CN114809349A - 一种表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，包括连接端、可变表观质量飞轮、滚珠螺母、滚珠丝杠、推力轴承、多层环形弹簧、内杆、钢垫板、紧固螺母和外套筒，可变表观质量飞轮由底盘、缓冲橡胶、可移动滑块和导杆以及弹簧组成，滚珠丝杠左端与连接端固结，右端依次穿过可变表观质量飞轮、滚珠螺母和推力轴承，并与内杆固结，内杆依次穿过左侧钢垫板、多层环形弹簧、右侧钢垫板以及紧固螺母。本发明通过装有由底盘、缓冲橡胶、可移动滑块和导杆以及弹簧组成的可变表观质量飞轮来实现惯容系数可变，通过具有摩擦耗能和自复位能力的多层环形弹簧提供大吨位阻尼力，从而使得阻尼器具备表观质量可变、大吨位和自复位的优点。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程抗震技术领域，具体涉及一种表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器。
背景技术
传统抗震设计以允许结构构件发生塑性变形为代价来达到保护主体结构和人员的安全的目的，但是由此会带来结构残余变形较大、非结构构件损坏严重和震后修复困难等后果。因此，研发具备同时保护结构构件和非结构构件安全的新型振动控制装置，是目前结构抗震领域的研究重点和难点。现有的自复位阻尼器，能够有效降低结构残余层间位移响应，但由于其给结构提供一定的刚度，往往会放大结构加速度响应，从而无法有效保护加速度敏感型非结构构件的安全。
加速度敏感型非结构构件是建筑结构中非结构构件的重要组成部分，需要在结构中安装加速度相关型振动控制装置(如惯容器)才能得到有效保护。目前惯容器的旋转飞轮的质量往往是恒定的，具备可变质量的惯容系统较为少见，因此当遭遇超设防地震，尤其是近场地震时，现有的惯容器系统或不能取得很好的加速度控制效果。
目前，传统的自复位阻尼器和惯容系统难以满足同时保护结构构件和非结构构件的需求，因此迫切需要研发具备表观质量可变、自复位和承载能力高的新型阻尼器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，现有的自复位阻尼器和惯容系统难以满足同时保护结构构件和非结构构件的需求。为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，通过装有由底盘、缓冲橡胶、可移动滑块和导杆以及弹簧组成的可变表观质量飞轮来实现惯容系数可变；通过具有摩擦耗能和自复位能力的多层环形弹簧提供大吨位阻尼力，从而有效提高阻尼器的工作范围，进而有效实现工程结构的结构构件和非结构构件双重保护，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，包括连接端、可变表观质量飞轮、滚珠螺母、滚珠丝杠、推力轴承、内杆、钢垫板、多层环形弹簧、紧固螺母和外套筒，所述连接端为带开孔耳板的圆柱形，所述连接端靠近滚珠丝杠的一端开槽，且通过槽与滚珠丝杠的一端进行固定连接，所述滚珠丝杠的中段外部套设有可变表观质量飞轮，所述可变表观质量飞轮的中间开孔且比滚珠丝杠直径大，所述可变表观质量飞轮与滚珠螺母通过螺栓由可变表观质量飞轮一侧打入以保证彼此固结，所述滚珠螺母在远离可变表观质量飞轮的一侧通过螺纹固定圆形耳板，所述推力轴承安装于圆形耳板的两侧，所述内杆为变截面的圆柱体，且所述内杆在靠近滚珠丝杠的一侧开设有凹槽，且通过凹槽与滚珠丝杠固定连接，所述内杆远离滚珠丝杠的一侧与紧固螺母连接，所述多层环形弹簧的两端与左右侧的钢垫板直接嵌套后放置在内杆靠近滚珠丝杠一侧，所述外套筒为内部有不同凹槽的圆形钢管，所述滚珠螺母、推力轴承、钢垫板、多层环形弹簧和紧固螺母均设置于外套筒的内部，同时外套筒与右侧连接端可设置为一体化。
优选的，所述可变表观质量飞轮由底盘、缓冲橡胶、可移动滑块、导杆和弹簧组成，且所述底盘的内侧固定连接有导杆，所述可移动滑块活动套接于导杆靠近缓冲橡胶的位置，且一端与套设于底盘中心位置的缓冲橡胶接触但不连接，一端与弹簧固结，所述弹簧套接于导杆远离底盘中心的位置，且两端分别与滑块、底盘固结。
优选的，所述可变表观质量飞轮的类型可分为双面导杆型和单面导杆型，即导杆为设置于可变表观质量飞轮的一侧和两侧，则可设置单侧或双侧的滑块。
优选的，所述可变表观质量飞轮的类型可根据导杆的数量分为三辐、六辐等不同辐数的飞轮，单侧或双侧滑块和不同辐数的滑块是可变惯容系数的重要几何参数，可根据工程需求进行任意组合，以取得最佳的惯容系数变化效果。
优选的，所述滚珠丝杠左端与连接端固结，右端依次穿过可变表观质量飞轮、滚珠螺母和推力轴承，并与内杆固结。
优选的，所述内杆依次穿过左侧的钢垫板、多层环形弹簧、右侧的钢垫板和紧固螺母。
优选的，所述多层环形弹簧为三层弹簧钢圆环，可根据实际承载能力需求采用合适的弹簧钢圆环层数以获得最佳的摩擦耗能和自复位效果，当工程结构的阻尼力需求较低时，可将三层弹簧钢圆环替换成两层弹簧钢圆环。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提出的表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，通过采用由底盘、缓冲橡胶、可移动滑块和导杆以及弹簧组成的可变表观质量飞轮，可随着飞轮旋转速度而改变飞轮的质量分布，进而实现惯容系统的惯容系数可变。
2.本发明提出的表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，通过各层环形弹簧之间相互摩擦耗能以及恢复环形弹簧初始形状的恢复力，可给阻尼器提供大吨位的阻尼力。
3.本发明提出的表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，通过可变表观质量飞轮和多层环形弹簧的相互贡献，可实现结构构件和非结构构件双重保护的性能目标。
附图说明
图1为本发明实施例一自复位阻尼器的整体外形结构示意图；
图2为本发明实施例一自复位阻尼器的整体剖面结构示意图；
图3为本发明实施例一自复位阻尼器的组件结构示意图；
图4为本发明实施例一的导杆式可变表观质量飞轮的组件结构示意图；
图5为本发明实施例一的六辐式可变表观质量飞轮的组件结构示意图；
图6为本发明实施例一的三辐式可变表观质量飞轮的组件结构示意图；
图7为本发明实施例二自复位阻尼器的整体剖面结构示意图；
图8为本发明实施例三自复位阻尼器的整体剖面结构示意图。
图中：1、连接端；2、可变表观质量飞轮；21、底盘；22、缓冲橡胶；23、滑块；24、导杆；25、弹簧；3、滚珠螺母；4、滚珠丝杠；5、推力轴承；6、内杆；7、钢垫板；8、多层环形弹簧；9、紧固螺母；10、外套筒。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例提供的表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，包括连接端1、可变表观质量飞轮2、滚珠螺母3、滚珠丝杠4、推力轴承5、内杆6、钢垫板7、多层环形弹簧8、紧固螺母9和外套筒10，如图1和图2所示。
如图3所示，在本实施例一中，连接端1均为带开孔耳板的圆柱形，其中靠近滚珠丝杠4一端开槽以保证连接端1与滚珠丝杠4固结；可变表观质量飞轮2的中间开孔并比滚珠丝杠4直径略大以避免与滚珠丝杠4发生摩擦，同时可变表观质量飞轮2与滚珠螺母3通过螺栓由可变表观质量飞轮2一侧打入以保证彼此固结；滚珠螺母3在远离可变表观质量飞轮2一侧通过螺纹固定圆形耳板，在圆形耳板的两侧安装有推力轴承5，由于推力轴承5始终被外套筒10限制轴向位移，从而保证滚珠螺母3在滚珠丝杠4进行往复运动时只发生旋转而不发生平动；内杆6为变截面的圆柱体，在靠近滚珠丝杠4一侧设置凹槽以保证滚珠丝杠4与内杆6固结，在远离滚珠丝杠4一侧设置有紧固螺母9；多层环形弹簧8的两端与左右侧的钢垫板7直接嵌套后放置在内杆6靠近滚珠丝杠4一侧；外套筒10为内部有不同凹槽的圆形钢管，滚珠螺母3、推力轴承5、钢垫板7、多层环形弹簧8和紧固螺母9均设置于外套筒10的内部，同时外套筒10与右侧连接端1可设置为一体化。
具体地，本实施例一的可变表观质量飞轮2由底盘21、缓冲橡胶22、滑块23、导杆24和弹簧25组成，且底盘21的内侧固定连接有导杆24，可移动滑块23活动套接于导杆24靠近底盘21中心的位置，导杆24远离底盘21中心的位置与弹簧25套接，如图4所示。当可变表观质量飞轮2旋转速度较低时，可移动滑块23受到的离心力
较小，并未沿着导杆24滑动，可变表观质量飞轮2的惯性力由底盘21和接近圆心位置的滑块23提供，因此可变表观质量飞轮2给阻尼器提供的惯容系数恒定；当可变表观质量飞轮2旋转速度较高(如受到近场脉冲型地震作用)时，可移动滑块23受到的离心力
较大，可移动滑块23会沿着导杆24远离飞轮中心，从而改变了可变表观质量飞轮2的质量分布，进而可变表观质量飞轮2的惯性力得到放大，最终反馈给阻尼器更大的惯性力。
具体地，当遭遇远场地震时，阻尼器发生指向(远离)外套筒10一侧的位移，靠近滚珠丝杠4的连接端1、滚珠丝杠4和内杆6以及紧固螺母9发生与阻尼器同方向同大小的位移，滚珠螺母3被推力轴承5限制其水平位移而发生旋转运动，进而带动可变表观质量飞轮2进行旋转，给阻尼器提供放大的惯性力；靠近(远离)滚珠丝杠4一侧的钢垫板7被内杆6(紧固螺母9)推动发生相同的水平位移，而远离(靠近)滚珠丝杠4一侧的钢垫板7被外套筒10约束住，因此多层环形弹簧8在阻尼器发生往复运动时始终被压缩而发生径向变形，各层环形弹簧间相互错动而发生摩擦耗能，同时外层的环形弹簧发生径向膨胀后存在径向收缩的趋势，内层的环形弹簧则在发生径向压缩后存在径向膨胀的趋势，因此内外层环形弹簧始终给阻尼器提供恢复弹簧初始位置的大吨位阻尼力，进而给阻尼器赋予自复位性能；此外，由于旋转速度较低，可变表观质量飞轮2中可移动滑块23受到的离心力不足使其沿着导杆24滑动，因此可变表观质量飞轮2给阻尼器提供惯容系数恒定的惯性力
(min为飞轮惯容系数)。
具体地，当遭遇近场地震时，阻尼器发生指向(远离)外套筒10一侧的位移，靠近滚珠丝杠4的连接端1、滚珠丝杠4和内杆6以及紧固螺母9发生与阻尼器同方向同大小的位移，滚珠螺母3被推力轴承5限制其水平位移而发生旋转运动，进而带动可变表观质量飞轮2进行旋转，给阻尼器提供放大的惯性力；靠近(远离)滚珠丝杠4一侧的钢垫板7被内杆6(紧固螺母9)推动发生相同的水平位移，而远离(靠近)滚珠丝杠4一侧的钢垫板7被外套筒10约束住，因此多层环形弹簧8在阻尼器发生往复运动时始终被压缩而发生径向变形，各层环形弹簧间相互错动而发生摩擦耗能，同时外层的环形弹簧发生径向膨胀后存在径向收缩的趋势，内层的环形弹簧则在发生径向压缩后存在径向膨胀的趋势，因此内外层环形弹簧始终给阻尼器提供恢复弹簧初始位置的大吨位阻尼力，进而给阻尼器赋予自复位性能；此外，由于旋转速度较大，可变表观质量飞轮2中可移动滑块23受到的离心力使其沿着导杆24滑动，因此可变表观质量飞轮2给阻尼器提供惯容系数可变的惯性力Fin＝
(m'in为滑块23滑动后给飞轮2附加的惯容系数)。
进一步地，本实施例一中的圆环材质为高强弹簧钢，可根据实际工程需求采用形状记忆合金或高强钢等其他钢材，来获得更好的变形能力。
进一步地，本实施例一中可变表观质量飞轮2为六辐导杆式飞轮，如图5所示，可根据实际工程需求(工程所需的附加惯容系数大小)，将不需要的滑块23、导杆24、弹簧25进行拆卸，从而变成三辐导杆式飞轮，其具体构造如图6所示，其工作原理并未改变。
实施例二
在实施例一的基础上，将实施例一中的多层环形弹簧具体采用三层弹簧钢圆环，可根据实际承载能力需求采用合适的弹簧钢圆环层数以获得最佳的摩擦耗能和自复位效果。当工程结构的阻尼力需求较低时，可将实施例一中的三层弹簧钢圆环替换成两层弹簧钢圆环，如图7所示。
实施例三
在实施例一的基础上，在实施例一的可变表观质量飞轮2的两侧均设置有滑块23，可根据工程实际需求仅在一侧设置滑块，如图8所示。此外，单侧或双侧滑块23和不同辐数的滑块23是可变惯容系数的重要几何参数，可根据工程需求进行任意组合，以取得最佳的惯容系数变化效果。
本发明上述实施例通过装有由底盘、缓冲橡胶、可移动滑块和导杆以及弹簧组成的可变表观质量飞轮来实现惯容系数可变，通过具有摩擦耗能和自复位能力的多层环形弹簧提供大吨位阻尼力，从而使得阻尼器具备表观质量可变、大吨位和自复位的优点。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (8)
1.一种表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，包括连接端(1)、可变表观质量飞轮(2)、滚珠螺母(3)、滚珠丝杠(4)、推力轴承(5)、内杆(6)、钢垫板(7)、多层环形弹簧(8)、紧固螺母(9)和外套筒(10)，其特征在于：所述连接端(1)为带开孔耳板的圆柱形，所述连接端(1)靠近滚珠丝杠(4)的一端开槽，且通过槽与滚珠丝杠(4)的一端进行固定连接，所述滚珠丝杠(4)的中段外部套设有可变表观质量飞轮(2)，所述可变表观质量飞轮(2)的中间开孔且比滚珠丝杠(4)直径大，所述可变表观质量飞轮(2)与滚珠螺母(3)通过螺栓由可变表观质量飞轮(2)一侧打入以保证彼此固结，所述滚珠螺母(3)在远离可变表观质量飞轮(2)的一侧通过螺纹固定圆形耳板，所述推力轴承(5)安装于圆形耳板的两侧，所述内杆(6)为变截面的圆柱体，且所述内杆(6)在靠近滚珠丝杠(4)的一侧开设有凹槽，且通过凹槽与滚珠丝杠(4)固定连接，所述内杆(6)远离滚珠丝杠(4)的一侧与紧固螺母(9)连接，所述多层环形弹簧(8)的两端与左右侧的钢垫板(7)直接嵌套后放置在内杆(6)截面较小的一侧，所述外套筒(10)为内部有不同凹槽的圆形钢管，所述滚珠螺母(3)、推力轴承(5)、钢垫板(7)、多层环形弹簧(8)和紧固螺母(9)均设置于外套筒(10)的内部，同时外套筒(10)与右侧连接端(1)可设置为一体化。
2.根据权利要求1所述的表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，其特征在于：所述可变表观质量飞轮(2)由底盘(21)、缓冲橡胶(22)、可移动滑块(23)、导杆(24)和弹簧(25)组成，且所述底盘(21)的内侧固定连接有导杆(24)，所述可移动滑块(23)活动套接于导杆(24)靠近缓冲橡胶(22)的位置，且一端与套设于底盘(21)中心位置的缓冲橡胶(22)接触但不连接，一端与弹簧(25)固结，所述弹簧(25)套接于导杆(24)远离底盘(21)中心的位置，且两端分别与滑块(23)、底盘(21)固结。
3.根据权利要求2所述的表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，其特征在于：所述可变表观质量飞轮(2)的类型可分为双面导杆型和单面导杆型，即导杆(24)为设置于可变表观质量飞轮(2)的一侧和两侧。
4.根据权利要求1所述的表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，其特征在于：所述可变表观质量飞轮(2)的类型可根据导杆(24)的数量分为三辐、六辐等不同辐数的飞轮。
5.根据权利要求1所述的表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，其特征在于：所述滚珠丝杠(4)左端与连接端(1)固结，右端依次穿过可变表观质量飞轮(2)、滚珠螺母(3)和推力轴承(5)，并与内杆(6)固结。
6.根据权利要求1所述的表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，其特征在于：所述内杆(6)依次穿过左侧的钢垫板(7)、多层环形弹簧(8)、右侧的钢垫板(7)和紧固螺母(9)。
7.根据权利要求1所述的表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，其特征在于：所述多层环形弹簧(8)为三层弹簧钢圆环。
8.根据权利要求1所述的表观质量可变的大吨位惯容型自复位阻尼器，其特征在于：所述多层环形弹簧(8)为两层弹簧钢圆环。
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