CN114351886A - 一种惯容系数自适应调节惯容器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯容系数自适应调节惯容器，包括螺杆、支撑块、内筒柱，以及一个或多个外筒柱；内筒柱套设于支撑块外侧，并与支撑块之间填充有滚珠，外筒柱套设于内筒柱的外侧，且至少一个方向的侧面通过滚珠支撑于支撑块上；螺杆穿过内筒柱和支撑座，并与内筒柱啮合，内筒柱和外筒柱之间设有摩擦片。与现有技术相比，本发明内筒柱和外筒柱之间通过摩擦片支撑，从而利用静摩擦和滑动摩擦机理，实现惯容系数的自适应调节。

Description

一种惯容系数自适应调节惯容器

技术领域

本发明涉及振动控制技术领域，尤其是涉及一种惯容系数自适应调节惯容器。

背景技术

惯容器是一种利用惯性力的装置。惯容器产生的抵抗力的符号与其两端的相对加速度符号相反，抵抗力大小与两端相对加速度的大小成正比，该比例系数即为惯容系数。利用平动-转动转换、齿轮等装置的放大效果，惯容器的惯容系数能达到制作惯容器运动组件质量的成百上千倍。惯性力与回复力的方向相反，具有“负刚度”的效果，可以削弱结构安装惯容器位置的局部刚度，因而与阻尼器结合能够增大阻尼器的行程显著提升耗能效果。进一步，惯容器、阻尼器和弹簧等组合，能够提升吸能及耗能效率。惯容器最早在机械领域内得到应用，近年来推广应用于土木工程结构。

随着土木结构朝着高耸、大跨和轻质方向的发展，结构的侧向刚度小、自身耗能性能差，在风、人群、车辆以及地震激励下易出现大幅度、多模态振动，威胁结构的安全性和使用性。因而，亟需采用阻尼器等减振耗能装置提升结构多阶振动的模态阻尼。然而，高耸、大跨结构振动时，一般在顶部或跨中振动幅值最大，然而这些位置没有支撑条件用于安装阻尼器；阻尼器等减振装置一般安装在结构根部或者端部，或者用于连接发生相对变形的相邻位置，因而阻尼器在结构出现振动时发生的变形相对较小，提供的阻尼亦较小。基于此，近年来的研究采用惯容器增大安装阻尼器位置的结构振动幅值，进而提升阻尼器耗能，取得了较好的效果。

惯容器本身是一种被动装置，制作完成后其惯容系数一般为常数。那么惯容器的抵抗力与其两端相对运动的幅度和频率的平方成正比。即，当惯容器两端相对运动的幅值不变，而频率增加时，惯性力幅值急剧增大，会导致结构的振动无法驱动惯容器，结构在惯容器安装位置反而被锁定，此时惯容器不仅不能提升阻尼器的耗能作用，反而会导致阻尼器失效。因此，惯容系数固定的惯容器不能满足土木结构宽频段多模态振动控制的需求。

现有技术采用一些手段，已经能够实现惯容系数的可调节性。主要采用半主动方法，例如将惯容器的运动组件分为两个或多个部分，通过电、磁原理控制各部分之间的接合或脱离，增大或减小惯容系数；亦有利用齿轮箱通过换挡调节放大系数，达到惯容系数调节的目的。被动调节惯容系数的方法，主要是利用离心力改变质量的分布来调节惯容系数。半主动调节方法需要稳定的电源供给、同时需要对结构运动状态进行观测反馈，成本高、工作条件要求和维护要求高，在土木结构工程领域应用较为困难；利用离心力的被动调节方法，在结构振动频率增大时，惯容器的惯容系数会增大，对多模态振动控制不利。

结构多模态振动控制提出了惯容器的惯容系数可调节的需求，而现有实现惯容系数可调节性技术存在上述问题，尚缺乏适应于结构多模态振动控制的惯容系数被动自适应的惯容器。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种惯容系数自适应调节惯容器，内筒柱和外筒柱之间通过摩擦片支撑，从而利用静摩擦和滑动摩擦机理，实现惯容系数的自适应调节。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种惯容系数自适应调节惯容器，包括螺杆、支撑块、内筒柱，以及一个或多个可选配的外筒柱；

所述内筒柱套设于所述支撑块外侧，并与支撑块之间填充有滚珠，所述外筒柱套设于内筒柱的外侧，且至少一个方向的侧面通过滚珠支撑于支撑块上；

所述螺杆穿过内筒柱和支撑座，并与内筒柱啮合，所述内筒柱和外筒柱之间设有摩擦片。

所述外筒柱的侧壁上设有螺栓，所述螺栓自外向内穿过外筒柱的侧壁后支撑所述摩擦片。

当配置有多个外筒柱时，各外筒柱依次向外套设，且任一层外筒柱与内筒柱之间，或者与其内侧的外筒柱之间设有摩擦片。

每一层外筒柱的侧壁上设有螺栓，所述螺栓自外向内穿过外筒柱的侧壁后支撑该层外筒柱内侧的摩擦片。

每一层外筒柱的至少一个方向的侧面通过滚珠支撑于支撑块上。

所述内筒柱与外筒柱均为圆柱形。

所述螺杆轴线与内筒柱、外筒柱、支撑块轴线重合。

所述支撑块包括同轴依次设置的内筒支撑段、收缩段、外筒支撑段和底盘段，所述收缩段的外径小于内筒支撑段和外筒支撑段，所述内筒柱通过滚珠支撑于内筒支撑段上，最内层外筒柱的一个侧面通过滚珠支撑于外筒支撑段上，另一个侧面通过滚珠支撑于底盘段上。

最内层外筒柱的轴截面为L型。

所述外筒柱上共设有多个螺栓。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、内筒柱和外筒柱之间通过摩擦片支撑，从而利用静摩擦和滑动摩擦机理，实现惯容系数的自适应调节，内筒柱与外筒柱之间的摩擦面相对静止与滑动两种状态的切换，实现惯容系数的自适应调节。即，当螺杆相对于支撑块的加速度小于或等于临界加速度时，内筒柱与外筒柱同步转动，惯容器的惯容系数为内筒柱与外筒柱对应惯容系数之和；当螺杆相对于支撑块的加速度大于临界加速度，内外筒柱之间的摩擦力不足以使外筒柱跟随内筒柱转动，内筒柱与外筒柱发生滑动，惯容器的惯容系数仅有内筒柱的贡献。

2、通过设置螺栓，通过螺栓可以调节摩擦面的接触压力，即调节滑动摩擦力，实现惯容系数改变对应的临界加速度的调节。

3、通过增加外筒柱和摩擦片的数量，可以实现惯容系数的多级调节。

4、提出的惯容器的惯容系数调节为被动自适应调节，无需供电输入及振动测量反馈；

5、采用了最内层外筒柱也和支撑块的外筒支撑段通过滚珠支撑的设计，保证内筒柱和外筒柱中轴线重合、摩擦力沿环向均匀分布。

6、惯容器能被动实现随着惯容器两端相对加速度的增加而惯容系数减小的调节。

附图说明

图1为本发明惯容器的结构示意图；

图2为A-A剖面图；

图3为B-B剖面图；

图4为本发明惯容器实现惯容系数多级自适应调节的结构示意图；

图5为本发明惯容器的另外一种结构示意图：两个外筒柱均与内筒柱之间设置摩擦片；

其中：1、螺杆，2、内筒柱，3、外筒柱，4、支撑块，5、摩擦片，6、螺栓，7、滚珠。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种惯容系数自适应调节惯容器，如图1至图3所示，包括螺杆1、支撑块4、内筒柱2，以及一个外筒柱3；

内筒柱2套设于支撑块4外侧，并与支撑块4之间填充有滚珠，外筒柱3套设于内筒柱2的外侧，且至少一个方向的侧面通过滚珠支撑于支撑块4上；

螺杆1穿过内筒柱2和支撑座4，并与内筒柱2啮合，内筒柱2和外筒柱3之间设有摩擦片5，摩擦片5要求耐用均匀，使其产生的摩擦力绕内筒柱处处相等。

螺杆1与内筒柱2通过螺纹咬合，平动螺杆1能带动内筒柱2绕支撑块4转动，螺杆1轴线与内筒柱2、外筒柱3、支撑块4轴线重合；

外筒柱3内侧与支撑块4之间安装滚珠7，使其平动方向上固定在支撑块4上，并且绕支撑块4自由转动，滚珠7绕支撑块4一圈布置，必要时应当对滚珠7数量进行增加；

内筒柱2与外筒柱3均为圆柱形。内筒柱2和外筒柱3之间通过摩擦片5支撑，从而利用静摩擦和滑动摩擦机理，实现惯容系数的自适应调节，内筒柱2与外筒柱3之间的摩擦面相对静止与滑动两种状态的切换，实现惯容系数的自适应调节。即，当螺杆1相对于支撑块4的加速度小于或等于临界加速度时，内筒柱2与外筒柱3同步转动，惯容器的惯容系数为内筒柱2与外筒柱3对应惯容系数之和；当螺杆1相对于支撑块4的加速度大于临界加速度，内外筒柱之间的摩擦力不足以使外筒柱3跟随内筒柱2转动，内筒柱2与外筒柱3发生滑动，惯容器的惯容系数仅有内筒柱2的贡献。

支撑块4包括同轴依次设置的内筒支撑段、收缩段、外筒支撑段和底盘段，收缩段的外径小于内筒支撑段和外筒支撑段，内筒柱2通过滚珠支撑于内筒支撑段上，最内层外筒柱3的一个侧面通过滚珠支撑于外筒支撑段上，另一个侧面通过滚珠支撑于底盘段上。最内层外筒柱3的轴截面为L型。

外筒柱3的侧壁上设有螺栓6，螺栓6自外向内穿过外筒柱3的侧壁后支撑摩擦片5。摩擦片5固定在外筒柱3内壁或内筒柱2的内壁上，最优地，摩擦片5固定在外筒柱3内壁。通过松紧外筒柱3上的螺栓6增大或减小摩擦片与内筒柱2接触面的正压力，从而调节滑动摩擦力和临界加速度。外筒柱3上共设有多个螺栓6。

螺杆1末端能在支撑块4内的行程区内运动，注意螺杆1务必处于支撑块4的轴线上，以避免螺杆1运动时与支撑块4之间产生过大的摩擦力，影响装置整体效果。

在一些实施例中，如图4所示，可以选配有多个外筒柱3，当配置有多个外筒柱3时，各外筒柱3依次向外套设，且各外筒柱3之间均设有摩擦片5。每一层外筒柱3的侧壁上设有螺栓6，螺栓6自外向内穿过外筒柱3的侧壁后支撑该层外筒柱3内侧的摩擦片5。每一层外筒柱3的至少一个方向的侧面通过滚珠支撑于支撑块4上。通过增加外筒柱3的数量以实现惯容系数多级自适应调节，增加外筒柱与外筒柱3之间同样以摩擦片连接，通过增加的外筒柱上的螺栓6增大或减小摩擦片与外筒柱3接触面的正压力，从而调节滑动摩擦力和临界加速度。增加的外筒柱同样通过滚珠7固定在支撑块4上。

在一些实施例中，如图5所示，最内侧的外筒柱之外的外筒柱也可以直接与内筒柱之间设置摩擦片。

Claims (10)

1.一种惯容系数自适应调节惯容器，其特征在于，包括螺杆(1)、支撑块(4)、内筒柱(2)，以及一个或多个可选配的外筒柱(3)；

所述内筒柱(2)套设于所述支撑块(4)外侧，并与支撑块(4)之间填充有滚珠，所述外筒柱(3)套设于内筒柱(2)的外侧，且至少一个方向的侧面通过滚珠支撑于支撑块(4)上；

所述螺杆(1)穿过内筒柱(2)和支撑座(4)，并与内筒柱(2)啮合，所述内筒柱(2)和外筒柱(3)之间设有摩擦片(5)。

2.根据权利要求1所述的一种惯容系数自适应调节惯容器，其特征在于，所述外筒柱(3)的侧壁上设有螺栓(6)，所述螺栓(6)自外向内穿过外筒柱(3)的侧壁后支撑所述摩擦片(5)。

3.根据权利要求1所述的一种惯容系数自适应调节惯容器，其特征在于，当配置有多个外筒柱(3)时，各外筒柱(3)依次向外套设，且任一层外筒柱(3)与内筒柱(2)之间，或者与其内侧的外筒柱(3)之间设有摩擦片(5)。

4.根据权利要求3所述的一种惯容系数自适应调节惯容器，其特征在于，每一层外筒柱(3)的侧壁上设有螺栓(6)，所述螺栓(6)自外向内穿过外筒柱(3)的侧壁后支撑该层外筒柱(3)内侧的摩擦片(5)。

5.根据权利要求3所述的一种惯容系数自适应调节惯容器，其特征在于，每一层外筒柱(3)的至少一个方向的侧面通过滚珠支撑于支撑块(4)上。

6.根据权利要求1所述的一种惯容系数自适应调节惯容器，其特征在于，所述内筒柱(2)与外筒柱(3)均为圆柱形。

7.根据权利要求1所述的一种惯容系数自适应调节惯容器，其特征在于，所述螺杆(1)轴线与内筒柱(2)、外筒柱(3)、支撑块(4)轴线重合。

8.根据权利要求1所述的一种惯容系数自适应调节惯容器，其特征在于，所述支撑块(4)包括同轴依次设置的内筒支撑段、收缩段、外筒支撑段和底盘段，所述收缩段的外径小于内筒支撑段和外筒支撑段，所述内筒柱(2)通过滚珠支撑于内筒支撑段上，最内层外筒柱(3)的一个侧面通过滚珠支撑于外筒支撑段上，另一个侧面通过滚珠支撑于底盘段上。

9.根据权利要求8所述的一种惯容系数自适应调节惯容器，其特征在于，最内层外筒柱(3)的轴截面为L型。

10.根据权利要求2所述的一种惯容系数自适应调节惯容器，其特征在于，所述外筒柱(3)上共设有多个螺栓(6)。

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