CN109235686B - 一种旋转式磁负刚度减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式磁负刚度减振装置，包括外筒，外筒内设有第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副和两个工作体；第一、第二滚珠丝杠副的轴线相互平行，位于两个工作体之间；且第一、第二滚珠丝杠副的丝杆两端均各自连接一个刚性杆，四个刚性杆穿过工作体连接在外筒内壁上；刚性杆上位于所述工作体内的部分设有磁铁；第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副下方设有滑动槽，滑动槽内壁与第一、第二滚珠丝杠副的螺母固定连接；滑动槽的底部设有滑轮，滑轮可沿着外筒底部来回滑动；在滑动槽内放置有质量块，质量块与滚珠丝杠轴线平行的两侧预留有凹槽，凹槽与固定在滑动槽内壁上的滑块配合；质量块与滚珠丝杠轴线垂直的两侧通过弹簧与滑动槽相连。

Description

一种旋转式磁负刚度减振装置

技术领域

本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种旋转式磁负刚度减振装置，主要应用于控制高层建筑和高耸结构的振动响应。

背景技术

传统的抗震结构是通过增大结构自身的刚度从而来抵抗地震作用。这种方法常常利用建筑结构的延性来消耗地震或风荷载带来的能量，并以此尽可能的减少损失。然而外界环境荷载具有不可避免的随机性，当达到一定的强度后，传统设计的抗震结构可能无法承受，造成建筑结构发生破坏，导致更严重的生命和财产损失。随着建筑结构形式的不断创新，并结合结构在外界环境作用下的破坏机理，振动控制技术得到了广泛的应用。

目前，根据是否需要从外界输入能量，振动控制分为被动控制和主动控制。理论上，主动控制可以实现的减振效果要显著优于被动控制。但是，由于理论上和工程实际条件限制等原因，工程中应用最多和研究最成熟的还是被动控制。其中，调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器由于构造简单，具有良好的减振效果，是工程中最典型的应用。但是，它们的减振效果取决于其自振频率与被控结构的振动频率是否相调谐。当激励在一个较宽的频率范围的时候，调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的减振效果显著降低。主动控制技术往往比被控阻尼器达到更好的控制效果。主动控制在工作过程中可以产生一种具有显著负刚度特性的阻尼力-变形关系，并且在一定程度上有益于控制效果。因此一种被动式负刚度阻尼器应运而生，其能够产生与主动阻尼器相似的滞回特性并达到相同的控制性能。

发明内容

本发明目的是提供一种旋转式磁负刚度减振装置，旨在减小高层建筑或高耸结构在风荷载及地震作用下的水平振动响应，达到耗能减振的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种旋转式磁负刚度减振装置，包括一个外筒，所述的外筒内设有第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副和两个工作体；所述工作体内部中空形成工作腔；所述的第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副的轴线相互平行，位于两个工作体之间；且第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副的丝杆两端均各自连接一个刚性杆，四个刚性杆穿过工作体连接在外筒内壁上；所述刚性杆上位于所述工作体内的部分设有磁铁；所述的第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副下方设有滑动槽，所述的滑动槽内壁与第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副的螺母固定连接；所述滑动槽的底部设有滑轮，所述的滑轮可沿着外筒底部来回滑动；在所述的滑动槽内放置有质量块，所述质量块与滚珠丝杠轴线平行的两侧预留有凹槽，所述的凹槽与固定在滑动槽内壁上的滑块配合；所述的质量块与滚珠丝杠轴线垂直的两侧通过弹簧与所述的滑动槽相连。

进一步的技术方案为：所述的外筒由不锈钢绝缘材料制成，在露天环境下对内部装置起到保护作用。

进一步的技术方案为：所述的外筒固定安装在主体结构振动敏感位置。

进一步的技术方案为：所述的第一、第二滚珠丝杠副在平面内相对布置，即当两个螺母同时发生同向的轴线运动时，两个丝杆的旋转方向相反。

进一步的技术方案为：所述的刚性杆穿过工作体上的通孔，且在通孔处设有平面轴承，所述的刚性杆与平面轴承相接触，确保刚性杆能与丝杆同步转动而不能发生轴向位移。

进一步的技术方案为：所述的工作体由导电材料制作而成，所述的刚性杆由绝缘材料制作而成。

进一步的技术方案为：所述的磁铁可分为第一磁铁和第二磁铁；所述的第一磁铁与第一丝杠副两端的刚性杆固定，第二磁铁与第二丝杠副两端的刚性杆固定；第二磁铁沿刚性杆轴向设有两道且布置第一磁铁的两端，第一磁铁和第二磁铁间留有间隙。

进一步的技术方案为：所述的第一磁铁和第二磁铁均包括两个磁极，沿竖直方向磁化方向相同，且几何中心重合。

进一步的技术方案为：根据所述刚性杆的旋转角度将第一磁铁和第二磁铁设计成扇状。所述的第一磁铁的窄端通过连接块固定在刚性杆上，所述的第二磁铁的弧状端面通过连接块固定在刚性杆上。

进一步的技术方案为：所述的质量块凹槽表面与滑块表面光滑；所述的质量块底面与滑动槽的底板光滑接触。

进一步的技术方案为：所述的弹簧由智能材料形状记忆合金制作而成。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用滚珠丝杠副将主体结构的水平振动转化为减振构件的高速旋转，相比传统的传动机械有较高的联动效率。当发生振动时，负刚度装置中磁铁同时旋转发生相对转动，增加了减振装置的工作效率。

(2)本发明通过有序排列的可移动磁铁来实现负刚度，通过可移动磁铁与可导电的工作体实现电涡流，将负刚度作用力与电涡流阻尼作用力产生叠加效果，共同达到有效减振的目的。

(3)本发明采用智能材料形状记忆合金，利用其显著的超弹性效应，在主体结构振动时提供所需的阻尼力，振动结束后将减振装置恢复原状，避免影响到下次应用时的工作性能。

(4)本发明采用被动控制技术理论，不需要额外的外部能量输入，构造简单，灵活性高，且维护方便，有效提高结构的抗震抗风性能，适用于高层建筑和高耸结构，能够产生较好的社会效益和经济效益。

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。

图1为一种旋转式磁负刚度减振装置的俯视图；

图2为一种旋转式磁负刚度减振装置的主视图；

图3为一种旋转式磁负刚度减振装置的A-A剖面图；

图4为一种旋转式磁负刚度减振装置的B-B剖面图；

图5为一种旋转式磁负刚度减振装置的C-C剖面图；

图6为一种旋转式磁负刚度减振装置的第一磁铁和第二磁铁构造图；

图中：1外筒，2工作体，3第一滚珠丝杠副，4第二滚珠丝杠副，5丝杆，6螺母，7滚珠，8刚性杆，9第二磁铁，10第一磁铁，11滑动槽，12质量块，13弹簧，14定向滑轮，15滑块，16连接块。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，目前，根据是否需要从外界输入能量，振动控制分为被动控制和主动控制。理论上，主动控制可以实现的减振效果要显著优于被动控制。但是，由于理论上和工程实际条件限制等原因，工程中应用最多和研究最成熟的还是被动控制。其中，调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器由于构造简单，具有良好的减振效果，是工程中最典型的应用。但是，它们的减振效果取决于其自振频率与被控结构的振动频率是否相调谐。当激励在一个较宽的频率范围的时候，调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的减振效果显著降低。主动控制技术往往比被控阻尼器达到更好的控制效果。主动控制在工作过程中可以产生一种具有显著负刚度特性的阻尼力-变形关系，并且在一定程度上有益于控制效果。因此一种被动式负刚度阻尼器应运而生，其能够产生与主动阻尼器相似的滞回特性并达到相同的控制性能。

正刚度恢复力总是指向平衡点，即克服外力作用而将结构拉回平衡位置。负刚度则与正刚度相反。负刚度意味着力必须是促进运动而不是抵抗运动，即力总是远离平衡点将结构推离平衡位置。负刚度阻尼器具有显著的减振效果的同时，还能在较宽的频率范围内有较稳定的工作性能。

为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种旋转式磁负刚度减振装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种旋转式磁负刚度减振装置，包括一个外筒1，第一滚珠丝杠副3、第二滚珠丝杠副4和两个工作体2；工作体2内部中空，形成工作腔；一个工作体2位于外筒1的左侧，另一个工作体2位于外筒1的右侧，工作体2的一个端面与外筒1内壁固定接触；第一滚珠丝杠副3、第二滚珠丝杠副4位于两个工作体之间；

两个滚珠丝杠副均各自包括一个丝杆5、螺母6和数个滚珠7组成。丝杆5部分和螺母6之间形成循环通道，其中设有滚珠7。

如图1所示，定义丝杆5轴线方向为水平X向，垂直丝杆5轴线方向为水平Y向。第一滚珠丝杠副3和第二滚珠丝杠副4在XY平面内相对布置，当螺母6发生同向的轴线运动时其丝杆5反向旋转。丝杆5两端固定设有刚性杆8，刚性杆8贯穿预留在工作体2轴心处预留的通孔内，通孔处设有平面轴承7，使得刚性杆8随丝杆5转动时不会产生轴向位移。

在工作体2内刚性杆8部分设有磁铁，磁铁分为第一磁铁10和第二磁铁9。第二磁铁9沿刚性杆8轴线方向设有两道且布置在第一磁铁10的两侧，第一磁铁10和第二磁铁9之间留有间隙且均包括两个磁极。为了使得在初始位置时受力均衡，第一磁铁10和第二磁铁9沿竖直方向磁化方向相同，且几何中心重合。如图3所示，在此以上向为N极，向下为S极进行说明。由于磁铁随刚性杆8转动，所以根据旋转角度第一磁铁10和第二磁铁9均设计成扇状。第一磁铁10的窄端通过连接块16固定在第一滚珠丝杠副3两端的刚性杆8上，第二磁铁9的弧状端面通过连接块16固定在第二滚珠丝杠副4两端的刚性杆8上。螺母6下部设有滑动槽11和放置在内部的质量块12。

质量块12中间部位沿水平Y方向预留凹槽，凹槽与滑块15配合，滑块15固定在滑动槽11内壁上；设置滑块的目的是对质量块12进行限位；同时，沿水平Y方向设有数条弹簧13，弹簧13两端分别固定在质量块12上和滑动槽11的内壁上。滑动槽11下部设有定向滑轮14，使得滑动槽11能够沿水平X方向移动。

工作体2由导电材料制作而成，如果铜或铝，其内部中空；

刚性杆8由绝缘材料制作而成。弹簧13由智能材料形状记忆合金制作而成。

质量块12的凹槽表面与滑块15表面光滑；质量块12底面与滑动槽11的底板光滑接触。

将该减振装置固定于高层建筑或高耸结构的顶部。在地震或风荷载作用下，主体结构发生振动。外筒水平轴线方向可分为X向和Y向；定义滚珠丝杠轴线所在的方向为X方向；与滚珠丝杠轴线垂直的方向为Y方向；当主体结构发生轴线X方向振动时，质量块12由于惯性碰撞滑块15带动滑动槽11一起运动。由于滑动槽11内壁与螺母6固定，所以螺母6与质量块12一起移动。滚珠7在丝杆5和螺母6之间的循环通道内滚动，将质量块12沿轴线X方向的移动转换成丝杆5的转动。第一滚珠丝杠副4和第二滚珠丝杠副3中丝杆5旋转方向相反，导致第一磁铁10和第二磁铁9的相错转动。在图3中第一磁铁10的几何中心与第二磁铁9的几何中心在同一水平位置时，其处于平衡状态。当第一磁铁10和第二磁铁9相错转动分离时，由于同磁极相斥从而产生一个与磁铁转动方向相同的作用力。当第一磁铁10和第二磁铁9相错转动交汇时，由于异磁极相吸从而产生一个与磁铁转动方向相同的作用力。根据胡可定律，力的方向与位移方向相同产生负刚度作用。利用第一滚珠丝杠副4和第二滚珠丝杠副3，将不同受力下质量块12的轴向运动情况转化为第一磁铁10和第二磁铁9的高速相错转动，增加了负刚度装置的工作效率。同时，当第一磁铁10和第二磁铁9在工作体2内转动时，根据楞次定律，工作体2内部在交替变化的磁场中切割磁感线产生电涡流，会产生一个阻碍磁铁转动的阻尼力。在这一过程中电涡流表现出了良好的粘性阻尼特性，并且通过自身耗能加速了振动的消减。将负刚度和电涡流阻尼联合工作，有效的实现抑制主体结构振动的目的。

当主体结构发生轴线Y方向振动时，由于惯性质量块12沿滑块15在滑动槽11内发生移动，通过压缩和拉伸质量块12两端的弹簧12，弹簧12给质量块12提供一个与运动方向相反的阻尼力，进而实现控制主体结构振动的目的。当振动结束后，由于形状记忆合金的具有良好的变形可恢复能力，将工作后的减振装置恢复到原始状态，避免影响到下次应用时的工作性能。

本发明利用滚珠丝杠副将主体结构的水平振动转化为减振构件的高速旋转，相比传统的传动机械有较高的联动效率。当发生振动时，负刚度装置中磁铁同时旋转发生相对转动，增加了减振装置的工作效率。

本发明通过有序排列的可移动磁铁来实现负刚度，通过可移动磁铁与可导电的工作体实现电涡流，将负刚度作用力与电涡流阻尼作用力产生叠加效果，共同达到有效减振的目的。

该减振装置安装在建筑主体结构易发生振动破坏的位置，能够有效抑制建筑结构在地震或风荷载作用下的振动响应，保证结构的安全性和耐久性。同时，该装置构造简单，加工方便，且性价比高，尤其适用于高层建筑或高耸结构。

本专利的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本专利的实施方式不限于此，凡此种种根据本专利的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本专利上述基本技术思想前提下，对本专利上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋转式磁负刚度减振装置，其特征在于，包括一个外筒，所述的外筒内设有第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副和两个工作体；所述工作体内部中空形成工作腔；所述的第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副的轴线相互平行，位于两个工作体之间；且第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副的丝杠两端均各自连接一个刚性杆，四个刚性杆穿过工作体连接在外筒内壁上；所述刚性杆上位于所述工作体内的部分设有磁铁；所述的第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副下方设有滑动槽，所述的滑动槽内壁与第一滚珠丝杠副、第二滚珠丝杠副的螺母固定连接；所述滑动槽的底部设有滑轮，滑轮可以沿着筒体底部来回滑动；在所述的滑动槽内放置有质量块，所述质量块与滚珠丝杠轴线平行的两侧预留有凹槽，所述的凹槽与固定在滑动槽内壁上的滑块配合；所述的质量块与滚珠丝杠轴线垂直的两侧通过弹簧与所述的滑动槽相连。

2.如权利要求1所述的一种旋转式磁负刚度减振装置，其特征在于，所述的外筒由不锈钢绝缘材料制成；所述的工作体由导电材料制作而成；所述的刚性杆由绝缘材料制作而成。

3.如权利要求1所述的一种旋转式磁负刚度减振装置，其特征在于，所述的外筒固定安装在主体结构振动敏感位置。

4.如权利要求1所述的一种旋转式磁负刚度减振装置，其特征在于，所述的第一、第二滚珠丝杠副在平面内相对布置，当两个螺母同时发生同向的轴线运动时，两个丝杆的旋转方向相反。

5.如权利要求1所述的一种旋转式磁负刚度减振装置，其特征在于，所述的刚性杆穿过工作体上的通孔，且在通孔处设有平面轴承，所述的刚性杆与平面轴承相接触。

6.如权利要求1所述的一种旋转式磁负刚度减振装置，其特征在于，所述的磁铁可分为第一磁铁和第二磁铁；所述的第一磁铁与第一丝杠副两端的刚性杆固定，第二磁铁与第二丝杠副两端的刚性杆固定；第二磁铁沿刚性杆轴向设有两道且布置第一磁铁的两端，第一磁铁和第二磁铁间留有间隙。

7.如权利要求1所述的一种旋转式磁负刚度减振装置，其特征在于，所述的第一磁铁和第二磁铁均包括两个磁极，沿竖直方向磁化方向相同，且几何中心重合。

8.如权利要求1所述的一种旋转式磁负刚度减振装置，其特征在于，根据所述刚性杆的旋转角度，所述的第一磁铁和第二磁铁为扇状；所述的第一磁铁的窄端通过连接块固定在刚性杆上，所述的第二磁铁的弧状端面通过连接块固定在刚性杆上。

9.如权利要求1所述的一种旋转式磁负刚度减振装置，其特征在于，所述的质量块凹槽表面与滑块表面光滑；所述的质量块底面与滑动槽的底板光滑接触。

10.如权利要求1所述的一种旋转式磁负刚度减振装置，其特征在于，所述的弹簧由智能材料形状记忆合金制作而成。

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