CN114934968A - 一种低指数粘滞阻尼器 - Google Patents

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刘科峰
胡文军
杨光武
邹敏勇
闫蕾蕾
王东绪
汪威
刘奇顺
郑亚鹏
李林
彭栋
程子涵
单秋伟
翟宇奇
陈鑫
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Abstract

本发明公开了一种低指数粘滞阻尼器。它包括缸筒和活塞杆，所述缸筒两端设有端盖，所述活塞杆两端从端盖伸出，所述活塞杆中部固定有活塞，活塞位于缸筒中将其分成第一腔室和第二腔室，所述活塞上设有连通第一腔室与第二腔室的阻尼通道，所述阻尼通道包括多个间隙流道，多个间隙流道之间不连通，每个间隙流道两端分别连通第一腔室与第二腔室，间隙流道的两侧中至少一侧不贯穿活塞侧壁，间隙流道的两侧之间不连通。本发明在活塞上设置若干个多层非连续间隙流道，在低速下增大了剪切阻尼力，提高了低速下的阻尼力，满足0.5mm/s开始的速度本构关系，低速下性能更加稳定，产品更可靠，同时充分提高耗能效率。

Description

一种低指数粘滞阻尼器
技术领域
本发明属于减震(振)技术领域，具体涉及一种用于桥梁结构工程中的低指数粘滞阻尼器。
背景技术
现有粘滞阻尼器的常用结构有两种，一是剪切型：通过内部叶片或钢板与内部介质之间的剪切作用产生阻尼效果，达到耗能的目的；二是射流型，活塞上开有阻尼小孔或留有间隙，活塞杆在结构变形作用下推动活塞与缸体之间发生相对运动，活塞的往复运动带动内部介质的流动，分子产生相对运动不可恢复，分子之间产生内摩擦力，进而转换成热能；另外内部流体与固态缸体表面的摩擦力转换成热能，这样将地震能转化为分子热能，进而产生阻尼效果，达到耗能的目的。
剪切型阻尼器，内部无压力增加，且高速下阻尼介质稀化，因此通常阻尼力较小，很难满足桥梁减震的需求；射流型阻尼器，两侧腔体可以产生压力差，可以提供较大的阻尼力，因此目前被广泛应用于桥梁工程领域，但是由于孔或间隙的存在，目前行业普遍认同速度指数在0.3～2.0，而如果需要获得速度指数更小(<0.3)的阻尼出力形式，则只能采用压力感应阀型结构，而阀门在长期工作下的耐久性不强是压力阀型阻尼器的主要缺陷，其极易故障，而且感应阀门类阻尼器的应用都不得不面临全尺寸试验的要求，这些试验往往要测试能预期到的在实际应用过程中阻尼器所能达到的最大速度及频率，而有时设计吨位过大试验设备往往不能满足要求。
对于现有的速度指数α(0.3～1)阻尼器在公路、建筑领域作为抗震使用是可以的，因为这些工程对制动力及位移要求不高，而且同一速度、力的参数，指数不同，在高速工况下耗能差距不大。
从图4速度—力本构关系曲线可以明显的看出，α＝0.1在1mm/s 就已经产生了阻尼力，可以抵御车辆微振动要求，而α＝0.3、α＝0.5无法做到这一点。
从图5速度—力本构关系曲线可以明显的看出，在日常小速度工况下，α＝0.1产生的作用力远大于α＝0.3、α＝0.5的曲线，可以有效的制约日常车辆产生的微振动。
从图6、7速度—力本构关系曲线可以明显的看出，同一速度、力，指数不同，α＝0.1滞回圈更饱满，在地震中能获得最大限度的能量耗散，地震过程中会在很短的时间在很宽的速度范围内产生极高的能量。
小孔式粘滞阻尼器是在活塞上面布置一个或多个相同或不同直径的细长孔，利用粘滞液体通过小孔产生阻尼力，该种结构活塞上常设置密封件，阻止粘滞液体通过活塞与缸筒之间的间隙。小孔式结构压强差为
Figure RE-GDA0003734214150000021
在该结构下，需要小孔直径d小；长度l、粘滞液体粘度大(粘度与速度相关)、介质流动速度慢，才能较好的满足本构关系F＝Cvα的需求。实际曲线如图8，因此该类结构有以下不足之处：
1、细长孔加工困难，精度难以控制；
2、低速时，阻尼力较低；
3、高速运动情况下，粘滞液体出现紊流，运动不稳定，阻尼力急剧增大；
4、粘滞液体主要通过细长孔流动，产生的热能主要集中在细长孔附近，瞬间能量无法快速通过缸筒迅速传递出去。
间隙式粘滞阻尼器是利用缸筒与活塞之间预留的小间隙，粘滞液体通过间隙时产生剪切阻尼力。实际曲线如图9，该类结构有以下不足之处：
1)在低速下，阻尼力较低。
2)为节约成本，活塞杆多采用分段式结构，导致活塞在运动过程中产生偏心及抖动，因此阻尼力不平稳，密封件加速磨损，影响寿命。
3)间隙结构对于缸筒与活塞的加工精度、同心度及圆度等要求很高，而实际生产中很难保证达到理论要求，因此往往试验结果偏差较大，严重的情况下还会出现活塞磨缸筒的现象，影响产品的使用寿命。
低指数阻尼器在很小的速度，通常只有零点几毫米每秒的速度下就需要比较大的阻尼力，现有的剪切型阻尼器及常规孔或间隙结构的射流型阻尼器显然无法实现。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种性能稳定、在0.5mm/s开始均能满足较好的低指数本构关系的粘滞阻尼器，以解决现有阻尼器无法满足低速情况下获得较高阻尼力的技术问题。
本发明采用的技术方案是：一种低指数粘滞阻尼器，包括缸筒和活塞杆，所述缸筒两端设有端盖，所述活塞杆两端从端盖伸出，所述活塞杆中部固定有活塞，活塞位于缸筒中将其分成第一腔室和第二腔室，所述活塞上设有连通第一腔室与第二腔室的阻尼通道，所述阻尼通道包括多个间隙流道，多个间隙流道之间不连通，每个间隙流道两端分别连通第一腔室与第二腔室，间隙流道的两侧中至少一侧不贯穿活塞侧壁，间隙流道的两侧之间不连通。
进一步地，所述间隙流道的宽度a为0.3mm～2mm。
进一步地，所述间隙流道两侧之间的长度b为b≥5a。
进一步地，所述间隙流道为平面结构。
进一步地，间隙流道的一侧贯穿活塞的外壁。
进一步地，所述间隙流道为弧面结构。
进一步地，所述多个间隙流道均为平面结构，多个间隙流道沿活塞圆周均匀间隔布置。
进一步地，所述间隙流道所在的平面与活塞的轴线重合。
进一步地，所述多个间隙流道均为弧面结构，多个间隙流道在活塞上呈同心圆布置。
更进一步地，所述多个间隙流道为平面结构和弧面结构的组合。
本发明在活塞上设置若干个多层非连续间隙流道，在低速下增大了剪切阻尼力，提高了低速下的阻尼力；在高速下因阻尼介质的剪切稀化原理，能够减弱剪切阻尼力，从而获得理论的阻尼力。与现有的阻尼器相比，采用的多层间隙流道结构可以实现低指数本构关系，保证了阻尼器的阻尼性能，满足0.5mm/s开始的速度本构关系，低速下性能更加稳定，产品更可靠，同时充分提高耗能效率；采用的镜面整体活塞杆结构抗弯能力强、磨耗小，保证了密封系统的使用寿命，同时低速下性能更加稳定。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明活塞上阻尼通道的一种实施例示意图。
图3为本发明活塞上阻尼通道的另一种实施例示意图。
图4为不同速度指数速度—力本构曲线示意图。
图5为日常车辆微振动工况下不同速度指数速度—力本构曲线示意图。
图6为地震工况下不同速度指数速度—力本构曲线示意图。
图7为不同速度指数的位移-阻尼力模型。
图8为小孔式粘滞阻尼器在阻尼指数为0.1时的力-速度本构关系曲线图。
图9为间隙式粘滞阻尼器典型在阻尼指数为0.1时的力-速度本构关系曲线。
图10为本发明低指数粘滞阻尼器在阻尼指数为0.1时的力—速度本构曲线示意图。
图中，1-第一耳板；2-缓冲弹簧；3-活塞杆；4-端盖；5-缸筒；6- 活塞；6.1-外壁；6.2-内壁；7-阻尼介质；8-连接筒组件；9-阻尼通道； 10-第二耳板；11-间隙流道；11.1-一侧；11.2-另一侧；12-第一腔室； 13-第二腔室。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
目前，粘滞性阻尼器主要采用高粘度硅油作为填充材料，使用间隙作为流道，产生的压力差如下：
Figure RE-GDA0003734214150000051
粘滞性阻尼器使用的高粘度硅油有剪切稀化的特性，根据该特性及上述压力差公式得出:
对间隙式阻尼器有F2＝C2vα，由于α仅与硅油品种有关，而硅油品种有限，因此会出现阻尼指数无法完全相同的情况。
为解决低速下阻尼力偏低的问题，本发明通过设置多层间隙流道的方式，增大剪切阻尼力，以此来增加小速度工况下的阻尼力，而高速作用下，由于硅油介质的稀化，剪切阻尼力的影响相应减小，以此来满足从低速到高速全速度范围的较好本构关系曲线。
利用上述原理，本发明设计一种低指数粘滞阻尼器，如图1-3所示，包括缸筒5和活塞杆3，所述缸筒5两端设有端盖4，所述活塞杆 3两端从端盖4伸出，所述活塞杆3中部固定有活塞6，活塞6位于缸筒5中将其分成第一腔室12和第二腔室13，所述活塞6上设有连通第一腔室12与第二腔室13的阻尼通道9，所述阻尼通道9包括多个间隙流道11，多个间隙流道11之间不连通，每个间隙流道11两端分别连通第一腔室12与第二腔室13，间隙流道11的两侧中至少一侧不贯穿活塞6侧壁，间隙流道11的两侧之间不连通，即间隙流道11的一侧11.1贯穿活塞外壁6.1时，间隙流道11的另一侧11.2一定不能贯穿活塞的内壁6.2，设置多个间隙流道后，活塞还是一整体结构，间隙流道不能将活塞分割成分离的几部分。
本发明通过活塞上设置若干个多层非连续间隙流道结构，该结构在低速下增大了剪切阻尼力，提高了低速下的阻尼力；在高速下因阻尼介质的剪切稀化原理，能够减弱剪切阻尼力，从而获得理论的阻尼力。与现有的阻尼器相比，本发明采用的多层间隙流道结构可以实现低指数本构关系，保证了阻尼器的阻尼性能。如图10所示，为本发明低指数粘滞阻尼器阻尼指数为0.1，阻尼系数为2500kN/(m/s)0.1，设计阻尼力为2000kN的速度与力的本构曲线，满足0.5mm/s开始的速度本构关系，在0.5mm/s的速度下，阻尼力就达到1169.1kN。在10％的设计速度就能达到80％的设计阻尼力。这是其他高指数阻尼器无法达到的耗能效果。本发明低速下性能更加稳定，产品更可靠，同时充分提高耗能效率，本发明实现的低指数是指速度指数在0.1及以下。
上述方案中，所述间隙流道11的宽度a为0.3mm～2mm，优选为 0.5mm或0.8mm或1.0mm或1.2mm或1.5mm或1.7mm；当间隙流道为平面结构时，间隙流道11两侧之间的长度b为5a≤b＜活塞直径，优选为5a≤b＜活塞半径；当间隙流道为圆弧面结构时，间隙流道11 两侧之间的长度b为5a≤b＜该弧所在圆周的周长，优选为5a≤b＜该弧所在圆的直径或半径。合适的间隙流道宽度及长度能够更好的保证阻尼器的阻尼性能。
上述方案中，间隙流道11的数量及结构形式可以根据加工需求及产品性能确定，间隙流道可以是多种形式，如间隙流道11可以为平面结构或弧面结构，也可以是两者组合成的曲面结构或折面结构。所述多个间隙流道11可以均为平面结构，也可以均为弧面结构，或者是平面结构和弧面结构的组合。间隙流道11为平面结构时，可以一侧贯穿活塞外壁6.1或内壁6.2；或间隙流道11位于活塞6内部，两侧均不贯穿活塞的外壁和内壁。多个间隙流道可以沿活塞圆周均匀间隔布置或对称布置或非对称、非均匀间隔布置。多个间隙流道均为圆弧面结构时，多个间隙流道在活塞上可以呈同心圆布置，也可以不同心布置。
上述方案中，还包括一端开口的连接筒组件8，所述连接筒组件8 开口的一端与缸筒5一端固定连接，活塞杆3伸出缸筒端盖外的一端伸入到连接筒组件8内部，活塞杆3另一端设有第一耳板1，第一耳板1与端盖之间还可以设置缓冲弹簧2，所述连接筒组件8另一端外侧设有第二耳板10，活塞杆3伸入到连接筒组件8内部的一端设有活塞杆帽(图中未显示出)，活塞杆帽侧壁贴合连接筒组件8内壁。通过设置连接筒组件8为活塞杆3的提供运动空间，第一耳板1和第二耳板10分别与结构或构件固定连接，活塞6在缸筒5内运动时，设有活塞杆帽的活塞杆的一端在连接筒组件8内运动。
上述方案中，为了提高产品的使用寿命，采用整体活塞杆替代分体活塞杆，在阻尼力的作用下，整体活塞杆结构抗弯能力强，一次装夹加工，保证了活塞杆的同轴度要求，提高了密封件的使用寿命，避免了分体活塞杆存在的不同心问题，同时有效的减少了活塞抖动的情况，提高阻尼器性能稳定性。活塞杆表面镜面抛光工艺，光洁度达到 0.2um以上，减小密封件的磨损。
实施例1
本实施提供一种低指数粘滞阻尼器，包括缸筒5和活塞杆3，所述缸筒5两端设有端盖4，所述活塞杆3两端从端盖4伸出，所述活塞杆3中部固定有活塞6，活塞6位于缸筒5中将其分成第一腔室11 和第二腔室12，所述活塞5上设有连通第一腔室11与第二腔室12的阻尼通道9，所述阻尼通道9包括10个间隙流道11，如图2所示，10 个间隙流道11之间不连通，每个间隙流道11两端分别连通第一腔室 12与第二腔室13，10个间隙流道11均为平面结构，10个间隙流道 11沿活塞圆周均匀间隔布置，且间隙流道11所在的平面与活塞6的轴线重合，为了方便加工，间隙流道11的一侧贯穿活塞6的外壁6.1。
实施例2
本实施提供一种低指数粘滞阻尼器，包括缸筒5和活塞杆3，所述缸筒5两端设有端盖4，所述活塞杆3两端从端盖4伸出，所述活塞杆3中部固定有活塞6，活塞6位于缸筒5中将其分成第一腔室11 和第二腔室12，所述活塞5上设有连通第一腔室11与第二腔室12的阻尼通道9，所述阻尼通道9包括6个间隙流道11，如图3所示，6 个间隙流道11之间不连通，每个间隙流道11两端分别连通第一腔室 12与第二腔室13，6个间隙流道11均为圆弧面结构，6个间隙流道11在活塞6上呈同心圆布置且同心圆的圆心与活塞轴心重合，6个间隙流道分成两层，两层的间隙流道所在的圆的半径不相同，每层的3 间隙流道所在的圆的轮廓重合。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，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。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种低指数粘滞阻尼器，其特征在于：包括缸筒(5)和活塞杆(3)，所述缸筒(5)两端设有端盖(4)，所述活塞杆(3)两端从端盖(4)伸出，所述活塞杆(3)中部固定有活塞(6)，活塞(6)位于缸筒(5)中将其分成第一腔室(12)和第二腔室(13)，所述活塞(6)上设有连通第一腔室(12)与第二腔室(13)的阻尼通道(9)，其特征在于：所述阻尼通道(9)包括多个间隙流道(11)，多个间隙流道(11)之间不连通，每个间隙流道(11)两端分别连通第一腔室(12)与第二腔室(13)，间隙流道(11)的两侧中至少一侧不贯穿活塞(6)侧壁，间隙流道(11)的两侧之间不连通。
2.根据权利要求1所述的低指数粘滞阻尼器，其特征在于：所述间隙流道(11)的宽度a为0.3mm～2mm。
3.根据权利要求1所述的低指数粘滞阻尼器，其特征在于：所述间隙流道(11)两侧之间的长度b为b≥5a。
4.根据权利要求1所述的低指数粘滞阻尼器，其特征在于：所述间隙流道(11)为平面结构。
5.根据权利要求4所述的低指数粘滞阻尼器，其特征在于：所述间隙流道(11)的一侧贯穿活塞的外壁。
6.根据权利要求1所述的低指数粘滞阻尼器，其特征在于：所述多个间隙流道(11)均为平面结构，多个间隙流道沿活塞圆周均匀间隔布置。
7.根据权利要求6所述的低指数粘滞阻尼器，其特征在于：所述间隙流道(11)所在的平面与活塞的轴线重合。
8.根据权利要求1所述的低指数粘滞阻尼器，其特征在于：所述间隙流道(11)为弧面结构。
9.根据权利要求1所述的低指数粘滞阻尼器，其特征在于：所述多个间隙流道(11)均为弧面结构，多个间隙流道在活塞上呈同心圆布置。
10.根据权利要求1所述的低指数粘滞阻尼器，其特征在于：所述多个间隙流道(11)为平面结构和弧面结构的组合。
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