CN114645583A - 一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器。属于消能减震技术领域。包括耗能模块、位移放大模块以及自复位模块；所述耗能模块包括缸体、粘滞阻尼液、活塞杆、活塞、密封端板；位移放大模块包括齿轮组、导杆、齿条；自复位模块包括复位端板、碟簧。耗能模块通过四根导向轴和端板与位移放大模块及自复位模块连接为一个整体。本发明使用含有大小齿轮的齿轮组将导杆与粘滞阻尼器的活塞杆连接，通过控制大小齿轮的半径比来控制位移放大系数。阻尼器的耗能能力主要来自粘滞阻尼器的耗能，自复位能力由组合碟簧提供。同时，通过端板和挡块的设计，实现阻尼器无论处于受拉或者受压状态下，碟簧均处于受压状态，阻尼器均具备自复位能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器。属于消能减震技术领域。
背景技术
地震灾害具有突发性和不可预测性特点，并且极具破坏性。尤其当中震和大震发生时，地震所释放的能量巨大，结构会发生较大的破坏。按照当前设防标准，可以保证结构在大震下不倒，但是其产生的较大的塑性变形难以修复，只能重建，造成严重的资源浪费。
传统的阻尼器在小震作用下，难以充分发挥其耗能减震作用，结构无法取得预期的减震效果，单纯的增加造价；在极罕遇地震乃至超出预期的大地震作用下，若阻尼器的位移或阻尼力等超过极限能力则阻尼器会失效，丧失消能减震作用，使结构面临着损伤破坏甚至倒塌的风险。
阻尼器响应放大技术是利用各种机构或机械装置将结构的位移、速度等放大，使阻尼器在小震或风荷载作用下发挥明显的耗能能力；同时，在大震作用下，由于阻尼器的作用被放大，消能效果增加，因此可以减少阻尼器的数量，降低消能减震结构成本，取得较好的经济效益
粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和流体组成，缸内充满硅油或其他粘滞流体，活塞在缸体内可做往复运动，活塞上有适量小孔。粘滞阻尼器对结构控制的机理是：当活塞与缸筒之间发生相对运动时，由于活塞前后的压力差使流体阻尼材料从阻尼孔中通过，从而产生阻尼力，将结构振动的部分能量通过粘滞阻尼材料转化为热能，达到减小结构反应的目的。黏滞阻尼器属于速度型阻尼器，缓慢变形发生时不会引起阻尼器的出力，其产生的阻尼力与活塞运动速度有关。
碟簧具有极好的弹性，相比较形状记忆合金具有较好的稳定性，不受温度影响，成本较低；相比较预应力筋有较大的变形能力，可以满足大变形的结构的需求。
因此，急需设计一种具备位移、速度放大效果的自复位阻尼器，确保阻尼器在中小震作用下仍具备较好的耗能减震效果，在大震作用下不易失效。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的问题，提出一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器。当导杆发生运动时，经齿轮装置将位移、速度放大之后传递给粘滞阻尼器内的活塞杆，使活塞产生位移，活塞前后的压力差使流体阻尼材料从阻尼孔中通过，从而产生阻尼力，耗散能量。并且阻尼器能在中小震作用下仍发挥出良好的耗能能力。无论阻尼器处于受压还是受拉状态，碟簧均属于受压状态，提供自复位能力。
为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，包括耗能模块、位移放大模块以及自复位模块；
所述耗能模块包括缸体、粘滞阻尼液、活塞杆、活塞、密封端板；位移放大模块包括齿轮组、导杆、齿条；自复位模块包括复位端板、碟簧；
所述缸体与活塞、密封端板共同构成了密封腔体，活塞设置于缸体内部，其两侧设置有密封端板，活塞和密封端板均套设在活塞杆上，且密封腔体内充满粘滞阻尼液；所述缸体两端还设有固定端板，固定端板与密封端板之间构成两个副腔室，左侧腔室为活塞杆的滑动提供空间，右侧腔室设置有齿轮组；
所述碟簧设置于两块复位端板之间，且碟簧中心套设在所述导杆上，导杆左端伸出复位端板并伸入所述右侧腔室内；
所述活塞杆右端与导杆左端均相对焊有齿条，齿条间设置有齿轮组，导杆通过齿轮组和齿条将运动传递到活塞杆；
所述固定端板与复位端板通过导向轴串联在一起，从而将耗能模块、位移放大模块以及自复位模块串联在一起；所述导杆上还固定有一导杆挡块，用于推动左侧的复位端板向右压缩运动。
进一步地，所述齿轮组由两组齿轮构成，每组齿轮由小半径齿轮和大半径齿轮组成，大、小半径齿轮同心叠放并焊接在一起，小半径齿轮与焊有齿条的导杆齿合，大半径齿轮与焊有齿条的活塞杆齿合。
进一步地，所述固定端板通过高强螺栓和挡块固定在导向轴上不可滑动，所述复位端板可沿所述导向轴滑动，其复位端板左右两侧分别设置有高强螺栓和挡块，其滑动方向受高强螺栓和挡块的限制。
进一步地，所述高强螺栓和挡块均套设在导向轴上，左侧的固定端板内外侧分别固定有挡块和高强螺栓，右侧的固定端板内外侧均固定有挡块。
进一步地，所述固定端板与复位端板通过四根导向轴串联在一起。
进一步地，所述固定端板和复位端板均为方形钢板，其四角位置开有四个大小相等的孔洞，孔洞大小刚好供导向轴穿过，而挡块无法通过。
进一步地，其中右侧的所述固定端板中心开孔，其孔洞大小可供导杆及其上的导杆挡块穿过。
进一步地，所述复位端板中心开孔，其孔洞大小刚好供导杆穿过而导杆挡块无法通过。
进一步地，左侧的所述固定端板外侧以及右侧的所述复位端板外侧均固定有连接板，用以与建筑结构相连。
工作原理为：
当阻尼器受拉时，右侧的连接板和与之向连的导杆相对左侧的连接板向右移动；导杆带动齿条向右移动，齿轮组逆时针转动，齿轮组顺时针转动，齿条带动活塞杆和活塞向左移动，粘滞阻尼液从活塞中心孔隙通过，从而产生阻尼力，将结构振动的部分能量通过粘滞阻尼材料转化为热能，耗散能量；同时，由于齿轮组中的大小半径齿轮存在半径差，活塞杆的位移和速度大于导杆的位移和速度，所述导杆挡块随导杆向右移动，由于导杆挡块无法通过复位端板上的中心孔洞，因此导杆挡块将带动复位端板沿导向轴相对右侧的连接板向右移动，右侧的复位端板受高强螺栓限制无法移动，因此碟簧被挤压并且提供自复位能力；
当阻尼器受压时，右侧的连接板和与之相连的导杆相对左侧的连接板向左移动；导杆带动齿条向左移动，齿轮组顺时针转动，齿条带动活塞杆和活塞向右移动，耗能模块工作，耗散能量；同时，活塞杆的位移和速度大于导杆的位移和速度，右侧的复位端板随连接板沿导向轴向左移动，导杆挡块随导杆向左移动，并穿过右侧固定端板的中心孔洞；左侧的复位端板受挡块限制无法移动，因此碟簧被挤压且提供自复位能力。
本发明的有益效果在于：
本发明所述的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，在地震作用下对结构的减隔震及自复位效果显著，主要体现在以下几点：
1)本发明通过设置齿轮组，通过控制大、小齿轮的半径比对结构运动的位移、速度进行放大，提高了装置的耗能能力。
2)本发明利用碟簧装置，通过设置固定端板和挡块，使装置无论处于受拉还是受压状态下都具备自复位能力。并且端板可以给碟簧施加一定的预压应力，提高装置的初始刚度。
3)本发明由于使用了速度型阻尼器，在放大结构位移的同时对结构的质量同时进行放大，并且构造简单易于装配，维护费用低，适用性强。
附图说明
图1是本发明的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器示意图；
图2是本发明的右侧的固定端板示意图；
图3是本发明的右侧的复位端板示意图；
图4是本发明阻尼器初始状态、受拉和受压状态示意图；
图5是本发明的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器的A-A剖面示意图；
图6是本发明的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器的B-B剖面示意图；
图7是本发明的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器的C-C剖面示意图。
具体实施方式
结合附图1-7对本发明实施例进行详细说明。
首先应需注意的是，附图所展示的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，旨在能简洁、清楚、明了的说明本发明，故附图不能够作为对本发明的限制。
如图1～7所示，一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，包括耗能模块、位移放大模块以及自复位模块。耗能模块包括缸体4、粘滞阻尼液5、活塞杆6、活塞7、密封端板8。位移放大模块包括齿轮组9、导杆10、齿条11。自复位模块包括复位端板14、碟簧16。耗能模块采用粘滞阻尼耗能，位移放大模块采用齿轮组装置，自复位耗能模块碟簧提供自复位能力。缸体4与活塞7、密封端板8共同构成了密封腔体，活塞7设置于缸体4内部，其两侧设置有密封端板8，活塞7和密封端板8均套设在活塞杆6上，且密封腔体内充满粘滞阻尼液5。缸体4两端还设有固定端板12，固定端板12与密封端板8之间构成两个副腔室，左侧腔室为活塞杆6的滑动提供空间，右侧腔室设置有齿轮组9。碟簧16设置于两块复位端板14之间，且碟簧16中心套设在导杆10上，导杆10左端伸出复位端板并伸入右侧腔室内。固定端板12与复位端板14通过四根导向轴3串联在一起，从而将耗能模块、位移放大模块以及自复位模块串联在一起。导杆11上还固定有一导杆挡块18，用于推动左侧的复位端板14向右压缩运动。
如图1和图6所示，活塞杆6右端与导杆10左端均相对焊有齿条11，齿条11间设置有齿轮组9，导杆10通过齿轮组9和齿条11将运动传递到活塞杆6。齿轮组9由两组齿轮构成，每组齿轮由小半径齿轮和大半径齿轮组成，大、小半径齿轮同心叠放并焊接在一起，小半径齿轮与焊有齿条11的导杆10齿合，大半径齿轮与焊有齿条11的活塞杆6齿合。齿轮轴2从齿轮组中心穿过并将齿轮组9固定在右腔室内。
固定端板12通过高强螺栓19和挡块17固定在导向轴3上不可滑动，复位端板14可沿导向轴3滑动，其复位端板14左右两侧分别设置有高强螺栓19和挡块17，其滑动方向受高强螺栓19和挡块17的限制。高强螺栓19和挡块17均套设在导向轴3上，左侧的固定端板12内外侧分别固定有挡块17和高强螺栓19，右侧的固定端板12内外侧均固定有挡块17。
如图2-3以及图6-7所示，固定端板12和复位端板14均为方形钢板，其四角位置开有四个大小相等的孔洞，孔洞大小刚好供导向轴3穿过，而挡块17无法通过。右侧的固定端板12中心开孔，其孔洞大小可供导杆10及其上的导杆挡块18穿过。复位端板14中心开孔，其孔洞大小刚好供导杆10穿过而导杆挡块18无法通过。
如图1和图4所示，左侧的固定端板12外侧以及右侧的复位端板14外侧均固定有连接板1，用以与建筑结构或桥梁结构上(下)层连接。
当阻尼器受拉时，右侧的连接板1和与之向连的导杆10相对左侧的连接板1向右移动。导杆10带动齿条11向右移动，齿轮组9逆时针转动，齿轮组9顺时针转动，齿条11带动活塞杆6和活塞7向左移动，粘滞阻尼液从活塞7中心孔隙通过，从而产生阻尼力，将结构振动的部分能量通过粘滞阻尼材料转化为热能，耗散能量。同时，由于齿轮组9中的大小半径齿轮存在半径差，活塞杆6的位移和速度大于导杆10的位移和速度，导杆挡块18随导杆10向右移动，由于导杆挡块18无法通过复位端板14上的中心孔洞，因此导杆挡块18将带动复位端板14沿导向轴3相对右侧的连接板1向右移动，右侧的复位端板14受高强螺栓19限制无法移动，因此碟簧16被挤压并且提供自复位能力。
当阻尼器受压时，右侧的连接板2和与之相连的导杆10相对左侧的连接板1向左移动。导杆10带动齿条11向左移动，齿轮组9顺时针转动，齿条11带动活塞杆6和活塞7向右移动，耗能模块工作，耗散能量。同时，活塞杆6的位移和速度大于导杆10的位移和速度，右侧的复位端板14随连接板1沿导向轴向左移动，导杆挡块18随导杆10向左移动，并穿过右侧固定端板12的中心孔洞。左侧的复位端板14受挡块17限制无法移动，因此碟簧16被挤压且提供自复位能力。该阻尼器耗能及复位效果显著，可设置在建筑结构及桥梁结构的最大位移处，应用于工程的减震控制，可实现工厂的全预制装配，易于维修和养护，具有很好的适用性和可行性。
综上，尽管已经对本发明的实施例进行描述，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，其特征在于：包括耗能模块、位移放大模块以及自复位模块；
所述耗能模块包括缸体(4)、粘滞阻尼液(5)、活塞杆(6)、活塞(7)、密封端板(8)；位移放大模块包括齿轮组(9)、导杆(10)、齿条(11)；自复位模块包括复位端板(14)、碟簧(16)；
所述缸体(4)与活塞(7)、密封端板(8)共同构成了密封腔体，活塞(7)设置于缸体(4)内部，其两侧设置有密封端板(8)，活塞(7)和密封端板(8)均套设在活塞杆(6)上，且密封腔体内充满粘滞阻尼液(5)；所述缸体(4)两端还设有固定端板(12)，固定端板(12)与密封端板(8)之间构成两个副腔室，左侧腔室为活塞杆(6)的滑动提供空间，右侧腔室设置有齿轮组(9)；
所述碟簧(16)设置于两块复位端板(14)之间，且碟簧(16)中心套设在所述导杆(10)上，导杆(10)左端伸出复位端板并伸入所述右侧腔室内；
所述活塞杆(6)右端与导杆(10)左端均相对焊有齿条(11)，齿条(11)间设置有齿轮组(9)，导杆(10)通过齿轮组(9)和齿条(11)将运动传递到活塞杆(6)；
所述固定端板(12)与复位端板(14)通过导向轴(3)串联在一起，从而将耗能模块、位移放大模块以及自复位模块串联在一起；所述导杆(11)上还固定有一导杆挡块(18)，用于推动左侧的复位端板(14)向右压缩运动。
2.根据权利要求1所述的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，其特征在于：所述齿轮组(9)由两组齿轮构成，每组齿轮由小半径齿轮和大半径齿轮组成，大、小半径齿轮同心叠放并焊接在一起，小半径齿轮与焊有齿条(11)的导杆(10)齿合，大半径齿轮与焊有齿条(11)的活塞杆(6)齿合。
3.根据权利要求2所述的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，其特征在于：所述固定端板(12)通过高强螺栓(19)和挡块(17)固定在导向轴(3)上不可滑动，所述复位端板(14)可沿所述导向轴(3)滑动，其复位端板(14)左右两侧分别设置有高强螺栓(19)和挡块(17)，其滑动方向受高强螺栓(19)和挡块(17)的限制。
4.根据权利要求3所述的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，其特征在于：所述高强螺栓(19)和挡块(17)均套设在导向轴(3)上，左侧的固定端板(12)内外侧分别固定有挡块(17)和高强螺栓(19)，右侧的固定端板(12)内外侧均固定有挡块(17)。
5.根据权利要求4所述的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，其特征在于：所述固定端板(12)与复位端板(14)通过四根导向轴(3)串联在一起。
6.根据权利要求5所述的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，其特征在于：所述固定端板(12)和复位端板(14)均为方形钢板，其四角位置开有四个大小相等的孔洞，孔洞大小刚好供导向轴(3)穿过，而挡块(17)无法通过。
7.根据权利要求6所述的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，其特征在于：其中右侧的所述固定端板(12)中心开孔，其孔洞大小可供导杆(10)及其上的导杆挡块(18)穿过。
8.根据权利要求7所述的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，其特征在于：所述复位端板(14)中心开孔，其孔洞大小刚好供导杆(10)穿过而导杆挡块(18)无法通过。
9.根据权利要求8所述的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，其特征在于：左侧的所述固定端板(12)外侧以及右侧的所述复位端板(14)外侧均固定有连接板(1)，用以与建筑结构相连。
10.根据权利要求9所述的一种利用齿轮放大位移的自复位阻尼器，其特征在于：当阻尼器受拉时，右侧的连接板(1)和与之向连的导杆(10)相对左侧的连接板(1)向右移动；导杆(10)带动齿条(11)向右移动，齿轮组(9)逆时针转动，齿轮组(9)顺时针转动，齿条(11)带动活塞杆(6)和活塞(7)向左移动，粘滞阻尼液从活塞(7)中心孔隙通过，从而产生阻尼力，将结构振动的部分能量通过粘滞阻尼材料转化为热能，耗散能量；同时，由于齿轮组(9)中的大小半径齿轮存在半径差，活塞杆(6)的位移和速度大于导杆(10)的位移和速度，所述导杆挡块(18)随导杆(10)向右移动，由于导杆挡块(18)无法通过复位端板(14)上的中心孔洞，因此导杆挡块(18)将带动复位端板(14)沿导向轴(3)相对右侧的连接板(1)向右移动，右侧的复位端板(14)受高强螺栓(19)限制无法移动，因此碟簧(16)被挤压并且提供自复位能力；
当阻尼器受压时，右侧的连接板(2)和与之相连的导杆(10)相对左侧的连接板(1)向左移动；导杆(10)带动齿条(11)向左移动，齿轮组(9)顺时针转动，齿条(11)带动活塞杆(6)和活塞(7)向右移动，耗能模块工作，耗散能量；同时，活塞杆(6)的位移和速度大于导杆(10)的位移和速度，右侧的复位端板(14)随连接板(1)沿导向轴向左移动，导杆挡块(18)随导杆(10)向左移动，并穿过右侧固定端板(12)的中心孔洞；左侧的复位端板(14)受挡块(17)限制无法移动，因此碟簧(16)被挤压且提供自复位能力。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2022-04-16 CN CN202210400307.5A patent/CN114645583A/zh active Pending
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