CN112695911A - 一种自适应变刚度调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种自适应变刚度调谐质量阻尼器，涉及工程结构减振技术领域，其包括壳体、质量块、阻尼机构、调节装置和锁止机构，壳体用于与工程结构连接，且其内具有收容空间；质量块位于收容空间内，且其上连接有弹簧；阻尼机构组设于收容空间内；调节装置一端组设于壳体上，另一端与弹簧活动连接；锁止机构与调节装置连接，并卡持于弹簧上；以及，调节装置用于旋转，带动锁止机构在弹簧上沿靠近或远离质量块的方向移动，以改变锁止机构卡持在弹簧上的位置，并改变弹簧的有效圈数。从而达到改变调谐质量阻尼器的振动频率的目的。

Description

一种自适应变刚度调谐质量阻尼器

技术领域

本申请涉及工程结构减振技术领域，特别涉及一种自适应变刚度调谐质量阻尼器。

背景技术

随着社会经济的快速发展，工程结构正朝着高耸、大跨、轻质和高强的方向发展，结构刚度和阻尼相对较小，在动荷载作用下结构动力反应不断增大，使其难于满足结构的安全性、舒适性和实用性的要求。调谐质量阻尼器(TMD)一般由质量块、弹簧和阻尼器组成，由于其结构简单、使用方便、成本低等优点，广泛应用于工程结构振动控制。

TMD通常只有在激励振动包含一个主要频率分量的情况下或者很窄的频率带情况下才能起到良好的效果，然而对于随机激励的多自由度系统来说，单纯应用TMD要达到减振的目的，会是复杂和困难的。一般的调谐质量阻尼器采用离散化的设计，针对某一价固有频率或者较窄频率范围设计的TMD具有很好的减振效果。然而当激励在一个较宽的频率范围的时候，TMD的减振效果显降低。TMD系统对工程结构振动反应控制的关键是将TMD系统的自振频率调谐到工程结构的自振频率上。

但是，随着时间的推移，工程结构的一些性能会发生变化，工程结构的自振频率也会随之发生改变，从而降低了TMD系统对结构的控制作用。

发明内容

本申请实施例提供一种自适应变刚度调谐质量阻尼器，以解决相关技术中调谐质量阻尼器的振动频率无法自适应随工程结构的振动频率的改变而改变，具有较大局限性的问题。

第一方面，提供了一种自适应变刚度调谐质量阻尼器，其包括：

壳体，其用于与工程结构连接，且其内具有收容空间；

质量块，其位于所述收容空间内，且其上连接有弹簧；

阻尼机构，其组设于所述收容空间内；

调节装置，其一端组设于所述壳体上，另一端与所述弹簧活动连接；

锁止机构，其与所述调节装置连接，并卡持于所述弹簧上；以及，

所述调节装置用于旋转，带动所述锁止机构在所述弹簧上沿靠近或远离所述质量块的方向移动，以改变所述锁止机构卡持在所述弹簧上的位置，并改变所述弹簧的有效圈数。

一些实施例中，所述锁止机构为杆件，所述调节装置包括：

螺母，其固定于所述壳体上；

螺栓，其一端螺接于所述螺母上，另一端与所述杆件连接，并伸入所述弹簧内；所述杆件的两端分别伸出所述弹簧的两个相邻的节距外；

调节器，其与所述螺栓远离所述杆件的一端连接，并用于通过驱动所述螺栓带动所述杆件旋转，以改变所述杆件卡持在所述弹簧上的位置。

一些实施例中，所述杆件倾斜设置，且所述杆件的倾斜角与所述弹簧的螺旋倾角大致相等。

一些实施例中：

所述锁止机构包括两个卡勾，两个所述卡勾的长度不相等；

所述壳体上开设有螺纹孔；所述调节装置包括：

套筒，其一端螺接于所述螺纹孔内，另一端套设于所述弹簧外；两个所述卡勾沿所述套筒外圆周方向间隔设置，且两个所述卡勾分别卡持于所述弹簧的两个相邻的节距内；

调节器，其与所述套筒连接，并用于通过驱动所述套筒带动所述卡勾旋转，以改变所述卡勾卡持在所述弹簧上的位置。

一些实施例中，所述卡勾呈L型，所述卡勾的一端与所述套筒连接，另一端伸入所述弹簧的内，以卡持所述弹簧。

一些实施例中，该自适应变刚度调谐质量阻尼器还包括控制装置，所述控制装置与所述调节装置连接，所述控制装置用于根据所述工程结构的振动频率，获取所述弹簧的有效圈数，并控制所述调节装置将所述弹簧的圈数调整至所述有效圈数，以使所述质量块与所述工程结构达到共振。

一些实施例中，采用如下公式计算所述弹簧的有效圈数n：

式中：f为所述工程结构的振动频率；K为所述弹簧的刚度；m为所述质量块的质量；G为所述弹簧的切变模量；d为所述弹簧的弹簧丝的直径；D为所述弹簧的最大外径。

一些实施例中：

该自适应变刚度调谐质量阻尼器还包括检测装置，所述检测装置设于所述质量块上，并用于检测所述质量块的振动频率；

所述控制装置与所述检测装置连接，并用于将所述质量块的振动频率与所述工程结构的振动频率进行比较，判断所述质量块与所述工程结构是否达到共振，并控制所述调节装置执行相应的动作。

一些实施例中，所述阻尼机构为阻尼液，所述阻尼液填充于所述收容空间内。

一些实施例中，所述阻尼机构为粘滞阻尼器或电涡流阻尼器，且所述阻尼机构的两端分别与所述质量块和所述壳体相连。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：在减振过程中，由于工程结构的振动频率会产生变化，因此需要改变调谐质量阻尼器的振动频率，以适应工程结构的振动，本申请实施例的调谐质量阻尼器通过改变弹簧的有效圈数来改变弹簧的刚度，根据调谐质量阻尼器的振动频率的计算公式可知，调谐质量阻尼器的振动频率与质量块的质量和弹簧的刚度有关，而弹簧的刚度与弹簧的有效圈数有关，因此可以通过改变弹簧的有效圈数改变弹簧的刚度，从而达到改变调谐质量阻尼器的振动频率的目的。

本申请实施例提供了一种自适应变刚度调谐质量阻尼器，由于本申请实施例的调谐质量阻尼器通过增设调节装置和锁止机构，将调节装置和锁止机构连接，并使锁止机构卡持在弹簧上，而且调节装置可以通过旋转，带动锁止机构旋转，并在弹簧上沿靠近或远离质量块的方向移动，从而改变锁止机构卡持在弹簧上的位置，从锁止机构卡持在弹簧的位置，到弹簧与质量块连接的位置之间的弹簧的圈数为弹簧的有效圈数，这部分弹簧扔具有弹性，能随着质量块被拉伸或压缩，而被锁止机构和调节装置锁止的部分弹簧失去弹性，无法再被拉伸或压缩，那么这部分弹簧是无效的，因此，本申请实施例通过改变调节装置的旋转方向以及圈数，可以改变锁止机构卡持在弹簧上的位置，从而改变弹簧的有效圈数，以实现改变调谐质量阻尼器的振动频率的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的自适应变刚度调谐质量阻尼器结构示意图(竖直振动)；

图2为本申请实施例提供的第一种方式的锁止机构7的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的第二种方式的锁止机构7的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的阻尼机构为阻尼液时的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的阻尼机构为粘滞阻尼器或电涡流阻尼器时的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的自适应变刚度调谐质量阻尼器的结构示意图(水平振动)。

图中：1、壳体；10、收容空间；2、质量块；3、弹簧；4、调节装置；40、螺母；41、螺栓；43、调节器；44、套筒；5、阻尼机构；6、检测装置；7、锁止机构；70、杆件；71、卡勾。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

参见图1所示，本申请实施例提供了一种自适应变刚度调谐质量阻尼器，其包括壳体1、质量块2、阻尼机构5、调节装置4和锁止机构7，壳体1用于与工程结构连接，且其内具有收容空间10；质量块2位于收容空间10内，且其上连接有弹簧3；阻尼机构5组设于收容空间10内；调节装置4一端组设于壳体1上，另一端与弹簧3活动连接；锁止机构7与调节装置4连接，并卡持于弹簧3上；以及，调节装置4用于旋转，带动锁止机构7在弹簧3上沿靠近或远离质量块2的方向移动，以改变锁止机构7卡持在弹簧3上的位置，并改变弹簧3的有效圈数。

本申请实施例的自适应变刚度调谐质量阻尼器的减振原理如下：

将壳体1与工程结构连接，工程结构振动，由于频率调谐作用，工程结构的振动转化为质量块2的振动，质量块2通过拉伸和压缩弹簧3产生周期性振动。振动过程中转移至质量块2的动能一部分转化为弹簧3的弹性势能存储起来维持质量块2的振动，另一部分由阻尼机构5通过自身耗能机制耗散掉，以达到将工程结构的振动能量吸收并耗散的过程，从而达到减弱工程结构的振动能量的目的。

在减振过程中，由于工程结构的振动频率会产生变化，因此需要改变调谐质量阻尼器的振动频率，以适应工程结构的振动，本申请实施例的调谐质量阻尼器通过改变弹簧3的有效圈数来改变弹簧3的刚度，根据调谐质量阻尼器的振动频率的计算公式可知，调谐质量阻尼器的振动频率与质量块2的质量和弹簧3的刚度有关，而弹簧3的刚度与弹簧3的有效圈数有关，因此可以通过改变弹簧3的有效圈数改变弹簧3的刚度，从而达到改变调谐质量阻尼器的振动频率的目的。

本申请实施例的调谐质量阻尼器通过增设调节装置4和锁止机构7，将调节装置4和锁止机构7连接，并使锁止机构7卡持在弹簧上，而且调节装置4可以通过旋转，带动锁止机构7旋转，并在弹簧3上沿靠近或远离质量块2的方向移动，从而改变锁止机构7卡持在弹簧3上的位置，从锁止机构7卡持在弹簧3的位置，到弹簧3与质量块2连接的位置之间的弹簧3的圈数为弹簧的有效圈数，这部分弹簧3扔具有弹性，能随着质量块2被拉伸或压缩，而被锁止机构7和调节装置4锁止的部分弹簧3失去弹性，无法再被拉伸或压缩，那么这部分弹簧3是无效的。因此，本申请实施例通过改变调节装置4的旋转方向以及圈数，可以改变锁止机构7卡持在弹簧3上的位置，从而改变弹簧3的有效圈数，以实现改变调谐质量阻尼器的振动频率的目的。

可选的，参见图2所示，本申请实施例的第一种方式的锁止机构7为杆件70，调节装置4包括螺母40、螺栓41和螺栓41，螺母40固定于壳体1上；螺栓41一端螺接于螺母40上，另一端与杆件70连接，并伸入弹簧3内；杆件70的两端分别伸出弹簧3的两个相邻的节距L外；调节器43与螺栓41远离杆件70的一端连接，并用于通过驱动螺栓41带动杆件70旋转，以改变杆件70卡持在弹簧3上的位置。

具体的，本申请实施例的锁止机构7设计成杆件70，杆件70在弹簧3的横截面上的投影的长度大于弹簧3的最大外径；调节器43选用电动扳手，通过调节器43驱动螺母40在螺栓41内旋转，带动杆件70绕弹簧3做螺旋上升或下降的运动，且杆件70的两端始终会卡持在两个相邻的节距L外，以限制其上部的弹簧3，从而改变弹簧3的有效圈数。

优选的，杆件70倾斜设置，且杆件70的倾斜角与弹簧3的螺旋倾角大致相等。以使杆件70呈与弹簧3的螺旋形状相似的螺旋运动，使得杆件70的两端能顺利卡持在两个相邻的节距L外。

可选的，参见图3所示，本申请实施例的第二种方式的锁止机构7包括两个卡勾71，两个卡勾71的长度不相等；壳体1上开设有螺纹孔；调节装置4包括套筒44和调节器，套筒44一端螺接于螺纹孔内，另一端套设于弹簧3外；两个卡勾71沿套筒44外圆周方向间隔设置，且两个卡勾71分别卡持于弹簧3的两个相邻的节距内；调节器与套筒44连接，并用于通过驱动套筒44带动卡勾71旋转，以改变卡勾71卡持在弹簧3上的位置。

具体的，调节器43选用电动扳手，通过调节器43驱动套筒44在螺纹孔内旋转，从而带动两个卡勾71绕弹簧3做螺旋上升或下降的运动，且两个卡勾71的两端始终会卡持在两个相邻的节距L内，以限制其上部的弹簧3，从而改变弹簧3的有效圈数。

进一步的，卡勾71呈L型，卡勾71的一端与套筒44连接，另一端伸入弹簧3的内，以卡持弹簧3。

卡勾71呈L型，包括垂直连接的竖直段和水平段，竖直段与套筒44连接，且两个卡勾71的竖直段的长度不相等；两个卡勾71的水平段分别伸入两个相邻的节距L内，以卡持弹簧3.

可选的，该自适应变刚度调谐质量阻尼器还包括控制装置，控制装置与调节装置4连接，控制装置用于根据工程结构的振动频率，获取弹簧3的有效圈数，并控制调节装置4将弹簧3的圈数调整至有效圈数，以使质量块2与工程结构达到共振。

本申请实施例通过控制器精确调节调谐质量阻尼器的振动频率，以使调谐质量阻尼器与工程结构达到共振，最大程度上进行减振。具体通过控制器获取当前时刻工程结构的振动频率，根据工程结构的振动频率计算得到弹簧3的刚度，再根据弹簧3的刚度可以得到弹簧3的有效圈数n，由于上一时刻弹簧3的有效圈数已知，那么上一时刻的弹簧3的有效圈数即为当前时刻弹簧3的实际圈数n＇，从而可以知道需要调整的圈数Δn，最后控制装置控制调节装置4将弹簧3的实际圈数n＇调整Δn，达到有效圈数n，以使质量块2与工程结构达到共振。

具体的，采用如下公式计算弹簧3的有效圈数n：

式中：f为工程结构的振动频率；K为弹簧3的刚度；m为质量块2的质量；G为弹簧3的切变模量；d为弹簧3的弹簧丝的直径；D为弹簧3的最大外径。

进一步的，参见图4所示，该自适应变刚度调谐质量阻尼器还包括检测装置6，检测装置6设于质量块2上，并用于检测质量块2的振动频率；控制装置与检测装置6连接，并用于将质量块2的振动频率与工程结构的振动频率进行比较，判断质量块2与工程结构是否达到共振，并控制调节装置4执行相应的动作。

由于在调整弹簧3的有效圈数的过程中，可能会出现因为调节装置4的误差，导致调整后的质量块2的振动频率与工程结构的振动频率并不一致的情况，因此本申请实施例根据工程结构的振动频率，调整弹簧3的有效圈数之后，还需要再次检测质量块2的振动频率，并将质量块2的振动频率与工程结构的振动频率进行比较，若质量块2的振动频率与工程结构的振动频率一致，则说明调整成功，若质量块2的振动频率与工程结构的振动频率不一致，则说明未调整成功，控制装置会根据质量块2的振动频率与工程结构的振动频率的差值，再次通过调节装置4去调节弹簧3的有效圈数，直至质量块2的振动频率与工程结构的振动频率一致。

进一步的，参见图4所示，阻尼机构5为阻尼液，阻尼液填充于收容空间10内。

本申请实施例质量块2在振动过程中，阻尼液依靠液体介质的黏滞阻力使运动机械的动能衰减。而且壳体1为封闭的腔室，在壳体1内填充阻尼液的方式更方便，并方便后续补充或更换阻尼液。

进一步的，参见图5所示，阻尼机构5为粘滞阻尼器或电涡流阻尼器，且阻尼机构5的两端分别与质量块2和壳体1相连。

若质量块2的质量过大，在振动过程中对弹簧3的弹力损耗比较严重，可以采用机械的阻尼机构5对质量块2的振动进行阻尼耗能，提高弹簧的使用寿命。

更进一步的，参见图6所示，本申请实施例的自适应变刚度调谐质量阻尼器可以根据工程结构的振动方向，质量块2的振动方向可为竖直振动或水平振动，当水平振动时，质量块2的左右两侧均连接有弹簧3，且质量块2通过滚轮滚动连接于壳体1内，以减小质量块2的运动阻尼。

本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种自适应变刚度调谐质量阻尼器，其特征在于，其包括：

壳体(1)，其用于与工程结构连接，且其内具有收容空间(10)；

质量块(2)，其位于所述收容空间(10)内，且其上连接有弹簧(3)；

阻尼机构(5)，其组设于所述收容空间(10)内；

调节装置(4)，其一端组设于所述壳体(1)上，另一端与所述弹簧(3)活动连接；

锁止机构(7)，其与所述调节装置(4)连接，并卡持于所述弹簧(3)上；以及，

所述调节装置(4)用于旋转，带动所述锁止机构(7)在所述弹簧(3)上沿靠近或远离所述质量块(2)的方向移动，以改变所述锁止机构(7)卡持在所述弹簧(3)上的位置，并改变所述弹簧(3)的有效圈数。

2.如权利要求1所述的自适应变刚度调谐质量阻尼器，其特征在于，所述锁止机构(7)为杆件(70)，所述调节装置(4)包括：

螺母(40)，其固定于所述壳体(1)上；

螺栓(41)，其一端螺接于所述螺母(40)上，另一端与所述杆件(70)连接，并伸入所述弹簧(3)内；所述杆件(70)的两端分别伸出所述弹簧(3)的两个相邻的节距外；

调节器(43)，其与所述螺栓(41)远离所述杆件(70)的一端连接，并用于通过驱动所述螺栓(41)带动所述杆件(70)旋转，以改变所述杆件(70)卡持在所述弹簧(3)上的位置。

3.如权利要求2所述的自适应变刚度调谐质量阻尼器，其特征在于，所述杆件(70)倾斜设置，且所述杆件(70)的倾斜角与所述弹簧(3)的螺旋倾角大致相等。

4.如权利要求1所述的自适应变刚度调谐质量阻尼器，其特征在于：

所述锁止机构(7)包括两个卡勾(71)，两个所述卡勾(71)的长度不相等；

所述壳体(1)上开设有螺纹孔；所述调节装置(4)包括：

套筒(44)，其一端螺接于所述螺纹孔内，另一端套设于所述弹簧(3)外；两个所述卡勾(71)沿所述套筒(44)外圆周方向间隔设置，且两个所述卡勾(71)分别卡持于所述弹簧(3)的两个相邻的节距内；

调节器，其与所述套筒(44)连接，并用于通过驱动所述套筒(44)带动所述卡勾(71)旋转，以改变所述卡勾(71)卡持在所述弹簧(3)上的位置。

5.如权利要求4所述的自适应变刚度调谐质量阻尼器，其特征在于，所述卡勾(71)呈L型，所述卡勾(71)的一端与所述套筒(44)连接，另一端伸入所述弹簧(3)的内，以卡持所述弹簧(3)。

6.如权利要求1所述的自适应变刚度调谐质量阻尼器，其特征在于，该自适应变刚度调谐质量阻尼器还包括控制装置，所述控制装置与所述调节装置(4)连接，所述控制装置用于根据所述工程结构的振动频率，获取所述弹簧(3)的有效圈数，并控制所述调节装置(4)将所述弹簧(3)的圈数调整至所述有效圈数，以使所述质量块(2)与所述工程结构达到共振。

7.如权利要求6所述的自适应变刚度调谐质量阻尼器，其特征在于，采用如下公式计算所述弹簧(3)的有效圈数n：

式中：f为所述工程结构的振动频率；K为所述弹簧(3)的刚度；m为所述质量块(2)的质量；G为所述弹簧(3)的切变模量；d为所述弹簧(3)的弹簧丝的直径；D为所述弹簧(3)的最大外径。

8.如权利要求6所述的自适应变刚度调谐质量阻尼器，其特征在于：

该自适应变刚度调谐质量阻尼器还包括检测装置(6)，所述检测装置(6)设于所述质量块(2)上，并用于检测所述质量块(2)的振动频率；

所述控制装置与所述检测装置(6)连接，并用于将所述质量块(2)的振动频率与所述工程结构的振动频率进行比较，判断所述质量块(2)与所述工程结构是否达到共振，并控制所述调节装置(4)执行相应的动作。

9.如权利要求1所述的自适应变刚度调谐质量阻尼器，其特征在于，所述阻尼机构(5)为阻尼液，所述阻尼液填充于所述收容空间(10)内。

10.如权利要求1所述的自适应变刚度调谐质量阻尼器，其特征在于，所述阻尼机构(5)为粘滞阻尼器或电涡流阻尼器，且所述阻尼机构(5)的两端分别与所述质量块(2)和所述壳体(1)相连。

Images