CN114645580B - 基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置 - Google Patents

基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，属于结构振动与控制技术领域。包括传动轴、内挡块、永磁体a、传动外管、永磁体b、永磁体c、外挡块、高强螺栓、摩擦板钢垫片、碟形弹簧垫片和摩擦板。所述的基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，利用永磁体之间的斥力提供恢复力，实现阻尼器刚度随位移指数增加的变刚度效果，在中小震时依靠摩擦阻尼器有效耗能，在大震时有效增加结构刚度控制变形，达到分阶段结构控制目的；通过调整同一个复位组内永磁体的间距，能够实现复位位移可控，通过多个复位组并联，实现复位力可控；本发明采用分阶段抗震控制、机理明晰、结构设计合理，有良好的应用前景。

Description

基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置
技术领域
本发明涉及一种摩擦阻尼装置，特别是一种基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，属于结构振动与控制技术领域。
背景技术
地震是工程结构面临的主要威胁，传统的工程结构在遇到大震时主体结构往往由于耗能产生较大的塑性变形，虽然保护了人员生命安全，但是大的塑性变形会给结构主体带来较大的残余应变，使得结构修复周期长或者无法修复，造成巨大的经济损失的同时阻碍震后社会生产恢复。
自复位结构依靠自复位阻尼器耗能和复位，即使经历大震产生较大的塑性变形，也能大大减小主体结构的残余应变，保护主体结构。现有的自复位阻尼器其复位力多由碟簧、形状记忆合金等连续介质材料提供，阻尼器的刚度在复位材料达到屈服之后退化明显，但是，在大震下结构需要增加自身的刚度以抵抗大变形，这是现有的阻尼器无法达到的效果。
钕铁硼永磁体之间的斥力特性相对于传统连续介质材料有突出的优势。当两块钕铁硼永磁体同极靠近时，其斥力随着距离的减小呈指数增加，因此，基于钕铁硼永磁体斥力原理的自复位阻尼器恢复力的刚度也随着位移指数增加，实现变刚度效果，这是现有的基于连续介质材料的自复位变刚度摩擦阻尼装置，例如基于形状记忆合金、基于碟簧、橡胶弹簧等不具备的优点；另外，利用永磁体的斥力提供恢复力，是一种非接触式力传递，无需考虑连续介质材料屈服、断裂等缺点，因此永磁体阻尼器耐久性好、故障率低、维护方便。
因此，为克服传统连续介质材料屈服后刚度退化的缺点，钕铁硼永磁体是理想的选择。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提供了一种基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，其利用永磁体之间的斥力提供恢复力，实现阻尼器刚度随位移指数增加的变刚度效果，解决自复位变刚度的问题。
为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，所述的自复位变刚度摩擦阻尼装置包括传动轴、内挡块、永磁体a、传动外管、永磁体b、永磁体c、外挡块、高强螺栓、摩擦板钢垫片、碟形弹簧垫片和摩擦板；所述传动轴一端伸出传动外管一侧并与建筑结构连接，所述传动轴另一端伸入所述传动外管内部；所述传动外管另一侧与建筑结构连接；所述传动外管与传动轴相对运动。
所述传动轴上设置有两个以上的自复位组，每个自复位组均由内挡块与相邻的外挡块以及永磁体a、永磁体b和永磁体c共同构成，其中，每个自复位组两端均是设置有一组内挡块和外挡块，内挡块与外挡块之间可以相互滑动；所述传动轴与内挡块通过焊接固定连接，构成自复位变刚度摩擦阻尼装置的内部传动模块；所述外挡块与传动外管通过焊接方式固定连接，构成自复位变刚度摩擦阻尼装置的外部传动模块；所述外挡块对应设置在内挡块外侧；
所述永磁体a、永磁体b和永磁体c均依次设置在每个自复位组的内挡块和外挡块之间，并同极滑动串联在所述传动轴上，永磁体a、永磁体b和永磁体c之间磁极相对设置，通过同极相斥提供自复位变刚度摩擦阻尼装置需要的恢复位移和恢复力；同时，所述的永磁体a、永磁体b和永磁体c与传动外管之间可以相互运动产生电涡流效应，将机械能转化为热能，消耗一部分能量；
相邻自复位组之间还设置有摩擦阻尼装置，所述摩擦阻尼装置由所述高强螺栓、摩擦板钢垫片、碟形弹簧垫片和摩擦板构成，所述摩擦板钢垫片通过焊接方式与传动轴固定连接；所述摩擦板通过焊接方式与相邻的外挡块固定连接；摩擦板夹持在所述摩擦板钢垫片外侧；所述高强螺栓穿过摩擦板以及摩擦板钢垫片上的长方形通孔，将二者紧密贴合；同时，所述高强螺栓与摩擦板之间还设置有所述碟形弹簧垫片，用以提供摩擦所需的预紧力。
进一步地，所述的永磁体a、永磁体b和永磁体c均是空心柱状永磁体。
进一步地，所述永磁体b的左端磁极与相邻永磁体a的右端磁极相同，永磁体b的右端磁极与相邻永磁体c的左端磁极相同。
进一步地，所述自复位组为2-10个，其轴力叠加为自复位变刚度摩擦阻尼装置提供有效恢复力。
进一步地，所述自复位组优选为2个。
进一步地，所述传动轴、内挡块、传动外管、外挡块均由导磁材料组成；所述永磁体a、永磁体b和永磁体c均为钕铁硼强磁。
进一步地，所述永磁体a、永磁体b和永磁体c位于一个复位组内，永磁体的数量和间距根据实际需求位移计算，自复位组数量也根据实际需求恢复力计算。
进一步地，所述传动外管的内壁和所述传动轴外表面均涂抹有润滑油以减少摩擦阻力。
进一步地，所述传动外管横截面为圆筒状；所述摩擦板钢垫片横截面为矩形；所述传动轴设置在所述摩擦板钢垫片中心，其两侧设置有所述长方形通孔，用以穿设所述高强螺栓。
进一步地，所述摩擦板钢垫片的长度小于所述摩擦板的长度。
本发明的工作原理是：
当结构发生振动时，带动传动轴左端和传动外管右端运动，自复位变刚度摩擦阻尼装置两端发生相对位移，内挡块与外挡块发生相对运动，使同一个复位组内的永磁体间距减小，斥力增加产生轴向恢复力。当支撑伸长时，外挡块向右压缩永磁体，永磁体斥力产生向左的恢复力；当支撑缩短时，内挡块向左压缩永磁体，永磁体产生向右的恢复力。当自复位变刚度摩擦阻尼装置两端发生相对运动时，摩擦板钢垫片与摩擦板发生相对运动，能够有效消耗传入结构的能量。
一个复位组内的永磁体间距越小，则自复位变刚度摩擦阻尼装置能够提供的恢复力越大，一个复位组内的永磁体数目越多间距越大，则自复位变刚度摩擦阻尼装置能够提供的恢复位移越大。
本发明的有益效果在于：
基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，利用永磁体的斥力提供恢复力，其斥力随着磁极艰巨的减小呈指数增加；
基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，其轴向刚度随着位移变化呈指数增加，在中小震时依靠摩擦阻尼器有效耗能，在大震时有效增加结构刚度控制变形，减小结构的塑性变形，保护建筑主体结构，达到分阶段结构控制目的；
基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，无论装置在受压状态还是受拉状态，其复位组始终在受压状态，保证了材料利用率和自复位能力；
基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，利用永磁体同极串联组成一个复位组，为结构提供足够的恢复位移，多个相同的复位组并联，为结构提供足够的恢复力。
附图说明
图1为本发明的基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置的结构示意图。
图2为本发明的基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置的A-A剖面图。
图3为本发明的基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置的B-B剖面图。
图4为本发明的基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置的C-C剖面图。
图5为本发明的基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置的D-D剖面图。
图6为本发明的基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置的E-E剖面图。
具体实施方式
为了使本发明的特点更加直观，下面将参照图片进一步说明本发明的基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置实施方式，但是本发明不限于以下实施例。
如图1-图6所述，本发明的基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，自复位变刚度摩擦阻尼装置包括传动轴1、内挡块2、永磁体a3、传动外管4、永磁体b5、永磁体c6、外挡块7、高强螺栓8、摩擦板钢垫片9、碟形弹簧垫片10和摩擦板11。传动轴1一端伸出传动外管4一侧并与建筑结构连接，传动轴1另一端伸入传动外管4内部。传动外管4另一侧与建筑结构连接。传动外管4与传动轴1相对运动。传动轴1上设置有两个自复位组，其轴力叠加为自复位变刚度摩擦阻尼装置提供有效恢复力。每个自复位组均由内挡块2与相邻的外挡块7以及永磁体a3、永磁体b5和永磁体c6共同构成，其中，每个自复位组两端均是设置有一组内挡块2和外挡块7，内挡块2与外挡块7之间可以相互滑动。传动轴1与内挡块2通过焊接固定连接，构成自复位变刚度摩擦阻尼装置的内部传动模块。外挡块7与传动外管4通过焊接方式固定连接，构成自复位变刚度摩擦阻尼装置的外部传动模块。外挡块7对应设置在内挡块2外侧，传动外管4的内壁和传动轴1外表面均涂抹有润滑油以减少摩擦阻力。
如图1所示，永磁体a3、永磁体b5和永磁体c6均依次设置在每个自复位组的内挡块2和外挡块7之间，并同极滑动串联在传动轴1上，永磁体a3、永磁体b5和永磁体c6之间磁极相对设置，且均是空心柱状永磁体。即永磁体b5的左端磁极与相邻永磁体a3的右端磁极相同，永磁体b5的右端磁极与相邻永磁体c6的左端磁极相同。通过同极相斥提供自复位变刚度摩擦阻尼装置需要的恢复位移和恢复力。同时，永磁体a3、永磁体b5和永磁体c6与传动外管4之间可以相互运动产生电涡流效应，将机械能转化为热能，消耗一部分能量。
如图1所示，相邻自复位组之间还设置有摩擦阻尼装置，摩擦阻尼装置由高强螺栓8、摩擦板钢垫片9、碟形弹簧垫片10和摩擦板11构成，摩擦板钢垫片9通过焊接方式与传动轴1固定连接。摩擦板11通过焊接方式与相邻的外挡块7固定连接。摩擦板11夹持在摩擦板钢垫片9外侧。高强螺栓8穿过摩擦板11以及摩擦板钢垫片9上的长方形通孔，将二者紧密贴合。同时，高强螺栓8与摩擦板11之间还设置有碟形弹簧垫片10，用以提供摩擦所需的预紧力。本实施例中，摩擦板钢垫片9的长度小于摩擦板11的长度
本实施例中，传动轴1、内挡块2、传动外管4、外挡块7均由导磁材料组成。永磁体a3、永磁体b5和永磁体c6均为钕铁硼强磁。此外，永磁体的数量和间距根据实际需求位移计算，自复位组数量也可以根据实际需求恢复力计算。
如图2-6所示，本实施例中，传动外管4横截面为圆筒状。摩擦板钢垫片9横截面为矩形。传动轴1设置在摩擦板钢垫片9中心，其两侧设置有长方形通孔，用以穿设高强螺栓8。
当自复位变刚度摩擦阻尼装置两端发生相对位移，内挡块与外挡块发生相对运动，复位组始终在受压状态，保证了装置的材料利用率和装置自复位能力。支撑受拉变形时，外挡块向右压缩永磁体，永磁体斥力产生向左的恢复力。支撑受压变形时，内挡块向左压缩永磁体，永磁体产生向右的恢复力。利用永磁体的斥力提供恢复力，其斥力随着磁极艰巨的减小呈指数增加。自复位变刚度摩擦阻尼装置的刚度随着位移变化呈指数增加，在中小震时依靠摩擦阻尼器有效耗能，在大震时有效增加结构刚度控制变形，减小结构的塑性变形，保护主体结构，达到分阶段结构控制目的。在耗能方面，永磁体被压缩时会与传动外管发生相对运动产生电涡流效应，配合摩擦阻尼装置消耗传入结构的地震能量。利用永磁体同极串联组成一个复位组，为结构提供足够的恢复位移。多个相同的复位组并联，为结构提供足够的恢复力。本发明采用分阶段抗震设计理念，结构设计合理，稳定性和耐久性好，有良好的应用前景。
以上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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，所述的自复位变刚度摩擦阻尼装置包括传动轴（1）、内挡块（2）、永磁体a（3）、传动外管（4）、永磁体b（5）、永磁体c（6）、外挡块（7）、高强螺栓（8）、摩擦板钢垫片（9）、碟形弹簧垫片（10）和摩擦板（11）；所述传动轴（1）一端伸出传动外管（4）一侧并与建筑结构连接，所述传动轴（1）另一端伸入所述传动外管（4）内部；所述传动外管（4）另一侧与建筑结构连接；所述传动外管（4）与传动轴（1）相对运动，其特征在于：
所述传动轴（1）上设置有两个以上的自复位组，每个自复位组均由内挡块（2）与相邻的外挡块（7）以及永磁体a（3）、永磁体b（5）和永磁体c（6）共同构成，其中，每个自复位组两端均是设置有一组内挡块（2）和外挡块（7），内挡块（2）与外挡块（7）之间相互滑动；所述传动轴（1）与内挡块（2）通过焊接固定连接，构成自复位变刚度摩擦阻尼装置的内部传动模块；所述外挡块（7）与传动外管（4）通过焊接方式固定连接，构成自复位变刚度摩擦阻尼装置的外部传动模块；所述外挡块（7）对应设置在内挡块（2）外侧；
所述永磁体a（3）、永磁体b（5）和永磁体c（6）均依次设置在每个自复位组的内挡块（2）和外挡块（7）之间，并同极滑动串联在所述传动轴（1）上，永磁体a（3）、永磁体b（5）和永磁体c（6）之间磁极相对设置，通过同极相斥提供自复位变刚度摩擦阻尼装置需要的恢复位移和恢复力；同时，所述的永磁体a（3）、永磁体b（5）和永磁体c（6）与传动外管（4）之间相互运动产生电涡流效应，将机械能转化为热能，消耗一部分能量；
相邻自复位组之间还设置有摩擦阻尼装置，所述摩擦阻尼装置由所述高强螺栓（8）、摩擦板钢垫片（9）、碟形弹簧垫片（10）和摩擦板（11）构成，所述摩擦板钢垫片（9）通过焊接方式与传动轴（1）固定连接；所述摩擦板（11）通过焊接方式与相邻的外挡块（7）固定连接；摩擦板（11）夹持在所述摩擦板钢垫片（9）外侧；所述高强螺栓（8）穿过摩擦板（11）以及摩擦板钢垫片（9）上的长方形通孔，将二者紧密贴合；同时，所述高强螺栓（8）与摩擦板（11）之间还设置有所述碟形弹簧垫片（10），用以提供摩擦所需的预紧力；
所述的永磁体a（3）、永磁体b（5）和永磁体c（6）均是空心柱状永磁体；
所述永磁体b（5）的左端磁极与相邻永磁体a（3）的右端磁极相同，永磁体b（5）的右端磁极与相邻永磁体c（6）的左端磁极相同；
所述自复位组为2-10个，其轴力叠加为自复位变刚度摩擦阻尼装置提供有效恢复力；
所述传动轴（1）、内挡块（2）、传动外管（4）、外挡块（7）均由导磁材料组成；所述永磁体a（3）、永磁体b（5）和永磁体c（6）均为钕铁硼强磁；
所述永磁体a（3）、永磁体b（5）和永磁体c（6）位于一个复位组内，永磁体的数量和间距根据实际需求位移计算，自复位组数量也根据实际需求恢复力计算；
所述传动外管（4）横截面为圆筒状；所述摩擦板钢垫片（9）横截面为矩形；所述传动轴（1）设置在所述摩擦板钢垫片（9）中心，其两侧设置有所述长方形通孔，用以穿设所述高强螺栓（8）。
2.根据权利要求1所述的基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，其特征在于：所述自复位组为2个。
3.根据权利要求1-2任一项所述的基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，其特征在于：所述传动外管（4）的内壁和所述传动轴（1）外表面均涂抹有润滑油以减少摩擦阻力。
4.根据权利要求1所述的基于永磁体斥力的自复位变刚度摩擦阻尼装置，其特征在于：所述摩擦板钢垫片（9）的长度小于所述摩擦板（11）的长度。
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