CN113236699B - 一种多级调节的颗粒阻尼惯容减震器 - Google Patents

一种多级调节的颗粒阻尼惯容减震器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多级调节的颗粒阻尼惯容减震器，包括底板和底部开口的金属外壳，所述金属外壳能够在所述底板上水平滑动；所述金属外壳内水平设置有多个限位轴，所述限位轴上穿设有滚筒，所述滚筒两端固定连接有齿轮，所述底板两侧固定设置有能够与所述齿轮啮合的齿条；所述底板两端对称设置有两个固定弹簧板，所述固定弹簧板外端面固定安装有弹簧，所述弹簧末端与所述金属外壳两端固定连接，所述金属外壳两端外侧固定设置有耳环，所述耳环用于连接外部结构与阻尼器。本发明提供的多级调节的颗粒阻尼惯容减震器，能够产生不同的惯容效果，实现多级减振。同时，由于本发明采用颗粒阻尼的形式，使得减振频带得以变宽。

Description

一种多级调节的颗粒阻尼惯容减震器
技术领域
本发明涉及土木工程结构耗能减震领域，特别是涉及一种多级调节的颗粒阻尼惯容减震器。
背景技术
消能减震技术，即通过在结构振动响应较大的位置加消能减震装置，达到减小结构振动响应的一种技术。在发生强震或者强风而使结构产生剧烈振动时，消能减震装置能够利用自生特性，如滞回变形，屈服变形，摩擦等大量消耗地震或者强风输入的能量，极大程度减小了结构的振动响应，保证了结构安全性，舒适性和内部装置正常使用的性能要求。
惯容减震器作为一种新型高效的消能减震装置，一般包括惯容单元，弹簧单元，阻尼单元这三个元件。惯容单元主要是利用齿轮和齿条的啮合，将齿条的平动转换为齿轮主体的转动，从而达到质量增效，耗能增效的目的。在现有的研究中，惯容单元的质量特征，弹簧单元的刚度，阻尼单元的阻尼系数一般为固定值，具有明显的线性特征，故无法满足实际不同强度振动或者不同项目下对不同阻尼力的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种多级调节的颗粒阻尼惯容减震器，以解决上述现有技术存在的问题，能够产生不同的惯容效果，实现多级减振。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种多级调节的颗粒阻尼惯容减震器，包括底板和底部开口的金属外壳，所述金属外壳能够在所述底板上水平滑动；所述金属外壳内水平设置有多个限位轴，所述限位轴上穿设有滚筒，所述滚筒两端固定连接有齿轮，所述底板两侧固定设置有能够与所述齿轮啮合的齿条，滚筒起到类似飞轮的作用，达到质量增效和耗能增效的目的；所述底板两端对称设置有两个固定弹簧板，所述固定弹簧板外端面固定安装有弹簧，所述弹簧末端与所述金属外壳两端固定连接，弹簧在振动过程中起调谐和自复位作用，所述金属外壳两端外侧固定设置有耳环，所述耳环用于连接外部结构与阻尼器。
可选的，所述金属外壳包括外壳顶板，所述外侧两侧分别设置有外壳左侧板和外壳右侧板，所述外壳左侧板和外壳右侧板两端分别固定连接有外壳前板和外壳后板，所述耳环包括固定设置于所述外壳前板外侧的第一耳环和固定设置于所述外壳后板外侧的第二耳环；所述底板两侧对称开设有两条凹槽，所述外壳左侧板和外壳右侧板能够在所述凹槽内水平滑动；凹槽与金属外壳侧板的接触面经过摩擦处理，底板和金属外壳产生相对滑动时产生摩擦进行耗能。
可选的，所述固定弹簧板为分别固定设置于所述底板两端的第一固定弹簧板和第二固定弹簧板，所述弹簧为第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧一端与所述第一固定弹簧板外侧固定连接，另一端与所述外壳前板内侧固定连接；所述第二弹簧一端与所述第二固定弹簧板外侧固定连接，另一端与所述外壳后板内侧固定连接。
可选的，所述外壳左侧板和外壳右侧板之间穿设有三个所述限位轴；所述滚筒包括主动滚筒、第一多级滚筒和第二多级滚筒，所述齿轮包括主动齿轮、第一多级齿轮和第二多级齿轮，所述主动滚筒套设在位于中间的所述限位轴上，所述主动滚筒两端固定连接有所述主动齿轮，所述第一多级滚筒和第二多级滚筒分别套设在位于两端的两个所述限位轴上，所述第一多级齿轮与所述第一多级滚筒固定连接，所述第二多级齿轮与所述第二多级滚筒固定连接。在初始状态下，第二多级齿轮与齿条邻近端部的距离为s1，第一多级齿轮与齿条邻近端部距离s2(s1<s2)，当结构振动位移u<s1时，齿条的相对平动时仅带动主动滚筒转动，可实现第一级减振效果；当结构振动位移s1<u<s2时，齿条平动时带动主动滚筒和第二多级滚筒转动，可实现第二级减振效果；当结构振动位移u>s2时，齿条平动时可以带动主动滚筒、第一多级滚筒和第二多级滚筒转动，可实现第三级减振效果。
可选的，所述齿条位于所述主动齿轮下方，且所述齿条的长度尺寸小于三个所述限位轴之间的水平距离尺寸。
可选的，所述滚筒内设置有多个金属颗粒，所述滚筒的内壁设置有一层缓冲材料层，滚筒容器转动时，金属颗粒之间的摩擦、碰撞以及金属颗粒与缓冲材料层的碰撞进行耗能。金属颗粒的质量比、填充率、粒径，缓冲材料的选择，根据实际需求设置，以保证该型阻尼器的最优耗能能力与使用需求相匹配。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明通过齿轮和齿条的啮合，能将平动转换为转动，并通过滚筒容器以飞轮的形式进行放大，达到质量增效和吸能增效的目的。其中一个多级齿轮与齿条的距离S1、另一多级齿轮与齿条的距离S2以及主动滚筒和多级滚筒的质量可以根据实际需求设置，从而满足实际工程中在不同强度振动下的出力需求，达到多级调节的目的。
本发明内设多种吸能和耗能机制，吸能机制包括弹簧变形吸收和储存能量以及滚筒转动吸收和储存能量；耗能机制包括筒体内金属颗粒之间的摩擦和碰撞耗能、金属颗粒与缓冲材料层的碰撞耗能以及金属外壳与底板凹槽的摩擦耗能。
本发明采用了惯容单元和颗粒阻尼结合形式，利用金属颗粒之间的摩擦、碰撞和金属颗粒与缓冲材料的碰撞高效地将滚筒容器储存的能量耗散。其中颗粒阻尼与传统粘滞阻尼和摩擦阻尼相比，非线性特征明显，具有减振频带宽、鲁棒性强、附加质量小、适用于恶劣环境等优点。本发明整体制作简单，便于安装，所涉及的各类组件，包括齿轮，筒体容器，缓冲材料，金属颗粒均可在实际工程得到替换，同时，滚筒容器不需要像粘滞阻尼器那么严格的密封性，具有很好的灵活性和可维修性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明多级调节的颗粒阻尼惯容减震器结构示意图；
图2为本发明外壳顶板和外壳右侧板结构示意图；
图3为本发明滚筒内部结构示意图；
附图标记说明：100-多级调节的颗粒阻尼惯容减震器，1-第一耳环，2-外壳前板，3-第一弹簧，4-第一固定弹簧板，5-底板，6-外壳左侧板，7-第一多级齿轮，8-第一多级滚筒，9-齿条，10-主动齿轮，11-主动滚筒，12-第二多级齿轮，13-第二多级滚筒，14-限位轴，15-第二固定弹簧板，16-第二弹簧，17-外壳后板，18-第二耳环，19-外壳顶板，20-外壳右侧板，21-金属颗粒，22-缓冲材料层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种多级调节的颗粒阻尼惯容减震器，以解决上述现有技术存在的问题，能够产生不同的惯容效果，实现多级减振。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种多级调节的颗粒阻尼惯容减震器，对现有的齿条、齿轮以及飞轮形式的惯容器进行改进，用滚筒容器代替飞轮，发挥质量增效和耗能增效的作用。齿轮-筒式容器共设置3组，其中主动齿轮一直与齿条啮合，另外两组的多级齿轮各与齿条设置不同的距离。当受到不同强度的振动，齿条能与不同组齿轮啮合，从而产生不同的惯容效果，实现多级减振。筒式容器内装有金属颗粒，筒式容器内壁设置一层缓冲材料层，利用金属颗粒之间的摩擦以及金属颗粒与缓冲材料层的碰撞进行耗能。同时摩擦以及碰撞阻尼的非线性，将原有的窄域调频变为宽域调频，使得调频性能更灵活。
具体的，参照图1、图2和图3所示，本发明提供一种多级调节的颗粒阻尼惯容减震器100，其组成部件包括：第一耳环1，外壳前板2，第一弹簧3，第一固定弹簧板4，底板5，外壳左侧板6，第一多级齿轮7，第一多级滚筒8，齿条9，主动齿轮10，主动滚筒11，第二多级齿轮12，第二多级滚筒13，限位轴14，第二固定弹簧板15，第二弹簧16，外壳后板17，第二耳环18，外壳顶板19，外壳右侧板20，金属颗粒21，缓冲材料层22。
金属外壳是由一个外壳顶板19、外壳左侧板6、外壳右侧板20、外壳前板2和外壳后板17焊接而成的半封闭体，金属外壳可以在底板5的凹槽内滑动。
底板5固定于结构支座或者地面上。底板5上在长度方向两侧分别固定一个第一固定弹簧板4和第二固定弹簧板15，底板5宽度方向两侧分别固定一根齿条9。两齿条9各性能参数一致，它们可以和主动齿轮10以及多级齿轮啮合。底板5上在平行长度方向两侧分别设置设置一条凹槽，金属外壳的外壳左侧板6和外壳右侧板20可以在凹槽内滑动。在振动过程中，第一固定弹簧板4和第二固定弹簧板15与齿条9随底板5固定，底板5和整个金属外壳产生相对滑动。
凹槽与外壳左侧板6、外壳右侧板20的接触面经过摩擦处理，底板5和整个金属外壳发生相对滑动时产生摩擦进行耗能。
两个耳环用于连接外部结构与阻尼器，分别在阻尼器前后两端设置，其中第一耳环1与外壳前板2固接，第二耳环18与外壳后板17固接。
弹簧分别在惯容阻尼器前后两端设置，在振动过程中起调谐和自复位作用。第一弹簧3连接于外壳前板2与第一固定弹簧板4之间，其中第一固定弹簧板4固接于底板5上；第二弹簧16连接于第二固定弹簧板15和外壳后板17之间，其中第二固定弹簧板17固定于底板5上。当金属外壳与底板5发生相对滑动时，第一弹簧3和第二弹簧16会发生拉伸和压缩的往复运动，在整个过程中，两根弹簧能起到自复位和调谐的作用。
主动齿轮10与主动滚筒11刚接，并且主动齿轮10和齿条9在同一竖直面上，能与齿条9啮合；主动齿轮10、主动滚筒11共轴于限位轴14，并通过限位轴14安装于外壳左侧板6和外壳右侧板20之间。第一多级齿轮7与第一多级滚筒8刚接，并且第一多级齿轮7和齿条9在同一竖直面上，能与齿条9啮合；丢一多级齿轮7、第一多级滚筒容器8共轴于限位轴14，并通过限位轴14安装于外壳左侧板6和外壳右侧板20之间。第二多级齿轮12与第二多级滚筒13刚接，并且第二多级齿轮12和齿条9在同一竖直面上，能与齿条9啮合；第二多级齿轮12、第二多级滚筒容器13共轴于限位轴，并通过限位轴安装于金属外壳两侧。在振动过程中，齿条平动，带动主齿轮(或者多级齿轮)转动，同时，主筒(或者多级筒)会跟随主齿轮(或者多级齿轮)转动。在转动过程中，主筒和多级筒起到类似飞轮的作用，达到质量增效和耗能增效的目的。
进一步地，在初始状态下，第二多级齿轮12与齿条9端部的距离为s1,第一多级齿轮7与齿条9端部距离s2(s1<s2)，当结构振动位移u<s1时，齿条9的平动时仅带动主动滚筒11转动，可实现第一级减振效果；当结构振动位移s1<u<s2时，齿条9平动时带动主动滚筒11和第二多级滚筒13转动，可实现第二级减振效果；当结构振动位移u>s2时，齿条9平动时可以带动主动滚筒11、第一多级滚筒8和第二多级滚筒13转动，可实现第三级减振效果。
进一步地，主动滚筒11、第一多级滚筒8和第二多级滚筒13内含金属颗粒21，并且主动滚筒11、第一多级滚筒8和第二多级滚筒13的内壁设置一层缓冲材料层22。主动滚筒、多级筒容器转动时，金属颗粒21之间的碰撞、摩擦以及金属颗粒21与缓冲材料层22的碰撞进行耗能。
进一步地，主动滚筒11和两个多级滚筒的质量与直径根据实际需求进行设置，以保证该型阻尼器的最优耗能能力与使用需求相匹配。
进一步地，第二多级齿轮12与齿条9邻近端部的距离为s1和第一多级齿轮7与齿条9邻近端部距离s2需根据实际情况进行设置，以保证该型阻尼器的最优耗能能力与使用需求相匹配。
进一步地，金属颗粒21的质量比、填充率、粒径，缓冲材料的选择，根据实际需求设置，以保证该型阻尼器的最优耗能能力与使用需求相匹配。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种多级调节的颗粒阻尼惯容减震器，其特征在于：包括底板和底部开口的金属外壳，所述金属外壳能够在所述底板上水平滑动；所述金属外壳内水平设置有多个限位轴，所述限位轴上穿设有滚筒，所述滚筒两端固定连接有齿轮，所述底板两侧固定设置有能够与所述齿轮啮合的齿条；所述底板两端对称设置有两个固定弹簧板，所述固定弹簧板外端面固定安装有弹簧，所述弹簧末端与所述金属外壳两端固定连接，所述金属外壳两端外侧固定设置有耳环，所述耳环用于连接外部结构与阻尼器；所述金属外壳包括外壳顶板，所述外侧两侧分别设置有外壳左侧板和外壳右侧板，所述外壳左侧板和外壳右侧板两端分别固定连接有外壳前板和外壳后板，所述耳环包括固定设置于所述外壳前板外侧的第一耳环和固定设置于所述外壳后板外侧的第二耳环；所述底板两侧对称开设有两条凹槽，所述外壳左侧板和外壳右侧板能够在所述凹槽内水平滑动，所述凹槽与外壳左侧板、外壳右侧板的接触面经过摩擦处理；所述外壳左侧板和外壳右侧板之间穿设有三个所述限位轴；所述滚筒包括主动滚筒、第一多级滚筒和第二多级滚筒，所述齿轮包括主动齿轮、第一多级齿轮和第二多级齿轮，所述主动滚筒套设在位于中间的所述限位轴上，所述主动滚筒两端固定连接有所述主动齿轮，所述第一多级滚筒和第二多级滚筒分别套设在位于两端的两个所述限位轴上，所述第一多级齿轮与所述第一多级滚筒固定连接，所述第二多级齿轮与所述第二多级滚筒固定连接；所述齿条位于所述主动齿轮下方，且所述齿条的长度尺寸小于三个所述限位轴之间的水平距离尺寸。
2.根据权利要求1所述的多级调节的颗粒阻尼惯容减震器，其特征在于：所述固定弹簧板为分别固定设置于所述底板两端的第一固定弹簧板和第二固定弹簧板，所述弹簧为第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧一端与所述第一固定弹簧板外侧固定连接，另一端与所述外壳前板内侧固定连接；所述第二弹簧一端与所述第二固定弹簧板外侧固定连接，另一端与所述外壳后板内侧固定连接。
3.根据权利要求1所述的多级调节的颗粒阻尼惯容减震器，其特征在于：所述滚筒内设置有多个金属颗粒，所述滚筒的内壁设置有一层缓冲材料层。
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