CN112854508A - 一种颗粒惯容阻尼装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种颗粒惯容阻尼装置，包括金属外壳一、螺母、滚珠丝杠、轴承、飞轮、颗粒、金属外壳二和耗能层。滚珠丝杠一端通过螺母插入金属外壳一内，另一端通过轴承插入金属外壳二内，并与飞轮焊接在一起；飞轮上按照等分原则切割出若干扇形凹槽，凹槽深度可根据需要设置为5～20倍颗粒直径，并在金属外壳二内放置一定数量的颗粒，外壳内壁贴合耗能层。本发明具有价格低廉、维修简单便于安装等优点，同时能够惯容吸能，并通过惯容装置加速阻尼颗粒，进一步吸收受控结构动能；并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颗粒惯容阻尼装置，可有效减小风荷载、地震以及爆破冲击等作用下结构之间的碰撞及振动。

Description

一种颗粒惯容阻尼装置
技术领域
本发明涉及一种颗粒惯容阻尼装置，属于工程振动控制领域。
背景技术
随着人们对多功能结构需求的增加，以及城镇化水平的不断提升，土木工程结构蓬勃发展。建筑结构不断向更高、更柔、更大、更复杂等方向发展，而桥梁结构不断向长大、大跨、应用环境复杂等方向发展，在结构设计时除了要考虑自重荷载、正常使用活荷载等作用，也要考虑风荷载、地震荷载、爆炸冲击等偶然荷载的影响。风荷载、地震荷载或爆炸冲击荷载对高层、超高层、高耸、大跨空间结构、长大桥梁结构等安全性的影响不容忽视，而传统通过“硬抗”方式的结构抗震理念逐步被科学界和工程师们所摒弃，“软抗”等多防线抗震设计、延性抗震设计、减振设计等措施逐渐成为结构设计师们的首选。而减振装置是实现结构“软抗”的重要措施，因此新型减振耗能装置的研发与应用一直是国内外研究的热点。
惯容装置是通过传动机构吸收结构振动能量的一种吸能减振装置，通过与附加阻尼装置的共同应用能够吸收并耗散结构的能量，是现阶段结构减振装置的重要研究对象。现阶段惯容装置主要存在以下问题：惯容装置本身无法耗散结构的能力，既有惯容装置的耗能主要通过惯容装置间的摩擦或外置阻尼装置提供耗能，而附加外置耗能装置一方面可能会限制惯容装置的吸能作用，另一方面会增加额外的成本。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、价格低廉等优点。其最早应用于航空、机械领域。近年来，颗粒阻尼技术逐步被引入结构振动控制领域。现阶段传统颗粒阻尼器存在的问题主要有：由于颗粒起振条件的限制，当阻尼颗粒发生堆积、激励幅值较小、或填充率较低时，阻尼颗粒很难发挥有效的减振控制效果。鉴于此，将颗粒阻尼技术引入惯容装置中，通过惯容技术放大附加阻尼颗粒系统的响应，降低阻尼颗粒的起振条件，并通过颗粒间、颗粒与惯容装置间的摩擦碰撞耗散结构的能量。开发具有一定自带耗能能力的惯容阻尼装置具有重要的工程意义。
发明内容
为解决传统惯容装置不具备自身耗能能力，传统颗粒阻尼器起振条件难，小震时耗能能力难以发挥等问题，本发明提出了一种能够惯容吸能，并通过惯容装置加速阻尼颗粒，进一步吸收受控结构动能；并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颗粒惯容阻尼装置。本发明具有优异的惯容吸能功能，具有良好的减振耗能功能，同时兼具价格低廉、方便拆卸和安装、维修简单等特点。在地震、强风或爆炸冲击等作用下，设置于结构顶层以及桥梁墩-梁连接位置等区域的惯容阻尼装置，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；飞轮在旋转过程中通过内置凹槽加速阻尼颗粒，并在特定位置处释放阻尼颗粒，实现颗粒与颗粒、颗粒与装置外壁间的摩擦和碰撞，进而实现自带耗能功能；同时由于阻尼颗粒提供耗能作用，该装置价格低廉、维修简单便于安装。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种颗粒惯容阻尼装置，包括金属外壳一1、螺母2、滚珠丝杠3、轴承4、飞轮5、颗粒6、金属外壳二7和耗能层8，所述金属外壳一1与螺母2焊接在一起，滚珠丝杠3一端通过螺母2插入金属外壳一1内，另一端通过轴承4插入金属外壳二7内，并与飞轮5焊接在一起，颗粒6按一定填充率设置于金属外壳二7与飞轮5之间的空腔中，耗能层8与金属外壳二7的内壁黏贴在一起。
所述飞轮5外轮廓线与金属外壳二7之间存在大于0且小于颗粒6直径的间隙，飞轮5能够在金属外壳二7中非接触转动；飞轮5上按照等分原则切割出若干扇形凹槽，凹槽深度可根据需要设置为5～20倍颗粒6直径，凹槽所占扇形面积可为飞轮5总横截面面积的10％～50％。
所述飞轮5与金属外壳二7之间的空腔内放置一定数量的颗粒6，颗粒6在腔体中的填充率在45％～85％之间，颗粒6可为金属和非金属材料球型，尺寸大小均匀一致。
所述金属外壳一1和金属外壳二7可为不锈钢板、铝合金材料，耗能层8可为四氟橡胶，亦可为低屈服钢塑性耗能材料。
所述金属外壳一1和金属外壳二7与受控结构通过预留螺栓或焊接方式连接在一起。当受控构件振动使得金属外壳一1与金属外壳7之间发生相对运动时，焊接在金属外壳一1上的螺母2会带动滚珠丝杠3转动，从而使得焊接在滚珠丝杠3上的飞轮5转动并产生惯性力，进而吸收受控结构的振动能量。
所述飞轮5的转动会搅动金属外壳二7与飞轮5间隙中的颗粒6，使得其相互碰撞、摩擦消耗能量；同时，在飞轮5转动的过程中，会携带一部分颗粒6进入凹槽内与飞轮5一起转动，并在一定距离内将颗粒加速以吸收飞轮5的转动动能；当达到一定速度后，凹槽内部分颗粒6会沿凹槽壁飞出进入金属外壳二7的角部区域并与耗能层8以及其他颗粒6发生摩擦和碰撞，进而耗散系统的动能。
与现有技术相比，本发明颗粒惯容阻尼装置具有如下技术效益：本发明将颗粒阻尼技术引入惯容装置中，当受控构件振动使得金属外壳一与金属外壳二之间发生相对运动时，焊接在金属外壳一上的螺母会带动滚珠丝杠转动，从而使得焊接在滚珠丝杠上的飞轮转动并产生惯性力，进而吸收受控结构的振动能量；同时，飞轮的转动会搅动金属外壳二与飞轮间隙中的颗粒，使得其相互碰撞、摩擦消耗能量；同时，在飞轮转动的过程中，会携带一部分颗粒进入凹槽内与飞轮一起转动，并在一定距离内将颗粒加速以吸收飞轮的转动动能；当达到一定速度后，凹槽内部分颗粒会沿凹槽壁飞出进入金属外壳二的角部区域并与耗能层以及其他颗粒发生摩擦和碰撞，进而耗散系统的动能。既能够通过颗粒与飞轮之间的能量交换进一步加大装置的吸能能力；同时又能够有效地降低阻尼颗粒的起振条件，提高阻尼颗粒发生摩擦、碰撞耗能的几率和能力，进而能够实现惯容装置的自带快速耗能能力。本发明具有构造简单、方便拆卸和安装，且制作、维护费用低廉等优点，可有效减小风荷载、爆炸冲击荷载、地震作用下结构之间的振动和碰撞。
附图说明
图1为本发明带有耗能层的侧面示意图；
图2为本发明带有耗能层的A-A切面示意图；
图3为本发明不带耗能层的侧面示意图；
图4为本发明不带耗能层的A-A切面示意图；
图中：1—金属外壳一；2—螺母；3—滚珠丝杠；4—轴承；5—飞轮；6—颗粒；7—金属外壳二；8—耗能层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，具体实施方式的内容不作为对本发明的保护范围限制。
实施例1
如图1、图2、图3和图4所示的一种颗粒惯容阻尼装置，该阻尼装置主要用于桥梁墩-梁之间，起到减震(振)的作用。包括金属外壳一(1)、螺母(2)、滚珠丝杠(3)、轴承(4)、飞轮(5)、颗粒(6)、金属外壳二(7)和耗能层(8)。金属外壳一(1)的尺寸为320mm×150mm×110mm，厚度为12mm，金属外壳二(7)的尺寸为320mm×320mm×320mm，厚度为12mm，滚珠丝杠(3)直径为60mm，长度根据受控结构的最大位移量决定，飞轮(5)直径为280mm，厚度为150mm，其上凹槽根据减震需要规定不同的尺寸，颗粒(6)直径为10mm，根据减震需要，金属外壳二(7)内颗粒(6)的填充率在40％～75％之间，内置耗能层(8)的厚度在10mm～25mm之间，整个阻尼器与受控结构在质量比为0.6％，飞轮(5)与填充颗粒(6)的质量比为12％。
本发明金属外壳一(1)和金属外壳二(7)分别连接在桥台或主梁构件上，金属外壳一(1)与螺母(2)焊接在一起，所述滚珠丝杠(3)一端通过螺母(2)插入金属外壳一(1)内，另一端通过轴承(4)插入金属外壳二(7)内，并与飞轮(5)焊接在一起，颗粒(6)按一定填充率设置于金属外壳二(7)与飞轮(5)之间的空腔中，耗能层(8)与金属外壳二(7)的内壁黏贴在一起。当桥梁遭遇地震，桥梁墩-梁之间发生相对运动时，该阻尼装置焊接在金属外壳一(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，吸收受控构件的振动能量；接着飞轮(5)的转动会搅动金属外壳二(7)与飞轮(5)间隙中的颗粒，使得其相互碰撞、摩擦消耗能量；同时，在飞轮(5)转动的过程中，会携带一部分颗粒进入凹槽内与飞轮(5)一起转动，并在一定距离内将颗粒加速以吸收飞轮(5)的转动动能；当达到一定速度后，凹槽内部分颗粒(6)会沿凹槽壁飞出进入金属外壳二(7)的角部区域并与耗能层(8)以及其他颗粒(6)发生摩擦和碰撞，进而耗散系统的动能，最终将结构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。
实施例2
如图1、图2、图3和图4所示的一种颗粒惯容阻尼装置，该阻尼装置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。包括金属外壳一(1)、螺母(2)、滚珠丝杠(3)、轴承(4)、飞轮(5)、颗粒(6)、金属外壳二(7)和耗能层(8)。金属外壳一(1)的尺寸为530mm×180mm×150mm，厚度为17mm，金属外壳二(7)的尺寸为520mm×520mm×520mm，厚度为17mm，滚珠丝杠(3)直径为110mm，长度根据受控结构的最大位移量决定，飞轮(5)直径为470mm，厚度为160mm，其上凹槽根据减震需要规定不同的尺寸，颗粒(6)直径为15mm，根据减震需要，金属外壳二(7)内颗粒(6)的填充率在45％～80％之间，内置耗能层(8)的厚度在20mm～40mm之间，整个阻尼器与受控结构在质量比为2.6％，飞轮(5)与填充颗粒(6)的质量比为14％。
本发明金属外壳一(1)和金属外壳二(7)连接在受控构件上，金属外壳一(1)与螺母(2)焊接在一起，所述滚珠丝杠(3)一端通过螺母(2)插入金属外壳一(1)内，另一端通过轴承(4)插入金属外壳二(7)内，并与飞轮(5)焊接在一起，颗粒(6)按一定填充率设置于金属外壳二(7)与飞轮(5)之间的空腔中，耗能层(8)与金属外壳二(7)的内壁黏贴在一起。当结构遭遇地震、风荷载或爆破冲击时，该阻尼装置焊接在金属外壳一(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，吸收受控构件的振动能量；接着飞轮(5)的转动会搅动金属外壳二(7)与飞轮(5)间隙中的颗粒，使得其相互碰撞、摩擦消耗能量；同时，在飞轮(5)转动的过程中，会携带一部分颗粒进入凹槽内与飞轮(5)一起转动，并在一定距离内将颗粒加速以吸收飞轮(5)的转动动能；当达到一定速度后，凹槽内部分颗粒(6)会沿凹槽壁飞出进入金属外壳二(7)的角部区域并与耗能层(8)以及其他颗粒(6)发生摩擦和碰撞，进而耗散系统的动能，最终将结构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之间的相互碰撞以及振动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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在本发明保护的范围内。

Claims (6)

1.一种颗粒惯容阻尼装置，其特征在于：包括金属外壳一(1)、螺母(2)、滚珠丝杠(3)、轴承(4)、飞轮(5)、颗粒(6)、金属外壳二(7)和耗能层(8)；所述金属外壳一(1)与螺母(2)焊接在一起，所述滚珠丝杠(3)一端通过螺母(2)插入金属外壳一(1)内，另一端通过轴承(4)插入金属外壳二(7)内，并与飞轮(5)焊接在一起，颗粒(6)按一定填充率设置于金属外壳二(7)与飞轮(5)之间的空腔中，耗能层(8)与金属外壳二(7)的内壁黏贴在一起。
2.根据权利要求书1所述的颗粒惯容阻尼装置，其特征在于：所述飞轮(5)外轮廓线与金属外壳二(7)之间存在大于0且小于颗粒(6)直径的间隙，飞轮(5)能够在金属外壳二(7)中非接触转动；飞轮(5)上按照等分原则切割出若干扇形凹槽，扇形凹槽的深度根据需要设置为5～20倍颗粒(6)直径，扇形凹槽面积为飞轮(5)总横截面面积的10％～50％。
3.根据权利要求书1所述的颗粒惯容阻尼装置，其特征在于，所述飞轮(5)与金属外壳二(7)之间的空腔内放置一定数量的颗粒(6)，颗粒(6)在腔体中的填充率在45％～85％之间，颗粒(6)为金属和非金属材料球型，尺寸大小均匀一致。
4.根据权利要求书1所述的颗粒惯容阻尼装置，其特征在于：所述金属外壳一(1)和金属外壳二(7)为不锈钢板或铝合金材料，耗能层(8)为四氟橡胶，或者为低屈服钢塑性耗能材料。
5.根据权利要求书1、2、3或4所述的颗粒惯容阻尼装置，其特征在于：所述金属外壳一(1)和金属外壳二(7)与受控结构通过预留螺栓或焊接方式连接在一起；当受控构件振动使得金属外壳一(1)与金属外壳(7)之间发生相对运动时，焊接在金属外壳一(1)上的螺母(2)会带动滚珠丝杠(3)转动，从而使得焊接在滚珠丝杠(3)上的飞轮(5)转动并产生惯性力，进而吸收受控结构的振动能量。
6.根据权利要求书1或5所述的颗粒惯容阻尼装置，其特征在于：所述飞轮(5)的转动会搅动金属外壳二(7)与飞轮(5)间隙中的颗粒(6)，使其相互碰撞、摩擦消耗能量；在飞轮(5)转动过程中，会带一部分颗粒(6)进入凹槽内与飞轮(5)一起转动，并在一定距离内将颗粒(6)加速以吸收飞轮(5)的转动动能；当达到一定速度后，凹槽内部分颗粒(5)会沿凹槽壁飞出进入金属外壳二(7)的角部区域并与耗能层(8)以及其他颗粒(6)发生摩擦和碰撞，进而耗散系统的动能。
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