CN115030342B - 一种表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器 - Google Patents

一种表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明属于土木工程抗震技术领域，公开了一种表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器，本发明包括连接端、可变表观质量飞轮、滚珠螺母、滚珠丝杠、推力轴承、两组多层环形弹簧、内杆、两组钢垫板、两组紧固螺母和外套筒，可变表观质量飞轮由底盘、缓冲橡胶、可移动滑块和滑槽以及弹簧组成；滚珠丝杠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；内杆交替穿过两组多层环形弹簧、两组钢垫板以及两组紧固螺母。本发明通过可变表观质量飞轮来实现惯容系数可变，通过多层环形弹簧提供大吨位阻尼力，通过多组多层环形弹簧和合理构造来实现双阶自复位特性，从而使得阻尼器具备表观质量可变、大吨位和双阶自复位的优点。

Description

一种表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器
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双阶自复位阻尼器。
背景技术
可恢复功能结构是指地震后不需修复或稍加修复即可恢复其使用功能的结构，需要同时控制结构的层间变形、残余变形及楼层加速度响应来实现其震后功能可恢复。传统的自复位阻尼器和惯容系统分别能够有效控制残余变形和加速度响应，但在近场地震作用下或不能取得良好的控制效果。
结构楼层加速度作为可恢复功能结构的重要评价指标之一，需要在结构中安装加速度相关型振动控制装置(如惯容器)才能得到有效控制。目前惯容器的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时，现有的惯容器系统或不能取得很好的加速度控制效果。此外，现有的自复位阻尼器往往是基于远场地震动设计的，当遭遇超设防地震，尤其是近断层地震时，会存在自复位材料超过行程而断裂的风险，不能很好适应结构多水准抗震设防。
目前，传统的自复位阻尼器和惯容系统难以满足结构多水准抗震设防尤其是近断层地震的需求，因此迫切需要研发具备表观质量可变、多阶自复位和承载能力高的新型阻尼器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器，以解决上述背景技术中提出的问题。
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双阶自复位阻尼器，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、第一组钢垫板、第二组钢垫板、第一组多层环形弹簧、第二组多层环形弹簧、第一组紧固螺母、第二组紧固螺母和外套筒。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，所述内杆在远离滚珠丝杠的一侧分别设置有第一组紧固螺母和第二组紧固螺母，第一组多层环形弹簧的两端与第一组钢垫板直接嵌套后放置在内杆靠近滚珠丝杠一侧，第二组多层环形弹簧的两端与第二组钢垫板直接嵌套后放置在内杆远离滚珠丝杠一侧，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、第一组钢垫板、第二组钢垫板、第一组多层环形弹簧、第二组多层环形弹簧、第一组紧固螺母和第二组紧固螺母均设置于外套筒内部，同时外套筒与右侧连接端设置为一体化。
优选的，所述可变表观质量飞轮由底盘、缓冲橡胶、可移动滑块和滑槽以及弹簧组成，且所述底盘的内侧固定安装有滑槽，所述可移动滑块放置在滑槽内且位于靠近缓冲橡胶的位置，一端与套设在底盘中心位置的缓冲橡胶接触但不连接，一端与弹簧固结，所述弹簧安装于滑槽内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，所述内杆依次穿过第一组钢垫板、第一组多层环形弹簧、第一组紧固螺母、第二组钢垫板、第二组多层环形弹簧和第二组紧固螺母。
优选的，所述可变表观质量飞轮的类型根据滑槽的数量分为三辐、六辐等不同辐数的飞轮。
优选的，所述可变表观质量飞轮的类型分为双面滑槽型和单面滑槽型，即滑槽为设置于可变表观质量飞轮的一侧和两侧。单侧或双侧滑槽滑块和不同辐数的滑槽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，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.该表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器，通过由底盘、缓冲橡胶、可移动滑块和滑槽以及弹簧组成的可变表观质量飞轮，可实现飞轮的惯容系数随飞轮旋转速度变化而变化，进而拓宽惯容系统的工作范围。
2.该表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器，通过在内杆中配置多组由多层环形弹簧组成的自复位组件和合理构造，可实现双阶自复位目标。
3.该表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器，通过在内杆中放置多个多层环形弹簧，由于多层环形弹簧的轴向刚度串联效应使得阻尼器的轴向刚度及承载能力得到一定的提高以满足大吨位的工程需求。
附图说明
图1是本发明实施例一双阶自复位阻尼器的整体外形结构示意图；
图2是本发明实施例一的剖面示意图；
图3是本发明实施例一的组件装配结构示意图；
图4是本发明实施例一的可变表观质量飞轮组件结构示意图；
图5是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是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是本发明实施例二双阶自复位阻尼器的整体剖面结构示意图；
图8是本发明实施例三双阶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、滑槽；25、弹簧；3、滚珠螺母；4、滚珠丝杠；5、推力轴承；6、内杆；71、第一组钢垫板；72、第二组钢垫板；81、第一组多层环形弹簧；82、第二组多层环形弹簧；91、第一组紧固螺母；92、第二组紧固螺母；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
本实施例中提供的表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器，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、第一组钢垫板71、第二组钢垫板72、第一组多层环形弹簧81、第二组多层环形弹簧82、第一组紧固螺母91、第二组紧固螺母92和外套筒10，如图1和图2所示。
如图3所示，本实施例中，连接端1均为带开孔耳板的圆柱形，其中靠近滚珠丝杠4的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，进而保证滚珠螺母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4一侧分别设置有第一组紧固螺母91和第二组紧固螺母92；第一组多层环形弹簧81的两端与第一组钢垫板71直接嵌套后放置在内杆6靠近滚珠丝杠4一侧，第二组多层环形弹簧82的两端与第二组钢垫板72直接嵌套后放置在内杆6远离滚珠丝杠4一侧；外套筒10为内部有不同凹槽的圆形钢管，同时外套筒10与右侧连接端1可设置为一体化。
具体地，本实施例的可变表观质量飞轮2由底盘21、缓冲橡胶22、滑块23和滑槽24以及弹簧25组成，如图4所示。当飞轮2旋转速度较低时，可移动滑块23受到的离心力
Figure BDA0003651121200000051
较小，并未沿着滑槽24滑动，因此飞轮2的惯性力恒定；当飞轮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
Figure BDA0003651121200000052
较大，可移动滑块23会沿着滑槽24远离飞轮中心，从而改变了飞轮2的质量分布，进而飞轮2的惯容系数得到改变，最终反馈给阻尼器更大的惯性力。
具体地，本实施例中第一组多层环形弹簧81与第一组钢垫板71组成第一个自复位组件，第二组多层环形弹簧82与第二组钢垫板72组成第二组自复位组件，同时两个自复位组件保持一定间距(L1)，从而使得阻尼器具备二次变刚度的特点，进而更容易满足多水准地震设计，尤其是近断层地震下阻尼器的设计与制作。
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(小于L1)，靠近滚珠丝杠4的连接端1、滚珠丝杠4、内杆6和第一组紧固螺母91以及第二组紧固螺母92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4一侧的第一组钢垫板71被内杆6(第一组紧固螺母91)推动发生相同的水平位移，而远离(靠近)滚珠丝杠4一侧的第一组钢垫板71被外套筒10约束住，因此第一组多层环形弹簧81被压缩，第一组多层环形弹簧81的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，第二组多层环形弹簧82因未被第一组紧固螺母91(第二组紧固螺母92)挤压而处于原始状态；可变表观质量飞轮2的旋转速度较低，飞轮2内的可移动滑块23受到的离心力不足使其沿着滑槽24滑动，因此质量飞轮2给阻尼器提供惯容系数恒定的惯性力
Figure BDA0003651121200000061
(min为质量飞轮惯容系数)。
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(大于L1)，靠近滚珠丝杠4的连接端1、滚珠丝杠4、内杆6和第一组紧固螺母91以及第二组紧固螺母92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4一侧的第一组钢垫板71被内杆6(第一组紧固螺母91)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71被外套筒10约束住，因此第一组多层环形弹簧81被压缩，第二组多层环形弹簧82由于被第一组紧固螺母91(第二组紧固螺母92)挤压而同样处于压缩状态，两组多层环形弹簧均发生径向变形，从而给阻尼器赋予双阶自复位性能；可变表观质量飞轮2的旋转速度较大，飞轮内的可移动滑块23受到的离心力使其沿着滑槽24滑动，因此质量飞轮2给阻尼器提供惯容系数可变的惯性力
Figure BDA0003651121200000062
(
Figure BDA0003651121200000063
为滑块滑动后给飞轮附加的惯容系数)。
进一步地，本实施例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。
进一步地，本实施例中可变表观质量飞轮2为六辐滑槽式飞轮，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、滑槽24、弹簧25进行拆卸，从而变成三辐滑槽式飞轮，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，在实施例一中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23，如图8所示。此外，单侧或双侧滑块23、滑槽24和不同辐数的滑块23、滑槽24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可变表观质量飞轮来实现惯容系数可变，通过多层环形弹簧提供大吨位阻尼力，通过多组多层环形弹簧和合理构造来实现双阶自复位特性，从而使得阻尼器具备表观质量可变、大吨位和双阶自复位的优点。
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双阶自复位阻尼器，其特征在于：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)、第一组钢垫板(71)、第二组钢垫板(72)、第一组多层环形弹簧(81)、第二组多层环形弹簧(82)、第一组紧固螺母(91)、第二组紧固螺母(92)和外套筒(10)； 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)在远离滚珠丝杠(4)的一侧分别设置有第一组紧固螺母(91)和第二组紧固螺母(92)，第一组多层环形弹簧(81)的两端与第一组钢垫板(71)直接嵌套后放置在内杆(6)靠近滚珠丝杠(4)一侧，第二组多层环形弹簧(82)的两端与第二组钢垫板(72)直接嵌套后放置在内杆(6)远离滚珠丝杠(4)一侧，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)、第一组钢垫板(71)、第二组钢垫板(72)、第一组多层环形弹簧(81)、第二组多层环形弹簧(82)、第一组紧固螺母(91)和第二组紧固螺母(92)均设置于外套筒(10)内部，同时外套筒(10)与右侧连接端(1)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双阶自复位阻尼器，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)和滑槽(24)以及弹簧(25)组成，且所述底盘(21)的内侧固定安装有滑槽(24)，所述可移动滑块(23)放置在滑槽(24)内且位于靠近缓冲橡胶(22)的位置，一端与套设在底盘(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)安装于滑槽(24)内远离底盘(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1所述的表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器，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。
4.根据权利要求1所述的表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器，其特征在于：所述内杆(6)依次穿过第一组钢垫板(71)、第一组多层环形弹簧(81)、第一组紧固螺母(91)、第二组钢垫板(72)、第二组多层环形弹簧(82)和第二组紧固螺母(92)。
5.根据权利要求2所述的表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器，其特征在于：所述可变表观质量飞轮(2)的类型根据滑槽(24)的数量分为三辐、六辐不同辐数的飞轮。
6.根据权利要求2所述的表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器，其特征在于：所述可变表观质量飞轮(2)的类型分为双面滑槽型和单面滑槽型，即滑槽(24)为设置于可变表观质量飞轮(2)的一侧和两侧。
7.根据权利要求1所述的表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器，其特征在于：多层环形弹簧为三层弹簧钢圆环。
8.根据权利要求1所述的表观质量可变的大吨位惯容型双阶自复位阻尼器，其特征在于：多层环形弹簧为两层弹簧钢圆环。
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