CN111441233B - 电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置，第一位移转换齿条固定安装于桥梁，位移放大组件、摩擦耗能组件、电压调节输出组件均固定安装于桥梁与底座之间，第一位移转换齿条与位移输入端传动连接，电压调节输出组件中的主线圈和副线圈分别缠绕于铁芯，导电指针的上端与位移输出端传动连接、下端与主线圈滑动连接，主线圈和导电指针分别外接电源，以形成电回路并在调节电压下驱动摩擦耗能组件摩擦耗能，故桥梁的微小的水平振动经转换为位移放大单元的旋转运动，并使水平振动的位移放大后，在摩擦耗能组件的摩擦散热下得到耗散，且调整导电指针的位置，副线圈对摩擦耗能组件输出变化的电压，以适应不同程度的桥梁振动。

Description

电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置

技术领域

本发明涉及结构振动控制技术领域，具体地为一种电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置。

背景技术

地震常造成国家和社会财产的损失，并造成大量人员伤亡和建筑物倒塌、毁坏。然而，现有的应对措施多为：通过增强结构的强度和刚度等方面来抵抗地震，以减轻地震所带来的负面影响，但此种成本高，经济性差；通过耗能减振来主动控制桥梁结构振动，具体地讲，其在阻尼器的作用下将输入桥梁的能量耗散，从而达到抑制桥梁结构振动的目的，进而减轻地震所带来的负面影响，常用的阻尼器包括粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器和金属屈服阻尼器(根据阻尼器的耗能机理所进行的分类)。

其中，摩擦阻尼装置是一种利用摩擦机制实现耗能的减振制动装置，其工作机理是：阻尼装置在外荷载的作用下发生滑移或变形，通过相互间的摩擦将振动产生的能量转化为热能并将之耗散，其结构简单、成本较低且适用范围广；金属屈服阻尼器则多由两块翼缘钢板、多个耗能钢腹板等组成，其通过摩擦钢板和耗能钢腹板分阶段地进行耗能，但是，金属屈服阻尼器的耗能效果相较于摩擦阻尼装置较差。然而，现有的摩擦阻尼装置滑移或变形较小，当桥梁结构的振幅不大时，阻尼器对振幅的感应不敏感，耗能减振效果不佳，此外，如何在将摩擦阻尼装置应用于桥梁结构后，还可以主动、有效地调节摩擦力的大小以满足对桥梁振动耗能的要求，从而减轻地震所带来的负面影响，仍然是一个亟待解决的难点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置，以解决上述提及的当桥梁结构振动的位移不大时，无法主动有效调控桥梁的振动耗能的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置,包括：

底座、第一位移转换齿条、位移放大组件、电压调节输出组件和摩擦耗能组件；

所述底座固定安装于所述桥梁的下方，所述第一位移转换齿条固定安装于所述桥梁，所述位移放大组件、电压调节输出组件和摩擦耗能组件均固定安装于所述桥梁与所述底座之间，所述位移放大组件具有一位移输入端、一位移放大单元和一位移输出端,所述第一位移转换齿条与所述位移输入端传动连接，以将所述桥梁的水平振动转化为所述位移放大单元的旋转运动，所述位移放大单元用于将所述桥梁的水平振动的位移放大后传递至所述位移输出端；所述电压调节输出组件包括主线圈、副线圈、导电指针和铁芯，所述主线圈和所述副线圈分别缠绕安装于所述铁芯，所述导电指针的一端与所述位移输出端传动连接、另一端与所述主线圈滑动连接，所述主线圈和所述导电指针分别外接电源的两极并向所述摩擦耗能组件输出调节电压，以在所述导电指针的滑动下调节所述主线圈的匝数；所述摩擦耗能组件与所述副线圈电连接，以在所述调节电压下驱使所述摩擦耗能组件摩擦耗能。

本发明提供的一种电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置，具有以下有益效果：第一位移转换齿条跟随桥梁沿水平方向振动，并经位移放大单元将桥梁的水平振动的位移间接放大后输出于电压调节输出组件，在导电指针的滑动下，主线圈的匝数改变，进而副线圈输出于摩擦耗能组件的电压改变，并在电压的驱动下驱使摩擦耗能组件摩擦耗能以将桥梁的水平振动产生的能量耗散；第二位移转换齿条的设置，便于再次将旋转运动转换为水平移动，以带动导电指针水平滑移，金属板的设置，有效避免导电指针与主线圈多次接触摩擦后出现磨损的现象；压电体的设置便于在调节电压的作用下改变伸缩量(电压的变化会导致压电体的振动伸缩量)，并推移制动蹄、摩擦衬片与作旋转运动的制动鼓之间摩擦耗能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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，在附图中：

图1是本发明提供的一种电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置一实施方式的结构示意图；

图2是位移放大一实施方式的结构示意图；

图3是电压输出调节组件一实施方式的结构示意图；

图4是摩擦耗能组件一实施方式的结构示意图；

图5是摩擦衬片安装于制动蹄一实施方式的结构示意图；

图6是第二位移转换齿条滑动安装于滑轨一实施方式的俯视图；

图7是滑轨一实施方式的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1-3所示，图1是本发明提供的一种电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置一实施方式的结构示意图；图2是位移放大组件一实施方式的结构示意图；图3是电压输出调节组件一实施方式的结构示意图。该电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置包括第一位移转换齿条2、位移放大组件、摩擦耗能组件4、底座7和电压调节输出组件8，第一位移转换齿条2固定安装于桥面梁的端部，即第一位移转换齿条2未设置有齿条的一端既可固定安装于桥梁1的背面，亦可以固定安装于桥梁1的两个侧面，第一位移转换齿条2跟随桥梁1的水平振动而平移；位移放大组件、摩擦耗能组件4、电压调节输出组件8均固定安装于桥梁1与底座7之间，此处的底座7应作广义理解，底座7既可以指代桥墩本体，亦可以指代固定安装于桥墩或地面的座体；位移放大组件包括一位移输入端、一位移放大单元3和一位移输出端，第一位移转换齿条2与位移放大组件的位移输入端传动连接，以将桥梁1的水平振动转化为位移放大单元3的旋转运动，位移放大单元3则用于将桥梁1的水平振动的位移放大后传递至位移输出端；电压调节输出组件8包括导电指针82、主线圈83、铁芯84和副线圈86，主线圈83和副线圈86分别缠绕安装于铁芯84的上端和下端，导电指针82的上端与位移输出端传动连接、下端与主线圈83滑动连接，主线圈83和导电指针82分别外接电源的正极和负极，由此，导电指针82、主线圈83之间形成电回路，以在导电指针82的滑动下调节主线圈83的匝数并向摩擦耗能组件4输出调节电压；摩擦耗能组件4与位移输出端传动连接，且摩擦耗能组件4与副线圈86电连接，以在调节电压下驱使摩擦耗能组件4摩擦耗能，从而对位移放大单元3的旋转运动进行摩擦制动并耗能。

进一步地，位移放大单元3包括第一齿轮31、第二齿轮32、第一转轴33、第三齿轮34和第二转轴35，第一齿轮31和第二齿轮32分别固定安装于第一转轴33的两端，第一齿轮31与第一位移转换齿条2啮合设置，以将桥梁1的水平振动转换为第一齿轮31的旋转运动；第三齿轮34固定安装于第二转轴35的一端，第三齿轮34与第二齿轮32啮合设置；第二齿轮32的直径大于第一齿轮31的直径，且第三齿轮34的直径小于第二齿轮32的直径。需要说明的是，此传动过程中，桥梁1的微小的水平振动不仅转换为旋转运动，而且，桥梁1的微小的水平位移亦得到了放大：

具体地来说，在旋转过程中，第一齿轮31和第二齿轮32的角速度相同，即ω₃₁＝ω₃₂，此处的ω₃₁指代第一齿轮31的角速度，ω₃₂指代第二齿轮32的角速度；根据传动比的定义，传动比＝从动齿轮数/主动齿轮数＝主动轮转速/从动轮转速，亦即

i表示第二齿轮32与第三齿轮34之间的传动比；

Z₃₂表示第二齿轮32的齿轮数；

Z₃₄表示第三齿轮34的齿轮数；

n₃₂表示第二齿轮32的转速；

n₃₄表示第三齿轮34的转速；

故，当第二齿轮32的齿轮数大于第三齿轮34的齿轮数时，在同一传动比下，第二齿轮32的转速小于第三齿轮34的转速，借由第三齿轮34的转速的提高，间接放大桥梁1的水平振动的位移。

进一步地，电压调节输出组件8还包括第二位移转换齿条81和金属板85，第二位移转换齿条81与第三齿轮34啮合设置，以将第三齿轮34的旋转运动转换为第二位移转换齿条81的水平移动，导电指针82的上端固定安装于第二位移转换齿条81未设置有齿条的一侧，即第二位移转换齿条81的下端面，导电指针82的下端滑动安装于金属板85，金属板85的内部形成有若干导电孔851，导电孔851与主线圈83的每一匝一一对应，以在导电指针82的滑动下调节主线圈83的匝数，进而调节电压调节输出组件8于副线圈86输出的电压的大小，由此，摩擦耗能组件4所接收的电压大小可调，金属板85的设置，目的在于避免导电指针82的往复移动对主线圈83造成磨损。具体而言，电源接通时，导电指针82在第二位移转换齿条81的水平移动下于金属板85的上端面滑移，滑移中的导电指针82通过金属板85中的导电孔851与主线圈83中的对应线圈连接，即主线圈83的匝数得到了变化，根据线圈与电压之间的关系式：

N₁表示主线圈83的匝数；

N₂表示副线圈86的匝数；

U₁表示主线圈83的电压；

U₂表示副线圈86的电压。

由此，在导电指针82滑移至金属板85的某一位置时，主线圈83的匝数N₁确定，副线圈86的匝数N₂和主线圈83的电压U₁始终保持不变的状况下，副线圈86的电压U₂得到变化，进而副线圈86输出至摩擦耗能组件4的电压得到了变化。

进一步地，主线圈83包括左侧的第一主线圈831和右侧的第二主线圈832，第一主线圈831和第二主线圈832分别缠绕安装于铁芯84的上端，电源的正极分别与第一主线圈831和第二主线圈832电连接，电源的负极则与导电指针82电连接。需要注意的是，第一主线圈831和第二主线圈832之间是断开的，亦即两者单独与导电指针82形成电回路，当第二位移转换齿条81保持不动时，即桥梁1未发生结构振动，此时的导电指针82与第一主线圈831和第二主线圈832均是断开的。

为了更好地对摩擦耗能组件4进行阐释说明，请继续参阅图4-图5。摩擦耗能组件4还包括制动鼓41、压电体42、制动蹄43、摩擦衬片44和支撑盘45，制动鼓41固定安装于第二转轴35的一端，以使制动鼓41跟随第二转轴35一同作旋转运动，制动鼓41的内部形成有一腔体，支撑盘45安装于制动鼓41的腔体内，支撑盘45通过支撑架6固定于底座7，以使制动鼓41相对于支撑盘45作旋转运动，即在制动鼓41作旋转运动时，支撑盘45是保持在制动鼓41的腔体内不动的；压电体42安装于制动鼓41的腔体内，且压电体42与副线圈86电连接；制动蹄43包括一固定件431和滑动件432，固定件431固定安装于支撑盘45，滑动件432滑动安装于固定件431，滑动件432的上端与压电体42固定连接，摩擦衬片44固定安装于滑动件432的外侧，以在压电体42的伸缩变形下驱使摩擦衬片44朝向制动鼓41移动，通过摩擦衬片44与制动鼓41接触并产生压力，进而使得旋转中的制动鼓41与摩擦衬片44不断摩擦并发热耗能。

进一步地，摩擦耗能组件4还包括活塞421、拉杆46和弹性件47，活塞421分别固定安装于压电体42的左端和右端，拉杆46固定安装于支撑盘45，制动蹄43包括左侧和右侧的两个且所述制动蹄43对称设置，每一滑动件432的上端均与相对应端的活塞421固定连接，每一滑动件432的下端均与拉杆46的对应端固定连接，弹性件47的左端和右端分别与左侧的滑动件432和右侧的滑动件432固定连接，拉杆46和弹性件47的作用在于：压电体42未接收副线圈86输出的电压时，即导电指针82与主线圈83断开连接时，压电体42能够在拉力和弹力的作用下自觉复位，以便于下一次的使用。

优选地，固定件431通过多个第一螺栓481固定安装于支撑盘45，拉杆46通过第二螺栓482固定安装于支撑盘45。

为了更好地对滑轨51进行阐释说明，请继续参阅图6-7。该电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置还包括滑轨51和固定杆52，滑轨51固定安装于固定杆52的顶端，固定杆52固定安装于底座7，第二位移转换齿条81滑动安装于滑轨51。

进一步地，第二位移转换齿条81的左侧和右侧均安装有滚轮87，滚轮87滑动安装于滑轨51的轨道，优选地，滑轨51为矩形，其左侧和右侧为与滚轮87相适配的轨道。

优选地，滑轨51的中间形成有与导电指针82相适配的通孔511，导电指针82滑动安装于通孔511的内部。

优选地，压电体42为压电陶瓷，支撑架6包括多根折杆，弹性件47为弹簧。

具体实施时，若桥梁1没有发生水平方向的振动，则导电指针82始终与主线圈83断开；若桥梁1发生水平方向的振动，固定安装于桥面梁端部的第一位移转换齿条2跟随桥梁1的水平振动而平移，第一位移转换齿条2与位移放大单元3中的第一齿轮31啮合，由此将桥梁1的水平振动转化为第一齿轮31的旋转运动，并经第二齿轮32和第三齿轮34的间接放大作用后使制动鼓41作旋转运动；第三齿轮34的旋转驱使第二位移转换齿条81沿滑轨51作水平方向的移动，此处以第二位移转换齿条81的向左平移为例，第二位移转换齿条81的向左平移带动导电指针82沿着金属板85向左移动，导电指针82与第一主线圈831接触的瞬间，第一主线圈831的匝数最大，随着导电指针82的继续左移，第一主线圈831的匝数逐渐减小，在副线圈86的匝数和第一主线圈831的电压始终保持不变的状况下，副线圈86的电压逐渐增大，进而副线圈86输出至压电体42的电压亦逐渐增大，由于压电体42的逆压电效应(逆压电效应，即对压电体42施加电压，因电场的作用，压电体沿电场方向伸长或收缩，本发明中利用的是压电体在不同电压下可伸出不同的长度，压电体42所接收的驱动电压越大，压电体42的振动拉伸量越大)，压电体42的两端伸长并产生推力，该推力推动活塞421分别朝向制动鼓41的内侧壁方向移动，在活塞421的推移下，制动蹄43中的滑动件432连同摩擦衬片44朝向制动鼓41的内侧壁移动，直至摩擦衬片44与旋转中的制动鼓41的内侧壁接触并不断摩擦生热，耗散能量，从而将桥梁1水平振动的能量耗散。

本发明提供的一种电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置，其包括第一位移转换齿条、位移放大组件、摩擦耗能组件、底座和电压调节输出组件，第一位移转换齿条固定安装于桥面梁的端部，位移放大组件、摩擦耗能组件、电压调节输出组件均固定安装于桥梁与底座之间，位移放大组件具有一位移输入端、一位移放大单元和一位移输出端，第一位移转换齿条与位移输入端传动连接，以将桥梁的水平振动转化为位移放大单元的旋转运动，并将桥梁的水平振动的位移放大后传递至位移输出端，电压调节输出组件包括导电指针、主线圈、铁芯和副线圈，主线圈和副线圈分别缠绕安装于铁芯的上端和下端，导电指针的上端与位移输出端传动连接、下端与主线圈滑动连接，主线圈和导电指针分别外接电源的正极和负极，由此，导电指针、主线圈之间形成电回路，以在导电指针的滑动下调节主线圈的匝数并向摩擦耗能组件输出调节电压，摩擦耗能组件与副线圈电连接，以在调节电压下驱使摩擦耗能组件摩擦耗能，故桥梁的微小的水平振动经转换为旋转运动和间接放大后，在摩擦耗能组件的摩擦散热下得到有效耗散，此外，根据桥梁水平振动的程度，通过调整导电指针的位置，进而调节主线圈的匝数，从而使得副线圈输出的电压得到调节，进而使摩擦耗能装置适应不同程度的桥梁结构振动，以提高摩擦耗能的效率；第二位移转换齿条的设置，便于再次将旋转运动转换为水平移动，以带动导电指针水平滑移，金属板的设置，有效避免导电指针与主线圈多次接触摩擦后出现磨损的现象；压电体的设置便于在调节电压的作用下改变伸缩量(电压的变化会导致压电体的振动伸缩量)，并推移制动蹄、摩擦衬片与作旋转运动的制动鼓之间摩擦耗能。

以上所述，仅为发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置，其特征在于,包括：

底座、第一位移转换齿条、位移放大组件、电压调节输出组件和摩擦耗能组件；

所述底座固定安装于所述桥梁的下方，所述第一位移转换齿条固定安装于所述桥梁，所述位移放大组件、电压调节输出组件和摩擦耗能组件均固定安装于所述桥梁与所述底座之间，所述位移放大组件具有一位移输入端、一位移放大单元和一位移输出端,所述第一位移转换齿条与所述位移输入端传动连接，以将所述桥梁的水平振动转化为所述位移放大单元的旋转运动，所述位移放大单元用于将所述桥梁的水平振动的位移放大后传递至所述位移输出端；所述电压调节输出组件包括主线圈、副线圈、导电指针和铁芯，所述主线圈和所述副线圈分别缠绕安装于所述铁芯，所述导电指针的一端与所述位移输出端传动连接、另一端与所述主线圈滑动连接，所述主线圈和所述导电指针分别外接电源的两极并向所述摩擦耗能组件输出调节电压，以在所述导电指针的滑动下调节所述主线圈的匝数；所述摩擦耗能组件与所述副线圈电连接，以在所述调节电压下驱使所述摩擦耗能组件摩擦耗能；

所述主线圈包括第一主线圈和第二主线圈，所述第一主线圈和所述第二主线圈分别缠绕安装于所述铁芯，所述电源的正极分别与所述第一主线圈和所述第二主线圈电连接，所述电源的负极与所述导电指针电连接，以在所述导电指针的滑动下调节所述主线圈的匝数；

所述摩擦耗能组件包括制动鼓、支撑盘、压电体、制动蹄和摩擦衬片，所述制动鼓固定安装于第二转轴，所述制动鼓的内部形成有一腔体，所述支撑盘安装于所述制动鼓的腔体内，所述支撑盘通过支撑架固定于所述底座，以使所述制动鼓相对于所述支撑盘作旋转运动；所述压电体安装于所述制动鼓的腔体内，且所述压电体与所述副线圈电连接；所述制动蹄包括一固定件和滑动件，所述固定件固定安装于所述支撑盘，所述滑动件滑动安装于所述固定件，所述滑动件的一端与所述压电体固定连接，所述摩擦衬片固定安装于所述滑动件，以在所述压电体的伸缩变形下驱使所述摩擦衬片朝向所述制动鼓移动。

2.根据权利要求1所述的电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置，其特征在于：所述位移放大单元包括第一齿轮、第一转轴、第二齿轮、第三齿轮和第二转轴，所述第一齿轮和所述第二齿轮分别固定安装于所述第一转轴的两端，所述第一齿轮与所述第一位移转换齿条啮合设置；所述第三齿轮固定安装于所述第二转轴，所述第三齿轮与所述第二齿轮啮合设置；所述第二齿轮的直径大于所述第一齿轮的直径，且所述第三齿轮的直径小于所述第二齿轮的直径。

3.根据权利要求2所述的电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置，其特征在于：所述电压调节输出组件还包括第二位移转换齿条和金属板，所述第二位移转换齿条与所述第三齿轮啮合设置，以将所述第三齿轮的旋转运动转换为所述第二位移转换齿条的水平移动，所述导电指针的一端固定安装于所述第二位移转换齿条未设置齿条的一侧，所述导电指针的另一端滑动安装于所述金属板，所述金属板的内部形成有若干导电孔，所述导电孔与所述主线圈的每一匝一一对应，以在所述导电指针的滑动下调节所述主线圈的匝数。

4.根据权利要求3所述的电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置，其特征在于：所述摩擦耗能组件还包括活塞、拉杆和弹性件，所述活塞固定安装于所述压电体的两端，所述拉杆固定安装于所述支撑盘，所述制动蹄包括两个且所述制动蹄对称设置，每一所述滑动件的一端均与相对应端的所述活塞固定连接，每一所述滑动件的另一端均与所述拉杆固定连接，所述弹性件的两端分别与两个所述滑动件固定连接。

5.根据权利要求3所述的电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置，其特征在于：所述电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置还包括滑轨和固定杆，所述滑轨固定安装于所述固定杆，所述固定杆固定安装于所述底座，所述第二位移转换齿条滑动安装于所述滑轨。

6.根据权利要求5所述的电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置，其特征在于：所述第二位移转换齿条的两侧安装有滚轮，所述滚轮滑动安装于所述滑轨的轨道。

7.根据权利要求5所述的电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置，其特征在于：所述滑轨的中间形成有与所述导电指针相适配的通孔，所述导电指针滑动安装于所述通孔。

8.根据权利要求4所述的电压驱动的桥梁结构摩擦耗能装置，其特征在于：所述压电体为压电陶瓷，所述支撑架包括多根折杆，所述弹性件为弹簧。

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