CN117211436A - 一种双飞轮可重置惯性阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于结构消能减震(振)技术领域，涉及到一种双飞轮可重置惯性阻尼器，是一种可应用于中小型土木结构中的被动消能减震(振)器，用来抑制结构在地震作用或风荷载下的振动。该装置由滚珠丝杠传动系统、双飞轮单向转动系统与电涡流阻尼系统配套实现。本发明保证了在结构往复运动过程中阻尼器在结构速度大小超越飞轮速度阶段提供惯性力和阻尼力，其余阶段不提供控制力，同时飞轮在该时间段内减速制动，使得结构往复运动时可以持续在加速阶段获得惯性力和阻尼力，兼具了被动控制的稳定可靠和瞬时最优控制的高性能。
Description
技术领域
本发明属于结构消能减震(振)技术领域，涉及到一种双飞轮可重置惯性阻尼器，是一种可应用于土木结构中的被动消能减震(振)装置，用于抑制结构在地震或风荷载下的振动。
背景技术
提高土木结构和基础设施的服役性能是当前防灾减灾工作的重点，有力提高土木结构的抗风、抗震性能以保证生命财产安全具有重要的战略意义。被动控制策略不依赖于外部能源的输入，是一种稳定、可靠的振动控制策略，被广泛应用于土木结构的振动控制中。
近年来，一种新型减震(振)器—惯容器由于其出色的质量放大效应获得了土木工程中领域的广泛关注，该减震(振)器理论模型为两节点力学单元，可提供正比于两端相对加速度的惯性力，比例系数即为惯容器的惯容系数。相关研究表明，惯容器在结构减速阶段提供的附加惯性力是与结构运动方向同向的推力，对结构响应的抑制带来了不利作用。解决此问题可在惯容器飞轮与传动系统间引入类似离合作用的单向转动机制(棘轮或单向轴承)，使得结构只在加速阶段时驱动飞轮获得附加惯性力，而在减速阶段飞轮的单向转动被自动激活，飞轮惯性无法回传给结构，避免了不利推力施加给结构。然而，飞轮由于缺乏耗能减速机制在减速脱离结构后动能无法被消耗，飞轮将按一定速度持续空转，使得结构在加速阶段无法从静止驱动飞轮获得惯性力，因此单纯具有离合作用的惯容器的减震(振)效果大打折扣。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种具有离合作用和飞轮耗能减速机制的双飞轮惯容减震(振)装置，即双飞轮可重置惯性阻尼器。该装置可利用电涡流阻尼在飞轮减速阶段实现飞轮的减速或制动，确保飞轮在结构加速阶段前处于低速或静止状态，实现了在结构每个振动周期的加速阶段，装置可提供惯性力和阻尼力。
本发明的技术方案是：
一种双飞轮可重置惯性阻尼器，包括滚珠丝杠传动系统、双飞轮单向转动系统和电涡流阻尼系统。
所述的滚珠丝杠传动系统，包括装置外壳、安装连接环1、丝杠2、滚珠螺母3、端部挡圈4、滚珠螺母夹具5、单向轴承6、中间套筒连接对7、推力球轴承8、深沟轴承9、端部套筒连接件10和螺丝11；所述的装置外壳为筒体结构，两端端盖通过螺丝11连接固定，其中一个端盖上设有一个安装连接环1，另一个端盖上设有中心圆孔，丝杠2通过圆孔穿出外壳，丝杠2的一端位于装置外壳外部，且位于装置外壳外部的丝杠2端部上设有安装连接环1；所述的端盖的内侧通过螺丝11安装有端部挡圈4；所述的滚珠螺母3与丝杠2组成滚珠丝杠副套件，滚珠螺母3通过滚珠螺母夹具5夹紧；所述的滚珠螺母夹具5为两个筒体结构，对合后将滚珠螺母3夹紧在夹具中，滚珠螺母夹具5的一端通过深沟轴承9安装在端部挡圈4上，滚珠螺母夹具5的另一端与飞轮a13和飞轮b15对应的中间套筒连接对7的一端螺纹连接，中间套筒连接对7的另一端与端部套筒连接件10螺纹连接；所述的端部套筒连接件10通过深沟轴承9安装在另一个端部挡圈4上，且端部套筒连接件10与端部挡圈4的端面之间设有推力球轴承8；丝杠2的平动带动滚珠螺母3的转动，从而带动滚珠螺母夹具5的转动，中间套筒连接对7及滚珠螺母夹具5都通过内外螺纹连接同轴转动，中间套筒对7通过单向轴承6对飞轮系统传递扭矩，带动飞轮转动；端部套筒连接件10、中间套筒连接对7以及滚珠螺母夹具5通过端部挡圈4中安装的深沟轴承9实现转动中心的固定。
所述的双飞轮单向转动系统，包括单向轴承6、飞轮连接盘a12、飞轮连接盘b14、飞轮a13、飞轮b15、销钉16和飞轮固定螺丝17；所述的飞轮连接盘a12和飞轮连接盘b14各通过两个单向轴承6安装在中间套筒连接对7上，单向轴承6的外环与飞轮连接盘a12和飞轮连接盘b14之间通过销钉16连接，单向轴承6的内环与中间套筒连接对7之间通过销钉16连接，以保证同轴转动；所述的飞轮a13和飞轮b15分别通过飞轮固定螺丝17固定在飞轮连接盘a12和飞轮连接盘b14上；滚珠丝杠传动系统发生转动后，通过单向轴承6首先带动飞轮连接盘a12或飞轮连接盘b14的转动，继而带动飞轮a13或飞轮b15转动；飞轮a13和飞轮b15的单向转动取决于对应的单向轴承6的安装方向，飞轮a13对应的两个单向轴承6与飞轮b15对应的两个单向轴承6型号一致，但安装方向相反，从而保证了滚珠螺母3往一个方向转动时只有一个飞轮被驱动。
所述的电涡流阻尼系统包括永磁铁18、铜圈19和磁铁固定螺丝20；所述的永磁铁18为弧面结构，多个，通过磁铁固定螺丝20对称固定在飞轮a13和飞轮b15的外圈；所述的铜圈19有两个，固定在装置外壳的内壁上，与飞轮a13和飞轮b15的位置相对应；飞轮a13和飞轮b15以及其对应的永磁铁18一起转动在铜圈19内产生电涡流，飞轮a13和飞轮b15则受到一定的阻尼力阻碍其转动，而电涡流产生的热量逐渐散失。
本发明的有益效果：本发明保证了在结构往复运动过程中阻尼器在结构速度大小超越飞轮速度阶段提供惯性力和阻尼力，其余阶段不提供控制力，同时飞轮在该时间段内减速制动，使得结构往复运动时可以持续在加速阶段获得惯性力和阻尼力，保证了装置在结构特定的加速阶段提供惯性力和阻尼力，实现了一种变惯容·阻尼的分段力学模型，以被动装置的形式近似实现了BangBang控制策略，兼具了被动控制的稳定可靠和主动控制的高性能。
附图说明
图1是双飞轮可重置惯性阻尼器的侧面剖视构造图；
图2是飞轮-磁铁剖面示意图；
图3是飞轮连接盘的轴向剖面示意图；
图中：1安装连接环；2丝杠；3滚珠螺母；4端部挡圈；5滚珠螺母夹具；6单向轴承；7中间套筒连接对；8推力球轴承；9深沟轴承；10端部套筒连接件；11螺丝；12飞轮连接盘a；13飞轮a；14飞轮连接盘b；15飞轮b；16销钉；17飞轮固定螺丝；18永磁铁；19铜圈；20磁铁固定螺丝。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图叙述本发明的具体实施方式。
如图1-3所示，本发明的双飞轮可重置惯性阻尼器，包括滚珠丝杠传动系统、双飞轮单向转动系统和电涡流阻尼系统。滚珠丝杠传动系统，包括装置外壳、安装连接环1、丝杠2、滚珠螺母3、端部挡圈4、滚珠螺母夹具5、单向轴承6、中间套筒连接对7、推力球轴承8、深沟轴承9、端部套筒连接件10和螺丝11；双飞轮单向转动系统，包括单向轴承6、飞轮连接盘a12、飞轮连接盘b14、飞轮a13、飞轮b15、销钉16和飞轮固定螺丝17；电涡流阻尼系统包括永磁铁18、铜圈19和磁铁固定螺丝20。
双飞轮可重置惯性电涡流阻尼器可应用于中小型土木结构上，下面以应用在拉索桥上为例进行具体实施方式描述：与装置外壳相连的安装连接环1固定于桥墩或者其他固定位置，丝杠2端部的安装连接环1固定于拉索的某一位置。
当外部荷载使拉索产生振动时，会带动丝杠2产生相应的轴向平动，由滚珠螺母3将平动转化为转动并带动滚珠螺母夹具5的转动，进而带动与其同轴的中间套筒连接对7的转动；中间套筒连接对7的转动通过单向轴承6驱动飞轮连接盘a12或飞轮连接盘b14转动，继而驱动飞轮a13或飞轮b15转动；飞轮a13或飞轮b15转动带动通过磁铁固定螺丝20固定在其上的永磁铁18发生转动，继而引起与永磁铁18毗邻的铜圈19切割磁感线产生电涡流，电涡流产生磁场形成阻尼力阻碍飞轮a13或飞轮b15的转动，飞轮a13或飞轮b15旋转惯性力和电涡流阻尼力传递到丝杠2；与中间套筒连接对7相连的单向轴承6通过调整安装方向可将套筒的双向转动分离开，使得飞轮a13和飞轮b15只能往相反的方向单向转动，两个飞轮实现了往复运动的振动控制，最终有效控制了拉索的振动。
工作原理：
(1)双飞轮单向转动系统中，飞轮a13和飞轮b15随着结构往复运动交替被驱动，飞轮a13和飞轮b15的转动过程均可分为加速和减速两个阶段。假设飞轮a13首先被驱动到最大速度后开始减速，由于离合作用飞轮a13内部的两个单向轴承6的转动功能被激活，飞轮a13在电涡流阻尼下开始减速运动，结构也在此期间也开始减速运动。结构运动方向变向后，继续加速运动，带动飞轮b15加速运动，飞轮b15达到最大速度后也开始减速。结构开始减速，随后运动方向再次切换到驱动飞轮a13的方向。当结构加速使得飞轮a13内部单向轴承6的转动再次被锁死时，飞轮a13再次被驱动。如此往复，飞轮a13和飞轮b15随着结构往复运动被交替驱动，从而给结构在每个振动周期的相对加速阶段持续提供惯性力和阻尼力。
(3)当结构向某一方向加速使得飞轮a13或飞轮b15内部单向轴承运动方向锁死时，对应的飞轮转动系统回传给结构一定的惯性力，对应的电涡流阻尼系统回传给结构一定的阻尼力。结构与某一方向飞轮均开始减速时，单向轴承转动功能激活，飞轮转动系统与电涡流系统均不会给结构回传控制力，飞轮在阻尼力作用下减速。综上，双飞轮可重置惯性阻尼器的简化力学模型可表示为：
结构速度或装置端点速度；
飞轮转动角速度；
飞轮转动加速度；
r：飞轮半径；
b0：装置惯容系数，与飞轮转动系统质量半径、滚珠丝杠导程等参数相关；
c0：装置阻尼系数，与电涡流系统的磁感应强度、导体厚度与表面积等相关。
Claims (1)
1.一种双飞轮可重置惯性阻尼器，其特征在于，所述的双飞轮可重置惯性阻尼器包括滚珠丝杠传动系统、双飞轮单向转动系统和电涡流阻尼系统；
所述的滚珠丝杠传动系统，包括装置外壳、安装连接环(1)、丝杠(2)、滚珠螺母(3)、端部挡圈(4)、滚珠螺母夹具(5)、单向轴承(6)、中间套筒连接对(7)、推力球轴承(8)、深沟轴承(9)、端部套筒连接件(10)和螺丝(11)；所述的装置外壳为筒体结构，两端端盖通过螺丝(11)连接固定，其中一个端盖上设有一个安装连接环(1)，另一个端盖上设有中心圆孔，丝杠(2)通过圆孔穿出外壳，丝杠(2)的一端位于装置外壳外部，且位于装置外壳外部的丝杠(2)端部上设有安装连接环(1)；所述的端盖的内侧通过螺丝(11)安装有端部挡圈(4)；所述的滚珠螺母(3)与丝杠(2)组成滚珠丝杠副套件，滚珠螺母(3)通过滚珠螺母夹具(5)夹紧；所述的滚珠螺母夹具(5)为两个筒体结构，对合后将滚珠螺母(3)夹紧在夹具中，滚珠螺母夹具(5)的一端通过深沟轴承(9)安装在端部挡圈(4)上，滚珠螺母夹具(5)的另一端与飞轮a(13)和飞轮b(15)对应的中间套筒连接对(7)的一端螺纹连接，中间套筒连接对(7)的另一端与端部套筒连接件(10)螺纹连接；所述的端部套筒连接件(10)通过深沟轴承(9)安装在另一个端部挡圈(4)上，且端部套筒连接件(10)与端部挡圈(4)的端面之间设有推力球轴承(8)；丝杠(2)的平动带动滚珠螺母(3)的转动，从而带动滚珠螺母夹具(5)的转动，中间套筒连接对(7)及滚珠螺母夹具(5)都通过内外螺纹连接同轴转动，中间套筒对7通过单向轴承(6)对飞轮系统传递扭矩，带动飞轮转动；端部套筒连接件(10)、中间套筒连接对(7)以及滚珠螺母夹具(5)通过端部挡圈(4)中安装的深沟轴承(9)实现转动中心的固定；
所述的双飞轮单向转动系统，包括单向轴承(6)、飞轮连接盘a(12)、飞轮连接盘b(14)、飞轮a(13)、飞轮b(15)、销钉(16)和飞轮固定螺丝(17)；所述的飞轮连接盘a(12)和飞轮连接盘b(14)各通过两个单向轴承(6)安装在中间套筒连接对(7)上，单向轴承(6)的外环与飞轮连接盘a(12)和飞轮连接盘b(14)之间通过销钉(16)连接，单向轴承(6)的内环与中间套筒连接对(7)之间通过销钉(16)连接，以保证同轴转动；所述的飞轮a(13)和飞轮b(15)分别通过飞轮固定螺丝(17)固定在飞轮连接盘a(12)和飞轮连接盘b(14)上；滚珠丝杠传动系统发生转动后，通过单向轴承(6)首先带动飞轮连接盘a(12)或飞轮连接盘b(14)的转动，继而带动飞轮a(13)或飞轮b(15)转动；飞轮a(13)和飞轮b(15)的单向转动取决于对应的单向轴承(6)的安装方向，飞轮a(13)对应的两个单向轴承(6)与飞轮b(15)对应的两个单向轴承(6)型号一致，但安装方向相反，从而保证了滚珠螺母(3)往一个方向转动时只有一个飞轮被驱动；
所述的电涡流阻尼系统包括永磁铁(18)、铜圈(19)和磁铁固定螺丝(20)；所述的永磁铁(18)为弧面结构，多个，通过磁铁固定螺丝(20)对称固定在飞轮a(13)和飞轮b(15)的外圈；所述的铜圈(19)有两个，固定在装置外壳的内壁上，与飞轮a(13)和飞轮b(15)的位置相对应；飞轮a(13)和飞轮b(15)以及其对应的永磁铁(18)一起转动在铜圈(19)内产生电涡流，飞轮a(13)和飞轮b(15)则受到阻尼力阻碍其转动，而电涡流产生的热量逐渐散失。
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Cited By (1)
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| CN117627201A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-03-01 | 石家庄铁道大学 | 离合式惯容储能减震装置 |
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- 2023-10-11 CN CN202311311274.8A patent/CN117211436A/zh active Pending
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