CN111270787A - 一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置 - Google Patents

Abstract

一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，属于减震隔震技术领域。解决了现有技术启动灵敏度较低，摩擦系数不可调，启动力较大的问题；并且，本装置可以实现对脉冲型地震动，长周期地震动等传统隔震装置隔震效果较弱的地震动的稳定隔震。技术要点：隔震单元置于上板与下板之间；竖向支撑部固定支撑于地面上，竖向支撑部上端安装于下板的底面上；重力调谐部置于竖向支撑部内部，上端与上板固定连接。隔震单元包括下部滑动部、转换滑动块及上部连接块，三个构件之间相互接触，且没有固定措施。本发明的重力调谐部可以显著增强本装置的隔震幅度及稳定性，重力调谐部仅受摩擦摆弧面半径的影响，本发明尤其适用于浮放的文物、精密设备等的地震保护。

Description

一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置

技术领域

本发明涉及一种隔震装置，具体涉及一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，属于减震隔震技术领域。

背景技术

地震灾害是具有突发性和毁灭性的，严重威胁着人类的生命和财产安全。中国地处两条主要的地震带-欧亚地震带和环太平洋地震带之间，是世界上遭受到地震危害最为严重的国家之一。历史上，在长江三角洲和珠江三角洲曾经多次发生6级以上的强震，在京津环渤海地区，近300年来，平均每44年就发生一次7级以上的大地震。随着城市化进程的加快，大量的国民财富快速的向城市及城市群地区集中。而我国三分之一以上的已建或拟建的城市群位于可能会发生7级以上大地震的地区。精密设备和馆藏文物的破坏而引起的经济损失和人员伤亡将对国家安全和社会稳定造成巨大的冲击。

隔震装置是通过延长结构的自振周期，避开地震动的频率卓越段来实现隔震的。对于长周期类型的地震动和脉冲型地震动，因为其频率成分在长周期部分相对较高，隔震装置的隔震效果可能较差。本装置基于调谐质量阻尼器原理设置了包含重力调谐单元的摩擦摆隔震支座，显著克服了这一问题，通过调谐质量单元的共振，显著增强了隔震装置在长周期类型的地震动和脉冲型地震动作用下的隔震效果。此外，本装置的隔震装置基于摩擦摆原理，其隔震周期不随外界荷载的变化而变化，摩擦摆中部设置了滚珠，增强了摩擦摆的启动灵敏度和自复位能力。

本发明旨在提供一种可以实现对脉冲型地震动，长周期地震动等传统隔震装置隔震效果较弱的地震动的稳定隔震的装置，并且本装置的启动灵敏度高、摩擦系数可调、启动力小、残余位移小，尤其适用于对精密设备和馆藏文物的保护。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提供了一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，以至少解决现有技术灵敏度较低，摩擦系数不可调，启动力较大的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，包括竖向支撑部、重力调谐部以及顶部隔震摩擦摆，所述顶部隔震摩擦摆包括上板、下板以及若干个隔震单元，隔震单元置于上板与下板之间；

隔震单元包括下部滑动部、转换滑动块及上部连接块，三个构件之间相互接触，且没有固定措施；

所述下部滑动部的顶面为内凹的圆弧面，转换滑动块的底面为外凸的圆弧面，内凹的圆弧面与外凸的圆弧面为相同曲率的曲面；

所述转换滑动块的顶面为外凸的圆弧面，上部连接块的底面为内凹的圆弧面，外凸的圆弧面与内凹的圆弧面为相同曲率的曲面；

所述上部连接块的顶面与上板固定连接，下部滑动部的底面与下板固定连接；

所述竖向支撑部固定支撑于地面上，竖向支撑部上端安装于下板的底面上；重力调谐部置于竖向支撑部内部，且其上端与上板固定连接。

为了解决增强装置的隔震效果，优化隔震幅度以及稳定性，本发明进一步对重力调谐部进行设计。具体如下：

所述重力调谐部包括中间导向筒、质量块、牵引索；中间导向筒位于竖向支撑部内部，且下端固定支撑于地面上，上端悬置(不与任何部件连接，与下板底面保持一定距离)；质量块滑动安装在中间导向筒内，质量块的上部固定连接牵引索，牵引索的上端穿过下板与上板固定连接。重力调谐部的质量块可以在中间导向筒内竖向滑动，中间导向筒约束质量块的水平方向移动。

进一步地：牵引索由弹簧、尼龙绳连接为一体构成，质量块上部与弹簧连接，弹簧与尼龙绳连接，尼龙绳穿过下板的中间开设的过孔，并与上板固定连接。如此设置，当上板发生水平运动时，带动尼龙绳运动，进而使得质量块上下运动，但质量块与上板之间并非固结，而是有弹簧的作用，基于调谐质量阻尼器原理，通过调整弹簧刚度以及质量块质量，来实现质量块对隔震单元的调谐控制。另外，设置尼龙绳是为了方便变形，上板水平方向拉动尼龙绳，尼龙绳在顶部隔震摩擦摆内发生水平位移，但是在下板的过孔处弯折，下部变成竖直方向运动。再者弹簧不直接与上板连接是因为其会在过孔处卡住。也不适用于弯折的情况。

进一步地：所述下部滑动部的顶面中间部分内嵌有若干个滚珠。如此设置，通过滚动摩擦来大幅度降低摩擦系数，使得灵敏度更高，启动力更小。

进一步地：所述下部滑动部由中心圆柱体及若干个直径不同的圆环套装拼接而成，滚珠镶嵌在中心圆柱体的顶面上。如此设置，由不同圆环的拼接组成的圆盘，可以更好保证各圆环面摩擦系数的不同。

进一步地：所述直径不同的圆环其上表面的摩擦系数不同。如此设置，下部滑动部的顶面为内凹的圆弧面，内凹的圆弧面即为滑动面，滑动面的摩擦系数并非固定的，便于调整。

进一步地：所述直径不同的圆环其上表面的摩擦系数由内至外依次增大。如此设置，通过沿半径方向逐渐增加的摩擦系数，增加隔震装置的耗能能力以及减小大震作用时的位移。

进一步地：所述隔震单元为三个、四个、五个或六个。

本发明所达到的效果为：

(1)启动力极低，小震或者轻微的外界扰动就可以使装置启动。

(2)地震动作用后的残余位移极低，残余位移受摩擦系数和曲率半径控制。

(3)在大震作用时可以通过沿半径方向逐渐增加的摩擦系数，增加隔震装置的耗能能力以及减小大震作用时的位移。

(4)当摩擦摆偏离圆心时，在重力和支撑力的作用下，摩擦摆有一个水平方向的恢复力，当这个力小于摩擦摆处的最大静摩擦力时，摩擦摆就无法复位，出现了残余位移；本发明在容易出现残余位移的下部滑动部的顶面中间部分，设置了内嵌滚珠，将滑动摩擦变成滚动摩擦，极大程度地降低了摩擦力的大小，也就极大程度地减小了残余位移。

(5)本发明尤其适用于浮放的文物、精密设备等的地震保护。所述文物主要是易碎文物。

(6)本发明设置了质量块作为调谐稳定装置，且质量块的运动方向为垂直方向。其在实现稳定隔震效果的同时，在水平方向需要的运动空间较小。且水平方向隔震周期是不随上部质量的变化而变化的，只受弧面半径确定，这使得竖向调谐质量只需要根据弧面半径和自身质量去进行调谐即可实现隔震层振动补偿控制。

(7)本发明的隔震幅度及稳定性均更好，对于长周期含量丰富的地震动以及脉冲型地震动等，重力调谐部可以显著增强本装置的隔震幅度及稳定性。并且本发明的重力调谐部的配置简单，仅受摩擦摆弧面半径的影响。

附图说明

图1为本发明的一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置的轴测图；

图2为本发明的一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置的主剖视图；

图3为本发明的轴测图顶部隔震摩擦摆的轴测图；

图4为本发明的隔震单元的轴侧图；

图5为本发明的隔震单元的爆炸轴测图；

图6为本发明的隔震单元的爆炸截面图；

图7为本发明的隔震单元在大位移时的工作状态图；

图8为图7的剖视图；

图9为本发明的隔震单元在小位移时的工作状态图；

图10为图9的剖视图。

图中：A-竖向支撑部；B-重力调谐部；C-顶部隔震摩擦摆；1-上板；2-下板；3-隔震单元；4-中间导向筒；5-质量块；6-牵引索；31-下部滑动部；32-转换滑动块；33-上部连接块；34-滚珠；61-弹簧；62-尼龙绳。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。

实施例1：如图1至图10所示，图3中上板已经透明显示，本实施例所述一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，包括竖向支撑部A、重力调谐部B以及顶部隔震摩擦摆C，所述顶部隔震摩擦摆C包括上板1、下板2以及四个隔震单元3，隔震单元3置于上板1与下板2之间；隔震单元3包括下部滑动部31、转换滑动块32及上部连接块33，三个构件之间相互接触，且没有固定措施；所述下部滑动部31的顶面为内凹的圆弧面，内凹的圆弧面即为滑动面，转换滑动块32的底面为外凸的圆弧面，内凹的圆弧面与外凸的圆弧面为相同曲率的曲面；所述转换滑动块32的顶面为外凸的圆弧面，上部连接块33的底面为内凹的圆弧面，外凸的圆弧面与内凹的圆弧面为相同曲率的曲面；所述上部连接块33的顶面与上板1固定连接，下部滑动部31的底面与下板2固定连接；所述下部滑动部31由中心圆柱体及若干个直径不同的圆环套装拼接而成，滚珠34镶嵌在中心圆柱体的顶面上；所述直径不同的圆环其上表面的摩擦系数由内至外依次增大；所述竖向支撑部A固定支撑于地面上，竖向支撑部A上端安装于下板2的底面上；重力调谐部B置于竖向支撑部A内部，且其上端与上板1固定连接；所述重力调谐部B包括中间导向筒4、质量块5、牵引索6；中间导向筒4位于竖向支撑部A内部，且下端固定支撑于地面上，上端悬置；质量块5滑动安装在中间导向筒4内，质量块5的上部固定连接牵引索6，牵引索(6)的上端穿过下板2与上板1固定连接；牵引索6由弹簧61、尼龙绳62连接为一体构成，质量块5上部与弹簧61连接，弹簧61与尼龙绳62连接，尼龙绳62穿过下板2的中间开设的过孔，并与上板1固定连接；所述竖向支撑部A由三根支柱围合构成，支柱截面形状为矩形；所述中间导向筒为圆筒，质量块为圆柱形。

实施例2：本实施例与实施例1的不同在于包含三个隔震单元3；所述竖向支撑部A由四根支柱围合构成，支柱截面形状为正方形；所述中间导向筒截面为矩形，质量块截面为矩形。

实施例3：本实施例与实施例1的不同在于包含五个隔震单元3；所述竖向支撑部A由五根支柱围合构成，支柱截面形状为正多边形；所述中间导向筒截面为正多边形，质量块截面为正多边形。

实施例4：本实施例与实施例1的不同在于包含六个隔震单元3；所述竖向支撑部A由六根支柱围合构成，支柱截面形状为正方形；所述中间导向筒截面为正多边形，质量块截面为正多边形。

需要强调的是：

一、上述实施例中设置了质量块作为调谐稳定装置，且质量块的运动方向为垂直方向。其在实现稳定隔震效果的同时，在水平方向需要的运动空间较小。且水平方向隔震周期是不随上部质量的变化而变化的，只受弧面半径确定，这使得竖向调谐质量只需要根据弧面半径和自身质量去进行调谐即可实现隔震层振动补偿控制。

二、上述实施例中隔震装置的隔震幅度及稳定性均更好，对于长周期含量丰富的地震动以及脉冲型地震动等，重力调谐部可以显著增强本装置的隔震幅度及稳定性。并且本发明的重力调谐部的配置简单，仅受摩擦摆弧面半径的影响。

三、上述实施例中单个隔震单元，包含下部滑动部31、转换滑动块32及上部连接块33，三个构件之间相互接触，没有固定措施。

四、上述实施例中所述下部滑动部31的顶面为内凹的圆弧面，转换滑动块32的底面为外凸的圆弧面，内凹的圆弧面与外凸的圆弧面为相同曲率的曲面；所述转换滑动块32的顶面为外凸的圆弧面，上部连接块33的底面为内凹的圆弧面，外凸的圆弧面与内凹的圆弧面为相同曲率的曲面，这样可以保证隔震单元在工作时，上部连接块33的顶面保持水平，隔震单元在不同位移时的工作状态参见图7-图10。

上述实施例的特殊之处还在于滑动面的摩擦系数并非固定的，是随着圆周的增大而增大的；受限于材料工艺、加工工艺、成本的考虑，当前摩擦系数无法做到很小，上述实施例在滑动面的中间部分设置了内嵌的滚珠，通过滚动摩擦来大幅度降低摩擦系数。上述实施例针对的是地震力，设计时，可以考虑潜在的最大地震力，然后据此设计滑动面的尺寸，使其不会超出滑动面的范围。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，其特征在于，包括竖向支撑部(A)、重力调谐部(B)以及顶部隔震摩擦摆(C)，所述顶部隔震摩擦摆(C)包括上板(1)、下板(2)以及若干个隔震单元(3)，隔震单元(3)置于上板(1)与下板(2)之间；

隔震单元(3)包括下部滑动部(31)、转换滑动块(32)及上部连接块(33)，三个构件之间相互接触，且没有固定措施；

所述下部滑动部(31)的顶面为内凹的圆弧面，转换滑动块(32)的底面为外凸的圆弧面，内凹的圆弧面与外凸的圆弧面为相同曲率的曲面；

所述转换滑动块(32)的顶面为外凸的圆弧面，上部连接块(33)的底面为内凹的圆弧面，外凸的圆弧面与内凹的圆弧面为相同曲率的曲面；

所述上部连接块(33)的顶面与上板(1)固定连接，下部滑动部(31)的底面与下板(2)固定连接；

所述竖向支撑部(A)固定支撑于地面上，竖向支撑部(A)上端安装于下板(2)的底面上；重力调谐部(B)置于竖向支撑部(A)内部，且其上端与上板(1)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，其特征在于：所述重力调谐部(B)包括中间导向筒(4)、质量块(5)、牵引索(6)；中间导向筒(4)位于竖向支撑部(A)内部，且下端固定支撑于地面上，上端悬置；质量块(5)滑动安装在中间导向筒(4)内，质量块(5)的上部固定连接牵引索(6)，牵引索(6)的上端穿过下板(2)与上板(1)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，其特征在于：牵引索(6)由弹簧(61)、尼龙绳(62)连接为一体构成，质量块(5)上部与弹簧(61)连接，弹簧(61)与尼龙绳(62)连接，尼龙绳(62)穿过下板(2)的中间开设的过孔，并与上板(1)固定连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，其特征在于：所述下部滑动部(31)的顶面中间部分内嵌有若干个滚珠(34)。

5.根据权利要求4所述的一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，其特征在于：所述下部滑动部(31)由中心圆柱体及若干个直径不同的圆环套装拼接而成，滚珠(34)镶嵌在中心圆柱体的顶面上。

6.根据权利要求5所述的一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，其特征在于：所述直径不同的圆环其上表面的摩擦系数不同。

7.根据权利要求6所述的一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，其特征在于：所述直径不同的圆环其上表面的摩擦系数由内至外依次增大。

8.根据权利要求7所述的一种带竖向重力调谐单元的摩擦摆隔震装置，其特征在于：所述隔震单元(3)为三个、四个、五个或六个。

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