CN113202201B - 一种套筒式调谐质量阻尼器及其设计参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及减振技术领域，具体涉及一种套筒式调谐质量阻尼器及其设计参数确定方法。该套筒式调谐质量阻尼器包括：多根预弯弹性元件、至少两块质量块以及两组夹持元件。其中，多根预弯弹性元件用于间隔设置在待调细长元件的周向方向上，且所述预弯弹性元件的弯曲部向所述待调元件的外侧拱起；至少两块质量块周向间隔设置在所述弯曲部的外侧；两组夹持元件用于套设在所述待调细长元件上，并分别位于所述预弯弹性元件的两端，以夹持所述预弯弹性元件。能够解决现有技术中调谐质量阻尼器只能控制一个方向及一个频率的振动，结构较大影响美观的问题。

Description

一种套筒式调谐质量阻尼器及其设计参数确定方法

技术领域

本发明涉及减振技术领域，具体涉及一种套筒式调谐质量阻尼器及其设计参数确定方法。

背景技术

随着新材料及新技术的应用，现代工程结构中的一些关键细部构件的长细比也进一步变大，如大跨度及超大跨度拱桥的吊杆、斜拉桥的斜拉索、悬索桥吊索等。这些细部构件长细比大、质量轻、阻尼比小，致使其在动荷载作用下易发生多种有害振动，从而使构件在短时间内受到损坏，使其难于满足结构的安全性、舒适性和实用性的要求。与水平杆件相比，直立杆件可能发生0°～360°之间振动，更要加以特别的注意。

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。

但针对细长构件的振动控制，传统TMD一般只能控制一个频率及一个方向的振动，对振动控制有一定的局限性，且尺寸相对较大，对结构外观影响较大，实际工程难以使用。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种套筒式调谐质量阻尼器及其设计参数确定方法，能够解决现有技术中调谐质量阻尼器只能控制一个方向及一个频率的振动，结构较大影响美观的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种套筒式调谐质量阻尼器，包括：

多根预弯弹性元件，其用于间隔设置在待调细长元件的周向方向上，且所述预弯弹性元件的弯曲部向所述待调元件的外侧拱起；

至少两块质量块，其周向间隔设置在所述弯曲部的外侧；

两组夹持元件，其用于套设在所述待调细长元件上，并分别位于所述预弯弹性元件的两端，以夹持所述预弯弹性元件。

在一些可选的方案中，所述夹持元件包括：

阻尼元件，所述阻尼元件包括两层橡胶垫圈，其用于套设在所述待调细长元件外侧，并夹持所述预弯弹性元件；

夹具，其套设在所述阻尼元件的外侧，并与将所述阻尼元件固定在所述待调细长元件上。

在一些可选的方案中，还包括与所述质量块对应的压条，所述压条设置在所述预弯弹性元件内侧，用于与所述质量块配合并通过螺栓连接夹持所述预弯弹性元件。

在一些可选的方案中，所述质量块和压条之间的预弯弹性元件两侧分别还设有一层阻尼垫片，一层所述阻尼垫片设置在所述预弯弹性元件与质量块之间，另一层设置所述预弯弹性元件与压条之间。

在一些可选的方案中，所述预弯弹性元件为弹簧钢丝，所述质量块为圆弧形质量块。

在一些可选的方案中，各个所述圆弧形质量块根据控制频率设计为不同质量。

在一些可选的方案中，所述预弯弹性元件为弹簧钢片，所述质量块为板形质量块。

在一些可选的方案中，各个所述板形质量块根据控制频率设计为不同质量。

另一方面，本发明还提供一种套筒式调谐质量阻尼器的参数设计方法，包括以下步骤：

根据待调细长元件的控制需求，确定阻尼器的控制频率；

根据阻尼器的控制频率，确定预弯弹性元件的刚度和质量块的质量。

在一些可选的方案中，所述的根据阻尼器的控制频率，确定预弯弹性元件的刚度和质量块的质量，具体包括：

根据公式

确定预弯弹性元件的刚度K和质量块的质量M，其中，l为预弯弹性元件的长度，I为预弯弹性元件的抗弯刚度，n为预弯弹性元件的根数，f为阻尼器的控制频率，E为预弯弹性元件的弹性模量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在使用该套筒式调谐质量阻尼器时，多根预弯弹性元件间隔设置在待调细长元件的周向方向上，并将至少两块质量块周向间隔设置在弯弹性元件的弯曲部外侧，并通过两组夹持元件将预弯弹性元件的两端夹持在待调细长元件上。当待调细长元件发生振动时，阻尼器通过预弯的预弯弹性元件提供刚度支撑，通过调整预弯弹性元件的截面尺寸、长度与数量调整阻尼器刚度，与质量块配合达到调谐减振的功能，通过预弯弹性元件与夹持元件间的摩擦提供阻尼，无需外设专门的阻尼装置。所有的质量块可基本周向包围待调细长元件，以实现控制结构平面内0°～360°的振动。

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为本发明实施例中套筒式调谐质量阻尼器的结构示意图；

图2为本发明实施例中套筒式调谐质量阻尼器的工作原理示意图；

图3为本发明实施例中套筒式调谐质量阻尼器的应用示意图；

图4为本发明实施例中方形套筒式调谐质量阻尼器的结构示意图；

图5为本发明实施例中另一种方形套筒式调谐质量阻尼器的截面示意图。

图中：1、预弯弹性元件；11、弯曲部；2、质量块；3、待调细长元件；4、夹持元件；41、阻尼元件；42、夹具；5、压条；6、螺栓；7、阻尼垫片。

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。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

如图1所示，图1中的A图为套筒式调谐质量阻尼器的径向视图，图1中的B图为套筒式调谐质量阻尼器的轴向视图。

一方面，本发明提供一种套筒式调谐质量阻尼器包括：多根预弯弹性元件1、至少两块质量块2和两组夹持元件4。

其中，多根预弯弹性元件1用于间隔设置在待调细长元件3的周向方向上，且预弯弹性元件1的弯曲部11向待调细长元件3的外侧拱起；至少两块质量块2周向间隔设置在弯曲部11的外侧；两组夹持元件4用于套设在待调细长元件3上，并分别位于预弯弹性元件1的两端，以夹持预弯弹性元件1。

在使用该套筒式调谐质量阻尼器时，多根预弯弹性元件1间隔设置在待调细长元件3的周向方向上，并将至少两块质量块2周向间隔设置在预弯弹性元件1的弯曲部11外侧，并通过两组夹持元件4将预弯弹性元件1的两端夹持在待调细长元件3上。当待调细长元件3发生振动时，阻尼器通过预弯的预弯弹性元件1提供刚度支撑，通过调整预弯弹性元件1的截面尺寸、长度与数量调整阻尼器刚度，与质量块2配合达到调谐减振的功能，通过预弯弹性元件1与夹持元件4间的摩擦提供阻尼，无需外设专门的阻尼装置。

本例中，所有的质量块2可基本周向包围待调细长元件3，以实现控制结构平面内0°～360°的振动。例如，当待调细长元件3为圆弧形时，质量块2可以为两块圆弧形的半环，多根预弯弹性元件1间隔设置在待调细长元件3的周向方向上，在于半环的质量块2连接，该套筒式调谐质量阻尼器可以控制结构平面内0°～360°的振动。

如图3所示，本实施例中，该套筒式调谐质量阻尼器特别适用于细长待调构件的振动控制，如斜拉桥斜拉索、悬索桥吊索、拱桥吊杆、灯柱、超长输电线路、高速铁路接触网等，阻尼器紧贴结构表面，安装方便，景观影响小。另外，该套筒式调谐质量阻尼器可以竖向布置，也可水平向布置，均可以实现控制结构平面内0°～360°的振动。如图3所示，套筒式调谐质量阻尼器安装在待调细长元件3即斜拉索上。

如图2所示，在一些可选的实施例中，夹持元件4包括阻尼元件41和夹具42。

阻尼元件41包括两层橡胶垫圈，其用于套设在待调细长元件3外侧，并夹持预弯弹性元件1；夹具42套设在阻尼元件41的外侧，并与将阻尼元件41固定在待调细长元件3上。

在本实施例中，通过两层橡胶垫圈夹持预弯弹性元件1的端部，并套设在待调细长元件3外侧，再用夹具42固定在待调细长元件3上。当待调细长元件3发生振动时，阻尼器通过预弯的预弯弹性元件1提供刚度支撑，通过预弯弹性元件1与质量块2配合达到调谐减振的功能，通过预弯弹性元件1与两层橡胶垫圈之间的摩擦提供阻尼，无需外设专门的阻尼装置。本例中，夹具42包括两块夹片和螺栓，通过螺栓将两块夹片夹设在待调细长元件3上。

再次参见图1，在一些可选的实施例中，该套筒式调谐质量阻尼器还包括与质量块2对应的压条5，压条5设置在预弯弹性元件1内侧，用于与质量块2配合并通过螺栓6连接夹持预弯弹性元件1。

在本实施例中，通过压条5和螺栓6将质量块2设置在预弯弹性元件1上，使预弯弹性元件1与质量块2配合达到调谐减振的功能。在本例中，一块质量块2对应一根压条5，压条5可对应与多根预弯弹性元件1，即一块质量块2对应多根预弯弹性元件1。以使质量块2可以在更大的角度内实现调谐减振。本例中，预弯弹性元件1设置在待调细长元件3的周向方向上两根螺栓6的间隔位置。

在一些可选的实施例中，质量块2和压条5之间的预弯弹性元件1两侧分别还设有一层阻尼垫片7，一层阻尼垫片7设置在预弯弹性元件1与质量块2之间，另一层设置在预弯弹性元件1与压条5之间。

在本实施例中，每一根预弯弹性元件1的两侧均分别设有一层阻尼垫片7，两层阻尼垫片7将预弯弹性元件1夹持，当待调细长元件3发生振动时，两层阻尼垫片7与预弯弹性元件1之间相互摩擦可以提供阻尼，为待调细长元件3提供调谐减振的功能。

再次参见图1所示，在一些可选的实施例中，预弯弹性元件1为弹簧钢丝，质量块2为圆弧形质量块。

在本实施例中，预弯弹性元件1为弹簧钢丝，对应的质量块2采用圆弧形质量块，主要针对于横截面为圆形的细长杆件，当然也可以应用于方形的杆件。在细长杆件的周向方向间隔设置有多根弹簧钢丝包围待调细长元件3，所有的圆弧形质量块安装后可基本周向包围待调细长元件3，以实现阻尼器可控制结构平面内0°～360°的振动。图1中采用的即为两块圆弧形质量块。

在一些可选的实施例中，各个圆弧形质量块根据控制频率设计为不同质量。

在本实施例中，圆弧形质量块的质量根据控制频率设计，在控制待调细长元件3的多重频率时，将各个圆弧形质量块的质量与控制频率对应的质量，以使该套筒式调谐质量阻尼器可离散成多个调谐质量阻尼器包裹在结构表面，达到多重调谐质量阻尼器的功能，可控制结构多模态的振动。在一些实施例中，可设置三块、四块或者更多的质量块2以形成基本周向包围待调细长元件3的结构，再根据调谐需求设置每一块质量块2的质量不同，实现控制待调细长元件3多模态的振动。

再次参见图2和图4所示，图4中的A图为方形套筒式调谐质量阻尼器的长度方向截面示意图，图4中的B图方形套筒式调谐质量阻尼器的轴向方向截面示意图。在一些可选的实施例中，预弯弹性元件1为弹簧钢片，质量块2为板形质量块。

在本实施例中，预弯弹性元件1为弹簧钢片，应用于方形的杆件。在细长的方形杆件的周向每一侧设置有弹簧钢片包围待调细长元件3，所有的板形质量块安装后可基本周向包围待调细长元件3，以实现阻尼器可控制结构平面内0°～360°的振动。

在一些可选的实施例中，各个板形质量块根据控制频率设计为不同质量。

在本实施例中，可以在方形的待调细长元件3的每一侧设置一个质量块，板形质量块根据控制频率设计为不同质量，以使该阻尼器可以控制更多的频率。

参见图5所示，在其他实施例中，还可以将每一侧的板形质量块分散成更小的质量块，每一个质量块配备一根预弯弹性元件1，以使该套筒式调谐质量阻尼器可离散成更多个调谐质量阻尼器包裹在结构表面，达到多重调谐质量阻尼器的功能，可控制结构多模态的振动。

另外，预弯弹性元件1的弯曲部11向待调细长元件3外侧拱起的高度，即预预拱度在设计时应适应阻尼器的振动位移，以适应结构的振动响应。

参见图1和与2所示，另一方面，本发明还提供一种套筒式调谐质量阻尼器的参数设计方法，包括以下步骤：

S1：根据待调细长元件3的控制需求，确定阻尼器的控制频率。

在本实施例中，在设计该套筒式调谐质量阻尼器的参数时，首先确定待调细长元件3的控制需求，即待调细长元件3需要控制的频率，再根据待调细长元件3的控制需求确定阻尼器的控制频率。

S2：根据阻尼器的控制频率，确定预弯弹性元件1的刚度和质量块2的质量。

在一些可选的实施例中，根据公式

确定预弯弹性元件1的刚度K和质量块2的质量M，其中，l为预弯弹性元件1的长度，I为预弯弹性元件1的抗弯刚度，n为预弯弹性元件1的根数，f为阻尼器的控制频率，E为预弯弹性元件1的弹性模量。

另外，对于弹簧钢丝

d为弹簧钢丝的直径；对于弹簧钢片

b为弹簧钢片的宽度，h为弹簧钢片的厚度。

下面给出一种具体的实施例中，某超大跨度斜拉桥斜拉索安装外置式阻尼器后出现了阻尼器暗转位置驻点振动频率，分别为10Hz和12Hz，斜拉索振动模态质量为10吨，索径为200mm。按照0.5％的质量比设计增设调谐质量阻尼器质量块质量为50kg，可满足减振要求，对数衰减率达到3％。选用两块圆弧形质量块为半圆钢环，预弯弹性元件1为弹簧钢丝，上下半圆钢环尺寸均为为内径240mm，外径270mm，壁厚30mm，长1060mm；选用弹簧钢丝弹性模量E＝2.1×105MPa，预拱度为30mm，橡胶垫片厚度均为5mm，钢丝工作投影长度为1060mm，上下各4根弹簧钢丝，上下半圆刚环对应的钢丝直径分别为13.1mm和14.4mm，分别控制斜拉索10Hz和12Hz的振动。

综上所述，在使用该套筒式调谐质量阻尼器及其参数设计方法时，多根预弯弹性元件1间隔设置在待调细长元件3的周向方向上，并将至少两块质量块2周向间隔设置在弯弹性元件1的弯曲部11外侧，并通过两组夹持元件4将预弯弹性元件1的两端夹持在待调细长元件3上。当待调细长元件3发生振动时，阻尼器通过预弯的预弯弹性元件1提供刚度支撑，通过调整预弯弹性元件1的截面尺寸、长度与数量调整阻尼器刚度，与质量块2配合达到调谐减振的功能，通过预弯弹性元件1与夹持元件4间的摩擦提供阻尼，无需外设专门的阻尼装置。通过设置多根预弯弹性元件1和多块质量块2，可以将该套筒式调谐质量阻尼器离散成多个单一的调谐质量阻尼器，通过根据需求来设计改变弹簧钢丝或弹簧钢片的尺寸或质量块的质量，可控制结构多个频率的振动。通过将所有的质量块2基本周向包围待调细长元件3，可以实现控制结构平面内0°～360°的振动。另外，该套筒式调谐质量阻尼器构造简单，安装方便，对结构外形影响小。

在本申请的描述中，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)

1.一种套筒式调谐质量阻尼器，其特征在于，包括：

多根预弯弹性元件(1)，其用于间隔设置在待调细长元件(3)的周向方向上，且所述预弯弹性元件(1)的弯曲部(11)向所述待调细长元件(3)的外侧拱起；

至少两块质量块(2)，其周向间隔设置在所述弯曲部(11)的外侧；

两组夹持元件(4)，其用于套设在所述待调细长元件(3)上，并分别位于所述预弯弹性元件(1)的两端，以夹持所述预弯弹性元件(1)。

2.如权利要求1所述的套筒式调谐质量阻尼器，其特征在于，所述夹持元件(4)包括：

阻尼元件(41)，所述阻尼元件(41)包括两层橡胶垫圈，其用于套设在所述待调细长元件(3)外侧，并夹持所述预弯弹性元件(1)；

夹具(42)，其套设在所述阻尼元件(41)的外侧，并与将所述阻尼元件(41)固定在所述待调细长元件(3)上。

3.如权利要求1所述的套筒式调谐质量阻尼器，其特征在于，还包括与所述质量块(2)对应的压条(5)，所述压条(5)设置在所述预弯弹性元件(1)内侧，用于与所述质量块(2)配合并通过螺栓(6)连接夹持所述预弯弹性元件(1)。

4.如权利要求3所述的套筒式调谐质量阻尼器，其特征在于，所述质量块(2)和压条(5)之间的预弯弹性元件(1)两侧分别还设有一层阻尼垫片(7)，一层所述阻尼垫片(7)设置在所述预弯弹性元件(1)与质量块(2)之间，另一层设置所述预弯弹性元件(1)与压条(5)之间。

5.如权利要求1所述的套筒式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述预弯弹性元件(1)为弹簧钢丝，所述质量块(2)为圆弧形质量块。

6.如权利要求5所述的套筒式调谐质量阻尼器，其特征在于：各个所述圆弧形质量块根据控制频率设计为不同质量。

7.如权利要求1所述的套筒式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述预弯弹性元件(1)为弹簧钢片，所述质量块(2)为板形质量块。

8.如权利要求7所述的套筒式调谐质量阻尼器，其特征在于：各个所述板形质量块根据控制频率设计为不同质量。

9.一种如权利要求1所述的套筒式调谐质量阻尼器的设计参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据待调细长元件(3)的控制需求，确定阻尼器的控制频率；

根据阻尼器的控制频率，确定预弯弹性元件(1)的刚度和质量块(2)的质量。

10.如权利要求9所述的套筒式调谐质量阻尼器的设计参数确定方法，其特征在于：所述的根据阻尼器的控制频率，确定预弯弹性元件(1)的刚度和质量块(2)的质量，具体包括：

根据公式

确定预弯弹性元件(1)的刚度K和质量块(2)的质量M，其中，l为预弯弹性元件(1)的长度，I为预弯弹性元件(1)的抗弯刚度，n为预弯弹性元件(1)的根数，f为阻尼器的控制频率，E为预弯弹性元件(1)的弹性模量。

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