CN113756462A - 一种多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器，金属外壳一与螺母焊接在一起，滚珠丝杠一端通过螺母插入金属外壳一内，另一端通过轴承插入金属外壳二内，并与齿轮组件焊接在一起。金属外壳二内，齿轮组件相互啮合，传动杆件一端与齿轮组件焊接或螺栓连接，另一端通过轴承插入金属外壳三内。当金属外壳一与金属外壳二或金属外壳三发生相对位移时，齿轮组件带动传动杆件与飞轮、颗粒转动，并造成颗粒与飞轮和弹性阻尼层的摩擦与碰撞。本发明具有结构简单、安装方便以及原材料实惠易得等优点，兼具多重惯容吸能、摩擦碰撞耗能、多频调谐、以小带大、方向可变等特点，可有效减小风荷载、地震以及车辆冲击等作用下结构之间的振动。
Description
技术领域
本发明涉及一种多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器，属于工程振动控制领域。
背景技术
超高层结构、大跨空间结构、大跨度桥梁等复杂工程结构的建造逐渐成为解决城市拥堵、满足人们多功能需求的重要措施。但伴随而来的是上述复杂工程结构在建造、运营及维护过程中偶然荷载作用下的安全性、舒适性问题日益突出。例如在地震作用下，桥梁结构的墩梁或台梁之间会产生显著的相对位移，进而可能会导致主梁与桥台、主梁相邻梁体之间发生碰撞，引发落梁等严重后果；而强风作用下，超高层结构、大跨度空间结构、大跨度桥梁的风致动力响应也十分剧烈，如何能够保证强风作用下复杂工程结构的安全性和舒适性问题已成为国内外重要的研究课题；再比如，桥梁伸缩缝装置在汽车或列车冲击作用下易出现多种病害，这些病害的累积会导致桥梁主要承重构件受到的车辆冲击作用加剧，进而产生结构部件损坏，严重的还会导致结构倒塌。强震、强风或重载车辆冲击等耦合荷载作用下复杂工程结构的安全性会显著的降低，而如何提高复杂工程结构在偶然荷载作用下的安全性和舒适性具有重要的实际意义。
耗能减震技术(阻尼装置)应用是提升复杂工程结构安全性和舒适性的重要措施。在目前土木工程常用的阻尼装置中，黏滞阻尼器应用范围最广，但其密封性较差且成本较高；黏弹性阻尼器构造简单、安装方便，但是其性能受温度影响较明显；摩擦阻尼器与金属阻尼器性能稳定，价格低廉，形式多样，具有良好的滞回性能，但是其在各种动力作用下会发生材性退化或疲劳效应；而调谐质量阻尼器减振频带相对较窄，因此新型耗能减震装置的研发与应用一直是国内外学者研究的热点。颗粒阻尼(particle damping，PD)技术发轫于航空、航天及机械振动控制领域，是一种安全、经济、有效的耗能减震技术。其具有附加质量小、调谐频带宽、自适应附加阻尼、鲁棒性和耐久性好、价格低廉、易于维护等优点。颗粒阻尼器不用密封，几乎不受温度的限制，也没有诸如材料退化与疲劳效应等问题；此外，地震动和风振频谱的丰富性和随机性增强了颗粒发生碰撞的概率，使得其在土木工程结构中具有较强的适用性。但是现有颗粒阻尼器也存在以下不足：(1)当颗粒发生堆积或填充率较低时，很难发挥有效的减振控制效果；(2)虽然适用频率较宽，但也只有在一定激励强度下颗粒启振后才能发挥其作用；(3)传统颗粒阻尼器必须附加较大的质量(附加质量比一般不小于2％)才能够达到较优的减震效果，而过大的附加质量可能造成结构设计阶段成本的增大；(4)颗粒阻尼器主要是对结构的水平振动进行控制，且其空腔容器体积较大，较难实现在工程结构狭窄空间内或者竖向振(震)动激励的传递与能量耗散。
鉴于此，进一步拓宽颗粒阻尼技术在复杂工程结构中的应用场景，提升颗粒阻尼技术的实用性，开发一种具有多重惯容器吸能、碰撞耗能，构造简单、装配灵活的颗粒阻尼装置具有重要的理论意义和实用价值。
发明内容
本发明旨在降低地震、强风或车致振(震)动作用下工程结构的损坏或倒塌可能，提供一种构造简单、安装方便的多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器，可用于楼层之间、桥梁主梁墩台之间等位置。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器，其特征在于：包括金属外壳一1、螺母2、滚珠丝杠3、轴承4、齿轮组件5、金属外壳二6、传动杆件7、飞轮8、颗粒9、金属外壳三10和弹性阻尼层11；金属外壳一1与螺母2焊接在一起，所述滚珠丝杠3一端通过螺母2插入金属外壳一1内，另一端通过轴承4插入金属外壳二6内，并与齿轮组件5焊接在一起。金属外壳二6内，齿轮组件5相互啮合，所述传动杆件7一端与齿轮组件5焊接或螺栓连接，另一端通过轴承4插入金属外壳三10内，并与飞轮8焊接或螺栓连接在一起。
所述的金属外壳一1与受控结构的一侧焊接或螺栓连接在一起，金属外壳二6或金属外壳三10与前述受控结构有相对位移的另一侧焊接或螺栓连接在一起。当金属外壳一1与金属外壳二6或金属外壳三10发生相对位移时，滚珠丝杠3可以在轴承4的限位下带动齿轮组件5转动，进而齿轮组件5可以带动传动杆件7与飞轮8、颗粒9转动，并造成颗粒9与飞轮8和弹性阻尼层11的摩擦与碰撞。一方面通过齿轮组件5可以将受控结构两侧的相对位移(动力)传递给飞轮8和颗粒9，以惯容吸收结构的动能；另一方面可以通过飞轮8、颗粒9和弹性阻尼层11的摩擦与碰撞，将吸收的动能耗散掉。从而具有多重惯容器吸能、碰撞耗能等特点。
所述的齿轮组件5由多个齿轮相互啮合以实现多重传动、“以小带大”的目的，齿轮为金属材料并分为大、小两种型号，小齿轮与滚珠丝杠3焊接；大齿轮与传动杆件7焊接。两者半径之比在1:5～1:3之间。本发明齿轮组件5有两种组合方式：第一种由3个小齿轮和1个大齿轮相互啮合，详细组合方式请参照图2、4；第二种由一个小齿轮和一个大齿轮相互啮合，详细组合方式请参照图6、8。
所述飞轮8内部可根据需要分为若干隔舱，放置一定数量的颗粒9，颗粒9可为金属球体、塑料球体、玻璃球体等，尺寸大小均匀一致，填充率在30％～95％之间，各隔舱内颗粒数量和填充率可不相同，能够实现多重调谐的作用。隔舱外壁贴合弹性阻尼层11，材料可为橡胶、铝合金等。
所述的多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器总的附加质量比可在0.05％～0.5％之间，也可以根据需要提高到1.0％～2.0％。滚珠丝杠3导程在3～25(mm)之间，惯容(质)系数能够达到30～1000倍。飞轮8和颗粒9占阻尼器总附加质量的15％～70％。
所述的轴承4可根据滚珠丝杠3、传动杆件7选择相同的型号或不同的型号，轴承4和传动杆件7的轴向强度均应满足滚珠丝杠3设计导程所需的轴向冲击力需求。
与现有技术相比，本发明内置隔舱式颗粒惯容阻尼器具有如下技术效益：
(1)本发明通过滚珠丝杠、齿轮传动的共同作用使飞轮和颗粒能够转动产生惯性力，吸收受控结构的能量，达到优异的惯容吸能能力；同时能够通过阻尼颗粒间，以及阻尼颗粒与弹性阻尼层间发生碰撞、摩擦，消耗结构传递给阻尼器的能量；
(2)本发明可通过齿轮传动系统参数以及滚珠丝杠导程参数的调节实现不同的惯容系数，进而以更小的附加质量比获得更大的惯容吸能作用，同时能够通过颗粒的旋转和运动实现多重惯容和多重耗能的效果；
(3)本发明可通过内置隔舱中颗粒填充率变化实现多重调频的功能，进而获得更优的鲁棒性，且能够将水平位移传递为转动位移，降低阻尼器使用空间的需求，具有结构简单、安装方便以及原材料实惠易得等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1的侧面示意图；
图2为本发明实施例1的齿轮组件示意图；
图3为本发明实施例1的A-A切面示意图；
图4为本发明实施例1的齿轮组合示意图；
图5为本发明实施例2的侧面示意图；
图6为本发明实施例2的齿轮组件示意图；
图7为本发明实施例2的A-A切面示意图；
图8为本发明实施例2的齿轮组合示意图；
图9为本发明隔舱面积不同的A-A切面示意图；
图10为本发明颗粒填充率不同的A-A切面示意图；
图中：1—金属外壳一；2—螺母；3—滚珠丝杠；4—轴承；5—齿轮组件；6—金属外壳二；7—传动杆件；8—飞轮；9—颗粒；10—金属外壳三；11—弹性阻尼层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，具体实施方式的内容不作为对本发明的保护范围限制。
实施例1
如图1、图2、图3、图4所示的一种齿轮传动-内置隔舱式颗粒惯容阻尼器，其主要用于桥梁邻梁或墩梁之间，针对结构受到地震或强风作用而起到减震的作用。包括金属外壳一(1)、螺母(2)、滚珠丝杠(3)、轴承(4)、齿轮组件(5)、金属外壳二(6)、传动杆件(7)、飞轮(8)、颗粒(9)、金属外壳三(10)和弹性阻尼层(11)。金属外壳一(1)的尺寸为180mm×100mm×100mm，厚度为10mm，金属外壳二(7)的尺寸为300mm×300mm×200mm，厚度为10mm，金属外壳三(10)的尺寸为300mm×300mm×190mm，厚度为10mm，滚珠丝杠(3)及传动杆件(7)直径为50mm，长度根据受控结构的最大位移量决定，飞轮(8)直径为250mm，厚度为150mm，其内隔舱根据减震需要规定不同的尺寸，颗粒(9)直径为9mm，根据减震要求的不同隔舱内颗粒(9)的填充率在30％～95％之间，为了实现多频调谐，每个隔舱内的颗粒(9)填充率均不相同，内置弹性阻尼层的厚度在10mm～30mm之间，整个阻尼器与受控结构在质量比为0.7％，飞轮(8)与填充颗粒(9)的质量比为15％。
本发明金属外壳一(1)和金属外壳二(6)分别连接在桥台、主梁或者梁梁之间，金属外壳一(1)与螺母(2)焊接在一起，所述滚珠丝杠(3)一端通过螺母(2)插入金属外壳一(1)内，另一端通过轴承(4)插入金属外壳二(6)内，并与齿轮组件(5)焊接在一起；金属外壳二(6)内，齿轮组件相互啮合，底部齿轮与传动杆件焊接在一起，插入金属外壳二内，传动杆件另一端通过轴承插入金属外壳三内，并与飞轮焊接在一起。当桥梁遭遇地震，墩台或墩梁之间发生相对运动时，该阻尼器焊接在金属外壳一(1)上的螺母(2)带动滚珠丝杠(3)转动，金属外壳二(6)内与滚珠丝杠(3)相连的齿轮组件(5)同时运作带动传动杆件(7)转动，金属外壳三(10)内焊接在传动杆件(7)上的飞轮(8)随之转动产生惯性力并吸收受控构件的能量，使横向上的振(震)动在竖向得到消减；当飞轮(8)转动时，隔舱内的颗粒(9)也随之转动，并在转动过程中与其他颗粒(9)或弹性阻尼层(11)发生碰撞、摩擦，消耗自身的能量，最终将结构传递给阻尼器的能量消耗，有效减小了地震作用下桥梁各构件之间的相互碰撞。
实施例2
如图5、图6、图7、图8所示的一种齿轮传动-内置隔舱式颗粒惯容阻尼器，该阻尼器主要用于桥梁伸缩缝装置内，针对伸缩缝所受到的车辆冲击起到减震(振)的作用。包括金属外壳一(1)、螺母(2)、滚珠丝杠(3)、轴承(4)、齿轮组件(5)、金属外壳二(6)、传动杆件(7)、飞轮(8)、颗粒(9)、金属外壳三(10)和弹性阻尼层(11)。金属外壳一(1)的尺寸为180mm×100mm×100mm，厚度为10mm，金属外壳二(7)的尺寸为300mm×300mm×190mm，厚度为10mm，金属外壳三(10)的尺寸为300mm×300mm×190mm，厚度为10mm，滚珠丝杠(3)及传动杆件(7)直径为50mm，长度根据受控结构的最大位移量决定，飞轮(8)直径为250mm，厚度为150mm，其内隔舱根据减震需要规定不同的尺寸，颗粒(9)直径为9mm，根据减震要求的不同隔舱内颗粒(9)的填充率在30％～95％之间，为了实现多频调谐，每个隔舱内的颗粒(9)填充率均不相同，内置弹性阻尼层的厚度在10mm～30mm之间，整个阻尼器与受控结构在质量比为2.0％，飞轮(8)与填充颗粒(9)的质量比为16％。
本发明金属外壳一(1)和金属外壳二(6)分别连接在伸缩缝中横梁与主梁底部，金属外壳一(1)与螺母(2)焊接在一起，所述滚珠丝杠(3)一端通过螺母(2)插入金属外壳一(1)内，另一端通过轴承(4)插入金属外壳二(6)内，并与齿轮组件(5)焊接在一起；金属外壳二(6)内，齿轮组件相互啮合，底部齿轮与传动杆件焊接在一起，插入金属外壳二内，传动杆件另一端通过轴承插入金属外壳三内，并与飞轮焊接在一起。当桥梁伸缩缝产生车致振(震)动，发生相对运动时，该阻尼器焊接在金属外壳一(1)上的螺母(2)带动滚珠丝杠(3)转动，金属外壳二(6)内与滚珠丝杠(3)相连的齿轮组件(5)同时运作带动传动杆件(7)转动，金属外壳三(10)内焊接在传动杆件(7)上的飞轮(8)随之转动产生惯性力并吸收受控构件的能量。当飞轮(8)转动时，隔舱内的颗粒(9)也随之转动，并在转动过程中与其他颗粒(9)或弹性阻尼层(11)发生碰撞、摩擦，消耗自身的能量，最终将结构传递给阻尼器的能量消耗，有效减小了车辆冲击作用下伸缩缝横梁与其他桥梁构件之间相互碰撞。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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在本发明保护的范围内。
Claims (6)
1.一种多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器，其特征在于：包括金属外壳一(1)、螺母(2)、滚珠丝杠(3)、轴承(4)、齿轮组件(5)、金属外壳二(6)、传动杆件(7)、飞轮(8)、颗粒(9)、金属外壳三(10)和弹性阻尼层(11)；金属外壳一(1)与螺母(2)焊接在一起，所述滚珠丝杠(3)一端通过螺母(2)插入金属外壳一(1)内，另一端通过轴承(4)插入金属外壳二(6)内，并与齿轮组件(5)焊接在一起；金属外壳二(6)内，齿轮组件(5)相互啮合，所述传动杆件(7)一端与齿轮组件(5)焊接或螺栓连接，另一端通过轴承(4)插入金属外壳三(10)内，并与飞轮(8)焊接在一起；所述飞轮(8)内部根据需要分为若干隔舱；隔舱外壁贴合弹性阻尼层(11)。
2.根据权利要求书1所述的多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器，其特征在于：所述的金属外壳一(1)与受控结构的一侧焊接或螺栓连接在一起，金属外壳二(6)或金属外壳三(10)与前述受控结构有相对位移的另一侧焊接或螺栓连接在一起；当金属外壳一(1)与金属外壳二(6)或金属外壳三(10)发生相对位移时，滚珠丝杠(3)在轴承(4)的限位下带动齿轮组件(5)转动，进而齿轮组件(5)带动传动杆件(7)与飞轮(8)、颗粒(9)转动，并造成颗粒(9)与飞轮(8)和弹性阻尼层(11)的摩擦与碰撞；一方面通过齿轮组件(5)将受控结构两侧的相对位移传递给飞轮(8)和颗粒(9)，以惯容吸收结构的动能；另一方面通过飞轮(8)、颗粒(9)和弹性阻尼层(11)的摩擦与碰撞。
3.根据权利要求书1所述的多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器，其特征在于：所述的齿轮组件(5)由多个齿轮相互啮合，齿轮为金属材料并分为大、小两种型号，小齿轮与滚珠丝杠(3)焊接；大齿轮与传动杆件(7)焊接；两者半径之比在1:5～1:3之间；齿轮组件(5)有两种组合方式：第一种由3个小齿轮和1个大齿轮相互啮合；第二种由一个小齿轮和一个大齿轮相互啮合。
4.根据权利要求书1所述的多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器，其特征在于：隔舱中放置一定数量的颗粒(9)，颗粒(9)为金属球体、塑料球体或玻璃球体；弹性阻尼层(11)的材料为橡胶或铝合金。
5.根据权利要求书1所述的多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器，其特征在于：所述的多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器总的附加质量比在0.05％～0.5％之间，根据需要提高到1.0％～2.0％；滚珠丝杠(3)导程在3～25mm之间，惯容系数能够达到30～1000倍；飞轮(8)和颗粒(9)占阻尼器总附加质量的15％～70％。
6.根据权利要求书1所述多重齿轮传动颗粒惯容阻尼器，其特征在于：所述的轴承(4)根据滚珠丝杠(3)、传动杆件(7)选择相同的型号或不同的型号；轴承(4)和传动杆件(7)的轴向强度均满足滚珠丝杠(3)设计导程所需的轴向冲击力需求。
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| CN (1) | CN113756462A (zh) |
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2021
- 2021-08-20 CN CN202110958620.6A patent/CN113756462A/zh active Pending
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