CN112096775A - 一种恒压活塞式颗粒阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，包括一箱体以及活动设于所述箱体内的颗粒阻尼单元，所述颗粒阻尼单元的两侧对称连接有挡板，所述颗粒阻尼单元与所述挡板内侧之间通过连接弹簧连接；所述挡板能够沿所述箱体内壁移动，且所述挡板外侧与所述箱体之间形成密闭的储存腔室；所述储存腔室内存储液体和/或气体，所述储存腔室与外部的管路连通，所述管路内设有单向阀，所述管路连接涡轮机，所述涡轮机通过由所述储存腔室排出的气体和/或液体进行能量回收。本发明解决传统颗粒阻尼器中颗粒发生碰撞时的加速度阈值对质量块位移加速度的最低限制造成的时滞性、碰撞效率低、能量耗散机制单一以及能量不可回收等问题。

Description

一种恒压活塞式颗粒阻尼器
技术领域
本发明属于土木结构振动控制领域，具体涉及一种恒压活塞式颗粒阻尼器。
背景技术
颗粒阻尼器是由传统的冲击阻尼器发展演变而来的一种被动控制技术，这些年来其在土木、机械、航天等领域已经得到较为深入的研究和应用。颗粒阻尼器是通过在振动体中的有限封闭空间内亦或在振动体外的附加腔体内填充一定数量的颗粒，利用颗粒与颗粒之间和颗粒与腔体壁之间的摩擦和碰撞作用消耗系统的振动能量，从而为主体结构提供阻尼，削弱主体结构的响应。颗粒阻尼技术具有耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感、减振性能好等优点，尤其在长期的恶劣环境下仍可充分发挥作用。
然而现阶段颗粒阻尼器也存在一些弊端和不足：(1)颗粒发生碰撞时的加速度阈值对质量块位移加速度的最低限制使得颗粒阻尼器存在一定的时滞性；(2)传统颗粒阻尼器内颗粒堆叠在一起，颗粒碰撞效率低；(3)传统颗粒阻尼器工作时，能量耗散机制较为单一；(4)能量耗散大多以热量的方式耗散，未实现能量的回收利用。因此，如何有效增强阻尼效果和提高减振性能，对于实际工程的减震控制具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的就是为了解决传统颗粒阻尼器中颗粒发生碰撞时的加速度阈值对质量块位移加速度的最低限制造成的时滞性、碰撞效率低、能量耗散机制单一以及能量不可回收等问题，而提出一种恒压活塞式颗粒阻尼器。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，包括一箱体以及活动设于所述箱体内的颗粒阻尼单元，所述颗粒阻尼单元的两侧对称连接有挡板，所述颗粒阻尼单元与所述挡板内侧之间通过连接弹簧连接；
所述挡板能够沿所述箱体内壁移动，且所述挡板外侧与所述箱体之间形成密闭的储存腔室；
所述储存腔室内存储液体和/或气体，所述储存腔室与外部的管路连通，所述管路内设有单向阀，所述管路连接涡轮机，所述涡轮机通过由所述储存腔室排出的气体和/或液体进行能量回收。
优选地，所述的颗粒阻尼单元包括阻尼器腔体，所述阻尼器腔体内设有一个或多个腔室，所述腔室内装填大小颗粒球，所述大小颗粒球内装填颗粒物。
优选地，所述的阻尼器腔体的底部设有凸起挡块，所述的大小颗粒球的内壁设有凸起挡块。
优选地，所述的大小颗粒球的材料为陶瓷、钢材中的任意一种，由两种不同尺寸的颗粒球组成，其中大颗粒球直径为小颗粒球直径的1.5-2倍；
所述凸起挡块在阻尼器腔体底部均匀布置，其间距为大球直径的1.5-2倍，增大碰撞耗能效率；
所述颗粒物体积为大小颗粒球体积的30％-50％，所述的颗粒物的材料为陶瓷、钢材、混凝土中的任意一种，直径为2mm-50mm；
所述的阻尼器腔体的内壁设有缓冲材料，所述的缓冲材料泡沫塑胶材料、棉纺材料或橡胶中任一种或多种。
优选地，两对称设置的储存腔室内与所述挡板相邻依次设有气体腔室和液体腔室，两气体腔室通过一循环的管道连通，并在该管道内设置移动单向阀，使气体能够实现单向流动，所述气体为惰性气体氩、氮气、二氧化碳中任一种；
所述液体腔室包括耗能伸缩筒以及储液器，所述耗能伸缩筒与所述储液器之间通过管道连通，该管道内设有单向阀，使液体能够实现单向流动。
优选地，所述耗能伸缩筒连接压力控制器，通过设定压强限值，控制所述单向阀的开度和/或涡轮机的运行功率。
优选地，所述的耗能伸缩筒中含有液体，所述液体为纯净水、甘油中任一种；所述的耗能伸缩筒为橡胶、纤维增强复合材料中任一种；所述的储液器储存由耗能伸缩筒排除的液体，待耗能伸缩筒中压强低于设定限值时，回流至耗能伸缩筒内。
优选地，所述的连接弹簧为非线性弹簧，振动时发生非线性长度变化，实现伸缩形变耗能；所述挡板上下两侧设置成圆弧形，并且可在连接弹簧的带动下在箱体内往返运动，改变气体的压强。
优选地，所述涡轮机连接储能器，通过由所述储存腔室排出的气体和/或液体进行能量回收，所述储能器储存涡轮机产生的电能。
优选地，所述涡轮机包括叶片、传动轴、拨链器、齿轮组、链条、传动齿轮、变速箱体，所述叶片与所述管道内壁贴合，所述叶片及传动齿轮安装在所述传动轴上，所述的链条将传动齿轮与齿轮组相连，并带动齿轮组转动；所述的拨链器用于调整链条的长度和方向，实现链条与齿轮组中大小齿轮转换和啮合，调整涡轮机功率大小。
本发明的具体工作原理为，颗粒阻尼单元在风/地震作用下，可通过大小颗粒球与各腔体内壁、大小颗粒球内部颗粒与颗粒、大小球颗粒内壁与内部颗粒之间的不断相互碰撞和摩擦进行耗能。颗粒阻尼单元的阻尼器腔体底部设置凸起挡块，顶部和周围设置缓冲材料，并在各腔体内的大小颗粒球中放置颗粒物和设置凸起挡块，从而起到提高碰撞效率和耗能的目的；
当结构水平振动时，颗粒阻尼单元由连接弹簧发生形变进行耗能，同时使动挡板的往返运动，利用单向回路和气体压强产生的单向风带动涡轮机耗散和回收能量；同时可通过耗能伸缩筒内部液体晃荡、耗能伸缩筒的伸缩以及带动涡轮机对风/地震能量耗散和回收，而回收的能量可供传感器使用。其中压力控制器根据液体内部压强情况控制耗能伸缩筒的伸缩和改进涡轮机的功率，实现多机制可控耗能和绿色节能的目的。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明通过在多个阻尼器腔体底部设置凸起挡块和各腔体内的大小颗粒球中设置凸起挡块，可有效提高碰撞效率和耗能水平。
2)本发明结合空气活塞的耗能机理，当风/地震作用下，由连接弹簧形变带动挡板挤压气体，一方面能够起到耗能减振的作用，另一方面由气体起到限位作用，不仅可减小颗粒阻尼器时滞性，而且降低了阻尼器工作时的噪音。
3)本发明中的单向阀与管道相连形成回路，使气体/液体能够实现单向流动，从而带动涡轮机进行能量的耗散和回收利用，并将回收的能量供给传感器使用，实现绿色节能。
4)本发明中的压力控制器根据液体内部压强情况控制恒压装置单向出水口的开关、耗能伸缩筒的伸缩和改进涡轮机的功率，实现智能可控耗能，即完成被动控制向主动控制的转变。
5)本发明可根据风/地震作用的大小，采用不同机制进行耗能；即振动作用较小时，主要由颗粒阻尼单元和活塞装置单元进行耗能减振，当振动程度较大时，则除上述减震耗能措施之外，恒压装置单元也参与耗能，实现多重机制耗能，提高减振效果。
附图说明
图1为本发明一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器正剖面图；
图2为本发明大小颗粒球正剖面图；
图3为本发明涡轮机的变速箱正剖面图；
图4为本发明涡轮机侧剖面图；
图中标号：1为阻尼器腔体，2为大小颗粒球，3为颗粒物，4为凸起挡块，5为连接弹簧，6为挡板，7为气体，8为单向阀，9为储能器，10为液体，11为耗能伸缩筒，12为涡轮机，叶片为12 01，传动轴为12 02，拨链器为12 03，齿轮组为12 04，链条为12 05，12 06为传动齿轮，12 07为变速箱体，13为压力控制器，14为缓冲材料，15为储液箱，16为管道，17为箱体，18为移动单向阀。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，该阻尼器固定于待减震结构的顶部，其结构如图1所示，其包括一箱体17以及活动设于箱体17内的颗粒阻尼单元，颗粒阻尼单元的两侧对称连接有挡板6，颗粒阻尼单元与所述挡板6内侧之间通过连接弹簧5连接，挡板能够沿所述箱体17内壁移动，且挡板6外侧与箱体17之间形成密闭的储存腔室，储存腔室内存储液体和/或气体，储存腔室与外部的管路连通，管路内设有单向阀，管路连接涡轮机12，涡轮机通过由储存腔室排出的气体和/或液体进行能量回收。
具体地，颗粒阻尼单元包括阻尼器腔体1、大小颗粒球2、颗粒物3、凸起挡块4、缓冲材料14。颗粒阻尼单元可设有多个阻尼器腔体1，并在每个阻尼器腔体1的内壁设有缓冲材料14，同时在阻尼器腔体1底部和大小颗粒球2内壁设有凸起挡块4；在大小颗粒球2内部填充的颗粒物3体积为大小颗粒球2体积的30％-50％，颗粒物3的材料为陶瓷、钢材、混凝土中的任意一种；缓冲材料14为泡沫塑胶材料、棉纺材料或橡胶中任一种或多种；大小颗粒球2的材料为陶瓷、钢材中的任意一种，由两种不同尺寸的颗粒球组成，其中大颗粒球直径为小颗粒球直径的1.5倍；凸起挡块4在阻尼器腔体1底部均匀布置，其间距为大颗粒球直径的1.5倍，而在大小颗粒球2沿内壁间隔120°布置，从而增大碰撞耗能效率，如图2所示。
本实施例中的连接弹簧5分别与阻尼器腔体1、挡板6相连，挡板6上下两侧设置成圆弧形，并且可在连接弹簧5的带动下在箱体17内往返运动，改变气体7的压强；移动单向阀18设置于箱体17的内壁的上下两侧，并与管道16直接相连形成回路，使气体7能够实现单向流动；气体7为惰性气体氩、氮气、二氧化碳中任一种；连接弹簧5为非线性弹簧，振动时发生非线性长度变化，实现伸缩形变耗能。
本实施例中的耗能伸缩筒11中含有液体10，液体10为纯净水、甘油中任一种；移动单向阀18随耗能伸缩筒11的伸缩而移动，并内置伸缩管，保证耗能伸缩筒11压缩或者伸长时气体7能够及时的排除和流入，此外移动单向阀18设置于箱体17侧面的上部和下部，并与管道相连形成回路，使液体10能够实现单向流动；耗能伸缩筒11为橡胶、纤维增强复合材料中任一种；储液器15可储存由耗能伸缩筒11排除的液体10，待耗能伸缩筒11中压强低于设定限值时，可及时流入耗能伸缩筒11；储液器15储存涡轮机12产生的电能，并将电能供给压力控制器13使用。
如图3、4，本实施例的涡轮机12包括叶片12 01、传动轴12 02、拨链器12 03、齿轮组12 04、链条12 05、传动齿轮12 06、变速箱体12 07；叶片12 01的管道设置为90°圆弧通道，叶片12 01互成90°角设置，共有四片，叶片12 01与管道内壁贴合，保持改进涡轮机12的密闭性，只有管道16内气体7达到一定的气压才能带动叶片12 01转动；传动轴12 02只能单向转动；链条12 05将传动齿轮12 06与齿轮组12 04相连，并带动齿轮组12 04转动；拨链器12 03可调整链条12 05的长度和方向，实现链条12 05与齿轮组12 04中大小齿轮的转换和啮合，从而实现改进涡轮机12的变功率功能，具体如图3所示。
单向阀8与管道16相连形成回路，使气体/液体能够实现单向流动，从而带动涡轮机12进行能量的耗散和回收利用，并将回收的能量供给传感器使用，实现能源再生利用一体化；而压力控制器13通过设定液体10压强限值，控制出口单向阀8的开关、耗能伸缩筒11的伸缩以及涡轮机12的运行功率。
本阻尼器具体工作原理为，当风/地震作用较小时，液体10压强低于压力控制器13设定的限值，此时主要由颗粒阻尼单元和连接弹簧5及挡板6进行耗能减振，即颗粒碰撞、连接弹簧5形变、气体7压缩、气体7带动低功率涡轮机12以及液体10晃荡进行耗能；而当振动程度较大时，则除上述减震耗能措施之外，一侧的气体7排尽而使挡板直接作用在耗能伸缩筒11上，急剧增大液体10的压强超过压力控制器13设定的限值，打开液体10单向阀8出口，与此同时调大涡轮机12的功率，即耗能伸缩筒伸缩11、液体10与气体7带动高功率涡轮机12进行耗能。实现多重机制耗能、绿色节能的目的。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，其特征在于，包括一箱体(17)以及活动设于所述箱体(17)内的颗粒阻尼单元，所述颗粒阻尼单元的两侧对称连接有挡板(6)，所述颗粒阻尼单元与所述挡板(6)内侧之间通过连接弹簧(5)连接；
所述挡板能够沿所述箱体(17)内壁移动，且所述挡板(6)外侧与所述箱体(17)之间形成密闭的储存腔室；
所述储存腔室内存储液体和/或气体，所述储存腔室与外部的管路连通，所述管路内设有单向阀，所述管路连接涡轮机(12)。
2.根据权利要求1所述的一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，其特征在于，所述的颗粒阻尼单元包括阻尼器腔体(1)，所述阻尼器腔体(1)内设有一个或多个腔室，所述腔室内装填大小颗粒球(2)，所述大小颗粒球(2)内装填颗粒物(3)。
3.根据权利要求2所述的一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，其特征在于，所述的阻尼器腔体(1)的底部设有凸起挡块(4)，所述的大小颗粒球(2)的内壁设有凸起挡块(4)。
4.根据权利要求3所述的一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，其特征在于，所述的大小颗粒球(2)的材料为陶瓷、钢材中的任意一种，由两种不同尺寸的颗粒球组成，其中大颗粒球直径为小颗粒球直径的1.5-2倍；
所述凸起挡块(4)在阻尼器腔体(1)底部均匀布置，其间距为大球直径的1.5-2倍，增大碰撞耗能效率；
所述颗粒物(3)体积为大小颗粒球(2)体积的30％-50％，所述的颗粒物(3)的材料为陶瓷、钢材、混凝土中的任意一种，直径为2mm-50mm；
所述的阻尼器腔体(1)的内壁设有缓冲材料(14)，所述的缓冲材料(14)泡沫塑胶材料、棉纺材料或橡胶中任一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，其特征在于，两对称设置的储存腔室内与所述挡板(6)相邻依次设有气体腔室和液体腔室，两气体腔室通过一循环的管道(16)连通，并在该管道(16)内设置移动单向阀(18)，使气体(7)能够实现单向流动，所述气体(7)为惰性气体氩、氮气、二氧化碳中任一种；
所述液体腔室包括耗能伸缩筒(11)以及储液器(15)，所述耗能伸缩筒(11)与所述储液器(15)之间通过管道(16)连通，该管道(16)内设有单向阀(8)，使液体(10)能够实现单向流动。
6.根据权利要求5所述的一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，其特征在于，所述耗能伸缩筒(11)连接压力控制器(13)，通过设定压强限值，控制所述单向阀(8)的开度和/或涡轮机(12)的运行功率。
7.根据权利要求5所述的一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，其特征在于，所述的耗能伸缩筒(11)中含有液体(10)，所述液体(10)为纯净水、甘油中任一种；所述的耗能伸缩筒(11)为橡胶、纤维增强复合材料中任一种；所述的储液器(15)储存由耗能伸缩筒(11)排除的液体(10)，待耗能伸缩筒(11)中压强低于设定限值时，回流至耗能伸缩筒(11)内。
8.根据权利要求1所述的一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，其特征在于，所述的连接弹簧(5)为非线性弹簧，振动时发生非线性长度变化，实现伸缩形变耗能；所述挡板(6)上下两侧设置成圆弧形，并且可在连接弹簧(5)的带动下在箱体(17)内往返运动，改变气体(7)的压强。
9.根据权利要求1所述的一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，其特征在于，所述涡轮机(12)连接储能器(9)，通过由所述储存腔室排出的气体和/或液体进行能量回收，所述储能器(9)储存涡轮机(12)产生的电能。
10.根据权利要求1所述的一种可控恒压活塞式颗粒阻尼器，其特征在于，所述涡轮机(12)包括叶片(1201)、传动轴(1202)、拨链器(1203)、齿轮组(1204)、链条(1205)、传动齿轮(1206)、变速箱体(1207)，
所述叶片(1201)与所述管道内壁贴合，所述叶片(1201)及传动齿轮(1206)安装在所述传动轴(1202)上，所述的链条(1205)将传动齿轮(1206)与齿轮组(1204)相连，并带动齿轮组(1204)转动；
所述的拨链器(1203)用于调整链条(1205)的长度和方向，实现链条(1205)与齿轮组(1204)中大小齿轮转换和啮合，调整涡轮机(12)功率大小。
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