CN109853764B - 采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程结构耗能减震技术领域，提供一种采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器，包括往复丝杆、磁体盘、导体盘、永磁体、丝杆螺母、轴承支座。本发明利用了往复丝杆在整个行程上同时布置了两条螺距相同、旋向相反的螺纹的特点，配套一对磁体盘、导体盘成对设置，且使电涡流效应的作用力矩与反作用力矩同时作用在往复丝杆上并互相抵消；不但一方面可以实现阻尼系数的简单易调、阻尼与刚度完全分离；而且另一方面还具有普通螺旋转动阻尼器所不具有的自平衡性能；并且由于磁体盘、导体盘一同旋转作用在往复丝杆上，转动效应互相抵消，同时纵轴向力得到了两倍的放大，进而使电涡流效应得到了两倍的放大，获得了更高的阻尼系数。

Description

采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器

技术领域

本发明属于工程结构耗能减震技术领域，尤其涉及一种采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器。

背景技术

工程结构耗能减震技术，是在结构上附加消能减振装置，通过附加减振装置的耗能作用从而减小结构本身的动力响应，保证了结构的安全性、舒适性和正常使用性等功能要求。

目前，电涡流阻尼器主要作为调谐质量阻尼器的阻尼元件正逐步应用在土木工程结构的振动被动控制领域。

电涡流阻尼器作为新型高效的结构被动振动控制手段，是一种利用电涡流的阻尼效应制成的耗能减振装置，具有非接触、无机械性摩擦和损耗、无须润滑、使用寿命长、和易安装等优点。主要利用齿轮齿条或螺纹丝杆等方式，将结构的层间位移转换为飞轮的转动，以实现惯性增效和阻尼增效。通常的设计是丝杆上设置一个飞轮，在飞轮转动过程中对丝杆产生扭矩，需要将丝杠固定在支座上，而且要保证惯容阻尼器两端的位移仅发生在轴线上，这对惯容阻尼器两端支座的要求很高。

电涡流阻尼的产生必须要有导体板作切割磁感线运动，即磁场源和导体板之间存在相对运动，产生的电磁力大小与相对运动速度大小成正比，故提高相对速度的放大效应一直是电涡流阻尼器的设计关键。传统电涡流阻尼器中板式和摆式都直接将层间位移转化为导体板和永磁体之间的相对直线运动，所提供的速度放大效应有限。而将直线运动转化成旋转运动的旋转式电涡流阻尼器可以提供一定的放大系数，螺旋传动由于其拥有较好的将直线运动转化为转动的放大效应，已开始被运用在旋转式电涡流阻尼器中，但必须使用定子和转子，一般把磁场源作为定子的部分，运动的导体板作为转子部分，当然也可以把磁场源放在转子上，将导体板固定。不论转子和定子如何分配，始终必须有制动扭矩限制定子的转动，否则工作过程中产生的电涡流力的反作用力必定会使定子转动。

近年来，针对结构的快速地震康复策略受到了业内的关注，使用中心消能构件配合纯拉力系统来快速提高结构的抗震性能成为了一种较好的方法。纯拉力系统具有安装和调试方便、造价便宜、受力清晰、自动重定心、消除补充负载单元破坏概率等特点。中心消能构件纯拉力系统是一种较好的满足快速抗震加固需求的阻尼器安装方式，若能将电涡流阻尼器引入该系统加以运用将更好地发挥电涡流阻尼器的易安装性能，但由于拉索对中心消能构件只能提供拉力无法限制转动，对电涡流阻尼器提出了轻型化、自平衡等性能要求，板式、摆式阻尼器显然都不符合要求，目前已有丝杆旋转式电涡流阻尼器虽然已具有一定的速度放大能力，但由于螺纹丝杆式旋转电涡流阻尼器必须同时使用固定端限制丝杆和定子的转动，才能使阻尼器发挥作用，这一点使得它无法运用在纯拉力系统中，拉索的连接无法提供这样的制动力矩。因此，基于拉索的纯拉力系统对阻尼器提出了轻质、自平衡、可复位性能的要求。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器，安装在结构中起抗震耗能的作用，其能够充分利用构件之间的连接关系进行层间相对位移的转换，通过将结构的水平位移转化为阻尼器内部结构的旋转运动进行控制，全程交叉布置的正反向螺纹提供整个丝杆作为工作行程，从而达到惯性增效、阻尼增效的目的；同时通过往复丝杆使阻尼器两侧导体盘，磁体盘始终以相反转动方向绕轴线做转动，电磁力和电磁力反作用力以等量相反方向作用在丝杆上，绕轴转动方向上的扭矩互相抵消，实现了丝杆的自平衡性能。同时放松阻尼器两端的安装要求，可应用于纯拉力系统中。

为实现上述目标，本发明提供了如下技术方案:

一种采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器，包括往复丝杆、磁体盘、导体盘、永磁体、丝杆螺母、轴承支座；往复丝杆为设置有正、反牙螺纹的双向螺纹丝杆，正、反牙螺纹在往复丝杆的全程交叉布置；往复丝杆在其正牙螺纹和反牙螺纹上分别啮合传动连接一个丝杆螺母；磁体盘、导体盘各自支撑于一个丝杆螺母上，且磁体盘和导体盘能够分别跟随两个丝杆螺母进行转动和平动；两个丝杆螺母分别固定连接一个轴承支座；磁体盘在与导体盘相对的面上均匀设置有若干永磁体，以使导体盘、磁体盘的转动惯量相等性。

在优选的实施方式中，所述往复丝杆的左右两端部设置有合适的安装孔洞，用以与结构连接，并适应不同的工程需要。

进一步，所述往复丝杆的两端设计为带中心通孔的半圆形扁位，以适应夹具夹紧和钢索连接两种连接方式。

进一步，所述自平衡式惯容阻尼器的磁体盘与导体盘还可作为惯性单元增效机构，通过调节磁体盘与导体盘的转动惯量来确定，具体应根据实际设计需要而定。

所述导体盘、磁体盘为大小相同的圆形盘。磁体盘上布置的永磁体的数量和材料可根据实际工程对耗能的需要确定。导体盘为永磁体盘，且其材质可以采用导电效应较好的铜或铝。

进一步，所述往复丝杆的直径与导程一致。

在优选的实施方式中，永磁体可参考性使用采用磁性最强的钕铁硼材质。

进一步，所述磁体盘和导体盘的距离可以通过轴承支座进行调节，达到对电涡流阻尼调节的目的。

本发明利用了往复丝杆在整个行程上同时交叉布置了两条螺距相同、旋向相反的螺纹的特点，配套一对磁体盘、导体盘使两盘互为转子定子，电涡流效应的作用力矩与反作用力矩同时作用在往复丝杆上并互相抵消，使之达到自平衡。该采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器一方面可以实现阻尼系数的简单易调、阻尼与刚度完全分离；另一方面，还具有普通螺旋转动阻尼器所不具有的自平衡性能，并且由于磁体盘、导体盘一同旋转作用在往复丝杆上，转动效应互相抵消，同时纵轴向力得到了两倍的放大，故电涡流效应得到了两倍的放大，获得了更高的阻尼系数。

当结构遭遇震动时，结构位移通过拉索或夹具传到往复丝杆，转化为往复丝杆水平运动，进而通过往复丝杆上设置的正、反牙螺纹带动丝杆螺母及丝杆螺母上安装的磁体盘、导体盘在各自螺纹上转动。当磁体盘、导体盘相对于往复丝杆往同方向直线运动，以相反转动方向绕轴线做转动时，电磁力和电磁力反作用力以等量相反方向作用在往复丝杆上，绕轴转动方向上的扭矩互相抵消，实现了往复丝杆的自平衡性能。同时由于往复丝杆通长上等距交叉布置有正、反牙螺纹，其工作行程相对于正反牙丝杆两倍。

本发明的创新之处体现在：

(1)自平衡性。由于磁体盘和导体盘安装的螺母分别在方向相反的螺纹上运动，所以当它们在轴线上直线运动往同一个方向运动时，轴承保证了它们之间直线距离不变，当它们相对于往复丝杆往同方向直线运动时，两盘会以相反转动方向绕轴线做转动，这样的相反运动使得两盘之间形成两倍的相对角位移供电涡流效应发挥作用，同时两盘之间电磁力和电磁力反作用力以等量相反方向作用在丝杆上，在轴线方向上共同作用形成两倍的阻尼力效应，在绕轴转动方向上又互相抵消保持了丝杆的平衡。

(2)本发明利用了往复丝杆，往复丝杆拥有整个行程同时布置两条螺距相同、旋向相反的螺纹的特点，具有全程可工作特点配套一对导体磁体盘，导体磁体盘使两盘互为转子定子，电涡流效应的作用力矩与反作用力矩同时作用在丝杆上，大小相对互相抵消，使之达到自平衡，安装上无需固定丝杆，可应用于纯拉力系统。

(3)往复丝杆的设计能够获得相比普通螺纹丝杆旋转式电涡流阻尼器两倍的电涡流放大效应，并且使导体盘和磁体盘能够共同发挥惯容阻尼器效应，且正、反牙螺纹在往复丝杆上等距交叉通长布置，两个丝杆螺母都可以在全行程上任何位置工作，但往复丝杆直径和导程不可以相差太大以防脱轨。

本发明采用的以上技术方案，与现有技术相比，作为举例而非限定，具有以下的有益效果：

1.本发明由往复丝杆、磁体盘、导体盘、永磁体、丝杆螺母、轴承支座组成，往复丝杆丝杆整个行程同时交叉布置旋向相反螺纹，通过丝杆螺母连接的磁体盘与导体盘始终发生相对转动，消除了传统惯容系统中对定子的需求。

2.磁体盘与导体盘成对布置，通过保持磁体盘与导体盘的转动惯量一致，可以使往复丝杆丝杆受到的合力矩为零，在阻尼器工作过程中往复丝杆始终处于自平衡状态，在阻尼器工作过程中无需对丝杠的转动方向进行约束，可将该平衡式惯容阻尼器可以应用在纯拉力的系统上，且采用预应力钢绞线进行安装，对支座的要求不高，方便安装。

3.同时本发明的阻尼来源采用了电涡流阻尼，不依靠机械摩擦耗能，也不存在密封问题，与结构无直接接触，无机械性磨擦和损耗，耐久性好，加工安装方便。

4.磁体盘与导体盘具有双重作用，一方面通过控制转动惯量可实现惯性增效，另一方面，通过设定磁体盘上布置的永磁体的数量和材料及磁体盘与导体盘的距离可调节电涡流阻尼力的大小，实现对阻尼的自由调节以满足不同工程项目的需要。

5.往复丝杆的全程可工作性的特点，能够在相同规格下获得相比普通螺纹丝杆旋转式惯容阻尼器两倍的电涡流放大效应。

6.本发明适用于中心消能构件纯拉力系统，在结构中用钢索连接的方式来传递结构局部相对位移给惯容阻尼器，具有安装快速、调试方便、造价便宜和受力清晰的优点，且震后可通过拉索的张紧状态快速评估阻尼器工作状态，及是否需更换相关构件，大大提高了阻尼器的耐久性和工程实用性，具有很好的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器的轴侧分解图；

图2为本发明实施例提供的往复丝杆的轴测图；

图3为本发明实施例提供的为丝杆螺母的轴测图；

图4为本发明实施例提供的导体盘的轴测图；

图5为本发明实施例提供的磁体盘的轴测图；

图6为本发明实施例提供的采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器的正视图。

附图标记说明

1-往复丝杆、2-磁体盘、21-第一丝杆贯通孔、22-第一螺栓孔、3-导体盘、31-第二丝杆贯通孔、32-第二螺栓孔、4-永磁体、5-丝杆螺母、51-第三丝杆贯通孔、52-第三螺栓孔、6-轴承支座。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。

如图1至图6所示，本发明提供一种采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器，包括往复丝杆1、磁体盘2、导体盘3、永磁体4、丝杆螺母5、轴承支座6。

其中，往复丝杆1为设置有正、反牙螺纹的双向螺纹丝杆，正、反牙螺纹在往复丝杆1上全程交叉布置；往复丝杆1在其正牙螺纹和反牙螺纹上分别设置有一个对应螺纹的丝杆螺母5，两个丝杆螺母5分别与往复丝杆1的正牙螺纹和反牙螺纹啮合传动连接；磁体盘2支撑于正牙螺纹的丝杆螺母5上，导体盘3支撑于反牙螺纹的丝杆螺母5上，且磁体盘2和导体盘3能够分别跟随两个丝杆螺母5进行转动和平动；此外，磁体盘2在与导体盘3相对的面上均匀设置有若干永磁体4，以满足导体盘3、磁体盘2的转动惯量相等，进而满足此自平衡式惯容阻尼器的自平衡性；同时，两个丝杆螺母5分别固定连接一个轴承支座6，两个轴承支座6分别位于自平衡式惯容阻尼器的两端，作为整个自平衡式惯容阻尼器的支座，并且轴承支座6还可以用于限制之间的相对直线运动，调节导体盘3、磁体盘2相对距离。但允许导体盘3、磁体盘2能够进行相对转动。

进一步，在往复丝杆1的左右两端部设置有合适的安装孔洞，用以与结构连接，并适应不同的工程需要；在优选的实施方式中，往复丝杆1的两端可以设计为带中心通孔的半圆形扁位，以适应夹具夹紧和钢索连接两种连接方式。

进一步，导体盘3、磁体盘2可以为大小相同的圆形盘。磁体盘2可以采用Q235铁盘，一方面铁盘可以通过磁吸的方式方便地固定永磁体4，同时铁盘作为导磁材质还能够发挥导磁体的作用，加大永磁体4的磁感应强度。导体盘3为永磁体盘，且其材质可以采用导电效应较好的铜或铝。

进一步，在永磁体4数量不变的条件下，永磁体4的设置位置可适当调整，但所有永磁体4应均匀布设。在优选的实施方式中，永磁体4可以选用磁性最强的钕铁硼材质；理论上讲，永磁体磁性越强，电涡流阻尼越大。

进一步，在本实施例中，磁体盘2的中心开设有第一丝杆贯通孔21，在第一丝杆贯通孔21周围开设有若干第一螺栓孔22；在导体盘3的中心开设有第二丝杆贯通孔31，在第二丝杆贯通孔32周围开设有若干第二螺栓孔32；在丝杆螺母5的中心开设有第三丝杆贯通孔51，在丝杆螺母5的端面上开设有第三螺栓孔52；在轴承支座6上开设有第四丝杆贯通孔。

其中，磁体盘2、导体盘3、丝杆螺母5、轴承支座6的贯通孔的孔位相对应，且磁体盘2、导体盘3、丝杆螺母5、轴承支座6均通过各自的贯通孔套设在往复丝杆1上，同时磁体盘2、导体盘3、丝杆螺母5、轴承支座6的转动中心均与往复丝杆1同轴设置，且其中一个丝杆螺母5啮合传动连接在往复丝杆1的正牙螺纹，另一个丝杆螺母5啮合传动连接在往复丝杆1的反牙螺纹。

进一步，一个丝杆螺母5端面的螺栓孔与磁体盘2的螺栓孔的孔位和尺寸相匹配，磁体盘2与该丝杆螺母5的端面之间采用螺栓连接；另一个丝杆螺母5端面的螺栓孔与导体盘3的螺栓孔的孔位和尺寸相匹配，导体盘3与该丝杆螺母5的端面之间采用螺栓连接；同时两个丝杆螺母5的外端各自与一个轴承支座6固定连接。

通常，单向螺纹丝杆具有丝杆摩擦阻力小、导程小的优点，虽然可以获得更大放大系数，但是由于磁体盘2、导体盘3以相反方向运动以切割磁感产生电涡流阻尼力，连接磁体盘2、导体盘3的两个丝杆螺母5必须在两段不同螺纹上工作。

本发明中，往复丝杆1为螺纹丝杆，整个行程同时全程交叉布置两条螺距相同、旋向相反的螺纹。往复丝杆1具有全行程可工作的优点，正牙螺纹、反牙螺纹在全行程上交叉布置，两个丝杆螺母5都可以在全行程上任何位置工作。但是由于往复丝杆1在正牙螺纹、反牙螺纹交替处有交叉点，丝杆螺母5运行时容易产生卡顿造成额外摩擦，且导程(螺纹沿丝杆绕圆截面上升一周的轴向距离)大小受到限制；因此，往复丝杆1应满足直径与导程相近以防止卡顿。

本发明提供的自平衡式惯容阻尼器无需外部能源输入，永磁体4数量与磁场强度线性相关，同等条件下，磁场越强则阻尼力越大，因此永磁体4具体数量可根据所需要进行调整。

本发明提供的采用往复丝杆的自平衡惯容阻尼器在工作时，阻尼器的固定安装较为灵活，可通过拉索或夹具与结构牢固连接。当结构发生振动时，通过将结构的水平位移转为往复丝杆转动，进而转为磁体盘2、导体盘3角位移，并通过往复丝杆1的正、反牙螺纹使磁体盘2、导体盘3以相反方向转动，从而将角位移进行两倍效应的放大。本发明利用的振动消能方式是采用往复丝杆的自平衡惯容阻尼器的惯容效应和电涡流效应。该采用往复丝杆的自平衡惯容阻尼器发挥效应时，导体盘3在永磁体4形成的磁场中旋转，切割磁感线，在导体盘3中产成了抑制结构振动的电涡流，形成了阻尼器耗能所需的阻尼力，阻尼力与导体盘3的转动速度成线性关系，且本发明所述的采用往复丝杆的自平衡惯容阻尼器由于导体盘3、磁体盘2双向转动可放大阻尼效果，在往复丝杆1全程可工作性特点下，阻尼器可以获得更好的行程和阻尼效果。

综上，本发明通过往复丝杆产生相互转动的转子对，可以在扭矩上相互平衡，这样可以应用在纯拉力的系统上，采用预应力钢绞线进行安装，对支座的要求不高，且方便安装；本发明所采用的往复丝杆具有全程可工作性特点，具有更好地耗能减震效果；本发明采用了电涡流阻尼，不依靠机械摩擦耗能，也不存在密封问题，与结构无直接接触，无机械性磨擦和损耗，耐久性好，结构大大简化，加工安装方便；本发明采用永磁铁来提供形成电涡流所需的磁场，无需外界能源，就可实现较大的阻尼比，由永磁体和结构位移来提供阻尼力，无需润滑，易养护；本发明适用于中心消能构件纯拉力系统，采用在框架中用钢索悬吊轻型阻尼器来传递框架间横向振动位移给消能构件的方式，达到了快速安装、调试方便、造价便宜和受力清晰的效果。传统有丝杆旋转式电涡流阻尼器虽然已具有一定的速度放大能力，但必须依托定子和转子的相对运动进行工作，利用往复丝杆配套一对导体磁体盘，电涡流效应的作用力矩与反作用力矩同时作用在丝杆上互相抵消，使之可以达到自平衡。震后可通过拉索的张紧状态快速评估阻尼器工作状态，是否需更换相关构件；大大提高了阻尼器的耐久性和工程实用性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (6)

1.一种采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：包括往复丝杆(1)、磁体盘(2)、导体盘(3)、永磁体(4)、丝杆螺母(5)、轴承支座(6)；

所述往复丝杆(1)为设置有正、反牙螺纹的双向螺纹丝杆，在往复丝杆(1)整个行程上同时布置了两条螺距相同、旋向相反的螺纹；所述往复丝杆(1)在其正牙螺纹和反牙螺纹分别啮合传动连接一个丝杆螺母(5)；所述磁体盘(2)、导体盘(3)各自支撑于一个丝杆螺母(5)上，且磁体盘(2)和导体盘(3)能够分别跟随两个丝杆螺母(5)进行转动和平动；两个丝杆螺母(5)分别固定连接一个轴承支座(6)；

所述磁体盘(2)在与导体盘(3)相对的面上均匀设置有若干永磁体(4)，以使导体盘(3)、磁体盘(2)的转动惯量相等性;

所述自平衡式惯容阻尼器的磁体盘(2)与导体盘(3)还可作为惯性单元增效机构，通过调节磁体盘(2)与导体盘(3)的转动惯量来确定，具体应根据实际设计需要而定;

所述往复丝杆(1)的左右两端部设置有合适的安装孔洞，用以与结构连接，并适应不同的工程需要;

所述往复丝杆(1)的两端设计为带中心通孔的半圆形扁位，以适应夹具夹紧和钢索连接两种连接方式；

所述磁体盘(2)和导体盘(3)的距离通过轴承支座(6)进行调节，达到对电涡流阻尼调节的目的。

2.根据权利要求1所述的采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：所述导体盘(3)、磁体盘(2)为大小相同的圆形盘。

3.根据权利要求1所述的采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：所述磁体盘(2)上布置的永磁体(4)的数量和材料根据实际工程对耗能的需要确定。

4.根据权利要求1所述的采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：所述导体盘(3)为永磁体盘，且其材质采用铜或铝。

5.根据权利要求1所述的采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：所述往复丝杆(1)的直径与导程一致。

6.根据权利要求1所述的采用往复丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：所述永磁体(4)采用钕铁硼材质。