CN112982705A - 双向剪切型惯质阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双向剪切型惯质阻尼器，包括:外壳，盛装有粘性介质；两个转动结构，转动结构包括齿轮、惯质盘和转轴，转轴可转动设置于外壳内，转轴的一端延伸出到外壳外并与惯质盘相连，齿轮套置于所述转轴的外周，齿轮相对所述转轴固定；防护罩及剪切架，防护罩罩设于外壳并用于连接振动结构，剪切架固定设置于防护罩内且与两个齿轮啮合，当振动结构对沿着和垂直于外壳轴线两个方向的振动，沿着外壳轴线方向的振动将迫使剪切架做轴向往复运动，使粘性介质发生剪切变形产生阻尼效果以抑制该轴线方向的振动，垂直于外壳轴线方向的振动使齿轮位置成为一个力学支点，所述剪切架绕该支点偏转产生弯矩抑制垂直于外壳轴线方向的振动。

Description

双向剪切型惯质阻尼器

技术领域

本发明属于工程结构振动控制技术领域，涉及一种双向剪切型惯质阻尼器。

背景技术

高耸、大跨结构及构件在环境激励下容易出现多种振动，危及安全和适用性。工程中，常采用被动结构控制、主动结构控制、混合结构控制、半主动结构控制方案抑制振动的幅值，以达到安全和适用性需求。其中，最常用的手段为被动结构控制中的增加阻尼器，该方法主要通过提升结构、构件的阻尼达到耗能减振的效果。

阻尼器种类繁多，传统的阻尼器包括粘滞液体阻尼器、粘性剪切型阻尼器、电涡流阻尼器以及橡胶减振器等。对于粘性剪切型阻尼器这一种减振器件，能提供较大的阻尼力且具有经济耐久的优点。但同时，传统的粘性剪切型阻尼器有以下一些不足：第一，阻尼器本身具有一定的内刚度，严重削弱了其阻尼效果；第二，传统粘性剪切型阻尼器主要针对沿着阻尼器轴向方向的振动，其对垂直于其轴向方向的振动抑制效果差，而在工程实际中结构常出现两个方向的振动，并且，过大的振幅横向振动还会引起剪切架与外壳的碰撞，因此，如何同时抑制沿着阻尼器轴线方向和垂直于阻尼器轴线方向的振动是一个挑战；第三，现有剪切型惯质阻尼器采用诸如螺旋杆传动等精密机械构造，其对冲击、高油等恶劣环境适用性不强，而且需要铰接安装，同样仅对沿着阻尼器轴线方向的振动具有控制作用。

随着工程结构逐渐高耸、大跨化的趋势，其柔性易振、自身阻尼极低的特性更为突出，对振动控制的需求也愈发强烈。因此，传统的粘性剪切型阻尼器亟待克服上述的缺点，提高阻尼减振效果。

发明内容

基于此，针对传统粘性剪切型阻尼器的不足，本发明的目的在于提供了一种双向剪切型惯质阻尼器以实现了对沿着和垂直于阻尼器轴线两个方向的振动的有效控制。

本发明的技术方案说明如下：

一种双向剪切型惯质阻尼器，包括:

外壳，盛装有粘性介质；

两个转动结构，相对且间隔设置于外壳上，所述转动结构包括齿轮、惯质盘和转轴，所述转轴可转动设置于所述外壳内，所述转轴的一端延伸出到外壳外并与所述惯质盘相连，所述齿轮套置于所述转轴的外周，所述齿轮相对所述转轴固定；

防护罩及剪切架，所述防护罩罩设于外壳并用于连接振动结构，所述剪切架固定设置于所述防护罩内且与两个所述齿轮啮合，当振动结构对沿着和垂直于外壳轴线两个方向的振动，沿着外壳轴线方向的振动将迫使剪切架做轴向往复运动，使粘性介质发生剪切变形产生阻尼效果以抑制该轴线方向的振动，垂直于外壳轴线方向的振动使齿轮位置成为一个力学支点，所述剪切架绕该支点偏转产生弯矩抑制垂直于外壳轴线方向的振动。

在其中一个实施例中，所述防护罩的顶端设有铰耳以用于连接振动结构。

在其中一个实施例中，所述铰耳由两个半圆形的套管通过螺栓连接形成圆筒。

在其中一个实施例中，各所述矩形槽靠近中轴线的内侧安装有齿条，所述齿条与所述齿轮啮合

在其中一个实施例中，所述剪切架与所述防护罩一体成型设计。

在其中一个实施例中，所述外壳为具有至少一个开口。

在其中一个实施例中，还包括基座，所述外壳设置于所述基座上，所述基座上设有螺栓孔以通过螺栓将基座固定。

在其中一个实施例中，还包括支撑轴承，所述支撑轴承安装于所述外壳的相对两侧壁，所述转轴可转动地安装于所述支承轴承中。

在其中一个实施例中，所述剪切架至少部分位于所述外壳内。

在其中一个实施例中，所述剪切架的下半部分置于所述粘性介质中。

上述双向剪切型惯质阻尼器，通过齿轮传动增加和放大了惯质效应，可消除阻尼器自身刚度对减振效果的削弱作用，亦可实现负刚度效应，极大提升阻尼器的减振效果；通过齿条、齿轮的机械构造形成力学支点，结构发生垂直与阻尼力轴向方向振动时，剪切架绕支点转动产生弯矩抑制结构该方向的振动，实现了对沿着和垂直于阻尼器轴线两个方向的振动的有效控制；齿条、齿轮形成力学支点能够限制剪切架的横向运动，避免剪切架与外壳在结构在垂直于阻尼器轴线方向振动时出现偏移的问题；并且，阻尼器的惯质效果通过齿轮传动实现、剪切产生阻尼力的部件采用刚性连接，大大提高了阻尼器的机械效率、稳定性和耐久性。本发明特别适用于针对多模态、宽频段振动控制的大跨柔性结构。

附图说明

图1为本发明双向剪切型惯质阻尼器的结构示意图；

图2为本发明转动结构的结构示意图；

图3为本发明防护罩的结构示意图；

图4为本发明剪切架与齿轮啮合的结构示意图；

附图标记说明：

1-上半套管；2-下半套管；3-防护罩；4-外壳；5-基座；6-螺栓孔；7-剪切架；8-齿条；9-转轴；10-齿轮；11-惯质盘。

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。

请参阅图1～4，例如，一种双向剪切型惯质阻尼器，包括:外壳4，盛装有粘性介质；两个转动结构，相对且间隔设置于外壳4上，所述转动结构包括齿轮10、惯质盘11和转轴9，所述转轴9可转动设置于所述外壳4内，所述转轴9的一端延伸出到外壳4外并与所述惯质盘11相连，所述齿轮10套置于所述转轴9的外周，所述齿轮10相对所述转轴9固定；防护罩3及剪切架7，所述防护罩3罩设于外壳4并用于连接振动结构，所述剪切架7固定设置于所述防护罩3内且与两个所述齿轮10啮合，当振动结构对沿着和垂直于外壳4轴线两个方向的振动，沿着外壳4轴线方向的振动将迫使剪切架7做轴向往复运动，使粘性介质发生剪切变形产生阻尼效果以抑制该轴线方向的振动，垂直于外壳4轴线方向的振动使齿轮10位置成为一个力学支点，所述剪切架7绕该支点偏转产生弯矩抑制垂直于外壳4轴线方向的振动。

使用时，将所述外壳固定，所述防护罩3罩设于外壳4并用于连接振动结构，所述剪切架与外壳内的所述齿轮啮合，当振动结构发生振动使，将迫使剪切架7做轴向往复运动，使剪切架剪切粘性介质发生，从而产生阻尼效果以抑制该轴线方向的振动，同时垂直于外壳4轴线方向的振动使齿轮10位置成为一个力学支点，所述剪切架7绕该支点偏转产生弯矩抑制垂直于外壳4轴线方向的振动。利用齿轮10与齿条8啮合，是使剪切架7在周向方向具有一定的自由度，使所述剪切架7绕该支点偏转产生弯矩抑制垂直于外壳4轴线方向的振动。从而实现了对沿着和垂直于阻尼器轴线两个方向的振动的有效控制。

在其中一个实施例中，所述防护罩3的顶端设有铰耳以用于连接振动结构。

在其中一个实施例中，所述铰耳由两个半圆形的套管通过螺栓连接形成圆筒。

例如，所述铰耳包括上半套管1和下半套管2，所述下半套管2固定设置于所述防护罩3上，所述上半套管1与所述下半套管2通过螺栓连接形成圆筒。

在其中一个实施例中，各所述矩形槽靠近中轴线的内侧安装有齿条8，所述齿条8与所述齿轮10啮合

在其中一个实施例中，所述剪切架与所述防护罩3一体成型设计。

在其中一个实施例中，所述外壳4为具有至少一个开口。

在其中一个实施例中，还包括基座5，所述外壳4设置于所述基座5上，所述基座5上设有螺栓孔6以通过螺栓将基座5固定。

在其中一个实施例中，还包括支撑轴承，所述支撑轴承安装于所述外壳的相对两侧壁，所述转轴9可转动地安装于所述支承轴承中。

在其中一个实施例中，所述剪切架7至少部分位于所述外壳4内。

在其中一个实施例中，所述剪切架7的下半部分置于所述粘性介质中。

在其中一个实施例中，所述下半套管处于防护罩3顶部，剪切架7处于防护罩3内部，可采用螺栓刚性连接、焊接、整体铸造等方式；所述的下半套管、防护罩3、剪切架7均为轴对称，轴心在同一延长线上；所述外壳4处于基座5上，通过螺栓刚性连接，同时不限于焊接、整体铸造等其他方式；所述外壳4、基座5均为轴对称，轴心在同一延长线上；外壳4底部密封以盛装粘性介质；外壳4顶部设有4个支承孔以用于承载支撑轴承；所述的惯质盘11在外壳4正面、背面基于中轴线反对称分布；若空间足够，亦可正对称分布，即每根转轴9两端均安装惯质盘11；所述齿轮10、转轴9、惯质盘11位移相同；所述齿条8、齿轮10相互齿合，当结构沿着垂直与阻尼器轴线方向振动时，齿轮10位置成为一个力学支点，剪切架7绕该支点转动。

本发明的工作原理说明如下：

1)双向阻尼器轴向振动抑制效果

将所述铰耳、支基座5与受控结构发生相对振动的两构件连接，结构振动将迫使剪切架7做轴向往复运动，使粘性介质发生剪切变形产生阻尼效果。不考虑惯质效果时，粘性剪切阻尼器可以采用粘弹性模型来模拟，其轴向力如下：

其中，k₁和c₁分别为阻尼器轴向等效刚度系数、等效阻尼系数，u、

分别为剪切架7轴向位移和速度。

齿条8、齿轮10、齿轮10轴承和惯质盘11组成惯质组件。增加惯质组件后，阻尼器的轴向运动将通过惯质组件带动齿条8、齿轮10、转轴9、惯质盘11做旋转运动，产生惯质效果。因此，阻尼器轴向力由三部分组成，分别为刚度项、惯性质量项和阻尼项：

其中，b为惯质盘11的等效惯质，

为剪切架7相对于外壳4的加速度。

进一步的，惯质盘11的等效惯质b由以下公式确定：

b＝J/r²

其中，J为惯质盘11的转动惯量，r为齿轮10分度圆半径。当每个惯质盘11为半径R的均质圆盘且其总质量为m时，

考虑一共安装n个相同的该种惯质盘11

经理论分析及试验验证，阻尼项

的增加将提高阻尼器的减振效果；而刚度项k₁u则将带来削弱作用。因此，考虑到这一影响，本发明安装内惯质盘11，所增加的惯性质量力与刚度作用产生的回复力始终方向相反，即惯质可抵消刚度效果。当惯质效果较大时，还可产生负刚度效果，能显著提升减振效果。同时，注意到等效惯质b与(R/r)²成正比，若R/r＝10，即可将惯质效果放大100倍，因此，惯质效果的放大具有实际可行性。

2)与阻尼器轴线垂直方向振动抑制效果

传统粘性剪切型阻尼器仅考虑对阻尼器轴线方向振动的抑制，而在工程实际中，结构常出现两个方向的振动，并且，垂直于阻尼器轴线方向振动的过大振幅还会引起剪切架7与外壳4的碰撞，严重影响产品寿命。针对该问题，本发明提供的阻尼器，通过机械构造形成一个力学支点，结构发生横向振动时剪切架7绕支点旋转产生对横向振动的阻尼效果，实现对双向振动的有效控制，并且对横向振动的阻尼力可以通过调节支点到粘性介质和套管之间的具体，实现阻尼力的放大效果。将上半套管和下半套管构成的套管中心线相对外壳4的横向位移、速度分别记作v和

对应的由于该振动引起剪切架7绕齿轮10和齿条8所形成的支点偏转，引起粘性介质的剪切变形，粘性介质对浸没在介质中的剪切架7的力记作

其中，k₂和c₂分别为对应的等效刚度系数、等效阻尼系数。将力的作用点距离支点的距离记作l₂，则阻尼力对支点的弯矩为

上半套管(1)和下半套管(2)构成的铰耳中心线距离支点的距离记作l₁，考虑弯矩平衡，则阻尼器对上半套管(1)和下半套管(2)构成的套管中心线位置的作用力为

实际设计中，可以调节l₂和l₁的比值实现结构减振效果的优化。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双向剪切型惯质阻尼器，其特征在于，包括:

外壳，盛装有粘性介质；

两个转动结构，相对且间隔设置于外壳上，所述转动结构包括齿轮、惯质盘和转轴，所述转轴可转动设置于所述外壳内，所述转轴的一端延伸出到外壳外并与所述惯质盘相连，所述齿轮套置于所述转轴的外周，所述齿轮相对所述转轴固定；

防护罩及剪切架，所述防护罩罩设于外壳并用于连接振动结构，所述剪切架固定设置于所述防护罩内且与两个所述齿轮啮合，当振动结构对沿着和垂直于外壳轴线两个方向的振动，沿着外壳轴线方向的振动将迫使剪切架做轴向往复运动，使剪切架剪切粘性介质产生阻尼效果以抑制该轴线方向的振动，垂直于外壳轴线方向的振动使齿轮位置成为一个力学支点，所述剪切架绕该支点偏转产生弯矩抑制垂直于外壳轴线方向的振动。

2.根据权利要求0所述的双向剪切型惯质阻尼器，其特征在于，所述防护罩的顶端设有铰耳以用于连接振动结构。

3.根据权利要求2所述的双向剪切型惯质阻尼器，其特征在于，所述铰耳由两个半圆形的套管通过螺栓连接形成圆筒。

4.根据权利要求1所述的双向剪切型惯质阻尼器，其特征在于，所述剪切架设有对称分布两个矩形槽，各所述矩形槽靠近中轴线的内侧安装有齿条，所述齿条与所述齿轮啮合。

5.根据权利要求0所述的双向剪切型惯质阻尼器，其特征在于，所述剪切架与所述防护罩一体成型设计。

6.根据权利要求0所述的双向剪切型惯质阻尼器，其特征在于，所述外壳为具有至少一个开口。

7.根据权利要求0所述的双向剪切型惯质阻尼器，其特征在于，还包括基座，所述外壳设置于所述基座上，所述基座上设有螺栓孔以通过螺栓将基座固定。

8.根据权利要求0所述的双向剪切型惯质阻尼器，其特征在于，还包括支撑轴承，所述支撑轴承安装于所述外壳的相对两侧壁，所述转轴可转动地安装于所述支承轴承上。

9.根据权利要求1所述的双向剪切型惯质阻尼器，其特征在于，所述剪切架至少部分位于所述外壳内。

10.根据权利要求1所述的双向剪切型惯质阻尼器，其特征在于，所述剪切架的下半部分置于所述粘性介质中。

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