CN113464600A - 阻尼装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阻尼装置，包括上切片组、下切片组、盛装粘性液体的容器、摩擦材料、两个摩擦容纳件和两个摩擦耗能件，两个所述摩擦容纳件分别固定且相对设置于所述下切片组的两侧，所述容器固定设置于所述下切片组的中间位置，所述上切片组的中间的切片伸入所述容器内的粘性液体液面下，两个所述摩擦耗能件分别固定设置于所述上切片组的两侧，每一所述摩擦耗能件一一对应插设于两个所述摩擦容纳件内，且所述摩擦耗能件与所述摩擦容纳件的内壁间隙连接，所述摩擦材料填充于所述摩擦耗能件与所述摩擦容纳件的内壁之间的间隙，通过螺栓的预紧力调整两者之间的间隙，实现所述摩擦耗能件与摩擦材料压力贴合。

Description

阻尼装置

技术领域

本发明属于工程结构振动控制技术领域，涉及一种阻尼装置。

背景技术

缆索承重结构具有卓越的跨越能力，在工程结构中受到了广泛地运用，在斜拉桥、悬索桥等结构中更是最主要的受力构件之一。然而，由于拉索横向刚度小、自身阻尼低的特点，随着长度的增加，拉索固有频率愈低，分布愈加密集，因此，在运营期风、雨、车等作用下常出现明显振动，甚至是大幅振动，严重危害着桥梁的安全性和适用性。

为了有效地控制拉索振动，工程中常在索端安装阻尼器，该方法能显著增加索的模态阻尼，对拉索不同机理和模态的振动均有抑制效果，是目前拉索振动控制最为有效，研究得最为透彻的方法之一。

粘性剪切型阻尼器是一种典型的线性滞回阻尼器，目前的研究已经表明，线性滞回阻尼器所能提供的最大阻尼比与阻尼器在拉索上的安装位置成正比。然而，近几十年来随着斜拉桥跨径的逐渐增大，斜拉索长度也不断突破，比如目前在建的中国常泰大桥，最长斜拉索已达633米。由于美观以及附属结构安全等因素，安装位置受到极大限制。同时，粘性剪切型阻尼器出力基于阻尼油的粘滞拖拽，工程实践发现，一般情况下阻尼油粘度越高，其粘滞效果更好；但是，随着阻尼油粘度的提高，阻尼油将产生一个弹性力，也就是刚度效应。这个刚度效应又将大大降低阻尼器效果以及极限效果，因此，提高阻尼油粘度不是阻尼器性能的最优解。进一步地，对于粘性剪切型阻尼器，切片碰撞问题不容忽视，切片变形将带来阻尼效果的降低，严重甚至导致器件失效。

由于大跨桥梁超长斜拉索的易振特性，安装阻尼器是目前最有效的方法之一。“安全、适用、经济、美观”是桥梁结构设计的基本原则。但由于桥梁结构安全性、适应性的要求，阻尼器等附属结构必须小型化，过大将导致桥梁结构气动外形、固有特性等的变化，危及桥梁结构安全及适应性；同时，由于桥梁结构美观性的要求，将阻尼器安装位置限制在索端。因此，阻尼器改进的核心在于，在小型化的前提下提供足够的阻尼耗能。本发明提供的阻尼器可实现传统粘性剪切型阻尼器体积的进一步减小、性能的进一步提升。

发明内容

基于此，针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种阻尼装置，引入非线性的摩擦耗能机制，以降低传统粘性剪切型阻尼器对高粘度阻尼油的需求和自身的刚度效应。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种阻尼装置，包括上切片组、下切片组、盛装粘性液体的容器、摩擦材料、两个摩擦容纳件和两个摩擦耗能件，两个所述摩擦容纳件分别固定于所述下切片组的两侧，所述容器固定设置于所述下切片组的中间位置，所述上切片组的中间的切片伸入所述容器内的粘性液体液面下，两个所述摩擦耗能件分别固定设置于所述上切片组的两侧，且每一所述摩擦耗能件一一对应插设于两个所述摩擦容纳件内，且与所述摩擦容纳件的内壁间隙连接，所述摩擦材料填充于所述摩擦耗能件与所述摩擦容纳件的内壁之间的间隙，所述摩擦容纳件包括第一磨擦板和第二磨擦板，所述第一磨擦板与所述第二磨擦板间隔且平行设置，所述第一磨擦板和所述第二磨擦板通过螺栓的预紧力调整两者之间的间隙，实现所述摩擦耗能件与摩擦材料压力贴合。

在其中一个实施例中，上切片组、下切片组据中轴线上下分布且上切片组中切片间隔设置。

在其中一个实施例中，所述螺栓个数、预紧力可依据所需摩擦力调整。

在其中一个实施例中，所述摩擦材料依据所需摩擦力调整摩擦材料的安装长度、布置位置。

在其中一个实施例中，所述第一磨擦板与所述第二磨擦板的长、宽相同，所述第一磨擦板及所述第二磨擦板的宽度大于所述摩擦耗能件宽度，其富余部分对称设置螺栓。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：所述摩擦耗能件与所述摩擦容纳件所占的空间小，该阻尼装置在小型化的前提下提供足够的阻尼耗能，引入非线性的摩擦耗能机制，突破了粘性剪切型阻尼器的阻尼效果上限—最大阻尼比为0.5倍的相对安装位置；进一步的，结合摩擦耗能机制，可降低粘性剪切型阻尼器对高粘度阻尼油的需求，降低粘性剪切型阻尼器自身刚度效应；并且，通过摩擦耗能机制的安装构造，可提供一个位移限位，避免切片碰撞问题。

附图说明

图1为本发明阻尼装置的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图2圈A处结构放大示意图；

图4为本发明一实施例的仅粘滞阻尼耗能的(1/2-1/16)L位置振动时程图；

图5为本发明一实施例仅粘滞阻尼耗能的(1/2-1/16)L位置振动频谱图；

图6为本发明阻尼装置在(1/2-1/16)L位置振动时程图；

图7为本发明阻尼装置在(1/2-1/16)L位置振动频谱图；

附图标记说明：

1-上切片组；2-下切片组；3-粘性液体；4-摩擦耗能件；5-摩擦容纳件；6-摩擦材料；7-螺栓；8-螺栓槽。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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创造和简化描述，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”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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。

请参阅图1～3，一种阻尼装置，包括上切片组1、下切片组2、盛装粘性液体3的容器、摩擦材料6、两个摩擦容纳件4和两个摩擦耗能件5，两个所述摩擦容纳件分别固定且相对设置于所述下切片组的两侧，所述容器固定设置于所述下切片组的中间位置，所述上切片组的中间的切片伸入所述容器内的粘性液体液面下，两个所述摩擦耗能件分别固定设置于所述上切片组的两侧，且每一所述摩擦耗能件一一对应插设于两个所述摩擦容纳件内，且与所述摩擦容纳件的内壁间隙连接，所述摩擦材料填充于所述摩擦耗能件与所述摩擦容纳件的内壁之间的间隙，所述摩擦容纳件包括第一磨擦板和第二磨擦板，所述第一磨擦板与所述第二磨擦板间隔且平行设置，所述第一磨擦板和所述第二磨擦板通过螺栓7的预紧力调整两者之间的间隙，实现所述摩擦耗能件与摩擦材料压力贴合。

在其中一个实施例中，上切片组、下切片组据中轴线上下分布且上切片组中切片间隔设置。

在其中一个实施例中，所述螺栓个数、预紧力可依据所需摩擦力调整。

在其中一个实施例中，所述摩擦材料依据所需摩擦力调整摩擦材料的安装长度、布置位置。

在其中一个实施例中，所述第一磨擦板与所述第二磨擦板的长、宽相同，所述第一磨擦板及所述第二磨擦板的宽度大于所述摩擦耗能件宽度，其富余部分对称设置螺栓。

上述阻尼装置，上切片组的中间的切片和粘性液体构成了粘性剪切型阻尼器,摩擦耗能件、摩擦容纳件和摩擦材料构成了摩擦型阻尼器，粘性剪切型阻尼器及摩擦型阻尼器在每个振动周期均会形成一个滞回曲线，封闭面积即为耗散能量。

因此，针对粘性剪切型阻尼器计算耗散能量，有如下式：

W_vis＝πωcU_α ² (1)

针对摩擦型阻尼器计算耗散能量，有如下式：

W_fri＝4F_friU_α (2)

其中，W_vis、W_fri分别为粘性剪切型阻尼器、摩擦型阻尼器在一个振动周期内的耗散能量(J)；ω为振动结构的圆频率(rad/s)；c为粘性剪切型阻尼器阻尼系数(N*s/m)；U_a为振动结构的振动幅度(m)；F_fri为摩擦型阻尼器摩擦力(N)；

从式(1)可以看出，在相同的振动结构条件下，即ω和U_a保持不变，粘性剪切型阻尼器在一个振动周期内的耗散能量与粘性剪切型阻尼器阻尼系数c正相关，而粘性剪切型阻尼器阻尼系数c与阻尼油粘度正相关，一般情况下阻尼油粘度越高，其粘滞效果更好；但是，随着阻尼油粘度的提高，阻尼油将产生一个弹性力，也就是刚度效应。这个刚度效应又将大大降低阻尼器效果以及极限效果，因此，提高阻尼油粘度不是阻尼器性能的最优解。具体而言，仅存在粘滞力时，当阻尼装置实现粘性剪切阻尼器最优效果时，所需阻尼油的阻尼系数须达到C，而实际粘性剪切阻尼器的阻尼油的阻尼系数小于C，因此需要提高阻尼油粘度，但由于阻尼油粘度越高，阻尼油刚度的削弱效应将十分严峻；而采用本发明时，即可降低对阻尼油的粘度的要求，不足的部分由摩擦力代替。

将摩擦力换算成阻尼系数，按能量等效原则，使W_vis＝W_fri，即在相同的耗散能量下，建立了摩擦型阻尼器的摩擦力与阻尼系数间的转化关系，如下式：

据当前粘性剪切阻尼器研究结果，仅粘滞阻尼耗能(粘性剪切型阻尼器耗能)的情况，为使拉索每阶振动控制达到最优效果，所需的最优阻尼系数c^opt有式(4)的定量关系：

其中，a为阻尼装置在拉索的安装位置(m)；T为拉索预张力(N)。

进一步具体为，为控制刚度效应，本发明的阻尼装置采用了粘性剪切阻尼器和摩擦型阻尼器，粘性剪切阻尼器采用低粘度阻尼油，以最优阻尼系数c^opt作为参考，若粘性剪切型阻尼器提供阻尼系数仅为0.2c^opt，则摩擦型阻尼器需要提供0.8_c ^opt的等效阻尼系数，即C为0.8_c ^opt。摩擦力F_fri的确定方法为：将0.8_c ^opt代入式(3)，再结合式(4)，有

下例结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1-有限元实例验证

以苏通大桥某超长斜拉索为例，现通过有限元分析验证该阻尼装置的效果，拉索参数如下：

表1 拉索参数表

为便于计算，将参数c、F_fri无量纲化：

对于仅粘滞阻尼耗能(粘性剪切型阻尼器耗能)的情况，当阻尼系数为第一阶最优时，

在随机激励的情况下，有限元模拟(1/2-1/16)L位置的振动情况。100π秒时间内的振动时程图如图4所示，经傅里叶变换，有图5所示的频谱图，可以看到，粘性剪切型阻尼器对拉索第一阶振动的最优效果为：将振幅降低至2.14×10^-4L。

而当粘性剪切型阻尼器耗能采用0.3倍最优阻尼系数

并附加摩擦力

在同等激励时，此时(1/2-1/16)L位置的振动时程图及频谱图如7、8所示。可以看到，第一阶振幅为1.97×10^-4L，对比上6，证实摩擦耗能已经提高了线性粘滞阻尼的最优效果的上限。

进一步地，设置摩擦材料6间距0.6×10^-4L，即，所述摩擦耗能件与所述摩擦容纳件的相对位移在±0.3×10^-4L以内无摩擦作用。在相同激励下，(1/2-1/16)L位置第一阶振幅为1.11×10^-4L，时程、频谱图见6、图7所示。对比以上情况，阻尼效果再一次得到提升。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不仅限于本发明，尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种阻尼装置，其特征在于，包括上切片组、下切片组、盛装粘性液体的容器、摩擦材料、两个摩擦容纳件和两个摩擦耗能件，两个所述摩擦容纳件分别固定于所述下切片组的两侧，所述容器固定设置于所述下切片组的中间位置，所述上切片组的中间的切片伸入所述容器内的粘性液体液面下，两个所述摩擦耗能件分别固定设置于所述上切片组的两侧，每一所述摩擦耗能件一一对应插设于两个所述摩擦容纳件内，且与所述摩擦容纳件的内壁间隙连接，所述摩擦材料填充于所述摩擦耗能件与所述摩擦容纳件的内壁之间的间隙，

其中，所述摩擦容纳件包括第一磨擦板和第二磨擦板，所述第一磨擦板与所述第二磨擦板间隔且平行设置，所述第一磨擦板和所述第二磨擦板通过螺栓的预紧力实现所述摩擦耗能件与摩擦材料压力贴合。

2.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征在于，上切片组、下切片组据中轴线上下分布且上切片组中切片间隔设置。

3.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征在于，所述螺栓个数、预紧力可依据所需摩擦力调整。

4.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征在于，所述摩擦材料依据所需摩擦力调整摩擦材料的安装长度、布置位置。

5.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征在于，所述第一磨擦板与所述第二磨擦板的长、宽相同，所述第一磨擦板及所述第二磨擦板的宽度大于所述摩擦耗能件宽度，其富余部分对称设置螺栓。

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