CN109577727A - 一种利用惯容的颗粒阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用惯容的颗粒阻尼器，包括固定在地面上的固定板(3)、滑动放置在底面上的惯容单元和颗粒阻尼单元，所述惯容单元和颗粒阻尼单元之间通过连接弹簧(7)连接，所述固定板(3)通过齿轮组(2)与惯容单元连接，并带动惯容单元移动。与现有技术相比，本发明复合了多种耗能减震措施，具备较好的耗能能力和适应性。

Description

一种利用惯容的颗粒阻尼器
技术领域
本发明涉及土木工程结构振动控制领域，具体涉及一种利用惯容的颗粒阻尼器。
背景技术
强震和飓风一直在威胁着人类的生存，带给人们灾难。随着经济发展和城市化进程加速，土木工程结构朝着高度更高，跨度更大，结构更复杂的方向发展，随之而来的是一旦强震和飓风到来，将有可能带来更加重大的社会经济损失。因此，最大限度地减轻震灾与风灾造成的损失，是人类必须解决的一个重要问题。为了确保工程结构的安全性及与建筑，环境和使用要求的协调性，结构振动控制技术作为一种安全、经济、有效的措施便成了当前最佳选择之一。
传统的颗粒阻尼器是一种简单而高效的被动控制装置，利用固体颗粒与主体结构碰撞时引起的动量交换和能力耗散来减小系统的振动，具备耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感、易于在恶劣环境中使用等优点。但是由于其复杂的非线性特性，导致我们在使用的时候无法做到很好的优化和数值模拟。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有更强减震能力的利用惯容的颗粒阻尼器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种利用惯容的颗粒阻尼器，该颗粒阻尼器包括固定在地面上的固定板、滑动放置在底面上的惯容单元和颗粒阻尼单元，所述惯容单元和颗粒阻尼单元之间通过连接弹簧连接，所述固定板通过齿轮组与惯容单元连接，并带动惯容单元移动。连接弹簧采用超弹性记忆合金材料制成，满足在常温下恢复初始形状的能力。本发明引入了惯容系统，实现了对外界激励的放大，通过该放大措施，使得颗粒之间的碰撞次数增加，同时使得颗粒的运动行程增加，大幅增加了颗粒以颗粒流形式运动的概率，使得颗粒阻尼单元能够具备更有的耗能减震能力。另外，本发明的颗粒阻尼器具有多种耗能机制，包括惯容单元内部耗能、连接弹簧耗能、颗粒阻尼单元内颗粒自身碰撞耗能、颗粒与颗粒阻尼单元外壳碰撞耗能等，根据振动程度的强弱，该颗粒阻尼器会采取对应的耗能措施，耗能效果稳定。
所述的惯容单元包括外盒和连杆，所述外盒两个相对的侧壁上设有铰接杆，所述齿轮组套设在铰接杆上，所述连杆的顶部设有水平设置的顶杆，所述顶杆的下表面与齿轮组啮合，本发明的铰接杆设有2根，防止齿轮组与外盒之间产生相互错动，铰接杆的材料可采用Q235钢。
所述的齿轮组包括同轴固定的一号齿轮和二号齿轮、同轴固定的三号齿轮和四号齿轮，所述一号齿轮和二号齿轮同轴套设在一根铰接杆上，所述三号齿轮和四号齿轮同轴套设在另一根铰接杆上，所述二号齿轮和三号齿轮啮合，所述一号齿轮与固定板的上表面啮合，所述四号齿轮与顶杆的下表面啮合。固定板作为惯容单元能量的输入端，其材料可采用Q235钢；连杆(即顶杆)作为惯容单元的输出端，通过齿轮组将由固定板输入的位移(加速度)通过放大之后输出给颗粒阻尼单元，连杆的材料为Q235钢。
所述的一号齿轮的直径小于二号齿轮，所述三号齿轮的直径小于四号齿轮。该齿轮组的设计，能满足该惯容单元所要求的位移放大系数。
所述的连杆呈L型，包括一个竖直杆和一根水平的顶杆，所述顶杆的两端设有竖直布置的固定弹簧，所述固定弹簧的下端与地面固定，所述竖直杆的底部滑动放置在地面上。设置固定弹簧有两个作用，第一个作用是给连杆一个向下的拉力，使得连杆中顶杆的底部不会与四号齿轮脱离；第二个作用是当连杆和地面发生水平位置上的错动时，固定弹簧会发生形变，从而消耗部分能量。固定弹簧采用超弹性记忆合金材料制成，满足在常温下恢复初始形状的能力。
所述的竖直杆的底部设有滚轮，所述外盒的底部设有滚轮，该设置便于外盒和连杆在地面上产生相对滑动，外盒可采用铁、铜等材料。
所述的竖直杆的底部设有滚轮，所述外盒的底部设有滚轮。
所述的颗粒阻尼单元包括颗粒腔以及水平固定在颗粒腔内的若干块刚性底板，所述颗粒腔每个腔体内均设置一圆柱筒，所述颗粒腔的两个相对的侧壁上分别设有柔性侧板，所述圆柱筒内填充一层球形颗粒。柔性侧壁采用超弹性记忆合金制作而成，满足在较大地震作用下可以产生较大的变形；刚性底板的刚性较大，在地震作用下不会产生变形，可采用Q235钢；颗粒可采用恢复系数较大的材料，如钢等。
每个所述的圆柱筒内颗粒的填充率为85％～95％，所述填充率＝(圆柱筒内颗粒的数目/圆柱筒内可容纳单层排列颗粒的数目)*100％。
所述的刚性底板的数量为3～5块。
所述的颗粒腔的底部设有滚轮。
当待减震建筑水平振动时，若振动程度较小，则通过两个固定弹簧以及颗粒腔内的颗粒之间的相互碰撞来耗能；当振动程度较大时，则出了上述的减震耗能措施之外，还有颗粒腔内的4层腔体之间的由超弹性记忆合金所制成的柔性侧壁变形耗能。具备多重耗能机制，耗能效果稳定。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)通过引入惯容系统，使得颗粒阻尼系统能够在较小的外解激励下同样起到较好的作用，同时由于颗粒阻尼系统往复运动的行程增大，使得颗粒能够更早的实现以颗粒流的形式运动，一定程度上减小了其非线性特性，大幅增强了颗粒阻尼器的消能减震的能力；
(2)通过引入两个记忆合金制作的固定弹簧以及柔性侧板，使得它们同样具备了较好的耗能减震的能力，满足了整个装置在较小振动作用下的消能减震能力，同样该记忆合金弹簧的耗能能力在惯容系统的作用下得到的一定的提升。
附图说明
图1为本发明一种利用惯容的颗粒阻尼器的正视图；
图2为本发明一种利用惯容的颗粒阻尼器的左视图。
其中，1为外盒，2为齿轮组，21为一号齿轮，22为二号齿轮，23为三号齿轮，24为三号齿轮，3为固定板，4为铰接杆，5为连杆，6为固定弹簧，7为连接弹簧，8为颗粒腔，9为颗粒，10为柔性侧板，11为刚性底板，12为圆柱筒。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种利用惯容的颗粒阻尼器，该阻尼器可固定于待减震结构的顶部，其结构如图1、图2所示。在本实施例1中，外盒1的最大长宽为：220×170mm，厚度取10mm，其内中空，底部滑轮的尺寸为R15×10mm，四个齿轮组2的内径分别为35mm、75mm、35mm和65mm，厚度为20mm，固定板3的厚度为20mm，最大高度和最大宽度为62mm和50mm，连杆5的尺寸为600×32×200×45，厚度为20mm，其余尺寸可依据比例得出，颗粒腔8的尺寸为255×150mm，刚性底板11厚度取20mm，颗粒9直径为7.5mm，圆柱筒12直径为120mm，高度为45mm。
外盒1、齿轮组2、铰接杆4、连杆5和固定弹簧6共同组成惯容单元，颗粒腔8、颗粒9、柔性侧板10、刚性底板11和圆柱筒12共同组成颗粒阻尼单元，两个单元通过连接弹簧7连接。齿轮组2包括一号齿轮21、二号齿轮22、三号齿轮23、四号齿轮24，二号齿轮22和三号齿轮23啮合，一号齿轮21和二号齿轮22同轴且同步转动，三号齿轮23和四号齿轮24同轴且同步转动。其中固定板3通过螺栓与地面设置，而外盒1、连杆5和颗粒腔8均通过滑轮与地面接触。在惯容单元中，固定板3与一号齿轮21咬合，作为位移(加速度)输入端，连杆5与四号齿轮24咬合，最为位移(加速度)输出端，二者之间存在位移(加速度)的放大。同时连杆5通过左右两个固定弹簧6与地面连接，以保证其与齿轮组2之间的咬合，同时该记忆合金材质的固定弹簧6可以起到耗能的效果，连杆5将放大后的位移(加速度)传递给连接弹簧7，进而传递给颗粒阻尼单元。
当待减震结构水平振动时，若振动程度较小，则通过两个固定弹簧6以及颗粒腔8内的颗粒9之间的相互碰撞来耗能；当振动程度较大时，则除了上述的减震耗能措施之外，还有4层颗粒腔8内的柔性侧板10变形耗能，具备多重耗能机制，耗能效果稳定。

Claims (11)

1.一种利用惯容的颗粒阻尼器，其特征在于，该颗粒阻尼器包括固定在地面上的固定板(3)、滑动放置在底面上的惯容单元和颗粒阻尼单元，所述惯容单元和颗粒阻尼单元之间通过连接弹簧(7)连接，所述固定板(3)通过齿轮组(2)与惯容单元连接，并带动惯容单元移动。
2.根据权利要求1所述的一种利用惯容的颗粒阻尼器，其特征在于，所述的惯容单元包括外盒(1)和连杆(5)，所述外盒(1)两个相对的侧壁上设有铰接杆(4)，所述齿轮组(2)套设在铰接杆(4)上，所述连杆(5)的顶部设有水平设置的顶杆，所述顶杆的下表面与齿轮组(2)啮合。
3.根据权利要求2所述的一种利用惯容的颗粒阻尼器，其特征在于，所述的齿轮组(2)包括同轴固定的一号齿轮(21)和二号齿轮(22)、同轴固定的三号齿轮(23)和四号齿轮(24)，所述一号齿轮(21)和二号齿轮(22)同轴套设在一根铰接杆(4)上，所述三号齿轮(23)和四号齿轮(24)同轴套设在另一根铰接杆(4)上，所述二号齿轮(22)和三号齿轮(23)啮合，所述一号齿轮(21)与固定板(3)的上表面啮合，所述四号齿轮(24)与顶杆的下表面啮合。
4.根据权利要求3所述的一种利用惯容的颗粒阻尼器，其特征在于，所述的一号齿轮(21)的直径小于二号齿轮(22)，所述三号齿轮(23)的直径小于四号齿轮(24)。
5.根据权利要求2所述的一种利用惯容的颗粒阻尼器，其特征在于，所述的连杆(5)呈L型，包括一个竖直杆和一根水平的顶杆，所述顶杆的两端设有竖直布置的固定弹簧(6)，所述固定弹簧(6)的下端与地面固定，所述竖直杆的底部滑动放置在地面上，所述固定弹簧(6)采用超弹性记忆合金材料制成。
6.根据权利要求5所述的一种利用惯容的颗粒阻尼器，其特征在于，所述的竖直杆的底部设有滚轮，所述外盒(1)的底部设有滚轮。
7.根据权利要求1所述的一种利用惯容的颗粒阻尼器，其特征在于，所述的竖直杆的底部设有滚轮，所述外盒(1)的底部设有滚轮。
8.根据权利要求1所述的一种利用惯容的颗粒阻尼器，其特征在于，所述的颗粒阻尼单元包括颗粒腔(8)以及水平固定在颗粒腔(8)内的若干块刚性底板(11)，所述颗粒腔(8)每个腔体内均设置一圆柱筒(12)，所述颗粒腔(8)的两个相对的侧壁上分别设有柔性侧板(10)，所述圆柱筒(12)内填充一层球形颗粒(9)。
9.根据权利要求8所述的一种利用惯容的颗粒阻尼器，其特征在于，每个所述的圆柱筒(12)内颗粒(9)的填充率为85％～95％，所述填充率＝(圆柱筒(12)内颗粒(9)的数目/圆柱筒(12)内可容纳单层排列颗粒(9)的数目)*100％。
10.根据权利要求8所述的一种利用惯容的颗粒阻尼器，其特征在于，所述的刚性底板(11)的数量为3～5块。
11.根据权利要求8所述的一种利用惯容的颗粒阻尼器，其特征在于，所述的颗粒腔(8)的底部设有滚轮。
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