CN112900672B - 一种基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明属于阻尼器领域，公开了一种基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器，包括滑轨、支撑结构、滚动质量块及惯性体；支撑结构用于与待减振的主结构固定连接；滑轨为圆弧状，固定在支撑结构上；滚动质量块为齿轮状，其转轴与滑轨滑动配合，以在主结构产生振动时沿滑轨运动；惯性体为齿轮状，其具有绕自身转轴旋转的自由度，通过支撑结构安装在滚动质量块的顶部，且与滚动质量块啮合；惯性体与滑轨同轴布置，以使滚动质量块沿滑轨滑动过程中始终与滚动质量块保持啮合，从而带动惯性体旋转。本发明可以使用较小的物理质量产生较大的惯性质量进而产生明显抗振效果，从而降低对阻尼器物理质量大小的要求，还能提高阻尼器的紧凑性、减小体积。

Description

一种基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器

技术领域

本发明属于阻尼器领域，更具体地，涉及一种基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器。

背景技术

在土木工程领域，随着建造技术的不断成熟，建筑物越来越高，导致其在风或地震作用等横向动荷载作用下的振动问题日益突出。与此同时，在风力发电领域，为了追求风机更高的能量输出，风机尺寸越做越大，塔架也越来越高，其在风或地震作用等横向动荷载作用下的振动问题也变得不容忽视。因此，需要引入特殊的装置来控制如高楼、风机等高耸结构物在横向动荷载作用下的振动，以达到保护结构物的目的。阻尼器是一种以提供主结构振动的阻力来耗散主结构振动能量的装置，近年来被广泛应用在高耸结构物中提高结构物的抗振能力。

应用在结构抗振方面的阻尼器以调谐阻尼器或叫调质阻尼器为代表，其主要包括质量块、刚度系统和阻尼系统。在实际应用中，将调谐阻尼器安装在主结构内部，并通过合理地调整阻尼器的各项参数(质量、刚度和阻尼)以使阻尼器和主结构的固有频率相近。当有外荷载作用于主结构引起主结构振动时，阻尼器可以吸收主结构的振动能量，达到主结构减振的目的。滚动质量调谐阻尼器相比于传统的振荡式调谐阻尼器或摆锤式调谐阻尼器，其可以达到和它们相类似的减振效果，同时，其具有构造简单、无需外部能源、安装维护成本低、纯机械式、性能稳定等优点，近年来逐渐被采用。

但是，目前的滚动质量调谐阻尼器只依靠滚动质量块的运动耗散主结构的振动能量，当所要求的减振效果较高时，往往需要非常大的滚动质量块才能满足要求，但在实际工程应用中，常常因为主结构内部安装空间不足，主结构支撑刚度不足等原因，导致无法使用大的滚动质量块，进一步导致其减振效果不佳。

因此，亟需发展一种可以使用相对较小的物理质量产生较明显减振效果的滚动质量调谐阻尼器。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种改进的滚动质量调谐阻尼器，其主要目的在于，基于旋转质量的惯性放大机理，研究及设计了一种可以使用较小的物理质量产生较大的惯性质量进而产生明显抗振效果的滚动质量调谐阻尼器，从而降低对物理质量大小的需求，同时提高阻尼器整体结构的紧凑性、减小阻尼器的体积。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器，包括滑轨、支撑结构、滚动质量块及惯性体；

所述支撑结构用于与待减振的主结构固定连接；所述滑轨为圆弧状，固定在支撑结构上；所述滚动质量块为齿轮状，其转轴与所述滑轨滑动配合，以在所述主结构产生振动时沿所述滑轨运动；所述惯性体为齿轮状，，其具有绕自身转轴旋转的自由度，通过所述支撑结构安装在所述滚动质量块的顶部，且与所述滚动质量块啮合；

所述惯性体与所述滑轨同轴布置，以使所述滚动质量块沿所述滑轨滑动过程中始终与所述滚动质量块保持啮合，从而带动所述惯性体旋转。

进一步地，所述惯性体的旋转轴的至少一侧连接有附加质量，以增大惯性体的物理质量。

进一步地，所述附加质量与所述惯性体直接连接从而运动同步。

进一步地，所述附加质量与所述惯性体之间通过齿轮箱连接，以将所述惯性体较小较慢的运动放大为所述附加质量较大较快的运动。

进一步地，所述附加质量为圆盘形，且与所述惯性体同轴布置。

进一步地，所述滑轨为永磁体。

进一步地，所述惯性体与所述支撑结构之间的连接方式为无刚度无阻尼连接、有刚度无阻尼连接、无刚度有阻尼连接或有刚度有阻尼连接，从而通过更改所述惯性体与所述支撑结构之间连接的刚度和/或阻尼配置参数，改变所述滚动质量调谐阻尼器的刚度和/或阻尼。

进一步地，所述滑轨为一体式支架构造，所述滚动质量块的旋转轴置于所述滑轨内部。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具有以下有益效果：

1.本发明的滚动质量调谐阻尼器，通过将质量块设为可滚动的结构形式，并额外加入了一可旋转的惯性体，使得当主结构在外力作用下振动而带动滚动质量块运动时，滚动质量块能够同时带动惯性体绕惯性体的转轴旋转，惯性体旋转时的转动惯性又反作用于滚动质量块，从而达到利用惯性体的转动惯量增加滚动质量块的惯性质量的作用，进而实现利用小的物理质量产生大的惯性质量的目的，有效节约耗材，并提高滚动质量调谐阻尼器的抗振效果。同时，由于滚动质量和惯性体是以齿轮副的结构形式进行配合，可以实现集中布置，结构更为紧凑，有效节约空间。此外，由于滑轨为圆弧状且与惯性体同轴布置，使得滚动质量块的沿所述滑轨的运动轨迹也与惯性体同轴，从而确保滚动质量块运动过程中始终与惯性体可靠啮合，稳定工作。

2.通过在惯性体上连接附加质量，能够提高惯性体的物理质量，进而提供更大的惯性放大效果。惯性体与附加质量直接连接时，两者是同步运动的，此时附加的惯性质量主要与附加质量的尺寸和质量大小相关。惯性体与附加质量通过齿轮箱连接时，则可以利用齿轮箱的参数设计，形成惯性体与附加质量之间的差速运动，此时附加的惯性质量还可以直接通过齿轮箱的输入输出转速比进行调节和控制，例如可以将所述惯性体较小较慢的运动放大为所述附加质量较大较快的运动，进而为滚动质量块提供更高的转动惯量，从而在采用尽量小的滚动质量块和附加质量的情况下，大幅提高滚动质量调谐阻尼器的抗振效果。

3.将所述附加质量设置为圆盘形，且与所述惯性体同轴布置能够确保工作过程中的旋转稳定性，对于直接连接的附加质量来说这一效果更为突出。对于通过齿轮箱连接的附加质量，可以根据实际场景决定是否需要与所述惯性体同轴布置，空间设计的灵活度更高。

4.所述滚动质量块在运动时切割所述滑轨产生的磁感线，因此，部分所述主结构的振动能量被所述滚动质量块的切割磁感线运动所耗散，从而产生了更高的阻尼。此改进无需额外的能源输入，且为纯机械式连接，能够较好地保障所设计的滚动质量调谐阻尼器在实际工作中的稳定性；

5.所述惯性体与所述支撑结构之间可以灵活选择采用无刚度无阻尼连接、有刚度无阻尼连接、无刚度有阻尼连接及有刚度有阻尼连接等方式，从而在阻尼器中引入可以调节的刚度和/或阻尼。具体地，可以通过更改所述惯性体与所述支撑结构之间连接的刚度、阻尼等配置参数，方便地改变滚动质量调谐阻尼器的刚度和阻尼；相对于不同需求的适用场景而言，设计灵活度更高，泛用性更强。

6.将滑轨设计为一体式支架构造，可以降低滑轨安装定位难度以及两侧的错位概率，从而提高滚动质量块的运动轨迹控制精度，以及提高使用过程中的稳定性、可靠性，延长使用寿命。

附图说明

图1是本发明提供的基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器的立体示意图；

图2是图1的正视图；

图3是图1的侧视图；

图4是图1的俯视图；

图5是图1中的滑轨的示意图；

图6是图1中的支撑结构的示意图；

图7是图1中的滚动质量块的示意图；

图8是图1中的惯性体的示意图；

图9是图1中的附加质量的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-滑轨，2-支撑结构，3-滚动质量块，4-惯性体，5-附加质量。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1至图4，本发明优选实施例提供的基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器包括滑轨1、支撑结构2、滚动质量块3、惯性体4及附加质量5。两个所述支撑结构2平行地固定在主结构的内部；所述滑轨1固定在两个支撑结构2上；所述滚动质量块3安装在滑轨1的内部，其在主结构在外力作用下产生振动时沿滑轨1运动；所述惯性体4通过两个支撑结构2安装在滚动质量块3的顶部，并与滚动质量块3通过齿轮咬合连接，同时所述惯性体4的旋转轴与滑轨1的圆心保持高度一致并共线；两个所述附加质量5分别固定安装在惯性体4旋转轴的两侧，以增大惯性体4的物理质量。

请参阅图1及图5，所述的滑轨1为圆弧形的一体式支架，固定在两个支撑结构2上，用以提供滚动质量块3运动的轨道，当主结构在外力作用下振动时，滚动质量块3沿着所述滑轨1运动，并对所述滑轨1产生反作用力，所述滑轨1通过与两个支撑结构2的连接将滚动质量块3产生的反作用力传递至主结构，限制主结构的振动。滑轨1两端的档杆可以防止滚动质量块3脱出。优选地，所述滑轨1为永磁体构造，所述滚动质量块3的旋转轴置于所述滑轨1内部，所述滚动质量块3在所述主结构振动时沿所述滑轨1运动，并切割所述滑轨1产生的磁感线，所述主结构的部分振动能量在滚动质量块的切割磁感线运动过程中被耗散，因此可以进一步降低对惯性体质量大小的需求。

在其他实施例中(未图示)，滑轨1也可以是两个分体设置的圆弧形轨道，分别独立安装在两个支撑结构2上，同时也可以设置防止滚动质量块脱出的挡块；此外，滑轨1还可以与支撑结构2一体成型。

请参阅图1及图6，本实施例中，支撑结构2为“∧”字型的钢板，两个所述的支撑结构2平行地固定在主结构的内部，用以支撑滑轨1、滚动质量块3、惯性体4及附加质量5。当主结构在外力作用下振动时，由滚动质量块3运动产生的抗振动作用力通过滑轨1以及滑轨1与所述两个支撑结构2之间的连接传递至主结构，限制主结构的振动。

在其他实施例中(未图示)，支撑结构2也可以是一体成型的一个整体支撑构造，结构、形状也可以自由设计，只要能够起到支撑固定作用即可，不以本实施例及附图为限。

请参阅图1及图7，所述滚动质量块3为圆盘形，且边缘带有齿轮结构，即整体为齿轮状，其被安装在滑轨1内部。对于永磁体制成的滑轨1，当主结构在外力作用下振动时，所述滚动质量块3沿着滑轨1切割磁感线运动，并对滑轨1产生反作用力，该反作用力进一步通过滑轨1与两个支撑结构2之间的连接传递至主结构，限制主结构的振动。与此同时，滚动质量块3的切割磁感线运动会耗散部分主结构的振动能量，从而提供额外的阻尼器阻尼。

请参阅图1及图8，所述惯性体4为圆盘形，且边缘带有齿轮结构，即整体为齿轮状，其通过两个支撑结构2安装在滚动质量块3的顶部，并与滚动质量块3啮合连接，且其旋转轴与滑轨1同轴布置。当滚动质量块3沿着滑轨1运动时，通过齿轮结构带动所述惯性体4绕其旋转轴转动，所述惯性体4转动时的转动惯量通过齿轮结构传递给滚动质量块3，从而利用所述惯性体4的转动惯量放大了滚动质量块3的惯性质量。

请参阅图1及图9，所述附加质量5为圆盘形，其被安装在惯性体4的旋转轴的两侧，且其圆心与惯性体4的旋转轴保持高度一致并共线，用于提高惯性体4的物理质量，进而提供更大的惯性放大效果。

在本实施方式中，如图3所示，惯性体4与两个支撑结构2之间的连接方式为无刚度无阻尼连接，因此，惯性体4只为滚动质量块3提供转动惯量，不会提供额外的刚度和阻尼。在其他实施例中(未图示)，所述惯性体4与两个支撑结构2之间的连接方式还可以根据实际需要选择为有刚度无阻尼连接、无刚度有阻尼连接及有刚度有阻尼连接，与此同时，通过更改惯性体4与两个支撑结构2之间连接的配置参数，可以方便地改变改进的滚动质量调谐阻尼器的刚度和阻尼。

在本实施方式中，如图3所示，两个附加质量5与惯性体4之间采取了直接连接的方式，使用所述方式进行连接时，惯性体4与两个附加质量5同步运动，此时惯性体4与附加质量5同轴布置可以提高工作过程的稳定性。在实际应用中(未图示)，也可以选择将两个附加质量5与惯性体4之间的连接方式改为齿轮箱式连接，在此连接方式下，通过合理地设置齿轮箱的参数，可以将惯性体4较小较慢的运动放大为两个附加质量5较大较快的运动，进而为滚动质量块3提供更高的转动惯量，大幅提高改进的滚动质量调谐阻尼器的抗震效果；此时对惯性体4与附加质量5是否同轴没有特别的要求，根据实际应用场景或齿轮箱的输入输出轴位置设计即可。

本发明提供的基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器，利用了惯性体4转动时产生的转动惯量来提高滚动质量块3的惯性质量，进而达到通过较小的物理质量产生明显的抗振效果的目的，且可以简单直接地改变所提供的改进的滚动质量调谐阻尼器的各项参数。优选地，本发明还能通过将滑轨1设为永磁体，利用滚动质量块3的切割磁感线运动来提供额外的阻尼，进而提高改进的滚动质量调谐阻尼器的抗振效果，进一步降低对惯性体质量的需求。在本发明的优选实施例中，提供了附加质量5来进一步提升滚动质量块3的惯性质量从而进一步提升抗振效果。此外，本发明所提供的改进的滚动质量调谐阻尼器为纯机械式连接，无须外部能源，制造、安装及后期维护简单，使用时稳定性好。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器，其特征在于，包括滑轨(1)、支撑结构(2)、滚动质量块(3)、惯性体(4)及附加质量(5)；

所述支撑结构(2)用于与待减振的主结构固定连接；所述滑轨(1)为圆弧状，固定在支撑结构(2)上；所述滚动质量块(3)为齿轮状，其转轴与所述滑轨(1)滑动配合，以在所述主结构产生振动时沿所述滑轨(1)运动；所述惯性体(4)为齿轮状，其具有绕自身转轴旋转的自由度，通过所述支撑结构(2)安装在所述滚动质量块(3)的顶部，且与所述滚动质量块(3)啮合；

所述惯性体(4)与所述滑轨(1)同轴布置，以使所述滚动质量块(3)在沿所述滑轨(1)滑动的过程中始终与所述滚动质量块(3)保持啮合，从而带动所述惯性体(4)旋转；

所述惯性体(4)的旋转轴的至少一侧连接有附加质量(5)，以增大惯性体(4)的物理质量；所述附加质量(5)与所述惯性体(4)之间通过齿轮箱连接，以将所述惯性体(4)较小较慢的运动放大为所述附加质量(5)较大较快的运动。

2.如权利要求1所述的一种基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器，其特征在于，所述附加质量(5)为圆盘形，且与所述惯性体(4)同轴布置。

3.如权利要求1或2所述的一种基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器，其特征在于，所述滑轨(1)为永磁体。

4.如权利要求1或2所述的一种基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器，其特征在于，所述惯性体(4)与所述支撑结构(2)之间的连接方式为无刚度无阻尼连接、有刚度无阻尼连接、无刚度有阻尼连接或有刚度有阻尼连接，从而通过更改所述惯性体(4)与所述支撑结构(2)之间连接的刚度和/或阻尼配置参数，改变所述滚动质量调谐阻尼器的刚度和/或阻尼。

5.如权利要求1或2所述的一种基于惯性放大机理改进的滚动质量调谐阻尼器，其特征在于，所述滑轨(1)为一体式支架构造，所述滚动质量块(3)的旋转轴置于所述滑轨(1)内部。

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