CN110805348B - 自复位旋转惯容阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明属于阻尼装置领域，具体涉及一种自复位旋转惯容阻尼器，包括丝杠、丝杠螺母、连接件和复位装置；丝杠与丝杠螺母配合形成丝杠副；连接件为筒状，连接件与丝杠螺母同轴可转动连接，丝杠螺母相对于连接件的轴向位置固定；复位装置包括形状记忆合金构件，形状记忆合金构件设置在连接件内，丝杠与连接件之间通过形状记忆合金构件连接，形状记忆合金构件对丝杠产生持续的机械复位力，直至丝杠复位至初始位置；丝杠沿其轴线方向相对于连接件移动时带动丝杠螺母转动。本发明利用形状记忆合金和丝杠螺母组成自复位旋转惯容阻尼器，不但发挥了惯容质量的阻尼增效特性、提供负刚度，还可实现震后自复位功能，完美实现阻尼器耗能与自复位功能。

Description

自复位旋转惯容阻尼器

技术领域

本发明属于阻尼装置领域，具体涉及一种自复位旋转惯容阻尼器。

背景技术

随着科学技术的发展及人们对生活品质要求的不断提高，土木工程中高层建筑越来越多，而自然界中强风、地震等外部激励的存在往往对土木工程结构造成大幅扰动，增加结构的损伤，影响结构的安全性和舒适性。消能减震技术是在结构中附加耗能/吸能减震装置以降低结构承受的地震作用，控制结构的地震响应，达到保护主体结构的目的。众多研究者对惯性质量阻尼器进行了大量的研究。中国专利文献号为CN208815720U，名称为“惯性质量阻尼器”的发明专利，公开了包括外筒、磁线圈装置、磁流变装置和传动装置，当第一固定部和第二固定部发生振动时，传动装置在力的作用下带动飞轮柱旋转，产生等效负刚度，并且飞轮柱的旋转也切割了磁线圈装置的线圈产生感应电流，磁流变装置在感应电流下产生阻尼力，使得外筒给予飞轮柱一个阻止飞轮柱旋转的力，增加了耗能，飞轮柱旋转产生的负刚度缓解了现有技术中阻尼器无法提供负刚度的问题。中国专利文献号为CN207176484U，名称为“一种电磁旋转惯性质量阻尼器”的发明专利，公开了主要有导向杆、滚珠螺杆、滚珠螺母、行星增速器、尾筒、发电机、蓄电池及尾杆等，其特征在于：导向杆通过滑杆与滚珠螺杆上的滚珠螺母连接，导向杆和滑杆平行于滚珠螺杆，滚珠螺杆通过行星增速器与发电机的输入轴连接，尾筒安装在惯性质量放大箱的后端面上，发电机安装在尾筒内，尾杆安装在尾筒后端，发电机输出端子分别与蓄电池和可变电阻连接，利用结构振动产生的机械能转化为电能，再通过发电机反电动势产生电阻尼力，实现能量收集和阻尼力可调的双重功能。

现有的惯性质量阻尼器多为含磁线圈装置，通过反电动势产生电阻尼力，对于该类惯性质量阻尼器，虽然可以通过调节电阻尼力的大小使结构阻尼可调，实现结构减震减灾的目的，但主要存在以下缺点：1、复位能力不足，地震过后阻尼器累积的残余位移明显，使得上部结构的使用功能难以较快地恢复；2、惯性质量不能调整，无法提供更好的耗能；3、调节阻尼器的部件不易组装，虽然刚开始能够提供良好的阻尼，但随着时间的延长，一旦损坏更换麻烦。

因此，如何提高结构的抗震性能和震后的可恢复性，是目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自复位旋转惯容阻尼器，以缓解现有技术中存在的惯容质量阻尼器恢复(即复位)功能不足的问题。本发明能够同时实现地震耗能和震后自复位功能，以提高结构的抗震性能和震后结构的可复位能力。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自复位旋转惯容阻尼器，所述自复位旋转惯容阻尼器包括丝杠、丝杠螺母、连接件和复位装置；具体地，所述丝杠与所述丝杠螺母配合形成丝杠副；所述连接件为筒状，所述连接件与所述丝杠螺母同轴可转动连接，所述丝杠螺母相对于所述连接件的轴向位置固定；所述复位装置包括形状记忆合金构件，所述形状记忆合金构件设置在所述连接件内，所述丝杠与所述连接件之间通过所述形状记忆合金构件连接，所述形状记忆合金构件对所述丝杠产生持续的机械复位力，直至所述丝杠复位至初始位置；所述丝杠沿其轴线方向相对于所述连接件移动时带动所述丝杠螺母转动。

在如上所述的自复位旋转惯容阻尼器中，作为优选方案，所述形状记忆合金构件为SMA弹簧。

在如上所述的自复位旋转惯容阻尼器中，作为优选方案，所述丝杠的一端设置有可拆卸的丝杠凸起，所述丝杠凸起的外径大于所述丝杠的外径，所述丝杠通过所述丝杠凸起与所述SMA弹簧连接。

在如上所述的自复位旋转惯容阻尼器中，作为优选方案，所述复位装置还包括固定圆筒、上阻挡圆盘和下阻挡圆盘；具体地，所述固定圆筒与所述连接件固定连接，所述固定圆筒上的中心处设置有丝杠导向通孔，所述丝杠导向通孔的内径大于所述丝杠凸起的外径；所述固定圆筒上还设置有至少两个弹簧容纳通孔，所述弹簧容纳通孔以所述固定圆筒的轴线为圆心在预设半径的圆周向均匀分布；所述SMA弹簧设置在所述弹簧容纳通孔内；所述上阻挡圆盘上设置有第一通过孔，所述第一通过孔的内径大于所述丝杠的外径，且所述第一通过孔的内径小于所述丝杠凸起的外径；位于所述弹簧容纳通孔内的所述SMA弹簧的两端分别与所述上阻挡圆盘和所述下阻挡圆盘连接，使所述上阻挡圆盘和所述下阻挡圆盘紧贴所述固定圆筒的两端面上；所述丝杠凸起设置在所述丝杠导向通孔内，所述丝杠的一端穿过所述第一通过孔并与所述丝杠凸起连接；所述丝杠凸起的长度等于所述丝杠导向通孔的长度。

在如上所述的自复位旋转惯容阻尼器中，作为优选方案，所述连接件包括上连接件和下连接件，所述上连接件与所述丝杠螺母同轴连接，所述下连接件通过所述固定圆筒与所述上连接件连接；优选地，所述固定圆筒与所述上连接件螺纹连接，所述固定圆筒与所述下连接件螺纹连接。

在如上所述的自复位旋转惯容阻尼器中，作为优选方案，所述自复位旋转惯容阻尼器还包括配重环，所述配重环与所述丝杠螺母可拆卸同轴连接，以增加所述丝杠螺母的重量；优选地，所述配重环设置有多个，多个所述配重环的质量依次增大；优选地，所述配重环设置有多个，多个所述配重环之间可拆卸连接。

在如上所述的自复位旋转惯容阻尼器中，作为优选方案，所述自复位旋转惯容阻尼器还包括筒盖，所述筒盖盖设在所述丝杠螺母的一端，所述筒盖端面上设置有第二通过孔，所述第二通过孔的内径大于所述丝杠的外径，所述丝杠穿过所述第二通过孔后进入所述丝杠螺母内。

在如上所述的自复位旋转惯容阻尼器中，作为优选方案，所述丝杠与所述丝杠螺母之间通过轴承滚珠连接，所述丝杠与所述丝杠螺母、所述轴承滚珠形成滚珠丝杠副。

在如上所述的自复位旋转惯容阻尼器中，作为优选方案，所述上连接件的内壁和所述丝杠螺母的外壁之间设置有径向滚动轴承，所述上连接件与所述丝杠螺母通过所述径向滚动轴承转动连接。

在如上所述的自复位旋转惯容阻尼器中，作为优选方案，所述丝杠螺母与所述连接件之间设置有密封垫片。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

1、自复位装置中有SMA弹簧，既能完成自复位功能又能承担一部分能量的消耗；

2、可通过调整丝杠螺母的质量来调整惯容质量的大小，实现惯容质量可调，发挥惯容质量的阻尼增效特性；

3、阻尼装置结构简单、性能稳定，采用螺纹连接易于拆卸，震后内部构件损坏便于维修和更换，节约了时间成本和经济成本；

4、利用形状记忆合金和惯容质量阻尼器组成自复位旋转惯容阻尼器，不但发挥了惯容质量的阻尼增效特性、提供负刚度，更重要的是实现震后自复位功能，可以完美实现阻尼器耗能与自复位能力；

5、形状记忆合金也为阻尼器提供地震结束时的耗能，对SMA弹簧进行预拉伸充分利用材料的性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例自复位旋转惯容阻尼器的结构示意图；

图2为本发明实施例固定圆筒的装配示意图；

图3为本发明实施例固定圆筒的俯视图；

图4为本发明实施例上阻挡圆盘的结构示意图；

图5为本发明实施例下阻挡圆盘的结构示意图。

图中：1、丝杠；2、丝杠螺母；3、丝杠凸起；4、SMA弹簧；5、固定圆筒；6、上阻挡圆盘；7、下阻挡圆盘；8、丝杠导向通孔；9、弹簧容纳通孔；10、第一通过孔；11、连接孔；12、螺钉；13、卡箍；14、上连接件； 15、下连接件；16、筒盖；17、轴承滚珠；18、钢珠；19、密封垫片。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

根据本发明的实施例，如图1至图5所示，本发明提供一种自复位旋转惯容阻尼器，该自复位旋转惯容阻尼器包括丝杠1、丝杠螺母2、连接件和复位装置。

具体地，丝杠1与丝杠螺母2配合形成丝杠副；连接件为筒状，连接件与丝杠螺母2同轴可转动连接，丝杠螺母2相对于连接件的轴向位置固定；复位装置包括形状记忆合金构件，形状记忆合金构件设置在连接件内，丝杠 1与连接件之间通过形状记忆合金构件连接，形状记忆合金构件对丝杠1产生持续的机械复位力，直至丝杠1复位至初始位置；丝杠1沿其轴线方向相对于连接件移动时带动丝杠螺母2转动。

在使用时，当该自复位旋转惯容阻尼器受到外界激励时，一方面丝杠1 端部受力时丝杠1进行直线运动，带动丝杠螺母2转动，产生负刚度，利用其惯容增效作用放大阻尼器作用力；另一方面，当丝杠1向上或者向下运动时，丝杠1与连接件之间的距离发生变化，形状记忆合金构件产生变形耗散能量，当卸载后，形状记忆合金构件利用其自回复力使丝杠1复位至初始位置。

进一步地，形状记忆合金构件为SMA(shape memory alloy，形状记忆合金)弹簧，即形状记忆合金弹簧。

进一步地，丝杠1的一端设置有可拆卸的丝杠凸起3，丝杠凸起3的外径大于丝杠1的外径，丝杠1通过丝杠凸起3与SMA弹簧4连接。具体为丝杠1的一端部内径变小且设置外螺纹，与之对应的，丝杠凸起3中心设置有内螺纹孔，丝杠1外径变小的一端旋入丝杠凸起3的内螺纹孔中，从而实现丝杠1与丝杠凸起3的安装。

进一步地，复位装置还包括固定圆筒5、上阻挡圆盘6和下阻挡圆盘7。具体地：固定圆筒5与连接件固定连接，固定圆筒5上的中心处设置有丝杠导向通孔8，丝杠导向通孔8的内径大于丝杠凸起3的外径；固定圆筒5上还设置有至少两个弹簧容纳通孔9，弹簧容纳通孔9以固定圆筒5的轴线为圆心在预设半径的圆周向均匀分布；SMA弹簧4设置在弹簧容纳通孔9内；在本实施例中SMA弹簧4设置有四根，四根SMA弹簧4分别安装在四个相对应的弹簧容纳通孔9内。弹簧容纳通孔9的内径小于丝杠导向通孔8的内径。

上阻挡圆盘6上设置有第一通过孔10，第一通过孔10的内径大于丝杠1 的外径，且第一通过孔10的内径小于丝杠凸起3的外径；位于弹簧容纳通孔 9内的SMA弹簧4的两端分别与上阻挡圆盘6和下阻挡圆盘7连接，使上阻挡圆盘6和下阻挡圆盘7紧贴固定圆筒5的两端面上，具体连接方式为上阻挡圆盘6和下阻挡圆盘7上均分布至少两个(本实施例中为4个)与弹簧容纳通孔9相对应的连接孔11，与同一个SMA弹簧4相连接的两个螺钉12 分别穿过上阻挡圆盘6和下阻挡圆盘7上对应的连接孔11后，采用卡箍13 将SMA弹簧4的两端分别与对应的螺钉12连接。螺钉12的螺帽留在上阻挡圆盘6和下阻挡圆盘7外侧。

丝杠凸起3设置在丝杠导向通孔8内，丝杠1的一端穿过第一通过孔10 并与丝杠凸起3连接。为了达到最佳的使用效果，丝杠凸起3的长度等于丝杠导向通孔8的长度，这样在使用时丝杠1的轴向移动均会受到SMA弹簧4 的阻力作用。

在使用时，当丝杠1向上运动时，丝杠凸起3带动上阻挡圆盘6向上运动，SMA弹簧4产生拉伸变形耗散能量，而此时固定圆筒5限制住下阻挡圆盘7。当丝杠1向下运动时，下阻挡圆盘7被带动向下运动，上阻挡圆盘6 被限制，SMA弹簧4也产生拉伸变形，当卸载后，SMA弹簧4利用其自回复力耗散掉储存的能量，使丝杠1复原。

进一步地，连接件包括上连接件14和下连接件15，上连接件14与丝杠螺母2同轴连接，下连接件15通过固定圆筒5与上连接件14连接。优选地，固定圆筒5与上连接件14螺纹连接，固定圆筒5与下连接件15螺纹连接。设置上连接件14和下连接件15可以使固定圆筒5两侧均预留丝杠1运动空间，从而使丝杠1相对于连接件可沿轴向双向运动，两个方向移动均可由形状记忆合金弹簧提供阻尼和恢复力。在使用时可以根据SMA弹簧4的行程以及弹力大小调整上连接件14和下连接件15的长度以使其预留空间满足丝杠1的移动需求。

进一步地，自复位旋转惯容阻尼器还包括配重环(图未示)，配重环与丝杠螺母2可拆卸同轴连接，以增加丝杠螺母2的重量。优选地，配重环设置有多个，多个配重环的质量依次增大，在使用时可以根据需求选择不用质量的配重环安装在丝杠螺母2上，从而使丝杠螺母2达到预设的重量。在本发明的其他实施例中，配重环设置有多个，多个配重环之间可拆卸连接，在使用时可以根据需求选择合适数量的配重环连接在一起并安装在丝杠螺母2上，使丝杠螺母2达到预期重量。设置配重环的目的是可通过调整丝杠螺母 2的质量来调整其惯容质量的大小，实现惯容质量可调，消耗的能量大小可以调节，发挥惯容质量的阻尼增效特性。

进一步地，自复位旋转惯容阻尼器还包括筒盖16，筒盖16盖设在丝杠螺母2的一端，筒盖16端面上设置有第二通过孔，第二通过孔的内径大于丝杠1的外径，丝杠1穿过第二通过孔后进入丝杠螺母2内。在本实施例中。筒盖16与丝杠螺母2通过螺纹连接在一起，具体为筒盖16的一端开口内壁设置有内螺纹，丝杠螺母2的自由端外径设置有与之相对应的外螺纹，筒盖 16旋转安装在丝杠螺母2上。设置筒盖16一方面保证丝杠1轴向运动的稳定性，另一方面增加该自复位旋转惯容阻尼器的惯容质量(即增加丝杠螺母 2的质量)，增加能量消耗。

进一步地，丝杠1与丝杠螺母2之间通过轴承滚珠17连接，丝杠1与丝杠螺母2、轴承滚珠17形成滚珠丝杠副。

进一步地，上连接件14的内壁和丝杠螺母2的外壁之间设置有径向滚动轴承，上连接件14与丝杠螺母2通过径向滚动轴承转动连接。在本发明的其他实施例中，上连接件14的内壁和丝杠螺母2的外壁设置有相对应的滚道(即弧形槽)，滚道内设置有滚动体例如钢珠18，上连接件14与丝杠螺母2通过滚动体转动连接，形成类似上述径向轴承的连接结构。

进一步地，丝杠螺母2与连接件之间设置有密封垫片19，防止使用过程中杂质异物等进入连接件或者丝杠螺母2内而影响其正常运转。

本发明的自复位旋转惯容阻尼器在使用时，当受到外界激励时，一方面丝杠端部受力时丝杠进行直线运动，通过滚珠丝杠把丝杠的直线运动转换为丝杠螺母的旋转运动，产生负刚度，利用增效的阻尼消耗能量；另一方面，当丝杠向上运动时，丝杠凸起带动上阻挡圆盘向上运动，SMA弹簧产生拉伸变形耗散能量，而此时固定圆筒限制住下阻挡圆盘。当丝杠向下运动时，下阻挡圆盘被带动向下运动，上阻挡圆盘被限制，SMA弹簧也产生拉伸变形，当卸载后，SMA弹簧利用其自回复力使丝杠复原。

综上所述，本发明提供的自复位旋转惯容阻尼器通过设置丝杠螺母的惯容质量对丝杠的轴向运行产生阻力，可通过调整丝杠螺母的质量来调整惯容质量的大小，实现惯容质量可调，发挥惯容质量的阻尼增效特性；利用形状记忆合金和惯容质量阻尼器组成自复位旋转惯容阻尼器，不但发挥了惯容质量的阻尼增效特性、提供负刚度，更重要的是实现震后自复位功能，可以完美实现阻尼器耗能与自复位能力；在自复位装置中采用SMA弹簧，既能完成自复位功能又能承担一部分能量的消耗；形状记忆合金也为阻尼器提供地震结束时的耗能，对SMA弹簧进行预拉伸充分利用材料的性能。整个自复位旋转惯容阻尼器结构简单、性能稳定，采用螺纹连接易于拆卸，震后内部构件损坏便于维修和更换，节约了时间成本和经济成本，能够同时实现地震耗能和震后自复位功能，提高结构的抗震性能和震后结构的可复位能力。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自复位旋转惯容阻尼器，其特征在于，所述自复位旋转惯容阻尼器包括丝杠、丝杠螺母、连接件和复位装置；

所述丝杠与所述丝杠螺母配合形成丝杠副；

所述连接件为筒状，所述连接件与所述丝杠螺母同轴可转动连接，所述丝杠螺母相对于所述连接件的轴向位置固定；

所述复位装置包括形状记忆合金构件，所述形状记忆合金构件设置在所述连接件内，所述丝杠与所述连接件之间通过所述形状记忆合金构件连接，所述形状记忆合金构件对所述丝杠产生持续的机械复位力，直至所述丝杠复位至初始位置；

所述丝杠沿其轴线方向相对于所述连接件移动时带动所述丝杠螺母转动；所述形状记忆合金构件为SMA弹簧；所述丝杠的一端设置有可拆卸的丝杠凸起，所述丝杠凸起的外径大于所述丝杠的外径，所述复位装置还包括固定圆筒、上阻挡圆盘和下阻挡圆盘；

所述固定圆筒与所述连接件固定连接，所述固定圆筒上的中心处设置有丝杠导向通孔，所述丝杠导向通孔的内径大于所述丝杠凸起的外径；所述固定圆筒上还设置有至少两个弹簧容纳通孔，所述弹簧容纳通孔以所述固定圆筒的轴线为圆心在预设半径的圆周向均匀分布；所述SMA弹簧设置在所述弹簧容纳通孔内；

所述上阻挡圆盘上设置有第一通过孔，所述第一通过孔的内径大于所述丝杠的外径，且所述第一通过孔的内径小于所述丝杠凸起的外径；位于所述弹簧容纳通孔内的所述SMA弹簧的两端分别与所述上阻挡圆盘和所述下阻挡圆盘连接，使所述上阻挡圆盘和所述下阻挡圆盘紧贴所述固定圆筒的两端面上；

所述丝杠凸起设置在所述丝杠导向通孔内，所述丝杠的一端穿过所述第一通过孔并与所述丝杠凸起连接；

所述丝杠凸起的长度等于所述丝杠导向通孔的长度。

2.根据权利要求1所述的自复位旋转惯容阻尼器，其特征在于，所述连接件包括上连接件和下连接件，所述上连接件与所述丝杠螺母同轴连接，所述下连接件通过所述固定圆筒与所述上连接件连接。

3.根据权利要求2所述的自复位旋转惯容阻尼器，其特征在于，所述固定圆筒与所述上连接件螺纹连接，所述固定圆筒与所述下连接件螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的自复位旋转惯容阻尼器，其特征在于，所述自复位旋转惯容阻尼器还包括配重环，所述配重环与所述丝杠螺母可拆卸同轴连接，以调节所述丝杠螺母的重量。

5.根据权利要求4所述的自复位旋转惯容阻尼器，其特征在于，所述配重环设置有多个，多个所述配重环的质量依次增大。

6.根据权利要求4所述的自复位旋转惯容阻尼器，其特征在于，所述配重环设置有多个，多个所述配重环之间可拆卸连接。

7.根据权利要求1所述的自复位旋转惯容阻尼器，其特征在于，所述自复位旋转惯容阻尼器还包括筒盖，所述筒盖盖设在所述丝杠螺母的一端，所述筒盖端面上设置有第二通过孔，所述第二通过孔的内径大于所述丝杠的外径，所述丝杠穿过所述第二通过孔后进入所述丝杠螺母内。

8.根据权利要求1所述的自复位旋转惯容阻尼器，其特征在于，所述丝杠与所述丝杠螺母之间通过轴承滚珠连接，所述丝杠与所述丝杠螺母、所述轴承滚珠形成滚珠丝杠副。

9.根据权利要求2所述的自复位旋转惯容阻尼器，其特征在于，所述上连接件的内壁和所述丝杠螺母的外壁之间设置有径向滚动轴承，所述上连接件与所述丝杠螺母通过所述径向滚动轴承转动连接。

10.根据权利要求1所述的自复位旋转惯容阻尼器，其特征在于，所述丝杠螺母与所述连接件之间设置有密封垫片。

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