CN109403487B - 一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器，包括旋转轴、转动设于旋转轴上的旋转阻尼机构以及与旋转轴齿合的水平带齿运动机构，所述水平带齿运动机构包括齿轮和带齿矩形质量块，所述齿轮固定安装在旋转轴上，所述带齿矩形质量块安装在悬挂导轨上并进行往复水平直线运动，所述带齿矩形质量块与所述齿轮齿合，将水平双向运动转化为独立旋转运动，并通过旋转阻尼机构耗能。本发明同时独立控制水平双向的振动，采用主动旋转碰撞机制，结合SMA弹性阻挡装置和外包SMA材料层的颗粒实现双重耗能，并根据惯质阻尼器原理，实现小质量发挥更佳减振效果，大幅改善噪声问题，利用变刚度的空气弹簧配合半主动控制策略实现最优控制频率。

Description

一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器
技术领域
本发明涉及一种阻尼器，具体涉及一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器。
背景技术
结构控制的概念自从被美国普渡大学的J.T.P.Yao教授在1972年首次提出之后，减振技术发展迅猛，现已被广泛应用于建筑工程减振研究方面。随着社会生产力的发展，高层建筑与高耸结构不断的刷新高度，与此同时加剧了风荷载与地震作用的破坏性。结构振动控制技术改变了土木工程以往的传统设计思路，采用减振装置来施加减缓结构本身动力响应的控制力，达到抑制结构不良振动的目的。
研究发现，一般的线性减振控制装置仅能够吸收系统动能，无法将能量耗散，减振能力有一定的局限性，如果考虑在装置中引入耗能机制，可能会进一步提高减振装置的减振效果。近年来，非线型吸振在振动控制领域引起了众多学者的关注，其实现方式有多种，例如引入碰撞、内共振和非线性弹簧等。其中，颗粒阻尼器便是一种非常简单的非线性阻尼器，通过颗粒之间的碰撞与摩擦实现动量交换及能量耗散，具有很高的性价比、耐久性好、可靠度高、适应性强等优点，逐渐受到结构减振控制领域的重视。然而，传统的颗粒阻尼器同样存在一定的不足：1)颗粒之间尺寸大体一致，碰撞次数有限，无法达到最优耗能效果；2)颗粒群密集，小范围内限制了颗粒的运动，荷载激励较小时，颗粒间很难发生碰撞；3)颗粒数量较多，所需空间较大，且工作状态下噪音较严重。因此，颗粒阻尼器要想更好的应用于结构减振需要进一步的优化与升级。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器，包括旋转轴、转动设于旋转轴上的旋转阻尼机构以及与旋转轴齿合的水平带齿运动机构，所述水平带齿运动机构包括齿轮和带齿矩形质量块，所述齿轮固定安装在旋转轴上，所述带齿矩形质量块安装在悬挂导轨上并进行往复水平直线运动，所述带齿矩形质量块与所述齿轮齿合，将水平双向运动转化为独立旋转运动，并通过旋转阻尼机构耗能。
优选地，所述旋转阻尼机构包括圆柱形筒体，该圆柱形筒体分为内腔与外腔，内腔中装填颗粒球，并在内腔中心设置转动的叶片，外腔内设置弹性阻挡单元和颗粒球，所述旋转阻尼机构转动时，内腔中的叶片碰撞颗粒球，外腔的弹性阻挡单元碰撞颗粒球，进行阻尼耗能。
优选地，所述圆柱形筒体的外腔内间隔设置多个固定挡板，相邻固定挡板之间装填颗粒球并设置弹性阻挡单元。
优选地，端与活动挡板固定连接，所述活动挡板与颗粒球触碰。
优选地，所述弹簧为SMA材料弹簧。
优选地，所述颗粒球为外包SMA材料层的钢球，通过在颗粒表面包裹SMA(ShapeMemory Alloy:SMA)材料层，进一步提高碰撞耗能的能力，减少颗粒数量。
优选地，所述水平带齿运动机构设有两个，分别设于旋转阻尼机构的上下两端，上下两水平带齿运动机构的移动方向相互垂直。
优选地，所述带齿矩形质量块的两端对称连接空气弹簧，所述空气弹簧连接控制空气弹簧内气体体积的控制器。
优选地，所述控制器内含传感器，传感器判断结构的自振频率与响应，输出命令控制空气弹簧刚度。
优选地，所述旋转阻尼机构与旋转轴之间通过轴承连接，轴承分为单层轴承与双层轴承。
本发明将水平双向运动转化为独立旋转运动，叶片运动过程中颗粒间发生碰撞，配合弹簧挡板及颗粒发生能量交换，旋转过程中利用惯性力与调谐效应实现减振。由于SMA层的存在，明显降低了噪音问题。此外，空气弹簧应用于该装置，通过变刚度特性扩大其减振频带实现半主动控制。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明同时控制水平双向的振动，两个方向独立控制，结合旋转阻尼机构中的SMA弹性阻挡，提高颗粒的碰撞次数；
2)本发明采用主动旋转碰撞机制，颗粒外包SMA材料层，双重耗能，大幅提高阻尼器的减振效果，降低噪音；
3)本发明根据惯质阻尼器原理，将水平运动转化为旋转运动，实现小质量发挥更佳的减振效果，减小阻尼器对原结构的负重；
4)本发明采用空气弹簧配合控制装置实现半主动控制，变刚度满足最优控制频率；
5)本发明对风荷载或/和地震作用等均有良好的控制效果，安装位置灵活，应用新型缓冲吸能材料大幅降低碰撞过程中的噪音，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
图1为本发明阻尼器的正视图；
图2为本发明阻尼器的侧视图；
图3为图1阻尼器A-A剖面图；
图4为图1阻尼器B-B剖面图；
图5为图1阻尼器C-C剖面图；
图6为图2阻尼器D-D剖面图；
图中：1-轴承、2-齿轮、3-带齿矩形质量块、4-内装置、5-叶片、6-外装置、7-挡板、8-外包SMA颗粒、9-SMA弹簧、10-空气弹簧、11-控制器、12-悬挂导轨。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
参照图1-6，一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器，安装在减震结构中，其主要包括轴承1、齿轮2、带齿矩形质量块3、内装置4、叶片5、外装置6、挡板7、外包SMA颗粒8、SMA弹簧9、空气弹簧10、控制器11、悬挂导轨12。轴承1分为单层轴承与双层轴承；齿轮2固定在内装置4和外装置6的旋转轴外侧；带齿矩形质量块3侧面锯齿与齿轮2恰好咬合，可以水平方向滑动；内装置4由四枚叶片5组成，可绕轴旋转；外装置6成圆柱形，由两个腔体组成；挡板7与SMA弹簧9相连；颗粒8外包一层SMA材料；SMA弹簧9一端与挡板7连接，另一端与外装置6固定连接；空气弹簧10与带齿矩形质量块3相连；控制器11控制空气弹簧10内气体体积；悬挂导轨12主要用于顶部带齿矩形质量块3的固定与滑动。
当风荷载与地震作用时，根据结构响应及自振特性控制器11智能调节空气弹簧10内空气体积满足控制刚度，受到激励后水平两个方向的带齿矩形质量块3平动，且通过齿轮2带动内装置4与外装置6绕轴承1同向或反向转动，此时内装置中的叶片5搅动外包SMA颗粒8，颗粒间相互碰撞、颗粒与叶片5和外装置6内壁碰撞，由于颗粒外包SMA材料，耗能更加明显，与此同时，外装置6转动时，挡板7推动颗粒8相互碰撞，且通过SMA弹簧提供恢复力，挡板7可以往复推动，进一步提高了颗粒8的碰撞效率。该装置控制水平双向振动，内外装置相互配合转动，增加颗粒之间的碰撞次数，外包SMA材料增强耗能能力，其双重减振效果显著。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器，其特征在于，包括旋转轴、转动设于旋转轴上的旋转阻尼机构以及与旋转轴齿合的水平带齿运动机构，所述水平带齿运动机构包括齿轮和带齿矩形质量块，所述齿轮固定安装在旋转轴上，所述带齿矩形质量块安装在悬挂导轨上并进行往复水平直线运动，所述带齿矩形质量块与所述齿轮齿合，将水平双向运动转化为独立旋转运动，并通过旋转阻尼机构耗能，
所述水平带齿运动机构设有两个，分别设于旋转阻尼机构的上下两端，上下两水平带齿运动机构的移动方向相互垂直。
2.根据权利要求1所述的一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器，其特征在于，所述旋转阻尼机构包括圆柱形筒体，该圆柱形筒体分为内腔与外腔，内腔中装填颗粒球，并在内腔中心设置转动的叶片，外腔内设置弹性阻挡单元和颗粒球，所述旋转阻尼机构转动时，内腔中的叶片碰撞颗粒球，外腔的弹性阻挡单元碰撞颗粒球，进行阻尼耗能。
3.根据权利要求2所述的一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器，其特征在于，所述圆柱形筒体的外腔内间隔设置多个固定挡板，相邻固定挡板之间装填颗粒球并设置弹性阻挡单元。
4.根据权利要求3所述的一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器，其特征在于，所述弹性阻挡单元由弹簧与活动挡板组成，弹簧的一端与固定挡板固定连接，另一端与活动挡板固定连接，所述活动挡板与颗粒球触碰。
5.根据权利要求4所述的一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器，其特征在于，所述弹簧为SMA材料弹簧。
6.根据权利要求2-5任一项所述的一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器，其特征在于，所述颗粒球为外包SMA材料层的钢球。
7.根据权利要求1所述的一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器，其特征在于，所述带齿矩形质量块的两端对称连接空气弹簧，所述空气弹簧连接控制空气弹簧内气体体积的控制器。
8.根据权利要求7所述的一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器，其特征在于，所述控制器内含传感器，传感器判断结构的自振频率与响应，输出命令控制空气弹簧刚度。
9.根据权利要求1所述的一种半主动柔性颗粒碰撞惯质阻尼器，其特征在于，所述旋转阻尼机构与旋转轴之间通过轴承连接。
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