CN116446545A - 一种杠杆式参数可调型万向制振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及结构振动控制技术领域，特别是涉及一种杠杆式参数可调型万向制振装置。其包括悬吊结构、制振结构、支撑结构和筒体。本发明将单摆的连接件设计为刚性杠杆。外部设置有一定刚度的筒体提供杠杆的万向支点，通过调整筒体底部连接部位的垫片数量可调节支点的竖直位置。质量块设计为有一定厚度的球壳状，底部附有球壳形永磁体，其在运动中使下方球壳形导电金属板切割磁感线，由此产生磁性阻尼。通过调整导电金属板底部连接部位的垫片数量可调节金属板竖直位置，改变其所处位置的磁场强度，即可改变该电涡流阻尼的大小；本发明装置工作频率和阻尼可调，可减小任意方向振动，能应对各种复杂环境带来的结构振动，有效提高制振对象结构安全性。
Description
技术领域
本发明涉及结构振动控制技术领域，特别是涉及一种杠杆式参数可调型万向制振装置。
背景技术
随着城镇化发展和社会进步，高层建筑、设施越来越多，所面临的环境因素愈发复杂，尤其是摩天大楼、输电塔、风力发电机等高层建筑设施结构振动问题突出，严重影响结构安全乃至人身财产安全。高层建筑设施多受风激振动，此类振动特点是频率小、方向随机、激励时间长。目前，给高层建筑设施安装制振装置是控制结构振动，提高结构安全性的常见方式。控制此类振动的制振装置多为动力吸振结构，其类型分为传统悬吊摆式动力吸振器、质量-弹簧式动力吸振器、橡胶支撑式动力吸振器。
(1)传统悬吊摆式动力吸振器。利用单摆原理，在制振对象内部悬吊质量块，其振动频率由绳长决定。制振对象产生振动时，单摆自动偏向另一侧，产生制动力以减小制振对象的振动。传统悬吊摆式动力吸振器。所需质量块质量过大，占用空间大，难以施加阻尼，工作频率范围窄，不容易调整，难以应对复杂环境。
(2)质量-弹簧式动力吸振器。在盒体内部用两个压缩弹簧顶住质量块两侧，质量块可在弹簧伸缩方向运动，其振动频率由弹簧刚度和质量块的质量共同决定。制振对象产生振动时，质量块以相同频率向另一侧运动，产生制动力以减小制振对象的振动。质量-弹簧式动力吸振器。只能控制单向或双向振动，长时间运作摩擦损耗较大。
(3)橡胶支撑式动力吸振器。在制振对象水平面上用橡胶块支撑并连接质量块，其水平振动时振动频率由橡胶块刚度和质量块的质量共同决定，橡胶块同时提供阻尼。同样的，制振对象产生振动时，质量块以相同频率向另一侧运动，产生制动力以减小制振对象的振动。橡胶支撑式动力吸振器。长时间运作橡胶易老化降效，且只能支撑比较小的质量块，影响制振性能的发挥。
发明内容
本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种杠杆式参数可调型万向制振装置可控制任意方向振动，无需较大质量块的制振装置，可有效降低制振对象结构振动。
本发明的技术方案，一种杠杆式参数可调型万向制振装置，包括悬吊结构、制振结构、支撑结构和筒体，悬吊结构包括支座、球轴承和刚性连杆；支座固定在制振对象顶部结构的下部；球轴承安装在支座上万向旋转；刚性连杆顶部与球轴承连接，底部与制振结构连接；
支撑结构包括支撑肋片、底座、支架；底座设置在支架上；底座与支架之间设置垫片，支撑肋片设置在底座上，底座和支架上均设置通孔，使用第一螺栓和第一螺母连接固定；
制振结构包括质量块、磁体和导电金属板；质量块和导电金属板均为球壳形；质量块吊装在刚性连杆的底部，磁体安装在质量块的底部；导电金属板通过底座和支撑肋片固定；质量块、磁体和导电金属板三者球心重合；
质量块和磁体组成的整体在外界振动激励作用下绕球轴承作任意方向摆动；
筒体的顶板为圆盘状，其中心部位设置圆管状连接件；刚性金属杆上设置球形凸起；球形凸起与圆管连接件接触；筒体的底部设置筒体支架，筒体支架与筒体之间设置垫片；筒体支架与筒体上均设置螺纹孔，使用第二螺栓和第二螺母连接固定；
支架以及筒体支架下端均埋于制振对象基座内部。
优选的，垫片的数量根据所需调整的高度设置多个。
优选的，多个垫片叠加的厚度不超过圆管状连接件的高度。
优选的，磁体为球壳形。
优选的，磁体为多个小型平板状磁铁组合。
优选的，导电金属板与磁体之间的相对运动产生电涡流阻尼。
优选的，刚性连杆摆动受筒体的顶板的反向约束力。
优选的，刚性连杆与顶板之间的接触点为约束支点。
优选的，质量块和磁体整体质心所对的同半径侧面位置安装振动传感器测定制振装置的工作频率。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
本发明将动力吸振原理和杠杆原理相结合，由可控电涡流阻尼部件提供阻尼，改进传统单摆装置设计为制振装置。将单摆的连接件设计为刚性杠杆。外部设置有一定刚度的筒体提供杠杆的万向支点，通过调整筒体底部连接部位的垫片数量可调节支点的竖直位置，此为频率调节方式。质量块设计为有一定厚度的球壳状，底部附有球壳形永磁体，其在运动中使下方球壳形导电金属板切割磁感线，由此产生磁性阻尼。通过调整导电金属板底部连接部位的垫片数量可调节金属板竖直位置，改变其所处位置的磁场强度，及可改变该电涡流阻尼的大小，此为阻尼调节方式。
附图说明
图1为本发明中制振对象和制振装置模型图；
图2为本发明中顶板处的俯视图；
图3为本发明中制振对象和制振装置动力学模型；
图4为本发明中力学信号传递路线图；
图5为最佳质量比μ与固有角频率比Ωn/ωn和质量比μs的关系曲线图；
图6为制振装置安装后制振对象振幅比X1/U与频率比ω/Ωn的关系曲线图。
附图标记：1、制振对象顶部结构；2、制振对象侧壁支撑；3、制振对象基座；4、支座；5、球轴承；6、刚性连杆；7、质量块；8、磁体；9、导电金属板；10、支撑肋片；11、底座；12、支架；13、第一螺母；14、第一螺栓；15、顶板；16、筒体；17、球形凸起；18、第二螺栓；19、垫片；20、第二螺母；21、筒体支架。
具体实施方式
实施例1
本发明提出的一种杠杆式参数可调型万向制振装置，建筑设施即制振对象受到环境因素激励而产生振动后，制振对象顶部结构1和制振对象侧壁支撑2相对于制振对象基座3产生相对运动，该相对运动是影响整体结构安全性的根本问题。此时制振对象顶部结构1产生水平振动，带动刚性连杆6、质量块7和磁体8一起绕球轴承5摆动，摆动的方向与制振对象顶部结构1相反，从而产生制动力。
导电金属板9在切割磁感线的作用下，其内部产生涡电流，从而将质量块7和磁体8振动能量的一部分以热量的形式耗散掉。导电金属板9与磁体8之间产生电涡流阻尼，可防止质量块7和磁体8构件摆动幅度过大，同时也能拓宽该制振装置工作频率范围。
在本实施例中，通过改变底座11与支架12之间的垫片19数量，可调整导电金属板9与磁体8之间的相对距离，进而改变两者之间的电涡流阻尼大小；改变底座11与支架12之间的垫片数量，可调整上述电涡流阻尼的大小，以适应不同环境的外界振动激励。
筒体16的顶板15为有一定质量的构件，筒体16为有一定水平刚度的构件，以限制刚性金属连杆6的摆动，但不能完全限制。通过顶板15、筒体16和球形凸起17在刚性金属连杆6上形成另一个中间约束支点。在没有该结构时，支座4、球轴承5、刚性连杆6、质量块7和磁体8为传统单摆结构，当制振对象质量过大时，质量块7和磁体8需要较大的质量才能满足制振需求。在引入上述中间约束支点后，根据杠杆原理，可实现采用较小的质量块获得相同制振效果的目的。
同样的，改变筒体16与筒体支架21之间的垫片19数量，可调整上述摆动支点的位置，进而调整整个制振装置的工作频率，以适应不同环境的外界振动激励。本制振装置的工作频率，可在所有部件安装完成后，在质量块7和磁体8整体质心所对的同半径侧面位置安装振动传感器测得。
实施例2
考虑高层建筑设施结构特点，经合理简化，作出图3所示制振对象和制振装置动力学模型，画出该模型的力学信号传递路线图如图4所示。M(kg)为制振对象顶部结构质量，K(N/m)为制振对象侧壁支撑的水平刚度，x1(m)为M的水平位移，m(kg)为筒体支撑顶部结构质量，k(N/m)为筒体支撑侧壁的水平刚度，x2(m)为m的水平位移，mp(kg)为连杆下方连接的质量块质量，cp为质量块所受电涡流阻尼的大小，xp(m)为mp的水平位移，l1(m)为连杆中间约束支点上段长度，l2(m)为连杆中间约束支点下段长度，f(N)为制振对象顶部结构所受激振力，f＝Fsinωt。设U为制振对象顶部结构在静力F作用下的静变形，则U＝F/K。
把激振力写成f＝Fejωt，M的位移可以表示为这里，/>为x1的复数振幅。根据图4，列出/>与U之间的频率传递函数并用/>的形式表示，得：
引入下列参数定义
制振对象的固有角频率，rad/s
筒形支撑结构的固有角频率，rad/s
λ＝l2/l1：杠杆比
μs＝m/M：筒形支撑结构与制振对象的质量比
μ＝mp/M：单摆质量与与制振对象的质量比
阻尼比，(N·s/m)
利用这些参数，对①式进行整理，可得振幅倍率X1/U表示如③式所示。其中，忽略掉了分子中的ω3项。
其中：
设磁体朝下的面积为A，金属导体板厚度为t，电阻率为σ，金属导体板所处位置磁感应强度为B，则电涡流阻尼的计算公式如下：
m、k、l1、l2的数值可根据制振对象现场空间条件任意确定。
以上参数确定之后，μ和cp的参数确定公式分别如⑥式和⑦式所示。随即可按该cp数值根据⑤式设计电涡流阻尼各部件参数。至此本装置相关设计参数均设计完毕。
其中：
K0＝-2A2C2ω10+(2ABC2+6A2C)ω8-(4A2+8ABC)ω6+(4AC+2B2C+6AB-2BC2)ω4-(2C2-4A-2B2)ω2+(2B-2C)
⑨
K2＝(3A2F2+C2D2)ω8-(4ABF2+4CD2)ω6+(B2F2+4CDE+3D2+2AF2-C2E2)ω4-(4DE)ω2+(E2-F2)
⑩
K4＝-2F2D2ω6+2DEF2ω4
根据制振对象空间条件，初步指定m、k、l1、l2的值，则λ、Ωn、ωn、μs的值得以确定。根据式⑥画出当杠杆比λ＝5时，最佳质量比μ与固有角频率比Ωn/ωn和质量比μs的关系图如图5所示。
这幅图限定于杠杆比λ＝5的情况。对于不同的杠杆比，像这样做出对应的图表，则可以利用这些图表方便的进行设计，也可以对初步选定参数m、k、l1、l2的数值进行调整，使之符合空间安装条件并合乎成本考虑。
最佳质量比数值确定后，将其代入⑦式中，可以得到当前状态下最佳阻尼数值cp，随即可按该数值根据⑤式设计电涡流阻尼各部件参数。
当λ＝5、m/M＝0.1、Ωn/ωn＝1/3、μ＝0.0098时，根据③式做出制振对象振幅比X1/U与频率比ω/Ωn的关系曲线如图6所示。可见制振对象的振动被大幅度抑制。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。
Claims (9)
1.一种杠杆式参数可调型万向制振装置，包括悬吊结构、制振结构、支撑结构和筒体(16)，其特征在于，悬吊结构包括支座(4)、球轴承(5)和刚性连杆(6)；支座(4)固定在制振对象顶部结构(1)的下部；球轴承(5)安装在支座(4)上万向旋转；刚性连杆(6)顶部与球轴承(5)连接，底部与制振结构连接；
支撑结构包括支撑肋片(10)、底座(11)、支架(12)；底座(11)设置在支架(12)上；底座(11)与支架(12)之间设置垫片(19)，支撑肋片(10)设置在底座(11)上；底座(11)和支架(12)上均设置通孔，使用第一螺栓(14)和第一螺母(13)连接固定；
制振结构包括质量块(7)、磁体(8)和导电金属板(9)；质量块(7)和导电金属板(9)均为球壳形；质量块(7)吊装在刚性连杆(6)的底部，磁体(8)安装在质量块(7)的底部；导电金属板(9)通过底座(11)和支撑肋片(10)固定；质量块(7)、磁体(8)和导电金属板(9)三者球心重合；
质量块(7)和磁体(8)组成的整体在外界振动激励作用下绕球轴承(5)作任意方向摆动；
筒体(16)的顶板(15)为圆盘状，其中心部位设置圆管状连接件；刚性金属杆(6)上设置球形凸起(17)；球形凸起(17)与圆管连接件接触；筒体(16)的底部设置筒体支架(21)，筒体支架(21)与筒体(16)之间设置垫片(19)；筒体支架(21)与筒体(16)上均设置通孔，使用第二螺栓(18)和第二螺母(20)连接固定；
支架(12)以及筒体支架(21)下端均埋于制振对象基座(3)内部。
2.根据权利要求1所述的一种杠杆式参数可调型万向制振装置，其特征在于，垫片(19)的数量根据所需调整的高度设置多个。
3.根据权利要求2所述的一种杠杆式参数可调型万向制振装置，其特征在于，多个垫片(19)叠加的厚度不超过圆管状连接件的高度。
4.根据权利要求1所述的一种杠杆式参数可调型万向制振装置，其特征在于，磁体(8)为球壳形。
5.根据权利要求1所述的一种杠杆式参数可调型万向制振装置，其特征在于，磁体(8)为多个小型平板状磁铁组合。
6.根据权利要求1所述的一种杠杆式参数可调型万向制振装置，其特征在于，导电金属板(9)与磁体(8)之间的相对运动产生电涡流阻尼。
7.根据权利要求1所述的一种杠杆式参数可调型万向制振装置，其特征在于，刚性连杆(6)摆动受筒体(16)的顶板(15)的反向约束力。
8.根据权利要求1所述的一种杠杆式参数可调型万向制振装置，其特征在于，刚性连杆(6)与顶板(15)之间的接触点为约束支点。
9.根据权利要求1所述的一种杠杆式参数可调型万向制振装置，其特征在于，质量块(7)和磁体(8)整体质心所对的同半径侧面位置安装振动传感器测定制振装置的工作频率。
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