CN113606280B - 一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变液阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自复位碟簧‑质量转轮复合磁流变阻尼器，主要由耗能模块和自复位模块并联组合构成。外缸体上固定设置有两根高强螺旋杆，密封腔体内设置两个质量转轮，两个质量转轮通过与高强螺旋杆匹配的螺纹自由套设在高强螺旋杆上，两个质量转轮可以在绕着高强螺旋杆转动的同时沿着高强螺旋杆的轴线方向移动；连接杆在所述密封腔体内的部分套设有永磁环、导磁环、隔磁环，密封腔体内充满磁流变液；所述密封腔体外侧的连接杆上分别自由套设左侧碟簧和右侧碟簧，左侧碟簧和右侧碟簧的两端分别自由套设永磁环和碟簧端板。本发明为结构提供一定的刚度和强度以及稳定的耗能能力，同时具有优良的自复位功能。

Description

一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变液阻尼器
技术领域
本发明涉及一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变液阻尼器，属于土木工程减隔震技术领域。
背景技术
地震灾害具有突发性、可预见性低、破坏性强等特点，被认为是人类面临的最严重的自然灾害之一，特别是中震和大震发生时会释放出巨大的地震能量，会对结构产生很大的破坏，严重危及人民的生命和财产安全。我国是地震多发国家之一，因此降低各类建筑物及基础设施震害非常重要。目前的结构主要是通过提高自身的刚度和强度来抵抗地震，耗散地震能量，强地震作用时，即使保持了结构的整体完整性，但变形过大、部分构件的严重破坏而需要大范围的加固修复，甚至只能重建造成了巨大的浪费。
消能减震技术是在结构的关键部位添加耗能装置或是把结构的某些非承重部位设计成耗能构件，来耗散地震能量，从而减轻地震对结构主体的破坏。消能减震技术构造简单、造价低廉、便于维护、减震效果明显，因此已被广泛应用于研究及实际工程中。目前的阻尼器可分为以下几种类型：1)摩擦阻尼器；2)黏滞性阻尼器；3)金属阻尼器；4)粘弹性阻尼器；5)电(磁)感应阻尼器。
作为一种智能材料，磁流变液可以在毫秒时间内由流动性良好的牛顿流体转变为高粘度、低流动性的Bingham粘塑性体，制成的磁流变阻尼器具有出力大、能耗低、响应快等优点。但传统的磁感应阻尼器通常依赖电源，在地震中，尤其是大震的情况下，地震的破坏性极大，电源可能出现故障，导致阻尼器出现失灵的情况，降低减震体系的可靠性。此外传统的阻尼器只具有耗能功能不具有自复位功能。
碟簧具有极好的弹性，相比较形状记忆合金而言基本不受温度影响，变形后不需要加热即可实现自复位；相比较预应力筋有较大的弹性变形，可以满足大变形的结构的需求。
因此，急需设计一种具备良好耗能能力、自复位能力、稳定可靠，同时还易于拆装更换的预制装配式自复位耗能阻尼器。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提出一种自复位碟簧—质量转轮复合磁流变液阻尼器，可以应用于建筑结构及桥梁结构领域的重要构件位置。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器，包括耗能模块和自复位模块；其中，耗能模块包括外缸体、高强螺旋杆、质量转轮、叶片、磁流变液、端部永磁环、腔体永磁环、导磁环、隔磁环；自复位模块包括连接杆、左侧碟簧、右侧碟簧、碟簧端板、固定挡板；外缸体内设置有密封腔体，密封腔体内充满磁流变液；所述密封腔体内置有质量转轮，质量转轮中心通孔套设在高强螺旋杆上，且通孔上设置与高强螺旋杆匹配的螺纹，质量转轮上还套设有阻液环，阻液环伸出密封腔体，用于防止磁流变液渗漏，阻液环上也设置有与高强螺旋杆匹配的螺纹，保证密封腔体沿着高强螺旋杆滑动，且不会发生液体渗漏；所述连接杆穿过密封腔体，并固定在密封腔体的侧面；密封腔体内连接杆上由中间向两侧依次套设有腔体永磁环、导磁环以及隔磁环；所述连接杆可在外缸体内左右移动，所述连接杆的两端均固定设置有挡块，密封腔体的左右两侧与连接杆上的挡块中间分别套设有左侧碟簧以及右侧碟簧；左侧碟簧和右侧碟簧两端还分别套设有端部永磁环以及碟簧端板，即端部永磁环设置在挡块内侧，碟簧端板设置在密封腔体左、右外侧；碟簧端板中间开三通孔，分别套设在中间的连接杆以及两根高强螺旋杆上，套设在高强螺旋杆上的通孔上有与高强螺旋杆匹配的螺纹。
进一步地，所述高强螺旋杆通过连接垫块固定于外缸体内。
进一步地，所述质量转轮四周分布设置有叶片；当连接杆带动密封腔体运动时，连接杆与外缸体之间有相对运动，从而带动质量转轮转动，质量转轮转动时，叶片搅动磁流变液。
进一步地，所述外缸体内部固定设置四块固定挡板，所述固定挡板与密封腔体之间有一定的空隙；当密封腔体在随着连接杆往复运动时，密封腔体的运动不受外缸体内部固定挡板的限制。
进一步地，所述碟簧端板竖向上开设有三个孔，碟簧端板通过三个孔分别自由套设在两个高强螺旋杆以及连接杆上。
进一步地，在垂直连接杆轴线的方向上，所述碟簧端板的宽度小于外缸体内部的宽度，大于外缸体内两块固定挡板之间的间隙，用以保证固定挡板和密封腔体推动碟簧端板的在外缸体内部水平滑动。
进一步地，所述密封腔体内设置有腔体永磁环，磁流变液受到磁场影响黏度增大；当连接杆运动时，腔体永磁环与端部永磁环之间的距离发生变化，从而引起磁流变液中的磁场强度发生变化，阻尼力大小变化。
进一步地，所述连接杆运动时，阻尼器不论是受压还是受拉，左侧碟簧或右侧碟簧均受压，提供复位功能。
进一步地，所述密封腔体上下两侧设置有弧形凹槽，弧形凹槽内设置有滚轴，连接杆运动时，密封腔体通过滚轴随连接杆运动。
进一步地，：所述腔体永磁环为永久磁铁。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种自复位碟簧—质量转轮复合磁流变阻尼器，在地震作用下对结构的减震及自复位效果显著，主要体现在以下几点：
1)本发明通过改变永磁环之间的距离，调节磁场的大小，使得密封腔体内的磁流变液阻尼连续可变，且位移越大，密封腔体内的两个质量转轮沿着高强螺旋杆转动时所需克服的阻尼力也越大，耗能越多，确保结构的减震效果。相比较传统阻尼器而言，本发明能够提供连续可变的阻尼力。本装置不需要外部电源供应，稳定可靠。
2)本发明不论是处于受拉状态还是受压状态，阻尼器内部的碟簧总是处于受压状态，从而提供优良的自复位功能。受压碟簧不仅可以作为恢复材料提供恢复力，而且叠加后的碟簧在工作时具有一定的耗能能力。外缸体与连接杆的相对位移越大，碟簧挤压变形越大，提供的恢复力越大。保证结构在震后能恢复到初始状态，减少甚至消除其残余变形。相比较运用形状记忆合金的自复位阻尼器，碟簧基本不受温度的影响，性能稳定，性价比高。在其弹性范围内，变形后不需要采取任何措施就能够恢复变形前的状态。
3)与其他的耗能装置相比，本发明的阻尼力包括库伦阻尼力和黏滞阻尼力，具有更强的耗能能力。
4)本发明一方面可以为结构提供一定的刚度和强度，另一方面提供稳定的耗能能力，同时提供优良的自复位功能减小甚至消除结构的残余位移。
本发明可设置在建筑结构及桥梁结构的最大位移处，也可串联在支撑上使用，应用于工程的减震控制，可实现工厂的全预制装配，易于维修和养护，具有很好的适用性和可行性。
附图说明
下面通过附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器的纵剖面示意图。
图2是本发明的一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器中密封腔体的详图。
图3是本发明的一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器的A—A剖面示意图。
图4是本发明的一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器的B—B剖面示意图。
图5是本发明的一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器的C—C剖面示意图。
图6是本发明的一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器的D—D剖面示意图。
图7是本发明的一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器的E—E剖面示意图。
图8是本发明运动状态示意图，包含三张图，第一张是本发明的一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器初始状态时内部示意图、第二张是一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器受拉状态内部构造示意图、第三张是一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器受压状态内部构造示意图。
附图标记：
1—外缸体；1a—密封腔体；2—高强螺旋杆；3—垫块；4—左侧碟簧；5—右侧碟簧；6—连接杆；6a—内管挡块；6b—内管右侧限位挡块；6c—内管左侧限位挡块；7—端部永磁环；8—腔体永磁环；9—导磁环；10—隔磁环；11—磁流变液；12—叶片；13—质量转轮；14—碟簧端板；15—固定挡板；16—阻液环；17—滚轴；18—弧形凹槽。
具体实施方式
结合附图对本发明实施例进行详细说明。
首先应需注意的是，附图所展示的一种自复位碟簧—质量转轮复合磁流变阻尼器，旨在能简洁、清楚、明了的说明本发明，故附图不能够作为对本发明的限制。
本发明包括一个耗能模块和两个自复位耗能模块，耗能模块采用磁流变液阻尼耗能，自复位耗能模块采用碟簧提供自恢复力。每个模块独立工作，滞回曲线为彼此之和，耗能及复位效果显著，可设置在建筑结构及桥梁结构的最大位移处，也可串联在支撑上使用，应用于工程的减震控制，可实现工厂的全预制装配，易于维修和养护，具有很好的适用性和可行性。
如图1-7所示，本发明的一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器，包括耗能模块和自复位模块。其中，耗能模块包括外缸体1、高强螺旋杆2、质量转轮13、叶片12、磁流变液11、端部永磁环7、腔体永磁环8、导磁环9、隔磁环10。自复位模块包括连接杆6、左侧碟簧4、右侧碟簧5、碟簧端板14、固定挡板15。外缸体1内设置有密封腔体1a，密封腔体1a内充满磁流变液11。密封腔体1a内置有质量转轮13，质量转轮13中心通孔套设在高强螺旋杆2上，且通孔上设置与高强螺旋杆2匹配的螺纹，高强螺旋杆2通过连接垫块3固定于外缸体1内。质量转轮13上还套设有阻液环16，阻液环16伸出密封腔体1a，用于防止磁流变液11渗漏，阻液环16上也设置有与高强螺旋杆2匹配的螺纹，保证密封腔体1a沿着高强螺旋杆2滑动，且不会发生液体渗漏。质量转轮13四周分布设置有叶片12。当连接杆6带动密封腔体1a运动时，连接杆6与外缸体1之间有相对运动，从而带动质量转轮13转动，质量转轮13转动时，叶片12搅动磁流变液。连接杆6穿过密封腔体1a，并固定在密封腔体1a的侧面。密封腔体1a内连接杆6上由中间向两侧依次套设有腔体永磁环8、导磁环9以及隔磁环10，本实施例中，腔体永磁环8为永久磁铁。连接杆6可在外缸体1内左右移动，连接杆6的两端均固定设置有挡块，密封腔体1a的左右两侧与连接杆6上的挡块中间分别套设有左侧碟簧4以及右侧碟簧5。左侧碟簧4和右侧碟簧5两端还分别套设有端部永磁环以及碟簧端板14，即端部永磁环7设置在挡块内侧，碟簧端板14设置在密封腔体1a左、右外侧。连接杆6运动时，阻尼器不论是受压还是受拉，左侧碟簧4或右侧碟簧5均受压，提供复位功能。
碟簧端板14中间开三通孔，分别套设在中间的连接杆6以及两根高强螺旋杆2上，套设在高强螺旋杆2上的通孔上有与高强螺旋杆2匹配的螺纹。此外，外缸体1内部固定设置四块固定挡板15，固定挡板15与密封腔体1a之间有一定的空隙。当密封腔体1a在随着连接杆6往复运动时，密封腔体1a的运动不受外缸体内部固定挡板15的限制。密封腔体1a内设置有腔体永磁环8，磁流变液受到磁场影响黏度增大。当连接杆6运动时，腔体永磁环8与端部永磁环7之间的距离发生变化，从而引起磁流变液中的磁场强度发生变化，阻尼力大小变化。
本实施例中，如图4所示，碟簧端板14竖向上开设有三个孔，碟簧端板14通过三个孔分别自由套设在两个高强螺旋杆2以及连接杆6上。在垂直连接杆6轴线的方向上，碟簧端板14的宽度小于外缸体1内部的宽度，大于外缸体1内两块固定挡板15之间的间隙，用以保证固定挡板15和密封腔体1a推动碟簧端板14的在外缸体1内部水平滑动。密封腔体1a上下两侧设置有弧形凹槽18，弧形凹槽18内设置有滚轴17，连接杆6运动时，密封腔体1a通过滚轴17随连接杆6运动。
如图8所示，本发明的自复位碟簧—质量转轮复合磁流变阻尼器的实现情况如下：
当阻尼器被拉伸时，连接杆6相对外缸体向右移动时，密封腔体1a的运动不受外缸体内固定挡板15的约束，密封腔体1a向右移动，密封腔体1a内的永磁环8与连接杆右侧永磁环7a在密封腔体1a内产生的磁场强度增强。永磁环8与连接杆左侧永磁环7在密封腔体1a内产生的磁场强度不变。随着相对位移的增大，磁场强度增强，磁流变液产生的阻尼力增大，密封腔体1a内的质量转轮13沿着高强螺旋杆2运动所需克服的阻尼力越大。右侧碟簧5的右端受到右侧永磁环7a的限制，左侧受到密封腔体1a及碟簧端板14的挤压，产生压缩变形。左侧碟簧4的左侧受到内管左侧限位挡块6c的限制，由于碟簧端板14的运动受到外缸体内固定挡板15的限制，因此左侧碟簧4的右侧受到碟簧端板14的限制，同样产生压缩变形。左右两侧的碟簧均为受压状态，且压缩量相同，提供装置的自恢复能力。
当阻尼器被压缩时，连接杆6相对外缸体向左移动时，密封腔体1a的运动不受外缸体内固定挡板15的约束，密封腔体1a向左移动，密封腔体1a内的永磁环8与连接杆左侧永磁环7在密封腔体1a内产生的磁场强度增强。永磁环8与连接杆右侧永磁环7a在密封腔体1a内产生的磁场强度不变。随着相对位移的增大，磁场强度增强，磁流变液产生的阻尼力增大，密封腔体1a内的质量转轮13沿着高强螺旋杆2运动所需克服的阻尼力越大。左侧碟簧4的左端受到左侧永磁环7的限制，右侧受到密封腔体1a及碟簧端板14的挤压，产生压缩变形。右侧碟簧5的右侧受到内管右侧限位挡块6a的限制，由于碟簧端板14的运动受到外缸体内固定挡板15的限制，因此右侧碟簧5的左侧受到碟簧端板14的限制，同样产生压缩变形。左右两侧的碟簧均为受压状态，且压缩量相同，提供装置的自恢复能力。
综上，尽管已经对本发明的实施例进行描述，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器，其特征在于：包括耗能模块和自复位模块；其中，耗能模块包括外缸体(1)、高强螺旋杆(2)、质量转轮(13)、叶片(12)、磁流变液(11)、端部永磁环(7)、腔体永磁环(8)、导磁环(9)、隔磁环(10)；自复位模块包括连接杆(6)、左侧碟簧(4)、右侧碟簧(5)、碟簧端板(14)、固定挡板(15)；外缸体(1)内设置有密封腔体(1a)，密封腔体(1a)内充满磁流变液(11)；所述密封腔体(1a)内置有质量转轮(13)，质量转轮(13)中心通孔套设在高强螺旋杆(2)上，且通孔上设置与高强螺旋杆(2)匹配的螺纹，质量转轮(13)上还套设有阻液环(16)，阻液环(16)伸出密封腔体(1a)，用于防止磁流变液(11)渗漏，阻液环(16)上也设置有与高强螺旋杆(2)匹配的螺纹，保证密封腔体(1a)沿着高强螺旋杆(2)滑动，且不会发生液体渗漏；所述连接杆(6)穿过密封腔体(1a)，并固定在密封腔体(1a)的侧面；密封腔体(1a)内连接杆(6)上由中间向两侧依次套设有腔体永磁环(8)、导磁环(9)以及隔磁环(10)；所述连接杆(6)可在外缸体(1)内左右移动，所述连接杆(6)的两端均固定设置有挡块，密封腔体(1a)的左右两侧与连接杆(6)上的挡块中间分别套设有左侧碟簧(4)以及右侧碟簧(5)；左侧碟簧(4)和右侧碟簧(5)两端还分别套设有端部永磁环(7)以及碟簧端板(14)，即端部永磁环(7)设置在挡块内侧，碟簧端板(14)设置在密封腔体(1a)左、右外侧；碟簧端板(14)中间开三通孔，分别套设在中间的连接杆(6)以及两根高强螺旋杆(2)上，套设在高强螺旋杆(2)上的通孔上有与高强螺旋杆(2)匹配的螺纹；
所述高强螺旋杆(2)通过连接垫块(3)固定于外缸体(1)内；
所述质量转轮(13)四周分布设置有叶片(12)；当连接杆(6)带动密封腔体(1a)运动时，连接杆(6)与外缸体(1)之间有相对运动，从而带动质量转轮(13)转动，质量转轮(13)转动时，叶片(12)搅动磁流变液；
所述外缸体(1)内部固定设置四块固定挡板(15)，所述固定挡板(15)与密封腔体(1a)之间有一定的空隙；当密封腔体(1a)在随着连接杆(6)往复运动时，密封腔体(1a)的运动不受外缸体内部固定挡板(15)的限制；
所述碟簧端板(14)竖向上开设有三个孔，碟簧端板(14)通过三个孔分别自由套设在两个高强螺旋杆(2)以及连接杆(6)上；
在垂直连接杆(6)轴线的方向上，所述碟簧端板(14)的宽度小于外缸体(1)内部的宽度，大于外缸体(1)内两块固定挡板(15)之间的间隙，用以保证固定挡板(15)和密封腔体(1a)推动碟簧端板(14)的在外缸体(1)内部水平滑动；
所述密封腔体(1a)上下两侧设置有弧形凹槽(18)，弧形凹槽(18)内设置有滚轴(17)，连接杆(6)运动时，密封腔体(1a)通过滚轴(17)随连接杆(6)运动。
2.根据权利要求1所述的一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器，其特征在于：所述密封腔体(1a)内设置有腔体永磁环(8)，磁流变液受到磁场影响黏度增大；当连接杆(6)运动时，腔体永磁环(8)与端部永磁环(7)之间的距离发生变化，从而引起磁流变液中的磁场强度发生变化，阻尼力大小变化。
3.根据权利要求1所述的一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器，其特征在于：所述连接杆(6)运动时，阻尼器不论是受压还是受拉，左侧碟簧(4)或右侧碟簧(5)均受压，提供复位功能。
4.根据权利要求1所述的一种自复位碟簧-质量转轮复合磁流变阻尼器，其特征在于：所述腔体永磁环(8)为永久磁铁。
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