CN113847382B - 一种具有变阻尼性能的摩擦摆式隔震装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有变阻尼性能的摩擦摆式隔震装置，属于减震与隔震技术领域。装置包括底板、顶板、凹面圆盘、滑动体、滑动体支座、抗拉机构和碟簧；底板和顶板的相对表面上分别固定凹面圆盘和滑动体支座，滑动体上弧面与滑动体支座的凹形弧面进行配合，滑动体下弧面与凹面圆盘形成接触配合；抗拉机构分为上下两部分，分别固定在底板和顶板上，抗拉机构的上下两部分通过装有碟簧的连接板连接在一起，碟簧分担部分竖向荷载；抗拉机构可将任意水平向的地震冲击波分解成两个正交方向的运动，同时适应底板和顶板之间的高度变化。运动过程中的高度变化使碟簧分担的竖向载荷发生改变从而导致隔震装置的整体摩擦系数变化，实现变阻尼功能。

Description

一种具有变阻尼性能的摩擦摆式隔震装置
技术领域
本发明属于减震与隔震技术领域，具体涉及一种具有变阻尼性能的摩擦摆式隔震装置。
背景技术
我国是一个多地震国家，强烈地震对馆藏文物的破坏极为严重。而隔震装置能够对文物的防震安全起到积极作用。其中摩擦摆式隔震装置就是一种有效的水平隔震装置。该类装置是利用钟摆原理，具有隔震周期不受重力荷载影响的优点；在往复运动中，通过接触面的摩擦消耗能量。它的结构简单，承载力大，产品质量易于控制，应用广泛。
但是，该类隔震装置用于浮放文物保护却有两个问题：其一是摩擦系数偏大，启动不够灵敏。一般而言，聚四氟乙烯与不锈钢滑动面之间的滑动摩擦系数在0.05-0.25之间，但通常装置整体滑动摩擦系数约为0.1左右。若用于浮放文物的隔震，该滑动摩擦系数显然不甚理想，且初始静摩擦系数比动摩擦系数要大。为此，一些方案采用了变摩擦系数的滑动面来降低初始启动力，但加工难度大且不能根本解决该问题。其二是隔震装置的整体性差。由于滑动块的运动轨迹是曲面，滑动块与圆盘之间必然是分离的。因此需要采取额外措施保证上下板能够承受一定的竖向拉力，形成一个整体。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有变阻尼性能的摩擦摆式隔震装置，通过中部的抗拉机构增强了隔震装置的整体性，并且利用抗拉机构中间设置的碟簧，使得隔震装置的整体摩擦系数发生变化，实现隔震装置的变阻尼功能。
一种具有变阻尼性能的摩擦摆式隔震装置，装置包括底板、顶板、凹面圆盘、滑动体、滑动体支座、抗拉机构和碟簧；所述底板和顶板的相对表面上分别固定凹面圆盘和滑动体支座，滑动体上弧面与滑动体支座的凹形弧面进行配合，滑动体下弧面与凹面圆盘形成接触配合；所述抗拉机构分为上下两部分，分别固定在底板和顶板上，抗拉机构的上下两部分通过装有碟簧的连接板连接在一起，碟簧分担部分竖向荷载；抗拉机构可将任意水平向的地震冲击波分解成两个正交方向的运动，同时适应底板和顶板之间的高度变化。运动过程中的高度变化使碟簧分担的竖向载荷发生改变从而导致隔震装置的整体摩擦系数变化，实现变阻尼功能。
进一步地，所述抗拉机构包括结构完全相同的上抗拉组件和下抗拉组件，上抗拉组件和下抗拉组件通过十字正交的方式连接在一起，上抗拉组件和下抗拉组件之间具有沿竖直方向移动的自由度以适应滑块在凹面圆盘运动过程中产生的高度变化，上抗拉组件和下抗拉组件各自具有沿水平方向运动的自由度。
进一步地，所述上抗拉组件和下抗拉组件均包括安装板、滑轨、滑块、U型连接板和卡块；
两条所述滑轨平行固定在安装板上，所述滑块与滑轨进行配合；所述U型连接板通过其水平部分同时与两条滑轨配合的滑块固定连接，水平部分的内侧表面上设有安装槽可安装碟簧，U型连接板两侧竖直部分的内表面用于连接卡块；卡块的作用是当上抗拉组件和下抗拉组件通过U型连接板进行连接时，利用固定在U型连接板两侧竖直部分的内表面卡块来限制两个十字交叉布置的U型连接板互相脱离。
进一步地，所述滑块与滑轨两者之间采用嵌入式滚动配合。
进一步地，所述滑动体的两端均为球形面，滑动体支座具有一个球形的凹槽，滑动体的一端与滑动体支座的凹槽形成球面配合，凹槽上端有环形的安装槽，安装槽内装入卡簧来限制滑动体从滑动体支座中脱出。
有益效果：
1、本发明的主体结构仅包括固定有凹面圆盘的底板、固定有滑动体的顶板和中间的抗拉机构，结构简单，安装便捷。
2、本发明采用两端为球形面的滑动体和凹面圆盘配合来支撑上部物体，承载能力强，滑动体在凹面圆盘内运动过程中可产生竖向支撑力和水平回复力，因此能实现上部承载物的自动复位，无需添加复位弹簧。
3、本发明的抗拉机构具有抗拉能力，避免上、下两部分组件分离，从而增强隔震装置的整体性。此外，抗拉机构中的U型连接板构造使其具有抗扭功能，防止顶底板之间发生相对扭转。
4、本发明的抗拉机构中间加装碟簧，使其能够分担一定的竖向荷载。随着滑动体在圆盘内滑动，底板和顶板间距越来越大，碟簧分担的荷载会减小，隔震装置的整体摩擦系数会增大，阻尼会增大，从而实现了低启动力和变阻尼功能。同时，省去在常规隔震装置中常设的阻尼器，降低装置的生产成本。
附图说明
图1为本发明具有变阻尼性能的摩擦摆式隔震装置的整体结构示意图；
图2为凹面圆盘在底板上的安装关系示意图；
图3为滑动体在顶板上的安装关系示意图；
图4为抗拉机构的结构示意图；
图5为下抗拉组件的结构示意图(安装碟簧)；
图6为上抗拉组件的结构示意图；
图7为上或下抗拉组件的爆炸图；
图8为U型连接板的结构示意图；
图9为滑动体和滑动体支座的分离后的状态示意图；
图10为滑动体支座的轴测图；
图11为滑动体支座的剖面图；
图12为滑动体的轴测图。
其中，1-底板、2-顶板、3-凹面圆盘、4-滑动体、5-抗拉机构、6-滑动体支座、7-上抗拉组件、8-下抗拉组件、9-安装板、10-滑轨、11-滑块、12-U型连接板、13-碟簧、14-卡块。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种具有变阻尼性能的摩擦摆式隔震装置，如附图1所示，装置包括底板1、顶板2、凹面圆盘3、滑动体4、滑动体支座6、抗拉机构5及其内部的碟簧13。
如附图2和3所示，底板1和顶板2的相对表面上分别固定四个凹面圆盘3和四个滑动体支座6，其中，如附图2所示，滑动体4是通过滑动体支座6安装在顶板2上，两者分离后的结构关系如附图9所示。滑动体4的结构如附图12所示，滑动体4的两端均为球形面。如附图10和11所示，滑块支座6具有一个球形的凹槽，滑动体4的一端与滑块支座6的凹槽形成球面配合，凹槽上端有环形的安装槽，安装槽内装入卡簧来限制滑动体4从滑动体支座6中脱出，滑动体4另一端的圆弧面与凹面圆盘3形成接触配合。
如附图4所示，抗拉机构5分为上下两部分，即上抗拉组件7和下抗拉组件8，上抗拉组件7和下抗拉组件8互相连接在一起。
如附图5、6和7所示，上抗拉组件7和下抗拉组件8均包括安装板9、滑轨10、滑块11、U型连接板12和卡块14。
其中，安装板9为平面安装板，滑轨10采用直线导轨，滑块11与导轨的配合面上装有滚珠，使得滑块11与滑轨10之间为滚动摩擦，有效降低了摩擦系数。
如附图8所示，U型连接板12为U字形结构的平面连接板，U字形结构水平部分的内表面上加工有四个可安装碟簧13的安装槽，水平部分和两侧的竖直部分上均加工多个螺钉孔，水平部分上的螺孔用于将U型连接板12与滑块11进行固定，竖直部分上的螺钉孔用于连接卡块14。
两条滑轨10平行固定在安装板9上，滑块11与滑轨10进行配合；U型连接板12通过其水平部分同时固定连接在两条与滑轨10配合的滑块11上，水平部分的内侧表面上通过安装槽装有碟簧13，U型连接板12两侧竖直部分的内侧表面连接卡块14，卡块14的作用是当上抗拉组件7和下抗拉组件8通过U型连接板12进行连接时，利用固定在U型连接板12两侧竖直部分的内侧表面卡块14来限制两个十字交叉布置的U型连接板12互相脱离，卡块14与被限制的U型连接板12之间留有竖直方向上的移动间隙，且上抗拉组件7和下抗拉组件8之间由碟簧13进行支撑，上抗拉组件7和下抗拉组件8具有在竖直方向上运动的自由度。
工作原理：初始时，滑动体4位于凹面圆盘3最低处，碟簧13的压缩量最大，分担的荷载比例也最大，使得隔震装置整体摩擦系数最小。当地震作用力超过装置的静摩擦力时，地面的水平运动促使滑动体4在凹面圆盘3的弧面内滑动，顶板2及物体会随之轻微抬升，然后滑动体4又在重力作用下朝初始位置即弧面最低处移动，如此往复。随着振动能量的持续吸收，滑动体4最终静止于初始位置。与底板1和顶板2连接的抗拉机构5也会随之产生相对移动，并将任意水平向的地震冲击波分解成两个自身正交方向的运动，即上抗拉组件7和下抗拉组件8中的滑块11分别与对应的滑轨10发生相对滑动。在水平运动的同时，顶板1与底板2之间的高度也在发生变化，位于上抗拉组件7和下抗拉组件8之间的碟簧13所承受的竖向载荷也随之变化，导致装置中总的摩擦系数发生变化，由此实现了装置的变阻尼功能，装置的阻尼调节不再需要通过更换不同型号的阻尼器来实现。
其中，摩擦摆式隔震装置中的碟簧设计方案包括以下步骤：
第一步，根据隔震装置的设计方案，确定顶板2以及与之相连接的四个滑动体4和滑动体支座6的质量m0，上抗拉组件7的质量m1，并依据顶板2上部承受的物体质量m，从而得到碟簧13和滑动体4共同支撑的的总质量M＝m0+m1+m；
第二步，根据隔震装置需要的初始启动力，确定初始整体滑动摩擦系数μ初，由滑动体4与凹面圆盘3的摩擦系数μ1，滑块11与滑轨10的滚动摩擦系数μ2(μ2<μ1)，依据公式μ初＝(1-x0)μ1+x0μ2，从而求得碟簧13初始时分担的总质量比例x0；
第三步，同理，当滑动体4移动到最大位移处，根据设定的最大摩擦力确定装置的整体摩擦系数μ末，依据公式μ末＝(1-x1)μ1+x1μ2，得到碟簧13此时分担的总质量比例x1；
第四步，当滑动体4从初始位置移动到最终位置时，确定碟簧13的形变高度Δh，即凹面圆盘3的曲面最大高度差，然后根据公式KΔh＝M(x0-x1)，从而得到碟簧13的总刚度K；
第五步，依据求得的碟簧13总刚度K，根据布设的数量可以确定单个碟簧刚度k，从而选取合适的碟簧型号即可。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有变阻尼性能的摩擦摆式隔震装置，装置包括底板、顶板、凹面圆盘、滑动体和滑动体支座；所述底板和顶板的相对表面上分别固定凹面圆盘和滑动体支座，滑动体上弧面与滑动体支座的凹形弧面进行配合，滑动体下弧面与凹面圆盘形成接触配合；其特征在于，所述装置还包括抗拉机构和碟簧，所述抗拉机构分为上下两部分，分别固定在底板和顶板上，抗拉机构的上下两部分通过装有碟簧的U型连接板连接在一起，碟簧分担部分竖向荷载；抗拉机构将任意水平向的地震冲击波分解成两个正交方向的运动，同时适应底板和顶板之间的高度变化；运动过程中的高度变化使碟簧分担的竖向载荷发生改变从而导致隔震装置的整体摩擦系数变化，实现变阻尼功能；
所述抗拉机构包括结构完全相同的上抗拉组件和下抗拉组件，上抗拉组件和下抗拉组件通过十字正交的方式连接在一起，上抗拉组件和下抗拉组件之间具有沿竖直方向移动的自由度以适应滑块在凹面圆盘运动过程中产生的高度变化，上抗拉组件和下抗拉组件各自具有沿水平方向运动的自由度；
所述上抗拉组件和下抗拉组件均包括安装板、滑轨、滑块、U型连接板和卡块；
两条所述滑轨平行固定在安装板上，所述滑块与滑轨进行配合；所述U型连接板通过其水平部分同时和与两条滑轨配合的滑块固定连接，水平部分的内侧表面上设有安装槽可安装碟簧，U型连接板两侧竖直部分的内表面用于连接卡块；卡块的作用是当上抗拉组件和下抗拉组件通过U型连接板进行连接时，利用固定在U型连接板两侧竖直部分的内表面卡块来限制两个十字交叉布置的U型连接板互相脱离。
2.如权利要求1所述的具有变阻尼性能的摩擦摆式隔震装置，其特征在于，所述滑块与滑轨两者之间采用嵌入式滚动配合。
3.如权利要求2所述的具有变阻尼性能的摩擦摆式隔震装置，其特征在于，所述滑动体的两端均为球形面，滑动体支座具有一个球形的凹槽，滑动体的一端与滑动体支座的凹槽形成球面配合，凹槽上端有环形的安装槽，安装槽内装入卡簧来限制滑动体从滑动体支座中脱出。
4.如权利要求1-3任意一项所述的具有变阻尼性能的摩擦摆式隔震装置，其特征在于，所述摩擦摆式隔震装置中碟簧设计方法包括以下步骤：
第一步，根据隔震装置的设计方案，确定顶板以及与之相连接的四个滑动体和滑动体支座的质量m0，上抗拉组件的质量m1，并依据顶板上部承受的物体质量m，从而得到碟簧和滑动体共同支撑的总质量M＝m0+m1+m；
第二步，根据隔震装置需要的初始启动力，确定初始整体滑动摩擦系数μ初，由滑动体与凹面圆盘的摩擦系数μ1，滑块与滑轨的滚动摩擦系数μ2，其中μ2<μ1，依据公式μ初＝(1-x0)μ1+x0μ2，从而求得碟簧初始时分担的总质量比例x0；
第三步，同理，当滑动体移动到最大位移处，根据设定的最大摩擦力确定装置的整体摩擦系数μ末，依据公式μ末＝(1-x1)μ1+x1μ2，得到碟簧此时分担的总质量比例x1；
第四步，当滑动体从初始位置移动到最终位置时，确定碟簧的形变高度Δh，即凹面圆盘的曲面最大高度差，然后根据公式KΔh＝M(x0-x1)，从而得到碟簧的总刚度K；
第五步，依据求得的碟簧总刚度K，根据布设的数量可以确定单个碟簧刚度k，从而选取合适的碟簧型号即可。
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