CN110321633A - 一种多球碰撞型耗能减震器及其特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多球碰撞型耗能减震器及其特性分析方法，其特征在于：包括底座及设于底座上可相对其移动的上盖板，所述底座和上盖板之间形成多个用于放置减震球的空间，驱动机构带动上盖板移动实现减震球在空间内运动行程的调整。本发明多球碰撞型耗能减震器及其特性分析方法，结构简单，减震效果好，减震振幅便于调整分析，具有较好的应用前景。

Description

一种多球碰撞型耗能减震器及其特性分析方法

技术领域

本发明属于减震技术领域，更具体地说，涉及一种多球碰撞型耗能减震器及其特性分析方法。

背景技术

为了减小高层建筑的震动，常在建筑中安装耗能减震器。常见的耗能减震器有摩擦耗能减震器和沙箱耗能减震器等。摩擦耗能减震器安装在建筑结构中的一些特定的位置，利用结构在振动时两点之间相对位移产生的摩擦来消耗能量。但建筑物振动时，结构内部两点之间的位移一般较小，因而摩擦耗能减震器减震效果有待进一步提高。沙箱减震器是在建筑顶部或某些部位摆放沙箱，将建筑结构振动时的能量传递给相互碰撞摩擦的沙子进行减震。但沙箱减震器中沙粒一般多且细小，其减震器性能理论分析预测比较困难，减震效果差，存在沙粒运动不确定性现象，减震器性能如迟滞回线一般只能通过试验测定。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种结构简单，减震效果好，便于调整分析的多球碰撞型耗能减震器及其特性分析方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所提供的这种多球碰撞型耗能减震器，其特征在于：包括底座及设于底座上可相对其移动的上盖板，所述底座和上盖板之间形成多个用于放置减震球的空间，驱动机构带动上盖板移动实现减震球在空间内运动行程的调整。

为使上述技术方案更加详尽和具体，本发明还提供以下更进一步的优选技术方案，以获得满意的实用效果：

所述底座上方设有第一挡板，所述上盖板下方设有第二挡板，所述第一挡板和第二挡板配合构成用于放置减震球空间。

所述第一挡板和第二挡板为L型结构，所述第一挡板和第二挡板相对配合构成矩形空间。

所述驱动机构布置在靠近所述第二挡板一侧，包括连接在所述上盖板一端的连杆组件。

所述连杆组件包括沿水平方向布置铰接的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆和第二连杆铰接处连接有竖直布置的驱动组件。

所述驱动组件包括驱动电机，所述驱动电机的驱动轴端通过螺杆连接有第二移动副，所述第二移动副与所述螺杆螺纹连接，螺杆转动带动所述第二移动副沿竖直方向上下移动，所述第二移动副连接至所述第一连杆和第二连杆铰接处。

所述上盖板两侧通过第一移动副连接在所述底座上。

所述底座固定连接在需要减震的建筑物的屋顶。

所述连杆组件的一端连接在所述上盖板上，另一端通过铰接支座安装在需要减震的建筑物的屋顶。

一种多球碰撞型耗能减震器的特性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)首先建立力学模型；

2)根据力学模型建立数学模型：

减震球半径为r，减震球与左第二挡板之间的总间隙Δ＝D-2r，球心相对于第一挡板的位置坐标x₁；

当底座作简谐振动时底座的位置坐标x＝Asinωt，底座的速度v＝Aωcosωt

减震球的位置：x+x₁＝Asinωt+x₁

减震球的速度：

碰撞条件：x₁＝r,or x₁＝D-r；

其中A为底座简谐振动振幅，ω为底座简谐振动角频率，D为第一、第二挡板之间距离；

3)基于运动学分析进行计算机模拟计算。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明多球碰撞型耗能减震器及其特性分析方法，结构简单，减震效果好，便于调整分析，具有较好的应用前景。

附图说明

下面对本说明书的附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明减震器结构示意图。

图2为本发明减震器中减震球运动力学模型示意图。

图3为本发明底座简谐运动位移与速度变化规律图。

图4为Δ＝πA时，减震球运动规律图(位移时间关系图与速度时间关系图)。

图5为减震球运动规律图(位移时间关系图与速度时间关系图)。

图6为Δ＝1.9A，减震球运动规律图(位移时间关系图与速度时间关系图)。

附图中标记：1、底座，2、上盖板，3、第一挡板，4、减震球，5、第二挡板，6、第一移动副，7、第一连杆，8、铰轴，9、第二移动副，10、螺杆，11、联轴器，12、驱动电机，13、第二连杆，14、铰接支座。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明这种多球碰撞型耗能减震器，如图1所示，包括底座1及设于底座1上可相对其移动的上盖板2，底座1和上盖板2之间形成多个用于放置减震球4的空间，驱动机构带动上盖板2移动实现减震球4在空间内运动行程的调整。底座1上方设有第一挡板3，上盖板2下方设有第二挡板5，第一挡板3和第二挡板5规律有序的排列，第一挡板3和第二挡板5配合构成用于放置减震球空间。

本发明中，优选的，第一挡板3和第二挡板5为L型结构，第一挡板3和第二挡板5相对配合构成矩形空间。相邻各空间之间留有间隔间隙，便于第一挡板3和第二挡板5相对位置的调整。

本发明中，驱动机构布置在靠近第二挡板5一侧，包括连接在上盖板2一端的连杆组件。连杆组件包括沿水平方向布置铰接的第一连杆7和第二连杆13，第一连杆7和第二连杆13通过铰轴8连接，铰接处连接有竖直布置的驱动组件。驱动组件包括驱动电机12，其中驱动电机12可选择步进电机。驱动电机12的驱动轴端通过螺杆10连接有第二移动副9，第二移动副9与螺杆10螺纹连接，螺杆10转动带动第二移动副9沿垂直方向往复移动且具有自锁功能，第二移动副9连接至第一连杆7和第二连杆13铰接处。该驱动机构12将驱动电机12的转动变成第二移动副9的往复移动，配合连杆组件带动上盖板移动，从而实现调节控制减震球3碰撞空间。

本发明中，上盖板2两侧通过第一移动副6连接在底座1上，可设为滑动配合连接，由驱动机构带动。第一移动副6的移动方向与L型挡板3，5构成的正方形减震球工作空间成45度角，其作用在于将第一移动副6的一维移动转换成L型挡板3，5的同步二维运动，从而实现减震球工作行程的2个方向上的同步调整。底座1固定连接在需要减震的建筑物的屋顶。连杆组件的一端连接在上盖板2上，另一端通过铰接支座14安装在需要减震的建筑物的屋顶。

本发明多球碰撞型耗能减震器，如图1所示，包括底座1及可相对底座移动的上盖板2，底座1和上盖板2之间形成多个用于放置减震球5的空间。底座1上方设有第一挡板3，上盖板2下方设有第二挡板5，第一挡板3和第二挡板5配合构成放置减震球3空间。底座1通过螺栓连接固定在需要减震的建筑物的屋顶上，多个减震球4在第一挡板3和第二挡板5构成的空间里往复运动并与第一挡板3、第二挡板5发生碰撞而消耗能力，实现减震作用。可通过驱动机构带动上盖板2移动，从而实现减震球3碰撞空间的调整，得到较好的减震效果。

本发明多球碰撞型耗能减震器，如图1所示。它主要包括底座1、上盖板2、第一挡板3、减震球4、第二挡板5、第一移动副6、驱动机构。其中，如图1所示，驱动机构包括第一连杆7、铰轴8、第二移动副9、螺杆10、联轴器11、驱动电机12、第二连杆13、铰接支座14。第一挡板3通过焊接或螺栓连接固定在底座1上，第二挡板5通过焊接或螺栓连接固定在上盖板2上。使用时，底座1通过螺栓连接固定在需要减震的建筑物的屋顶上，上盖板2通过第一移动副6与底座1实现可移动连接，通过驱动机构调整上盖板2位置，控制第一挡板3与第二挡板5之间的相对位置，从而调整减震球4的往复碰撞行程。第二挡板5及第一挡板3为L型结构，相对配合构成内部放置减震球4的空间。第一移动副6的移动运动方向与L形第二挡板5及第一挡板3的组成的正方形减震球工作空间对角线方向一致即与减震球的减震工作方向呈45度，目的是通过移动副6一维运动，实现减震球的2维运动行程的调整。

第一移动副6的往复运动通过机械转动机构实现。驱动机构在第一连杆7和第二连杆13处于直线位置附近工作，此位置工作机构具有较好的增力，可减小电机功率且减震器工作时的碰撞力传递到电机上的分量极小。驱动电机12通过螺旋转动及移动副9与第一连杆7和第二连杆13相对垂直布置，这样减震球4作用在上盖板2的碰撞力绝大部分可通过第一连杆7和第二连杆10传递到铰接支座14上，而驱动电机12则受到很小的碰撞力或不受碰撞力作用以保护电机。驱动机构通过螺杆10将驱动电机12的转动变成第二移动副9的往复运动且可以实现反向自锁，再通过连杆机构(由第一连杆7、第二连杆13，铰链8，铰接支座14及第一移动副6组成的曲柄滑块机构)实现上盖板2的往复移动。

减震器正常工作时，驱动电机12不工作，上盖板2相对于底座1位置固定，多个减震球在底座1、上盖板2、第一挡板3、第二挡板5组成的空间里往复运动并与第一挡板3、第二挡板5发生碰撞而消耗能力，实现减震作用。

多球碰撞型耗能减震器的特性分析方法，包括如下步骤：

1)首先建立力学模型；

2)根据力学模型进行运动学分析：

3)基于运动学分析的减震球运动规律的计算机模拟计算；

具体的，本发明这种多球碰撞型耗能减震器其特性分析方法：

一、建立力学模型

首先建立力学模型，如图2所示。此模型建立过程中，为便于后期分析，假设：1)忽略减震球与底面的摩擦力；2)忽略减震球的体积，将其视为质点；3)减震球与第一、第二挡板之间的碰撞为完全非弹性碰撞，恢复系数为e＝0,碰撞时间及碰撞前后位置不变；4)底座及建筑物质量远大于减震球体质量。

二、运动学分析

设减震球半径为r，减震球与第一、第二挡板之间的总间隙Δ＝D-2r，球心相对于第一挡板的位置坐标x₁。

当底座作简谐振动时底座的位置坐标x＝Asinωt，底座的速度v＝Aωcosωt

减震球的位置：x+x₁＝Asinωt+x₁

减震球的速度：

碰撞条件：x₁＝r,or x₁＝D-r

其中A为底座简谐振动振幅，ω为底座简谐振动角频率，D为第一、第二挡板之间距离。

正常工作应满足的条件

1)完全非弹性碰撞(碰撞后相互碰撞的两物体速度相同，动能损失最大，这种碰撞叫做完全非弹性碰撞)

2)碰撞启动的几何条件A≥Δ/2，否则，减震球初速度为0且处于中间位置时，第一、第二挡板将有可能不与减震球发生碰撞。

3)同步碰撞条件(即每个工作循环只发生2次碰撞,碰撞前球的运动速度方向与底座运动速度方向相反)。

参看图2和图3，当减震球初速度为0时，底座从左向右作简谐运动时，在内发生完全非弹性碰撞，由于此阶段底座速度上升，碰撞后减震球与底座同速向右运动，在ωt＝0处，减震球和底座的速度达到最大u＝Aω。在内，减震球的速度大于底座速度即减震球与底座左侧挡板(m边)分离，作等速运动，速度为u＝Aω。不发生与对边(n边)同向碰撞的条件

即：

结合碰撞启动条件2)和同步碰撞条件3)，减震球正常工作条件应满足

或0.5Δ≤A≤1.754Δ(*)

一般地，当减震球从第一挡板脱离时球心位移为Asin(2πn)+r(n为0，1，2…)。

右边挡板(即第二挡板)的位移可表示为

Asin(ωt)+D

由于碰撞后，球作等速运动，速度为Aω，当球与右边挡板(n边)碰撞时，则有

Aωt+2r＝Asin(ωt)+D即：Aωt-Asin(ωt)＝Δ＝D-2r

在理想情况下若要减震器的效率达到最大，则应在底座速度最大时发生碰撞，可令ωt＝π。计算可得Δ＝D-2r＝πA。但此要求不能满足减震球初速为0时发生启动碰撞条件。

同样地，当底座从右向左作简谐运动时，减震球运动规律分析方法与上述分析类似，无需赘述。

三、模拟计算

减震球的上述碰撞运动规律分析，可以利用计算机编程仿真计算。假设球与底座一定发生碰撞，取A＝0.01m，ω＝10。

当Δ＝πA时，可得减震球的运动规律，其位移时间关系图与速度时间关系图如图4所示。

当时，减震球的运动规律，其位移时间关系图与速度时间关系图如图5所示。

若要满足同步碰撞条件范围内取值，如令Δ＝1.9A，可得减震球的运动规律，其位移时间关系图与速度时间关系如图6所示。

综上分析，本专利所提出的多球碰撞型耗能减震器，其能量消耗主要取决于减震对象的振动振幅及振动频率，从(*)式可以看出，只要满足减震器正常工作条件，即底座振幅A与减震球与底座侧边间隙满足(*)式要求，底座每振动一个周期，减震球与底座侧边将发生2次碰撞而消耗能量。减震对象的振动振幅及频率小，碰撞速度小，减震器消耗的能量小；减震对象的振动振幅及频率大，碰撞速度大，碰撞频率也随之增大，减震器消耗的能量就大。而且还可以根据减震对象的振动振幅，调整减震器中减震球的工作间隙Δ，以提高工作适应性及减震效果。可以预见，本专利所提出的多球碰撞型耗能减震器，其减震效果优越。理论上说，是一种减震频率带宽为无限大的高效减震器。

本发明多球碰撞型耗能减震器及其特性分析方法，结构简单，减震效果好，减震频率带宽大，减震振幅便于调整，具有较好的应用前景。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，但是本发明并不受限于上述方式，只要采用本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进或直接应用于其它场合的，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多球碰撞型耗能减震器，其特征在于：包括底座及设于底座上可相对其移动的上盖板，所述底座和上盖板之间形成多个用于放置减震球的空间，驱动机构带动上盖板移动实现减震球在空间内运动行程的调整。

2.按照权利要求1所述的多球碰撞型耗能减震器，其特征在于：所述底座上方设有第一挡板，所述上盖板下方设有第二挡板，所述第一挡板和第二挡板配合构成用于放置减震球空间。

3.按照权利要求2所述的多球碰撞型耗能减震器，其特征在于：所述第一挡板和第二挡板为L型结构，所述第一挡板和第二挡板相对配合构成矩形空间。

4.按照权利要求2所述的多球碰撞型耗能减震器，其特征在于：所述驱动机构布置在靠近所述第二挡板一侧，包括连接在所述上盖板一端的连杆组件。

5.按照权利要求4所述的多球碰撞型耗能减震器，其特征在于：所述连杆组件包括沿水平方向布置铰接的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆和第二连杆铰接处连接有竖直布置的驱动组件。

6.按照权利要求5所述的多球碰撞型耗能减震器，其特征在于：所述驱动组件包括驱动电机，所述驱动电机的驱动轴端通过螺杆连接有第二移动副，所述第二移动副与所述螺杆螺纹连接，螺杆转动带动所述第二移动副沿竖直方向上下移动，所述第二移动副连接至所述第一连杆和第二连杆铰接处。

7.按照权利要求1所述的多球碰撞型耗能减震器，其特征在于：所述上盖板两侧通过第一移动副连接在所述底座上。

8.按照权利要求1所述的多球碰撞型耗能减震器，其特征在于：所述底座固定连接在需要减震的建筑物的屋顶。

9.按照权利要求4至6任一项所述的多球碰撞型耗能减震器，其特征在于：所述连杆组件的一端连接在所述上盖板上，另一端通过铰接支座安装在需要减震的建筑物的屋顶。

10.一种多球碰撞型耗能减震器的特性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)首先建立力学模型；

2)根据力学模型进行运动学分析：

减震球半径为r，减震球与左第二挡板之间的总间隙Δ＝D-2r，球心相对于第一挡板的位置坐标x₁；

当底座作简谐振动时底座的位置坐标x＝Asinωt，底座的速度v＝Aωcosωt

减震球的位置：x+x₁＝Asinωt+x₁

减震球的速度：

碰撞条件：x₁＝r,or x₁＝D-r；

其中A为底座简谐振动振幅，ω为底座简谐振动角频率，D为第一、第二挡板之间距离；

3)基于运动学分析进行计算机模拟计算。