CN112681856A - 一种颗粒阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒阻尼器，包括：惯容吸能机构，安装在受控构件上，并被配置为当所述受控构件发生振动时，所述惯容吸能机构转动并产生惯性力，进而吸收所述受控构件的振动能量；摩擦耗能机构，与所述惯容吸能机构的动作端连接，并被配置为当所述惯容吸能机构转动时，所述摩擦耗能机构随之转动并产生碰撞和/或摩擦作用，进而消耗所述颗粒阻尼器的自身能量。本发明具有构造简单、价格低廉、原材料丰富及安装便捷等优点，兼具惯容吸能和阻尼颗粒耗能的双重功能，在结构微小振(震)动时即可实现有效地吸收和耗散受控结构能量的功能。

Description

一种颗粒阻尼器

技术领域

本发明涉及一种阻尼器，尤其是关于一种具有惯容吸能和摩擦耗能功能的颗粒阻尼器，属于工程振动控制领域。

背景技术

随着人口剧增、社会经济的发展，超高层结构、大跨空间结构以及大跨度桥梁等复杂工程结构的建设逐渐成为解决城市拥挤、满足多功能需求的主要措施。然而上述复杂工程结构在运营过程中的安全性和舒适性等受偶然荷载的影响十分显著。例如强震、台风作用下复杂工程结构的安全性一直是制约该类结构在复杂恶劣环境中推广应用的瓶颈。鉴于此，耗能减震技术在复杂工程结构振(震)动控制中的应用成为国内外学者研究的热点。

颗粒阻尼技术是一种安全、经济、有效的耗能减震技术，最早应用于航空、机械领域。颗粒阻尼技术具有附加质量小、调谐频带宽、自适应附加阻尼、鲁棒性和耐久性好、价格低廉、易于维护等优点，近年来，逐步被引入结构振动控制领域。然而，由于土木工程结构外部激励条件与航空、机械领域存在显著差异(土木工程结构以非平稳随机振动为主，航空、机械领域以谐振为主)，且土木工程结构对耗能减震措施的控制力需求更大(通常在1000kN以上)。

因此，传统颗粒阻尼器在土木工程结构中的应用和推广主要存在以下问题：(1)当阻尼颗粒发生堆积或填充率较低时，传统颗粒阻尼器在土木工程结构中很难发挥有效的减振控制效果；(2)由于颗粒起振条件的限制，传统颗粒阻尼器在土木工程结构振动初期(结构动力较小)的减震控制效果较差，甚至可能放大结构的动力响应；(3)传统颗粒阻尼器必须附加较大的质量(附加质量比一般不小于2％)才能够达到较优的减震效果，而过大的附加质量可能造成结构设计阶段成本的增大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以降低阻尼颗粒的起振条件，且兼具惯容吸能和摩擦耗能功能的颗粒阻尼器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种颗粒阻尼器，包括：惯容吸能机构，安装在受控构件上，并被配置为当所述受控构件发生振动时，所述惯容吸能机构转动并产生惯性力，进而吸收所述受控构件的振动能量；摩擦耗能机构，与所述惯容吸能机构的动作端连接，并被配置为当所述惯容吸能机构转动时，所述摩擦耗能机构随之转动并产生碰撞和/或摩擦作用，进而消耗所述颗粒阻尼器的自身能量。

所述的颗粒阻尼器，优选地，所述惯容吸能机构包括：第一固定壳体和第二固定壳体，分别固定于所述受控构件上；回转单元，连接于所述第一固定壳体和第二固定壳体之间，并被配置为当所述受控构件振动使得所述第一固定壳体和第二固定壳体发生相对运动时，所述回转单元随之产生旋转动作。

所述的颗粒阻尼器，优选地，所述回转单元包括：螺母，固定于所述第一固定壳体上；滚珠丝杠，所述滚珠丝杠的螺纹端与所述螺母旋接并插入所述第一固定壳体内，所述滚珠丝杠的另一端通过轴承插入所述第二固定壳体内。

所述的颗粒阻尼器，优选地，所述摩擦耗能机构包括：飞轮，设置于所述第二固定壳体内且与所述滚珠丝杠的另一端连接；阻尼颗粒，填充于所述第二固定壳体与所述飞轮之间的空腔内。

所述的颗粒阻尼器，优选地，所述摩擦耗能机构还包括连接于所述飞轮两侧的若干搅棍，所述搅棍为金属或非金属材料，所述搅棍的外形为圆柱形、方形或锥形。

所述的颗粒阻尼器，优选地，在所述第二固定壳体的内壁上黏贴有耗能层。

所述的颗粒阻尼器，优选地，所述飞轮的外轮廓线与所述第二固定壳体之间存在大于0且小于所述阻尼颗粒直径的间隙，所述飞轮在所述第二固定壳体中非接触转动，且所述飞轮外径不小于所述滚珠丝杠外径的6倍。

所述的颗粒阻尼器，优选地，所述阻尼颗粒的填充率在40％～85％之间，所述飞轮与所述阻尼颗粒的质量比为12％～16％，所述阻尼颗粒为金属或非金属材料的球体，尺寸大小均匀一致。

所述的颗粒阻尼器，优选地，所述第一固定壳体和第二固定壳体为不锈钢板或铝合金材料，所述耗能层为低屈服钢塑性耗能材料。

所述的颗粒阻尼器，优选地，所述第一固定壳体和第二固定壳体与所述受控构件通过预留螺栓或焊接方式连接在一起。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将惯容技术引入到颗粒阻尼器中，当受控构件振动使得第一固定壳体与第二固定壳体之间发生相对运动时，连接在第一固定壳体上的螺母会带动滚珠丝杠转动，从而使得连接在滚珠丝杠上的飞轮转动并放大结构的响应，一方面飞轮的转动和飞轮与阻尼颗粒之间的能量交换能够吸收结构的能力以实现惯容吸能功能(飞轮和阻尼颗粒运动储能)，同时可通过带动搅棍搅动降低第二固定壳体中阻尼颗粒的起振条件，进而实现阻尼颗粒之间、阻尼颗粒与耗能层之间、阻尼颗粒与飞轮间的碰撞、摩擦，最终达到耗能的目的。2、本发明具有构造简单、安装方便以及原材料实惠易得等优点，且兼具惯容吸能和摩擦耗能能力，可有效减小地震、强风等作用下高层结构、大跨桥梁结构的动力响应，降低偶然荷载诱发结构损坏或倒塌的可能，解决传统颗粒阻尼器起振条件难，小震时耗能能力难以发挥，以及附加质量大，对结构设计附加成本高等缺点。

附图说明

图1为本发明实施例1中带有耗能层的颗粒阻尼器的结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为本发明实施例2中不带耗能层的的颗粒阻尼器的结构示意图；

图4为图3的A-A向剖视图。

图中各附图标记：

1-第一固定壳体；2-螺母；3-滚珠丝杠；4-轴承；5-飞轮；6-阻尼颗粒；7-第二固定壳体；8-耗能层；9-搅棍。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、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。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明将惯容技术引入颗粒阻尼器中，开发了一种能够惯容吸能，并通过惯容作用加速阻尼颗粒运动剧烈程度，降低阻尼颗粒起振条件，进而通过阻尼颗粒碰撞摩擦耗能的具有惯容功能的颗粒阻尼器。该发明可用于超高层结构、大跨空间结构、高耸结构、大跨桥梁结构等复杂工程结构的减振控制中，即设置于结构设备层、结构顶层、桥梁墩-梁连接位置、箱梁内部等区域，能够伴随结构的振动通过滚珠丝杠、轴承加速飞轮旋转，实现惯容吸能；同时，通过搅棍搅动阻尼颗粒使其快速启动，实现阻尼颗粒与阻尼颗粒、阻尼颗粒与阻尼器内壁间的摩擦和碰撞，进而消耗自身能量，达到耗能的目的。

下面，结合附图对本发明实施例提供的颗粒阻尼器进行详细的说明。

实施例1：

如图1、图2所示，本实例提供的颗粒阻尼器主要用于桥梁墩-梁之间，起到减震(振)的作用。具体地，该颗粒阻尼器包括包括第一固定壳体1、螺母2、滚珠丝杠3、轴承4、飞轮5、阻尼颗粒6、第二固定壳体7、耗能层8和搅棍9。其中，第一固定壳体1和第二固定壳体7分别焊接在桥台或主梁构件上，螺母2焊接在第一固定壳体1上；滚珠丝杠3的螺纹端与螺母2旋接并插入第一固定壳体1内，滚珠丝杠3的另一端通过轴承4插入第二固定壳体7内；飞轮5设置在第二固定壳体7内并与滚珠丝杠3的另一端焊接在一起，飞轮5的两侧均焊接有若干搅棍9；阻尼颗粒6按一定填充率设置于第二固定壳体7与飞轮5之间的空腔中，耗能层8与第二固定壳体7的内壁黏贴在一起。

由此，当桥梁遭遇地震，墩-梁之间发生相对运动(例如二者间距离变远或变近)时，该阻尼器焊接在第一固定壳体1上的螺母2带动滚珠丝杠3转动，焊接在滚珠丝杠3上的飞轮5随之转动产生惯性力，吸收受控构件的能量；接着飞轮5的转动会使得搅棍9搅动第二固定壳体7中的阻尼颗粒6，进而实现阻尼颗粒6与阻尼颗粒6之间以及阻尼颗粒6与耗能层8之间的相互碰撞、摩擦，消耗自身能量，最终将受控构件传递给阻尼器的能量消耗，有效减小了地震作用下桥梁各构件之间的相互碰撞及振动。

在本实施例中，优选地，飞轮5的外轮廓线与第二固定壳体7之间存在大于0且小于阻尼颗粒6直径的间隙，飞轮5在第二固定壳体7中非接触转动，且飞轮5外径不小于滚珠丝杠3外径的6倍。

在本实施例中，优选地，搅棍9可为金属材料，其尺寸根据连接数量以及外部荷载的大小决定，搅棍9的外形可为圆柱形、方形或锥形。

在本实施例中，优选地，根据减震要求的不同，第二固定壳体7内阻尼颗粒6的填充率在40％～85％之间，飞轮5与阻尼颗粒6的质量比为12％，阻尼颗粒6为金属材料的球体，尺寸大小均匀一致。

在本实施例中，优选地，第一固定壳体1和第二固定壳体2为不锈钢板材料，耗能层8为低屈服钢塑性耗能材料。

在本实施例中，优选地，第一固定壳体1的尺寸为320mm×150mm×110mm，厚度为12mm，第二固定壳体7的尺寸为320mm×320mm×320mm，厚度为12mm，滚珠丝杠3直径为60mm，长度可以根据受控结构的最大位移量决定，阻尼颗粒6直径为10mm，内置耗能层8的厚度在10mm～25mm之间，整个阻尼器与受控构件在质量比为0.6％。

实施例2：

如图3、图4所示，本实例提供的颗粒阻尼器主要用于高层建筑层间或爆破结构的缓冲层内，起到减震(振)的作用。具体地，该颗粒阻尼器包括包括第一固定壳体1、螺母2、滚珠丝杠3、轴承4、飞轮5、阻尼颗粒6、第二固定壳体7和搅棍9。其中，第一固定壳体1和第二固定壳体7分别通过预留螺栓连接在高层建筑层上，螺母2焊接在第一固定壳体1上；滚珠丝杠3的螺纹端与螺母2旋接并插入第一固定壳体1内，滚珠丝杠3的另一端通过轴承4插入第二固定壳体7内；飞轮5设置在第二固定壳体7内并与滚珠丝杠3的另一端焊接在一起，飞轮5的两侧均焊接有若干搅棍9；阻尼颗粒6按一定填充率设置在第二固定壳体7与飞轮5之间的空腔中。

由此，当结构遭遇地震、风荷载或爆破冲击时，该阻尼器焊接在第一固定壳体1上的螺母2带动滚珠丝杠3转动，焊接在滚珠丝杠3上的飞轮5随之转动产生惯性力，吸收受控构件的能量；接着飞轮5的转动会使得搅棍9搅动第二固定壳体7中的阻尼颗粒6，进而实现阻尼颗粒6与阻尼颗粒6之间的相互碰撞、摩擦，消耗自身能量，最终将受控构件传递给阻尼器的能量消耗，有效减小了地震、风荷载以及爆破冲击作用下受控构件之间的相互碰撞以及振动。

在本实施例中，优选地，搅棍9可为非金属材料，其尺寸根据连接数量以及外部荷载的大小决定，搅棍9的外形可为圆柱形、方形或锥形。

在本实施例中，优选地，根据减震要求的不同，第二固定壳体7内阻尼颗粒6的填充率在50％～85％之间，飞轮5与阻尼颗粒6的质量比为16％，阻尼颗粒6为非金属材料的球体，尺寸大小均匀一致。

在本实施例中，优选地，第一固定壳体1和第二固定壳体2为铝合金材料，耗能层8为低屈服钢塑性耗能材料。

在本实施例中，优选地，第一固定壳体1的尺寸为500mm×170mm×130mm，厚度为15mm，第二固定壳体7的尺寸为500mm×500mm×500mm，厚度为15mm，滚珠丝杠3直径为100mm，长度可以根据受控构件的最大位移量决定，阻尼颗粒6直径为15mm，整个阻尼器与受控构件在质量比为2.3％。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种颗粒阻尼器，其特征在于，包括：

惯容吸能机构，安装在受控构件上，并被配置为当所述受控构件发生振动时，所述惯容吸能机构转动并产生惯性力，进而吸收所述受控构件的振动能量；

摩擦耗能机构，与所述惯容吸能机构的动作端连接，并被配置为当所述惯容吸能机构转动时，所述摩擦耗能机构随之转动并产生碰撞和/或摩擦作用，进而消耗所述颗粒阻尼器的自身能量。

2.根据权利要求1所述的颗粒阻尼器，其特征在于，所述惯容吸能机构包括：

第一固定壳体(1)和第二固定壳体(2)，分别固定于所述受控构件上；

回转单元，连接于所述第一固定壳体(1)和第二固定壳体(2)之间，并被配置为当所述受控构件振动使得所述第一固定壳体(1)和第二固定壳体(2)发生相对运动时，所述回转单元随之产生旋转动作。

3.根据权利要求2所述的颗粒阻尼器，其特征在于，所述回转单元包括：

螺母(2)，固定于所述第一固定壳体(1)上；

滚珠丝杠(3)，所述滚珠丝杠(3)的螺纹端与所述螺母(2)旋接并插入所述第一固定壳体(1)内，所述滚珠丝杠(3)的另一端通过轴承(4)插入所述第二固定壳体(7)内。

4.根据权利要求3所述的颗粒阻尼器，其特征在于，所述摩擦耗能机构包括：

飞轮(5)，设置于所述第二固定壳体(7)内且与所述滚珠丝杠(3)的另一端连接；

阻尼颗粒(6)，填充于所述第二固定壳体(7)与所述飞轮(5)之间的空腔内。

5.根据权利要求4所述的颗粒阻尼器，其特征在于，所述摩擦耗能机构还包括连接于所述飞轮(5)两侧的若干搅棍(9)，所述搅棍(9)为金属或非金属材料，所述搅棍(9)的外形为圆柱形、方形或锥形。

6.根据权利要求2至5任一项所述的颗粒阻尼器，其特征在于，在所述第二固定壳体(7)的内壁上黏贴有耗能层(8)。

7.根据权利要求4所述的颗粒阻尼器，其特征在于，所述飞轮(5)的外轮廓线与所述第二固定壳体(7)之间存在大于0且小于所述阻尼颗粒(6)直径的间隙，所述飞轮(5)在所述第二固定壳体(7)中非接触转动，且所述飞轮(5)外径不小于所述滚珠丝杠(3)外径的6倍。

8.根据权利要求4所述的颗粒阻尼器，其特征在于，所述阻尼颗粒(6)的填充率在40％～85％之间，所述飞轮(5)与所述阻尼颗粒(6)的质量比为12％～16％，所述阻尼颗粒(6)为金属或非金属材料的球体，尺寸大小均匀一致。

9.根据权利要求6所述的颗粒阻尼器，其特征在于，所述第一固定壳体(1)和第二固定壳体(2)为不锈钢板或铝合金材料，所述耗能层(8)为低屈服钢塑性耗能材料。

10.根据权利要求2至5任一项所述的颗粒阻尼器，其特征在于，所述第一固定壳体(1)和第二固定壳体(2)与所述受控构件通过预留螺栓或焊接方式连接在一起。

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