CN109811922B - 一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统 - Google Patents

一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统，该系统能够实现水平管道及垂直管道的减振，结合了双重调谐质量阻尼器及颗粒阻尼器的优点，并加以改进。对于水平管道，通过轴承、预紧弹簧、单摆颗粒容器运动实现水平管道的一重调谐，通过单摆颗粒容器内的颗粒来回摆动实现水平管道的二重调频、耗能；对于竖直管道，通过底托、滑盘及滚珠托住水平颗粒容器使其可在任意方向滑动，通过水平颗粒容器及预紧弹簧实现竖直管道的一重调频，通过阻尼颗粒在水平滑槽内来回滑动实现二重调频、耗能。本减振系统构造简单，调频范围广，对结构刚度发生摄动的鲁棒性较好，具有更好的减振效果。

Description

一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统
技术领域
本发明涉及一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统，属于结构(包括管道类结构、柔性杆结构等)减震及抗风技术领域。
背景技术
结构振动控制按外部能源输入分类方法分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。被动控制原理简单易懂，减振机理清晰明确且无需输入外部能量，因而在工程中得以广泛的应用和发展。在被动控制系统中，附加的机构、设备和构件通过自身弯曲、摩擦、破坏等方式吸收和耗散结构大量的振动能量，使主体结构动力反应逐渐衰减，从而达到保护被控结构安全的目的。这些附加的装置是非承重构件，不承担结构的荷载，其作用仅在于通过自身的耗能方式消耗、吸收被控结构动力反应的能量，因此其破坏与否，并不对结构的承载能力和安全性有任何影响。所以，被动控制是一种安全可靠且经济可行的振动控制方法。颗粒阻尼器作为一种新型的被动消能减振装置，具有减振效果好、调频宽、布置灵活、造价低廉、使用寿命长且具有耗能与调谐功能的综合型阻尼器，逐渐成为结构减振领域的研究热点。
颗粒阻尼器虽然具有较多减振优点，但颗粒阻尼器具有起振慢的缺点，阻尼器颗粒的起振与否对其减振控制效果影响显著，通过将颗粒阻尼器与一般调谐质量阻尼器结合构造二重调谐颗粒减振器能够大大改善颗粒阻尼器减振缺点，并且调频宽度及减振效果更优。
发明内容
为了减小管道类结构及柔性杆结构在风荷载及其他影响因素作用下产生的振动，从而减小对结构安全性、适应性及耐久性的影响，本文发明了一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统，该系统能够实现水平管道及垂直管道的减振，结合了双重调谐质量阻尼器及颗粒阻尼器的优点，并加以改进。对于水平管道，通过轴承、预紧弹簧、单摆颗粒容器运动实现水平管道的一重调谐，通过单摆颗粒容器内的颗粒来回摆动实现水平管道的二重调频、耗能；对于竖直管道，通过底托、滑盘及滚珠托住水平颗粒容器使其可在任意方向滑动，通过水平颗粒容器及预紧弹簧实现竖直管道的一重调频，通过阻尼颗粒在水平滑槽内来回滑动实现二重调频、耗能。本减振系统构造简单，调频范围广，对结构刚度发生摄动的鲁棒性较好，具有更好的减振效果。
为了实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案。
本文发明的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统，包括水平管道双重调谐颗粒减振器1及竖直管道双重调谐颗粒减振器11。
水平管道双重调谐颗粒减振器1包括单摆颗粒容器2、颗粒a 3.1、预紧弹簧a 4.1、轴承5和弹簧限位槽a 6.1；轴承5由轴承内轨道8、滚珠a 9.1及轴承外轨道10组成；单摆颗粒容器2带有弧形滑槽7。竖直管道双重调谐颗粒减振器11包括预紧弹簧b 4.2、弹簧限位槽b6.2、弹簧传力内壁13、颗粒b 3.2、水平颗粒容器14、槽盖12、带万向槽18的滑盘15、滚珠b9.2、底托16及螺栓17；水平颗粒容器14带有水平滑槽19。
水平管道双重调谐颗粒减振器1中的轴承5与水平管道21固结，单摆颗粒容器2通过弹簧限位槽a 6.1及预紧弹簧a 4.1与轴承5连接，颗粒a 3.1放置在弧形滑槽7内。竖直管道双重调谐颗粒减振器11通过滑盘15、底托16及螺栓17与竖直管道20连接，防止水平颗粒容器14下滑；滑盘15内设置万向槽18及滚珠b 9.2，水平颗粒容器14能够沿任意方向平动；水平颗粒容器14与竖直管道20之间通过弹簧限位槽b 6.2、预紧弹簧b 4.2及弹簧传力壁13与竖直管道20连接；颗粒b 3.2放置在水平滑槽19内并使用槽盖12密封水平滑槽19。
水平管道双重调谐颗粒减振器1通过预紧弹簧a 4.1及单摆颗粒容器2上下振动实现水平管道21沿垂直于管道上下振动时的一重调谐；通过弧形滑槽7内颗粒a 3.1上下运动时与单摆容器2碰撞吸收、耗散结构动能实现上下振动时的二重调谐；通过轴承5及单摆颗粒容器2来回摆动实现水平管道21沿垂直于管道左右振动时的一重调谐，通过弧形滑槽7内的颗粒a 3.1来回摆动时颗粒之间相互碰撞摩擦、颗粒与容器之间的碰撞摩擦、颗粒来回摆动实现二重调谐耗能。
竖直管道双重调谐颗粒减振器11通过水平颗粒容器14及预紧弹簧b 4.2沿垂直于竖直管道20方向来回平动实现竖直管道20的一重调谐，通过水平滑槽19内的颗粒b 3.2与容器之间的碰撞摩擦实现第二重调谐耗能作用。
弹簧限位槽a 6.1用以防止预压弹簧a 4.1平面外滑出，起到固定单摆颗粒容器2位置的作用；弹簧限位槽b 6.2用以防止预压弹簧b 4.2平面外滑出，并起到固定水平颗粒容器14位置的作用。
水平管道双重调谐颗粒减振器1放置在水平管道21振型位移最大的位置处，单摆颗粒容器2质量取为水平管道21支撑24间管路质量的1％～5％，调整预紧弹簧a 4.1刚度使单摆颗粒容器2竖向振动时自振频率与对应水平管道21竖向振型对应频率之比保持在0.9～1.1之间，调整扇形单摆颗粒容器2的形状确保单摆颗粒容器2来回摆动时的频率与对应水平管道21左右振动时振型频率的0.9～1.1之间，颗粒a 3.1总质量取为单摆颗粒容器2质量的10％～20％，调整弧形滑槽7位置使得颗粒a 3.1来回摆动时的振动频率与对应水平管道21左右振动时振型频率的0.6～1.0之间，调整弧形滑槽7对应的圆心角，使得颗粒的填充率在50％～85％之间，弧形滑槽7的上下高度取为颗粒a 3.1直径的1.2～1.5倍之间。
竖直管道双重调谐颗粒减振器11放置在竖直管道20振型位移最大位置处，水平颗粒容器14及槽盖12总质量取为竖直管道20两端支撑24之间管道净重的1％～5％，调整预紧弹簧刚度，使得水平颗粒容器14振动频率与竖直管道振动频率之比保持在0.9～1.1之间，水平滑槽19内放置颗粒b 3.2。
颗粒b 3.2总质量取为水平颗粒容器14及槽盖12总质量的10％～20％，调整水平滑槽19的尺寸，使得颗粒b 3.2的填充率在50％～85％之间。
颗粒a 3.1及颗粒b 3.2采用钢球或玻璃球。与现有技术相比，本发明的优点如下。
1)本发明通过容器配重来回摆动或与弹簧结合形成调谐质量阻尼器，实现对管道类结构或柔性结构的一重调频，通过阻尼颗粒碰撞调谐耗散结构能量实现减振器的二重调频耗能，该减振装置具有减振效果好、起振快、作用频带宽、造价低廉，无需维护和使用寿命长等诸多优点，通过合理布置可以实现多个振型的减振，具有更好的减振效果。
2)本发明结构简单、布置灵活，对不同形式管道排布都具有一定的适应性，因此适用范围更广。
附图说明
图1为本发明的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统中水平管道双重调谐颗粒减振器示意图；
图2为本发明的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统中水平管道双重调谐颗粒减振器部分剖切示意图；
图3为本发明的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统中水平管道双重调谐颗粒减振器组成部分示意图；
图4为本发明的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统中竖直管道双重调谐颗粒减振器示意图；
图5为本发明的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统中竖直管道双重调谐颗粒减振器部分剖切示意图；
图6为本发明的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统中竖直管道双重调谐颗粒减振器组成部分示意图；
图7为本发明的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统中竖直管道双重调谐颗粒减振器底部托盘示意图；
图8为本发明的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统在管道类结构中应用示意图；
图9为本发明的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统在信号灯等柔性杆件结构中的应用示意图。
图中：1—水平杆双重颗粒减震器、2—单摆颗粒容器、3.1—颗粒a、3.2—颗粒b、4.1—预紧弹簧a、4.2—预紧弹簧b、5—轴承、6.1—弹簧限位槽a、6.2—弹簧限位槽b、7—弧形滑槽、8—轴承内轨道、9.1—滚珠a、9.2—滚珠b、10—轴承外轨道、11—竖直杆双重颗粒减振器、12—槽盖、13—弹簧传力内壁、14—水平颗粒容器、15—滑盘、16—底托、17—螺栓、18—万向滑槽、19—水平滑槽、20—竖直管道、21—水平管道、22—水平杆、23—竖直杆、24—支撑。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图9所示，本减振系统由水平管道双重调谐颗粒减振器1及竖直管道双重调谐颗粒减振器11组成，水平管道双重调谐颗粒减振器通过预紧弹簧a 4.1及轴承5与水平杆22连接。竖直管道双重调谐颗粒减振器11放置在底托16上，并通过预紧弹簧b 4.2及弹簧传力内壁13与竖直杆23连接。
以某信号杆为例，对其进行模态分析，设水平杆22杆端左右摆动对应频率为w1；竖直杆23杆端左右摆动对应频率为w2；水平杆22杆端上下摆动频率为w3。将水平管道双重调谐颗粒减振器1放置在水平杆22的端部，并将轴承5与水平杆22固结。水平管道双重调谐颗粒减振器1的单摆颗粒容器2质量取水平杆22与竖直杆23总净质量的1％～5％，调整预紧弹簧a 4.1刚度使单摆颗粒容器2竖向振动时自振频率与振动频率w3比值保持在0.9～1.1之间，调整扇形单摆颗粒容器2的形状使其来回摆动时的频率与频率w1比值保持在0.9～1.1之间，阻尼颗粒a 3.1采用钢球，颗粒a 3.1总质量取为单摆颗粒容器2质量的10％～20％，调整弧形滑槽7位置使得颗粒a 3.1来回摆动时的振动频率与频率w1的比值保持在0.6～1.0之间，调整弧形滑槽7对应的圆心角，使得颗粒的填充率在50％～85％之间，调整弧形滑槽7的上下高度取为颗粒a 3.1直径的1.5倍。将竖直管道双重调谐颗粒减振器11通过底托16固定在竖直杆23的顶端。取水平颗粒容器14及槽盖12总质量为水平杆22与竖直杆23总净质量的1％～5％，调整预紧弹簧b 4.2刚度，使得水平颗粒容器14振动频率与频率w2之比保持在0.9～1.1之间，水平滑槽19内颗粒b 3.2采用钢球，颗粒总质量取为平颗粒容器14及槽盖12总质量的10％～20％，调整水平滑槽19的尺寸，使得颗粒填充率在50％～85％之间。

Claims (8)

1.一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统，其特征在于：
包括水平管道双重调谐颗粒减振器(1)及竖直管道双重调谐颗粒减振器(11)；
水平管道双重调谐颗粒减振器(1)包括单摆颗粒容器(2)、颗粒a(3.1)、预紧弹簧a(4.1)、轴承(5)和弹簧限位槽a(6.1)；轴承(5)由轴承内轨道(8)、滚珠a(9.1)及轴承外轨道(10)组成；单摆颗粒容器(2)带有弧形滑槽(7)；竖直管道双重调谐颗粒减振器(11)包括预紧弹簧b(4.2)、弹簧限位槽b(6.2)、弹簧传力内壁(13)、颗粒b(3.2)、水平颗粒容器(14)、槽盖(12)、带万向槽(18)的滑盘(15)、滚珠b(9.2)、底托(16)及螺栓(17)；水平颗粒容器(14)带有水平滑槽(19)；
水平管道双重调谐颗粒减振器(1)中的轴承(5)与水平管道(21)固结，单摆颗粒容器(2)通过弹簧限位槽a(6.1)及预紧弹簧a(4.1)与轴承(5)连接，颗粒a(3.1)放置在弧形滑槽(7)内；竖直管道双重调谐颗粒减振器(11)通过滑盘(15)、底托(16)及螺栓(17)与竖直管道(20)连接，防止水平颗粒容器(14)下滑；滑盘(15)内设置万向槽(18)及滚珠b(9.2)，水平颗粒容器(14)能够沿任意方向平动；水平颗粒容器(14)与竖直管道(20)之间通过弹簧限位槽b(6.2)、预紧弹簧b(4.2)及弹簧传力内壁(13)与竖直管道(20)连接；颗粒b(3.2)放置在水平滑槽(19)内并使用槽盖(12)密封水平滑槽(19)。
2.根据权利要求1所述的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统，其特征在于：
水平管道双重调谐颗粒减振器(1)通过预紧弹簧a(4.1)及单摆颗粒容器(2)上下振动实现水平管道(21)沿垂直于管道上下振动时的一重调谐；通过弧形滑槽(7)内颗粒a(3.1)上下运动时与单摆颗粒容器(2)碰撞吸收、耗散结构动能实现上下振动时的二重调谐；通过轴承(5)及单摆颗粒容器(2)来回摆动实现水平管道(21)沿垂直于管道左右振动时的一重调谐，通过弧形滑槽(7)内的颗粒a(3.1)来回摆动时颗粒之间相互碰撞摩擦、颗粒与容器之间的碰撞摩擦、颗粒来回摆动实现二重调谐耗能。
3.根据权利要求1所述的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统，其特征在于：竖直管道双重调谐颗粒减振器(11)通过水平颗粒容器(14)及预紧弹簧b(4.2)沿垂直于竖直管道(20)方向来回平动实现竖直管道(20)的一重调谐，通过水平滑槽(19)内的颗粒b(3.2)与容器之间的碰撞摩擦实现第二重调谐耗能作用。
4.根据权利要求1所述的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统，其特征在于：弹簧限位槽a(6.1)用以防止预压弹簧a(4.1)平面外滑出，起到固定单摆颗粒容器(2)位置的作用；弹簧限位槽b(6.2)用以防止预压弹簧b(4.2)平面外滑出，并起到固定水平颗粒容器14位置的作用。
5.根据权利要求1所述的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统，其特征在于：水平管道双重调谐颗粒减振器(1)放置在水平管道(21)振型位移最大的位置处，单摆颗粒容器(2)质量取为水平管道(21)的支撑(24)间管路质量的1％～5％，调整预紧弹簧a(4.1)刚度使单摆颗粒容器(2)竖向振动时自振频率与对应水平管道(21)竖向振型对应频率之比保持在0.9～1.1之间，调整扇形单摆颗粒容器(2)的形状确保单摆颗粒容器(2)来回摆动时的频率与对应水平管道(21)左右振动时振型频率的0.9～1.1之间，颗粒a(3.1)总质量取为单摆颗粒容器(2)质量的10％～20％，调整弧形滑槽(7)位置使得颗粒a(3.1)来回摆动时的振动频率与对应水平管道(21)左右振动时振型频率的0.6～1.0之间，调整弧形滑槽(7)对应的圆心角，使得颗粒的填充率在50％～85％之间，弧形滑槽(7)的上下高度取为颗粒a(3.1)直径的1.2～1.5倍之间。
6.根据权利要求1所述的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统，其特征在于：竖直管道双重调谐颗粒减振器(11)放置在竖直管道(20)振型位移最大位置处，水平颗粒容器(14)及槽盖(12)总质量取为竖直管道(20)两端的支撑(24)之间管道净重的1％～5％，调整预紧弹簧刚度，使得水平颗粒容器(14)振动频率与竖直管道振动频率之比保持在0.9～1.1之间，水平滑槽(19)内放置颗粒b(3.2)。
7.根据权利要求1所述的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统，其特征在于：颗粒b(3.2)总质量取为水平颗粒容器(14)及槽盖(12)总质量的10％～20％，调整水平滑槽(19)的尺寸，使得颗粒b(3.2)的填充率在50％～85％之间。
8.根据权利要求1所述的一种管道类结构的双重调谐颗粒减振系统，其特征在于：颗粒a(3.1)及颗粒b(3.2)采用钢球或玻璃球。
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