CN112459587A - 一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，用于通过拉索与震动结构连接，包括外筒、分别同轴设置于外筒内的弹簧、正反牙丝杆、磁体盘和导体盘以及与外筒内侧壁固定连接的第一连接组件和第二连接组件，所述的弹簧的一端与外筒固定连接，另一端与正反牙丝杆的一端连接，所述的正反牙丝杆的另一端用于通过拉索与震动结构连接，所述的正反牙丝杆的两端分别开设方向相反的螺纹，所述的磁体盘通过第一连接组件套设于正反牙丝杆一端的螺纹上，所述的导体盘通过第二连接组件套设于正反牙丝杆另一端的螺纹上，与现有技术相比，本发明具有安装方便、自平衡、可复位等优点。

Description

一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器

技术领域

本发明涉及土木工程结构震动控制领域，尤其是涉及一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器。

背景技术

惯容阻尼器作为新型高效的结构被动震动控制手段，是一种利用电涡流的阻尼效应制成的耗能减振装置，具有非接触、无机械性摩擦和损耗、无须润滑、使用寿命长和易安装等优点。目前，电涡流阻尼器主要作为调谐质量阻尼器的阻尼元件正逐步应用在土木工程结构的震动被动控制领域。

电涡流阻尼的产生必须要有导体板作切割磁感线运动，即磁场源和导体板之间存在相对运动，产生的电磁力大小与相对运动速度大小成正比，故提高相对速度的放大效应一直是电涡流阻尼器的设计关键。将直线运动转化成旋转运动的旋转式电涡流阻尼器可以提供一定的放大系数，螺旋传动由于其拥有较好的将直线运动转化为转动的放大效应，已开始被运用在旋转式电涡流阻尼器中，但必须使用定子和转子，一般把磁场源作为定子的部分，运动的导体板作为转子部分，当然也可以把磁场源放在转子上，将导体板固定。但是，不论转子和定子如何分配，始终必须有制动扭矩限制定子的转动，否则工作过程中产生的电涡流力的反作用力必定会使定子转动。

近年来，使用中心消能构件配合纯拉力系统来快速提高结构的抗震性能成为了一种较好的方法。目前已有丝杆旋转式电涡流阻尼器虽然已具有一定的速度放大能力，但由于螺纹丝杆式旋转电涡流阻尼器必须同时使用固定端限制丝杆和定子的转动，才能使阻尼器发挥作用，这一点使得它无法运用在单边张拉的纯拉力系统中，拉索的连接无法提供这样的制动力矩。

因此，基于拉索的纯拉力系统对阻尼器提出了轻质、自平衡、可复位性能的要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种安装方便、自平衡、可复位的单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，用于通过拉索与震动结构连接，包括外筒、分别同轴设置于外筒内的弹簧、正反牙丝杆、磁体盘和导体盘以及与外筒内侧壁固定连接的第一连接组件和第二连接组件，所述的弹簧的一端与外筒固定连接，另一端与正反牙丝杆的一端连接，所述的正反牙丝杆的另一端用于通过拉索与震动结构连接，所述的正反牙丝杆的两端分别开设方向相反的螺纹，所述的磁体盘通过第一连接组件套设于正反牙丝杆一端的螺纹上，所述的导体盘通过第二连接组件套设于正反牙丝杆另一端的螺纹上；

震动结构产生水平位移时，拉索在正反牙丝杆的一端提供单边张拉力，所述的弹簧在正反牙丝杆的另一端提供恢复力，所述的正反牙丝杆沿轴向移动，带动磁体盘和导体盘分别在第一连接组件和第二连接组件的作用下沿相反方向转动，电涡流效应在正反牙丝杆上作用的电磁力和电磁力反作用力相互抵消，实现正反牙丝杆的自平衡。

进一步地，所述的第一连接组件包括第一丝杆螺母、第一法兰和第一轴承，所述的第二连接组件包括第二丝杆螺母、第二法兰和第二轴承，所述的第一丝杆螺母和第二丝杆螺母分别套设于正反牙丝杆两端的螺纹上，所述的第一法兰的一端与第一丝杆螺母固定连接，另一端与磁体盘固定连接，所述的第二法兰的一端与第二丝杆螺母固定连接，另一端与导体盘固定连接，所述的第一轴承和第二轴承的外圈分别固定设置于外筒内侧面，内圈分别与磁体盘和导体盘固定连接，磁体盘和导体盘分别通过第一轴承和第二轴承与外筒连接在一起，以避免出现刚体平动，使其只出现转动。

所述的正反牙丝杆沿轴向移动，分别带动第一丝杆螺母和第二丝杆螺母沿相反方向转动，并分别通过第一法兰和第二法兰带动磁体盘和导体盘在第一轴承和第二轴承的作用下，沿相反方向转动。

优选地，所述的正反牙丝杆在中点处一分为二，两端分别开设行程相等的正反牙螺纹。

进一步优选地，所述的正反牙丝杆两端的正牙反螺纹的行程均为235mm，能够满足工作行程的要求。

优选地，所述的正反牙丝杆的两端端部分别为开设安装通孔的圆柱扁势，两端的安装通孔分别与弹簧和拉索连接，两端有合适的安装孔洞适应不同的工程需要。

优选地，所述的磁体盘与导体盘的结构和尺寸相同，所述的磁体盘为铁盘，且其正对导体盘的一侧固定设置永磁体，无需外界能源，可实现较大阻尼比，所述的导体盘为铜盘或铝盘，导电性能较好。

优选地，所述的第一法兰和第二法兰为双头法兰筒，固定连接两端部件，稳定可靠，所述的第一轴承和第二轴承为滚珠轴承，所述的弹簧为预应力弹簧，当惯容阻尼器受到牵引开始工作时，预应力弹簧的预拉力可以在位移输入时提供恢复力从而达到可复位的效果。

进一步地，所述的第一丝杆螺母和第二丝杆螺母之间的间距大于正反牙丝杆两端的正反螺纹的行程，保证正反牙丝杆两端的螺纹能够在整个行程内无法与另一端的丝杆螺母接触，保证行程。

进一步优选地，所述的第一法兰和第二法兰中心通孔的直径均大于正反牙丝杆的直径，通过将导体盘和磁体盘分别向两侧悬挑出一段，从而满足工作过程中螺母之间间距的要求，保证行程。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过正反牙丝杆使阻尼器转子定子以相反转动方向绕轴线做转动，将结构拉索的水平位移转化为阻尼器内部结构的旋转运动进行控制，将结构位移进行放大，电磁力和电磁力反作用力以等量相反方向作用在丝杆上，电涡流效应同时作用在丝杆上的作用力矩与反作用力矩相互抵消，实现了丝杆的自平衡性能，不对外产生附加扭矩，这样可以将该惯容阻尼器应用在纯拉力的系统上，且对支座的要求不高，方便安装；

2)本发明通过在正反牙丝杆的两端分别设置导体盘和磁体盘，导体盘和磁体盘一同旋转作用在丝杆上，转动效应互相抵消的同时，使得纵轴向力得到了两倍的放大，即电涡流效应得到了两倍的放大，获得了更高的阻尼系数，抗震耗能效果更好；

3)本发明丝杆一端固定连接拉索，一端安装预应力弹簧，将原本需要固定在层间底部的双边张拉的装置改进为单边拉索张拉，采用预应力弹簧来实现恢复力，在保证自复位功能的基础上，实现建筑结构对装置的单边张拉，减少安装工序，节省连接点设置，安装使用更方便；

4)本发明的自平衡式惯容阻尼器的阻尼来源采用了电涡流阻尼，不依靠机械摩擦耗能，也不存在密封问题，与结构无直接接触，无机械性磨擦和损耗，耐久性好，且导体盘和磁体盘通过滚珠轴承连接刚型套筒，使装置成为整体，便于整体工业化生产，减少拼装，结构大大简化，加工安装方便；

5)本发明采用永磁铁来提供形成电涡流所需的磁场，无需外界能源，就可实现较大的阻尼比，由永磁体和结构位移来提供阻尼力，无需润滑，易养护；

6)本发明可通过更换弹簧或磁体改变装置的刚度、阻尼等系数，适用于多种中心消能构件纯拉力系统，震后可通过拉索的张紧状态快速评估阻尼器工作状态，是否需更换相关构件，大大提高了阻尼器的耐久性和工程实用性。

附图说明

图1为本发明惯容阻尼器的立体结构示意图；

图2为本发明惯容阻尼器的平面结构示意图；

图3为正反牙丝杆的结构示意图；

图4为第一丝杆螺母和第二丝杆螺母的结构示意图；

图5为第一法兰和第二法兰的结构示意图；

图6为磁体盘和导体盘的结构示意图；

图7为第一轴承和第二轴承的结构示意图。

其中，1、正反牙丝杆，2、磁体盘，3、导体盘，41、第一轴承，42、第二轴承，51、第一法兰，52、第二法兰，6、弹簧，7、外筒，81、第一丝杆螺母，82、第二丝杆螺母。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1和图2所示，本发明提供一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，用于通过拉索与震动结构连接，包括外筒7、分别同轴设置于外筒7内的弹簧6、正反牙丝杆1、磁体盘2和导体盘3以及与外筒7内侧壁固定连接的第一连接组件和第二连接组件。第一连接组件包括第一丝杆螺母81、第一法兰51和第一轴承41，第二连接组件包括第二丝杆螺母82、第二法兰52和第二轴承42。

外筒7为一端开口，另一端封口的圆柱筒体，同时在封口端的外侧筒面上安装或焊接一个螺栓，用于将外筒固定安装在所需位置，弹簧6的一端与外筒7封口端的中心固定连接，另一端与正反牙丝杆1的一端连接，正反牙丝杆1的另一端用于通过拉索与震动结构连接，正反牙丝杆1的两端分别开设方向相反的螺纹，第一丝杆螺母81、第一法兰51、磁体盘2、第一轴承41、第二轴承42、导体盘3、第二法兰52和第二丝杆螺母82由外筒7开口端向封口端的方向，依次套设于正反牙丝杆1上，具体为，第一丝杆螺母81和第二丝杆螺母82分别套设于正反牙丝杆1两端的螺纹上且与螺纹相互啮合，第一法兰51的一端与第一丝杆螺母81固定连接，另一端与磁体盘2固定连接，第二法兰52的一端与第二丝杆螺母82固定连接，另一端与导体盘3固定连接，磁体盘2固定设置于第一轴承41的内圈上，导体盘3固定设置于第二轴承42的内圈上，第一轴承41和第二轴承42的外圈分别固定设置于外筒7内侧面。

其中，第一丝杆螺母81和第二丝杆螺母82之间的间距大于正反牙丝杆1两端的正反螺纹的行程，保证正反牙丝杆两端的螺纹能够在整个行程内无法与另一端的丝杆螺母接触，保证工作过程的可靠性，本实施例中，通过设置第一法兰51、磁体盘2、导体盘3和第二法兰52的中心用于穿设正反牙丝杆1的通孔的直径大于正反牙丝杆1的直径来实现，这样可以将导体盘3和磁体盘2分别向两侧悬挑出一段后再连接第一丝杆螺母81和第二丝杆螺母82，以满足工作过程中第一丝杆螺母81和第二丝杆螺母82之间间距的要求。为了实现可自复位功能，弹簧6采用预应力弹簧，当本发明的惯容阻尼器受到牵引开始工作时，预应力弹簧的预拉力可以在位移输入时提供恢复力从而达到可复位的效果。

震动结构产生水平位移时，拉索在正反牙丝杆1的一端提供单边张拉力，弹簧6在正反牙丝杆1的另一端提供恢复力，正反牙丝杆1沿轴向移动，分别带动第一丝杆螺母81和第二丝杆螺母82沿相反方向转动，并分别通过第一法兰51和第二法兰52带动磁体盘2和导体盘3在第一轴承41和第二轴承42的作用下，沿相反方向转动，引起的电涡流在正反牙丝杆1上作用的电磁力和电磁力反作用力相互抵消，实现正反牙丝杆1的自平衡，并通过将震动结构的水平位移转化为阻尼器内部结构的旋转运动进行震动控制，实现抗震耗能的作用。

如图3所示，正反牙丝杆1在中点处一分为二，两端分别开设行程相等的正反牙螺纹，磁体盘2和第一连接组件设置于正反牙丝杆1的正牙端，导体盘3和第二连接组件设置于正反牙丝杆1的反牙端，正反牙丝杆1两端端部分别为开设安装通孔的圆柱扁势，两端的安装通孔分别与弹簧6和拉索连接，两端合适的安装通孔可以适应不同的工程需要，正反牙丝杆1的总长应设计为大于或等于工作行程的两倍，正反牙丝杆1两端的正反牙螺纹的行程应不小于工作行程，且两端正反牙螺纹之间应当预留无螺纹部分，本实施例中正反牙螺纹的行程设置为235mm。

当导程角过小时，正反牙丝杆1引起的摩擦较大，造成框架在自由震动中处于过阻尼状态，为了更好地使阻尼器的电涡流效应和惯容效应发挥主要消能作用，正反牙丝杆1设计应当在满足足够放大系数的条件下尽量选用大导程丝杆。

如图4所示，第一丝杆螺母81和第二丝杆螺母82的结构相同，包括中间内部开设内螺纹的套设部和外侧的连接环，套设部套设于正反牙丝杆1上，与正反牙丝杆1上的螺纹相互啮合，连接环上开设安装孔，分别与第一法兰51和第二法兰52固定连接。

如图5所示，第一法兰51和第二法兰52的结构相同，均为双头法兰筒，两侧头部分别开设安装孔，分别与第一丝杆螺母81和第二丝杆螺母82以及磁体盘2和导体盘3固定安装连接。

如图6所示，磁体盘2与导体盘3的结构和尺寸相同，中间开设通孔，套设于正反牙丝杆1上，该通孔的直径也略大于正反牙丝杆1的直径，本实施例中，磁体盘2选择使用Q235铁盘，且在正对导体盘3的一面固定设置永磁体，一方面铁盘可以通过磁吸的方式方便地固定永磁体，同时铁盘作为导磁材质还能够发挥导磁体的作用，加大永磁体的磁感应强度。永磁体优选选用磁性最强的钕铁硼材质，永磁体数量与磁场强度线性相关，同等条件下，磁场越强则阻尼力越大，因此永磁体具体位置可根据所需进行调整，导体盘3的材料采用铜或铝。另外，为了满足该惯容阻尼器的自平衡性能，磁体盘2和导体盘3的总转动惯量需要相等，才能在盘的旋转过程中保持丝杆只平动不发生转动，优选地，可以在外筒7的侧壁上沿轴向开设几个安装小孔，方便通过调节磁体盘2和导体盘3的位置来调节电涡流的效果。

如图7所示，第一轴承41和第二轴承42为滚珠轴承。第一轴承41和第二轴承42与磁体盘2和导体盘3之间的连接，考虑到安装的难度以及部件的适配性选择采用过盈配合的方式，将磁体盘2和导体盘3的外径比第一轴承41和第二轴承42的内径略做大1-2mm，通过过盈配合之间的摩擦力来实现共同转动。

本发明适用于中心消能构件纯拉力系统，利用了在框架中用钢索悬吊轻型阻尼器来传递框架间横向震动位移给消能构件的方式，达到了快速安装、调试方便、造价便宜和受力清晰的效果。整个装置预先装配在外筒7之中，只需将一侧固定在震动结构的某一位置，另一侧通过拉索单边张拉与震动结构其余部分相连便可以开始工作。当发生震动时，通过将震动结构的水平位移转为正反牙丝杆1运动从而转为磁体盘2和导体盘3的角位移，正反牙丝杆1的螺纹将进行放大，通过两盘之前的相对转动产生电涡流从而达到耗能的效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，用于通过拉索与震动结构连接，其特征在于，包括外筒(7)、分别同轴设置于外筒(7)内的弹簧(6)、正反牙丝杆(1)、磁体盘(2)和导体盘(3)以及与外筒(7)内侧壁固定连接的第一连接组件和第二连接组件，所述的弹簧(6)的一端与外筒(7)固定连接，另一端与正反牙丝杆(1)的一端连接，所述的正反牙丝杆(1)的另一端用于通过拉索与震动结构连接，所述的正反牙丝杆(1)的两端分别开设方向相反的螺纹，所述的磁体盘(2)通过第一连接组件套设于正反牙丝杆(1)一端的螺纹上，所述的导体盘(3)通过第二连接组件套设于正反牙丝杆(1)另一端的螺纹上；

震动结构产生水平位移时，拉索在正反牙丝杆(1)的一端提供单边张拉力，所述的弹簧(6)在正反牙丝杆(1)的另一端提供恢复力，所述的正反牙丝杆(1)沿轴向移动，带动磁体盘(2)和导体盘(3)分别在第一连接组件和第二连接组件的作用下沿相反方向转动，产生的电涡流效应在正反牙丝杆(1)上作用的电磁力和电磁力反作用力相互抵消，实现正反牙丝杆(1)的自平衡，同时实现抗震耗能的作用。

2.根据权利要求1所述的一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，其特征在于，所述的第一连接组件包括第一丝杆螺母(81)、第一法兰(51)和第一轴承(41)，所述的第二连接组件包括第二丝杆螺母(82)、第二法兰(52)和第二轴承(42)，所述的第一丝杆螺母(81)和第二丝杆螺母(82)分别套设于正反牙丝杆(1)两端的螺纹上，所述的第一法兰(51)的一端与第一丝杆螺母(81)固定连接，另一端与磁体盘(2)固定连接，所述的第二法兰(52)的一端与第二丝杆螺母(82)固定连接，另一端与导体盘(3)固定连接，所述的第一轴承(41)和第二轴承(42)的外圈分别固定设置于外筒(7)内侧面，内圈分别与磁体盘(2)和导体盘(3)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，其特征在于，所述的正反牙丝杆(1)沿轴向移动，分别带动第一丝杆螺母(81)和第二丝杆螺母(82)沿相反方向转动，并分别通过第一法兰(51)和第二法兰(52)带动磁体盘(2)和导体盘(3)在第一轴承(41)和第二轴承(42)的作用下，沿相反方向转动。

4.根据权利要求2所述的一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，其特征在于，所述的正反牙丝杆(1)在中点处一分为二，两端分别开设行程相等的正反牙螺纹。

5.根据权利要求4所述的一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，其特征在于，所述的正反牙丝杆(1)两端的正反牙螺纹的行程均为235mm。

6.根据权利要求1或2所述的一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，其特征在于，所述的正反牙丝杆(1)的两端端部分别为开设安装通孔的圆柱扁势，两端的安装通孔分别与弹簧(6)和拉索连接。

7.根据权利要求1或2所述的一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，其特征在于，所述的磁体盘(2)与导体盘(3)的结构和尺寸相同，所述的磁体盘(2)为铁盘，且其正对导体盘(3)的一侧固定设置永磁体，所述的导体盘(3)为铜盘或铝盘。

8.根据权利要求2所述的一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，其特征在于，所述的第一法兰(51)和第二法兰(52)为双头法兰筒，所述的第一轴承(41)和第二轴承(42)为滚珠轴承，所述的弹簧(6)为预应力弹簧。

9.根据权利要求4所述的一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，其特征在于，所述的第一丝杆螺母(81)和第二丝杆螺母(82)之间的间距大于正反牙丝杆(1)两端的正反螺纹的行程。

10.根据权利要求9所述的一种单边张拉的预应力自平衡式惯容阻尼器，其特征在于，所述的第一法兰(51)和第二法兰(52)中心通孔的直径均大于正反牙丝杆(1)的直径。

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