度幅值约为A_e＝0.081A；其中，C_e和C分别表示阻尼器的等效阻尼系数和阻尼系数，σ表示导体板的电导率，δ表示导体板厚度，s表示E型铁芯在导体板表面的平面投影面积，B_z表示导体板处的主磁感应强度，L_d与η分别表示第二滚珠丝杆的导程与第二滚珠丝杠系统的逆传动效率；

步骤304，惯质单元设计：根据公式获得飞轮的转动惯量J_w＝0.00366kg·mm²，进而通过公式计算确定合适的飞轮质量m＝2.032kg和半径R＝60mm，进而确定合适的厚度t＝23.03mm，其中m_a表示飞轮的惯性质量，L_d'与η'分别表示第一滚珠丝杆的导程与第一滚珠丝杠系统的逆传动效率，J_w表示飞轮的转动惯量；

步骤305，弹簧单元设计：根据工程实际确定阻尼器频率f＝1.152Hz，根据公式计算阻尼器刚度设计值k＝93.402kN/m，其中，f表示阻尼器频率，k表示阻尼器刚度设计值，m_a表示飞轮的惯性质量；然后根据以往经验确定合适的固定电磁体和运动电磁体第二通电线圈内径40mm、长度42mm、线径2mm，内部第二通电线圈多层密绕500匝，计算电磁体内部第二通电线圈中的电流强度幅值约为A_s＝5.6A、方向(固定电磁体与运动电磁体电流方向相反)以及固定电磁体之间的距离d_s＝100mm达到目标刚度设计值；

步骤306，根据阻尼单元、惯质单元和弹簧单元的设计参数，确定三元减振装置外筒、推力轴承和圆板的设计参数，主要包括第一外筒内径d_o＝130mm、厚度t_o＝5mm、长度l_o＝300mm；所有圆板的内径d_i＝40mm、外径D_i＝130mm、厚度h_i＝5mm；推力轴承内径d_b＝20mm；第二外筒内径d_o＝50mm、厚度t_o＝5mm、长度l_o＝150mm。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置，其特征在于，包括弹簧单元、阻尼单元和惯质单元，所述阻尼单元和弹簧单元并联后与惯质单元串联；所述惯质单元包括第一滚珠丝杠系统和飞轮，所述第一滚珠丝杠系统包括第一滚珠丝杆和套装在第一滚珠丝杆上的第一滚珠螺母，所述第一滚珠丝杆从上至下顺序穿过第一滚珠螺母和飞轮；所述阻尼单元包括第二滚珠丝杠系统、多块导体板、两块E型铁芯和多组第一通电线圈，所述第二滚珠丝杠系统包括第二滚珠丝杆和套装在第二滚珠丝杆上的第二滚珠螺母，所述第二滚珠丝杆从上至下顺序穿过导体板和第二滚珠螺母；所述弹簧单元包括运动电磁体、固定电磁体、直线轴承和直线导轨，所述直线导轨穿过运动电磁体、固定电磁体和直线轴承。

2.根据权利要求1所述的并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置，其特征在于，所述阻尼单元还包括第一外筒、第三圆板和第四圆板，所述第四圆板固定在第一外筒内壁的中间，所述第三圆板固定在第一外筒内壁的下端，所述第三圆板和第四圆板的中心分别嵌入第三推力轴承和第四推力轴承，所述第三推力轴承和第四推力轴承均套装在第二滚珠丝杆上。

3.根据权利要求2所述的并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置，其特征在于，所述两块E型铁芯对称固定在第一外筒的内壁，且与每块导体板之间留有间隙；每块E型铁芯缠绕多组第一通电线圈，相邻第一通电线圈的电流方向相反，磁极相反，所述第一通电线圈的中轴线垂直于第二滚珠丝杆。

4.根据权利要求2所述的并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置，其特征在于，所述第二滚珠丝杆从下至上顺序穿过第二滚珠螺母、第三推力轴承、导体板和第四推力轴承，所述第二滚珠螺母的下端与第二连接件固定连接，所述第二连接件为中空圆柱体。

5.根据权利要求2所述的并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置，其特征在于，所述惯质单元还包括第一圆板和第二圆板，所述第一圆板固定在第一外筒内壁的上端，所述第二圆板固定在第一圆板与第四圆板之间；所述第一圆板和第二圆板的中心分别嵌入第一推力轴承和第二推力轴承，所述第一推力轴承和第二推力轴承均套装在第一滚珠丝杆上，所述第一滚珠丝杆从上至下顺序穿过第一滚珠螺母、第一推力轴承、飞轮和第二推力轴承；所述第一滚珠螺母与第一连接件的下端固定连接，所述第一连接件为中空圆柱体，所述第一连接件的上端设有上连接端。

6.根据权利要求4所述的并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置，其特征在于，所述弹簧单元还包括第二外筒，所述第二外筒的上端与第三圆板固定连接；

所述直线轴承包括第一直线轴承和第二直线轴承，所述固定电磁体包括第一固定电磁体和第二固定电磁体，所述第一直线轴承、第二直线轴承、第一固定电磁体和第二固定电磁体均固定在第二外筒的内壁，且第一固定电磁体、第二固定电磁体的中心孔与直线导轨之间留有间隙；所述直线导轨从上至下顺序穿过第二直线轴承、第二固定电磁体、运动电磁体、第一固定电磁体和第一直线轴承；所述直线导轨的上端与第二连接件固定连接，下端设有下连接端；所述第二滚珠螺母和第二连接件均设置在第二外筒的内部。

7.根据权利要求6所述的并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置，其特征在于，所述运动电磁体、第一固定电磁体和第二固定电磁体的内部均缠绕第二通电线圈；所述第一固定电磁体和第二固定电磁体的第二通电线圈的电流方向相同，磁极相同，同时运动电磁体两端磁极分别与相邻固定电磁体的磁极相反。

8.根据权利要求1所述的并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置，其特征在于，所述第一滚珠丝杆、第二滚珠丝杆和直线导轨的中轴线位于同一直线，所述第一滚珠丝杆与第二滚珠丝杆之间留有间隙。

9.根据权利要求1至8任一项所述的并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的设计方法，其特征在于，包含以下设计步骤：

步骤1，根据实际工程参数和阻尼器参数优化结果确定并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置所需的惯性质量m_a和频率f；

步骤2，根据步骤1计算结果确定滚珠丝杠系统的型号和参数，参数包括滚珠丝杆直径、导程和逆传动效率；

步骤3，阻尼单元设计：确定合适的E型铁芯尺寸大小、第一通电线圈直径和缠绕匝数，以及导体板的尺寸大小；然后根据公式和c＝σδsB_z ²计算得到主磁感应强度B_z，采用COMSOL Multiphysics软件仿真计算，获得合适的输入电流强度；其中，C_e和C分别表示阻尼器的等效阻尼系数和阻尼系数，σ表示导体板的电导率，δ表示导体板厚度，s表示E型铁芯在导体板表面的平面投影面积，B_z表示导体板处的主磁感应强度，L_d与η分别表示第二滚珠丝杆的导程与第二滚珠丝杠系统的逆传动效率；

步骤4，惯质单元设计：根据公式获得飞轮的转动惯量J_w，进而计算得到飞轮尺寸大小，其中m_a表示飞轮的惯性质量，L_d'与η'分别表示第一滚珠丝杆的导程与第一滚珠丝杠系统的逆传动效率，J_w表示飞轮的转动惯量；

步骤5，弹簧单元设计：根据工程实际确定阻尼器频率，根据公式计算阻尼器刚度设计值，其中，f表示阻尼器频率，k表示阻尼器刚度设计值，m_a表示飞轮的惯性质量，然后确定合适的固定电磁体和运动电磁体型号和参数，通过逐步调整电磁体第二通电线圈中的电流强度、方向以及固定电磁体之间的距离达到目标刚度设计值；

步骤6，根据阻尼单元、惯质单元和弹簧单元的设计参数，确定三元减振装置外筒、推力轴承和圆板的设计参数。

10.根据权利要求1至8任一项所述的并联阻尼和弹簧单元的三元减振装置的装配方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤A，将第一滚珠螺母和第二滚珠螺母分别套装在第一滚珠丝杆和第二滚珠丝杆的螺纹区域；

步骤B，第一推力轴承、第二推力轴承、第三推力轴承和第四推力轴承分别嵌入第一圆板、第二圆板、第三圆板和第四圆板的中心孔内；

步骤C，将第一推力轴承、飞轮和第二推力轴承从上至下顺序套装在第一滚珠丝杆的光圆区域；将第四推力轴承、导体板和第三推力轴承从上至下顺序套装在第二滚珠丝杆的光圆区域；

步骤D，在E型铁芯上缠绕第一通电线圈，将E型铁芯的侧面通过螺栓固定在第三圆板和第四圆板的内侧；

步骤E，将步骤C和D装配构件嵌入第一外筒的内部，并将E型铁芯固定在第一外筒的内壁，第一圆板、第二圆板、第三圆板和第四圆板通过螺栓与第一外筒的内壁固定连接；

步骤F，在直线导轨的中部套装运动电磁体，直线导轨从上至下顺序套装第二直线轴承、第二固定电磁体、运动电磁体、第一固定电磁体和第一直线轴承；

步骤G，第二连接件的两端分别连接第二滚珠螺母和直线导轨；

步骤H，将步骤G装配构件嵌入第二外筒的内部，并将第一直线轴承、第二直线轴承、第一固定电磁体和第二固定电磁体固定在第二外筒的内壁；

步骤I，通过螺栓将第三圆板和第二外筒装配为一体，第一连接件和第一滚珠螺母连接为整体。