CN114086806B - 一种二维偏心旋转非线性能量阱装置及吸振、耗能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维偏心旋转非线性能量阱装置及吸振、耗能方法，包括有与外部主结构相连的底座；安装在底座上的转动盘，转动盘上设置弹簧卡；摩擦导轨通过卡扣连接在转动盘上；支座导轨通过卡扣与摩擦导轨垂直连接；支座通过卡扣连接在支座导轨上；振子设置在摩擦导轨上滑动；拉压弹簧与支座、振子铰连接，对称布置在振子两侧。本发明可以根据主结构的平面振动的方向，转动非线性能量阱结构，在二维平面任意方向实现振动能量的吸收与耗散。

Description

一种二维偏心旋转非线性能量阱装置及吸振、耗能方法

技术领域

本发明涉及一种减振耗能装置，尤其涉及一种二维偏心旋转非线性能量阱装置及吸振、耗能方法。

背景技术

非线性能量阱是一种被动控制技术，并可以实现靶向能量传递。非线性能量阱装置主要通过弹簧、磁体、屈曲梁、转动、线性刚度叠加等获得的非线性恢复力，可以将主结构的振动能量通过非线性刚度快速传递到振子上，振子再通过阻尼将能量耗散，振动能量不返回主结构，从而实现对主结构的减振。它具有构造简单、吸振频带宽、可靠性高、不需要额外能源等优点，在结构的减振、能量吸收方面具有良好的应用前景。

现有的非线性能量阱装置中，它们的振子多数在方向单一的导轨上进行往复运动，因而只能在固定的方向上产生吸振、耗能的作用。然而在受到风振、地震等作用，主结构所受到的振动可能来自四面八方，单方向的非线性能量阱很难实现平面上对各个方向的吸振。

本发明是一种最具前景的结构吸振、减振耗能装置，能够在二维平面内随机的方向进行吸振及耗能，将在土木工程领域减振方面具有广泛应用的前景。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种二维偏心旋转非线性能量阱装置及方法，在主结构在受到振动时，非线性能量阱可以自动转动，并在振动方向上进行吸振和耗能。这种非线性能量阱装置可以应用在土木工程结构领域的二维吸振与减振中。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种二维偏心旋转非线性能量阱装置，包括安装于振动主结构上的底座，底座上设有转动盘，转动盘上部设有用于减缓转动盘转动的弹簧卡，转动盘上部还设有摩擦导轨，摩擦导轨上安装有与其垂直的支座导轨，支座导轨上靠两端位置各设有一个支座，摩擦导轨上具有沿摩擦导轨移动的振子，振子分别与一个支座之间设有拉压弹簧。

作为更进一步的优选方案，转动盘包括与底座固定相连的齿圈，齿圈内圈一周为齿牙，齿圈外圈一周为滑轮轨道，滑轮轨道上平均分布多个滑轮组；齿圈内设有同心的太阳轮，太阳轮与齿圈之间设有两个行星轮，行星轮分别与太阳轮和齿圈啮合；齿圈上部设有顶盘，多个滑轮组通过螺栓连接于顶盘，共同支撑顶盘；太阳轮和行星轮中心分别设有轴，顶盘上设有与各个轴对应的轴承，轴部分处于轴承捏，太阳轮的轴上安装有多边形轮，多边形轮与弹簧卡接触。

作为更进一步的优选方案，弹簧卡包括外壳、卡头、弹簧，外壳位于顶盘上，弹簧位于外壳内，卡头上具有限位于外壳内的伸缩轴，伸缩轴与弹簧一端接触，卡头受到弹簧的推力与多边形轮接触。

作为更进一步的优选方案，弹簧卡的数量为至少两个，两个弹簧卡处于同一直线，且与摩擦导轨平行。

作为更进一步的优选方案，摩擦导轨具有两根，弹簧卡的两侧各安装一个摩擦导轨；摩擦导轨包括导轨和摩擦皮，摩擦皮与振子接触，两根摩擦导轨的端部安装有用于限位振子的连接扣。

作为更进一步的优选方案，拉压弹簧包括弹簧、外套管、内套管，外套管铰接于振子，内套管铰接于支座，外套管与内套管相对伸缩活动，外套管和内套管的铰接点具有挡板，弹簧限位于外套管的挡板和内套管的挡板之间。

作为更进一步的优选方案，振子包括与摩擦导轨滑动摩擦的滑台，滑台上具有连接板，连接板上设置调节螺栓，调节螺栓对摩擦皮施加一定的压力，连接板上设有质量块。

作为更进一步的优选方案，摩擦导轨与顶盘之间通过若干卡扣固定；所述支座通过一个卡扣与支座导轨固定，支座可在支座导轨上调节固定位置；所述摩擦导轨和支座导轨之间通过卡扣固定，支座导轨可在摩擦导轨上调节固定位置。

一种二维偏心旋转非线性能量阱装置的吸振、耗能方法，包括以下步骤：

步骤一：调节摩擦导轨、支座导轨的位置：调节摩擦导轨相对于转动盘的位置，调节支座导轨相对于摩擦导轨的位置，并锁紧卡扣上的螺栓，使转动盘在整个装置的偏心位置；

步骤二：调节支座的位置：调节支座在支座导轨上的位置，使拉压弹簧在自由伸长时平行或倾斜于支座导轨，形成单稳态或双稳态非线性能量阱结构，并锁紧卡扣上的螺栓；

步骤三：调节振子质量和摩擦力：结合主结构质量参数，选择一定量的质量块螺栓连接在连接板上，并调节摩擦螺栓，对摩擦皮施加一定的压力；

步骤四：主结构在平面内发生振动时，振子、摩擦导轨、支座导轨、支座、拉压弹簧相对于转动盘产生一定的力矩并在一定振幅内使得旋转，多边形轮和弹簧卡在装置发生转动后，减小旋转晃动；齿圈、行星轮和太阳轮的设置，使主结构振动能量有效的进行能量传递，振子逐渐在主结构振动方向发生沿摩擦导轨的往复运动，并最终通过摩擦把振子的振动能量消耗。

与现有的减振耗能装置相比，本发明具有以下优势：

1)通过在主结构上安装该非线性能量阱装置，可以根据主结构的平面振动的方向，转动非线性能量阱平台，在二维平面任意方向实现振动能量的吸收与耗散。

2)该装置非线性能量阱结构的质量中心偏离转动盘的中心，主结构振动会产生扭转力矩，使得非线性能量阱结构转向振动方向。

3)该装置行星轮组的设置，可以使主结构振动能量有效的进行能量传递，同时非线性能量阱结构在转动后，设置多边形轮和弹簧卡减小旋转晃动。

4)该非线性能量阱装置通过卡扣的锁紧螺栓调整摩擦导轨、支座导轨、支座的位置，实现不同的偏心力和弹簧拉压情况，调整质量块的个数实现振子质量大小的调节，使得该装置可以有包含主结构自振频率内的吸振带以及更优越的鲁棒性能。

5)该非线性能量阱装置除设置摩擦皮提供阻尼耗能外，还可以在振子的运动方向设置阻尼器实现不同程度的能量耗散。

附图说明

图1为本发明一种二维偏心旋转非线性能量阱装置示意图；

图2为本发明底座、转动盘装置示意图；

图3为本发明摩擦导轨、支座导轨、支座、振子装置示意图；

图4为本发明弹簧装置示意图；

图5为本发明一种二维双稳态偏心旋转非线性能量阱装置示意图；

图6为本发明一种二维单稳态偏心旋转非线性能量阱装置示意图；

图7为本发明的弹簧卡内部结构示意图；

图中：底座1、转动盘2、弹簧卡3、摩擦导轨4、支座导轨5、支座6、拉压弹簧7、振子8、卡扣9、连接扣10；齿圈21、滑轮组22、行星轮23、太阳轮24、多边形轮25、顶盘26；导轨41、摩擦皮42；弹簧71、外套管72、内套管73；滑台81、连接板82、调节螺栓83、质量块84。

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。

本发明的一种二维偏心旋转非线性能量阱装置及方法，其非线性能量阱装置下设转动盘，主结构在受到振动时，非线性能量阱可以自动转动，并在振动方向上进行吸振和耗能。非线性能量阱装置采用拉压弹簧提供恢复力，同时设置了调节拉压弹簧位置的导轨和支座；设置了减少非线性能量阱在转动盘上晃动的弹簧卡和多边形轮；设置了可以调节质量的振子和调节滑动摩擦耗能的摩擦导轨。这种非线性能量阱装置可以应用在土木工程结构领域的二维吸振与减振中。

本发明的一种二维偏心旋转非线性能量阱装置，该装置包括有：与外部主结构相连的底座1；安装在底座1上的转动盘2，转动盘2上设置弹簧卡3；在Y方向，摩擦导轨4通过卡扣9连接在转动盘2上，摩擦导轨4的两端设置连接扣10；在X方向，支座导轨5通过卡扣9与摩擦导轨4连接；支座6通过卡扣9连接在支座导轨5上；振子8设置在摩擦导轨4上，沿Y正负方向滑动；拉压弹簧7与支座6、振子8铰连接，对称布置在振子8两侧。

转动盘2包括有：与底座1相连的齿圈21，齿圈21外设置滑轮轨道，滑轮组22布置在轨道上，齿圈21内部布置行星轮23和太阳轮24，太阳轮24与行星轮23啮合，行星轮23又与齿圈21啮合；滑轮组22通过螺栓连接在顶盘26上，行星轮23通过轴和轴承连接在顶盘26上，太阳轮24通过轴和轴承结构穿过顶盘26，并与多边形轮25同轴转动。

弹簧卡3，通过螺栓固定在顶盘26上，对多边形轮25施加一定的弹簧力，弹簧力的大小可以通过压力螺栓34调整，弹簧卡3包括外壳31、卡头32、压缩弹簧33，外壳31位于顶盘26上，压缩弹簧33位于外壳31内，卡头32上具有限位于外壳31内的伸缩轴，伸缩轴与压缩弹簧33一端接触，卡头32受到压缩弹簧33的推力与多边形轮25接触，压力螺栓34调节压缩弹簧33压缩程度。

摩擦导轨4由导轨41和摩擦皮42组成，导轨通过卡扣9连接在转动盘2的顶盘26上，卡扣9上设置有锁紧螺栓固定，摩擦皮42粘贴在导轨41槽内侧，两根摩擦导轨4沿Y方向平行布置。

支座导轨5通过卡扣9与摩擦导轨4垂直连接，卡扣9上设置有锁紧螺栓固定。

支座6通过卡扣9与支座导轨5连接，卡扣9上设置有锁紧螺栓固定。

振子8包括有：与摩擦导轨4滑动摩擦的滑台81；与滑台81螺栓连接的连接板82，连接板82上设置调节螺栓83，对摩擦皮42施加一定的压力；与连接板82螺栓连接的若干质量块84。

拉压弹簧7可以伸长或缩短，提供拉力或压力，拉压弹簧7的两端分别与滑台81和支座6铰连接。

连接扣10设置在摩擦导轨4的两端，设置有锁紧螺栓固定，保持两个摩擦导轨4平行，同时对振子8进行限位，防止振子8滑出。

通过卡扣9的锁紧螺栓调整摩擦导轨4、支座导轨5的位置，实现不同的偏心距，使得非线性能量阱装置的质量中心偏离转动盘2的中心，在主结构振动时，会产生扭转力矩，使得非线性能量阱结构转向振动方向；通过卡扣9的锁紧螺栓调整支座6的位置，实现不同的弹簧71拉压情况，调整质量块84的个数实现振子8质量的大小，调整调节螺栓83对摩擦皮42的压力实现振子8所受摩擦力的大小，使得该装置可以有包含主结构自振频率内的吸振带以及更优越的鲁棒性能。

具体的说，主结构的振动力传递至底座1后，在振子8受到力的影响，带动转动盘2、摩擦导轨4、支座导轨5转动，转动盘2的转动过程中，压缩弹簧33不断接触多边形轮的各个边，转动力得到衰减，当转动力不足压缩压缩弹簧33使卡头32重新接触多边形轮新的一边时，转动盘2停止转动，即非线性能量阱装置转向了主结构振动的方向，振子8在摩擦导轨4上的移动方向与主结构的振动方向平行，受主结构振动的影响，振子8在摩擦导轨4上往复移动，与主结构产生共振，同时受到拉压弹簧7提供的非线性恢复力，使得主结构的振动能量靶向传输给振子8，振子8的移动受到摩擦皮42影响，又将振动能通过摩擦耗散。

下面结合附图，通过实施例进一步讲述本发明的形成方法：

实施例一：

如图1~5所示，本实施例为一种二维双稳态偏心旋转非线性能量阱装置示意图，该装置底座1与外部主结构螺栓连接；安装在底座1上的转动盘2，转动盘2上设置弹簧卡3，卡头32在压缩弹簧33的弹簧力作用下，对多边形轮施加一定压力；在Y方向，摩擦导轨4通过卡扣9连接在转动盘2上，摩擦导轨4的两端设置连接扣10；在X方向，支座导轨5通过卡扣9与摩擦导轨4连接；支座6通过卡扣9连接在支座导轨5上，支座导轨5两端的支座6对称布置，在拉压弹簧7倾斜时，保持自由伸长状态；振子8设置在摩擦导轨4上，沿Y正负方向滑动；拉压弹簧7与支座6、振子8铰连接，对称布置在振子8两侧。如图5所示，振子8处于稳态位置A或者B，即振子8在A、B处受力平衡。振子8不在转动盘2的中心位置，即振子8相对于转动盘2的中心有一定的偏心距，支座导轨5偏离转动盘2的中心，卡扣9与连接扣10上的锁紧螺栓锁紧。结合主结构质量参数，选择若干质量块84螺栓拧设在连接板82上，主结构在平面内发生振动时，振子8、摩擦导轨4、支座导轨5、支座6、拉压弹簧7相对于转动盘2产生一定的力矩并在一定振幅内旋转，多边形轮25和弹簧卡3在装置发生转动后，减小旋转晃动，齿圈21、行星轮23和太阳轮24的设置，可以使主结构振动能量有效的进行能量传递。振子8逐渐在主结构振动方向发生沿摩擦导轨4的往复运动，并最终通过摩擦把振子8的振动能量消耗。

实施例二：

如图1~4、6所示，本实施例为一种二维单稳态偏心旋转非线性能量阱装置示意图，该装置底座1与外部主结构螺栓连接；安装在底座1上的转动盘2，转动盘2上设置弹簧卡3，弹簧卡3对多边形轮施加一定压力；在Y方向，摩擦导轨4通过卡扣9连接在转动盘2上，摩擦导轨4的两端设置连接扣10；在X方向，支座导轨5通过卡扣9与摩擦导轨4连接；支座6通过卡扣9连接在支座导轨5上，支座导轨5两端的支座6对称布置，在拉压弹簧7与支座导轨5平行时，保持自由伸长状态；振子8设置在摩擦导轨4上，沿Y正负方向滑动；拉压弹簧7与支座6、振子8铰连接，对称布置在振子8两侧。如图6所示，振子8处于稳态位置，即振子8受力平衡。振子8不在转动盘2的中心位置，即振子8相对于转动盘2的中心有一定的偏心距，支座导轨5偏离转动盘2的中心，卡扣9与连接扣10上的锁紧螺栓锁紧。结合主结构质量参数，选择若干质量块84螺栓拧设在连接板82上，主结构在平面内发生振动时，振子8、摩擦导轨4、支座导轨5、支座6、拉压弹簧7相对于转动盘2产生一定的力矩并在一定振幅内旋转，多边形轮25和弹簧卡3在装置发生转动后，减小旋转晃动，齿圈21、行星轮23和太阳轮24的设置，可以使主结构振动能量有效的进行能量传递。振子8逐渐在主结构振动方向发生沿摩擦导轨4的往复运动，并最终通过摩擦把振子8的振动能量消耗。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种二维偏心旋转非线性能量阱装置，其特征在于：包括安装于振动主结构上的底座(1)，底座(1)上设有转动盘(2)，转动盘(2)上部设有用于减缓转动盘(2)转动的弹簧卡(3)，转动盘(2)上部还设有摩擦导轨(4)，摩擦导轨(4)上安装有与其垂直的支座导轨(5)，支座导轨(5)上靠两端位置各设有一个支座(6)，摩擦导轨(4)上具有沿摩擦导轨(4)移动的振子(8)，振子(8)分别与一个支座(6)之间设有拉压弹簧(7)；振子(8)不在转动盘(2)的中心位置，即振子(8)相对于转动盘(2)的中心有一定的偏心距。

2.根据权利要求1所述的一种二维偏心旋转非线性能量阱装置，其特征在于：所述转动盘(2)包括与底座(1)固定相连的齿圈(21)，齿圈(21)内圈一周为齿牙，齿圈(21)外圈一周为滑轮轨道，滑轮轨道上平均分布多个滑轮组(22)；齿圈(21)内设有同心的太阳轮(24)，太阳轮(24)与齿圈(21)之间设有两个行星轮(23)，行星轮(23)分别与太阳轮(24)和齿圈(21)啮合；齿圈(21)上部设有顶盘(26)，多个滑轮组(22)通过螺栓连接于顶盘(26)，共同支撑顶盘(26)；太阳轮(24)和行星轮(23)中心分别设有轴，顶盘(26)上设有与各个轴对应的轴承，轴部分处于轴承里，太阳轮(24)的轴上安装有多边形轮(25)，多边形轮(25)与弹簧卡(3)接触。

3.根据权利要求2所述的一种二维偏心旋转非线性能量阱装置，其特征在于：所述弹簧卡(3)包括外壳(31)、卡头(32)、压缩弹簧(33)，外壳(31)位于顶盘(26)上，压缩弹簧(33)位于外壳(31)内，卡头(32)上具有限位于外壳(31)内的伸缩轴，伸缩轴与压缩弹簧(33)一端接触，卡头(32)受到压缩弹簧(33)的推力与多边形轮(25)接触。

4.根据权利要求3所述的一种二维偏心旋转非线性能量阱装置，其特征在于：所述弹簧卡(3)的数量为至少两个，两个弹簧卡(3)处于同一直线，且与摩擦导轨(4)平行。

5.根据权利要求4所述的一种二维偏心旋转非线性能量阱装置，其特征在于：所述摩擦导轨(4)具有两根，弹簧卡(3)的两侧各安装一个摩擦导轨(4)；摩擦导轨(4)包括导轨(41)和摩擦皮(42)，摩擦皮(42)与振子(8)接触，两根摩擦导轨(4)的端部安装有用于限位振子(8)的连接扣(10)。

6.根据权利要求5所述的一种二维偏心旋转非线性能量阱装置，其特征在于：所述拉压弹簧(7)包括弹簧(71)、外套管(72)、内套管(73)，外套管(72)铰接于振子(8)，内套管(73)铰接于支座(6)，外套管(72)与内套管(73)相对伸缩活动，外套管(72)和内套管(73)的铰接点具有挡板，弹簧(71)限位于外套管(72)的挡板和内套管(73)的挡板之间。

7.根据权利要求6所述的一种二维偏心旋转非线性能量阱装置，其特征在于：所述振子(8)包括与摩擦导轨(4)滑动摩擦的滑台(81)，滑台(81)上具有连接板(82)，连接板(82)上设置调节螺栓(83)，调节螺栓(83)对摩擦皮(42)施加一定的压力，连接板(82)上设有质量块(84)。

8.根据权利要求7所述的一种二维偏心旋转非线性能量阱装置，其特征在于：摩擦导轨(4)与顶盘(26)之间通过若干卡扣(9)固定；所述支座(6)通过一个卡扣(9)与支座导轨(5)固定，支座(6)可在支座导轨(5)上调节固定位置；所述摩擦导轨(4)和支座导轨(5)之间通过卡扣(9)固定，支座导轨(5)可在摩擦导轨(4)上调节固定位置。

9.根据权利要求8所述的一种二维偏心旋转非线性能量阱装置的吸振、耗能方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：调节摩擦导轨(4)、支座导轨(5)的位置：调节摩擦导轨(4)相对于转动盘(2)的位置，调节支座导轨(5)相对于摩擦导轨(4)的位置，并锁紧卡扣(9)上的螺栓，使转动盘(2)在整个装置的偏心位置；

步骤二：调节支座(6)的位置：调节支座(6)在支座导轨(5)上的位置，使拉压弹簧(7)在自由伸长时平行或倾斜于支座导轨(5)，形成单稳态或双稳态非线性能量阱结构，并锁紧卡扣(9)上的螺栓；

步骤三：调节振子(8)质量和摩擦力：结合主结构质量参数，选择一定量的质量块螺栓连接在连接板上，并调节调节螺栓(83)，对摩擦皮(42)施加一定的压力；

步骤四：主结构在平面内发生振动时，振子(8)、摩擦导轨(4)、支座导轨(5)、支座(6)、拉压弹簧(7)相对于转动盘(2)产生一定的力矩并在一定振幅内使得旋转，多边形轮(25)和弹簧卡(3)在装置发生转动后，减小旋转晃动；齿圈(21)、行星轮(23)和太阳轮(24)的设置，使主结构振动能量有效的进行能量传递，振子(8)逐渐在主结构振动方向发生沿摩擦导轨(4)的往复运动，并最终通过摩擦把振子(8)的振动能量消耗。

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