CN209874124U - 采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于工程结构耗能减震技术领域，提供一种采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器，包括正反牙丝杆、磁体盘、导体盘、永磁体、双头法兰筒、丝杆螺母等。正反牙丝杆左右两侧分别设置有正牙螺纹段和反牙螺纹段，分别套上一个丝杆螺母，并与固定支座的轴承连接。磁体盘与导体盘成对设置，磁体盘上设有永磁体，两者通过双头法兰筒与丝杆螺母固定连接，且不与正反牙丝杆接触，正反牙丝杆在轴线上的往复使磁体盘与导体盘始终发生相对转动，产生电涡流效应，可实现结构的减震控制。采用正反牙丝杆传动可达到惯性增效、阻尼增效目的，同时实现了丝杆的自平衡性能，可以放松对阻尼器两端的安装要求，也可以应用于纯拉力系统，具有很好的工程价值。

Description

采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器

技术领域

本实用新型工程结构耗能减震技术领域，涉及一种采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器。

背景技术

工程结构耗能减震技术，是在结构上附加消能减振装置，通过附加减振装置的耗能作用从而减小结构本身的动力响应，保证了结构的安全性、舒适性和正常使用性等功能要求。

目前，采用电涡流效应的阻尼器逐步应用在土木工程结构的振动被动控制领域。电涡流阻尼的产生必须要有导体板作切割磁感线运动，即磁场源和导体板之间存在相对运动，产生的电磁力大小与相对运动速度大小成正比，故提高相对速度的放大效应一直是此类阻尼器的设计关键。传统电涡流阻尼器中板式和摆式都直接将层间位移转化为导体板和永磁体之间的相对直线运动，所提供的速度放大效应有限。而将直线运动转化成旋转运动的旋转式电涡流阻尼器可以提供一定的放大系数，螺旋传动由于其拥有较好的将直线运动转化为转动的放大效应，此类阻尼器也称为惯容阻尼器。

惯容阻尼器作为新型高效的结构被动振动控制手段，主要利用齿轮齿条或螺纹丝杆等方式，将结构的层间位移转换为飞轮的转动，以实现惯性增效和阻尼增效。通常的设计是丝杆上设置一个飞轮，在飞轮转动过程中对丝杆产生扭矩，需要将丝杠固定在支座上，而且要保证惯容阻尼器两端的位移仅发生在轴线上，这对惯容阻尼器两端支座的要求很高。

近年来，针对结构的快速地震康复策略受到了业内的关注，使用中心消能构件配合纯拉力系统来快速提高结构的抗震性能成为了一种较好的方法。纯拉力系统具有安装和调试方便、造价便宜、受力清晰、自动重定心等特点。中心消能构件纯拉力系统是一种较好的满足快速抗震加固需求的阻尼器安装方式，若能将惯容阻尼器引入该系统加以运用将更好地发挥惯容阻尼器的易安装性能，但由于拉索对中心消能构件只能提供拉力无法限制转动，因此，对惯容阻尼器提出了轻型化、自平衡等性能要求。

发明内容

本实用新型的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器，利用构件之间的连接关系将结构的水平位移转化为阻尼器内部结构的旋转运动，从而将结构位移进行放大，达到惯性增效、阻尼增效的目的；同时通过正反牙丝杆使阻尼器中的导体盘、磁体盘始终以相反方向绕轴线做转动，电涡流阻尼力以等量相反方向作用在丝杆上，绕轴转动方向上的扭矩互相抵消，使正反牙丝杆始终保持自平衡性能，并能实现电涡流阻尼力倍增的目的，同时放松阻尼器两端的安装要求，可应用于纯拉力系统中。

为实现上述目标，本实用新型提供了如下技术方案:

一种采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器，包括正反牙丝杆、磁体盘、导体盘、永磁体、双头法兰筒、丝杆螺母、轴承支座。

正反牙丝杆在其中点左右两侧分别设置有不同方向的正牙螺纹段和反牙螺纹段，正牙螺纹段和反牙螺纹段各自啮合传动连接一个丝杆螺母；两个双头法兰筒各自通过一个丝杆螺母分别悬挑于正反牙丝杆的正牙螺纹段和反牙螺纹段上，且不与正反牙丝杆接触；正反牙丝杆的正牙螺纹段和反牙螺纹段的丝杆直径和螺纹导程一致。

丝杆螺母各自与一个轴承支座连接，轴承支座作为整个惯容阻尼器的固定支座，并固定了磁体盘与导体盘之间的相对距离。

磁体盘与导体盘成对布置，同时磁体盘和导体盘分别通过双头法兰筒连接在丝杆螺母上，且磁体盘和导体盘能够分别跟随两个丝杆螺母进行转动和平动，其转动的速度由正反牙丝杆的丝杆直径和螺纹导程控制；磁体盘在其与导体盘相对的面上均匀布设有若干永磁体，使得磁体盘与导体盘的转动惯量相等，在阻尼器工作过程中正反牙丝杆始终处于自平衡状态。

在本实用新型中，正反牙丝杆穿过磁体盘、导体盘、双头法兰筒、丝杆螺母、轴承支座，并位于它们的转动中心轴线上。

轴承支座将自平衡式惯容阻尼器固定在支座上，在磁体盘和导体盘上留有空隙，也可以对磁体盘和导体盘的距离进行调节，达到对电涡流阻尼力调节的目的。

所述正反牙丝杆(1)的正牙螺纹段和反牙螺纹段的丝杆直径及螺纹导程一致。

所述磁体盘(2)与导体盘(3)还可作为惯性单元增效机构，通过调节磁体盘(2)与导体盘(3)的转动惯量来确定，具体应根据实际设计需要而定。

所述磁体盘(2)和导体盘(3)的距离通过轴承支座(7)进行调节，达到对电涡流阻尼调节的目的。

所述磁体盘(2)与导体盘(3)发生转动，其转动的速度由正反牙丝杆(1)的丝杆直径和螺纹导程控制。

所述轴承支座(7)将自平衡式惯容阻尼器固定在支座上，正反牙丝杆(1)的左右两端部均预留有无螺纹部分，用以连接结构上发生变形的部位。

所述正反牙丝杆(1)的左右两端部的无螺纹部分，设计为带中心通孔的半圆形扁位，以适应钢索连接的方式，其左右两端对称布置钢索。

所述磁体盘(2)和导体盘(3)的距离通过轴承支座(7)进行调节，达到对电涡流阻尼调节的目的。

所述导体盘(3)切割磁体盘(2)上的磁力线，所述导体盘(3)的材质采用有导电效应的铜或铝。

进一步，导体盘、磁体盘为大小相同的圆形盘。

进一步，导体盘应采用导电效果好的材料，可采用电工紫铜等材料。

进一步，磁体盘应采用优良的导磁材料，可采用软铁或低碳钢等材料。

进一步，永磁体，应能够长期保持其磁性，可采用钕铁硼等材料。

进一步，丝杠可采用梯形丝杠、滚珠丝杠等其他类似的螺旋传动方式。

永磁体固定的方案为：将圆柱性永磁体沿圆周方向安装在磁体盘上，相邻的永磁体采用磁极相反的安装方式均匀布置在磁体盘上，可以实现磁路最短的目的。

在本实用新型中，通过轴承支座将的自平衡式惯容阻尼器固定在支座上，丝杠两端与通过固定连接或钢索的方式与结构中发生相对变形的部位连接，当结构变形迫使正反牙丝杠沿轴向往复运动。丝杠保持自平衡的状态不发生转动，与丝杆啮合的螺母将发生转动，因螺母分别与正牙螺纹段和反牙螺纹段连接，最终在螺母上的导体盘和磁体盘发生相对转动。磁体盘上安装有永磁体，形成磁场，两者的相对转动使导体盘切割磁体盘上的磁力线，在导体盘内部产生电涡流，同时产生阻碍两者相对运动的阻尼力，最终达到结构消能减震的作用。

本实用新型的创新之处体现在：

(1)磁体盘、导体盘分别通过两个悬挑出来的双头法兰筒安装在两个丝杆螺母上，双头法兰筒不与正反牙丝杆接触，并能够使磁体盘、导体盘跟随丝杆螺母转动和平动；同时使用悬挑的双头法兰筒来连接导体盘、磁体盘以提供工作行程，正反牙丝杆的总长设计为工作行程的两倍。

(2)正反螺纹方向不同的正反牙丝杆的设计，能够获得相比普通螺纹丝杆旋转式电涡流阻尼器两倍的电涡流放大效应，并且使导体盘和磁体盘能够共同发挥惯容阻尼器效应。

(3)自平衡性；由于磁体盘和导体盘所安装的丝杆螺母分别在方向相反的螺纹上运动，所以当磁体盘和导体盘在轴线上直线运动往同一个方向运动时，轴承支座保证了它们之间直线距离不变，当它们往同方向直线运动时，两盘会以相反转动方向绕轴线做转动，这样的相反运动使得两盘之间形成两倍的相对角位移供电涡流效应发挥作用，同时两盘之间电磁力和电磁力反作用力以等量相反方向作用在正反牙丝杆上，在轴线方向上共同作用形成两倍的阻尼力效应，在绕轴转动方向上又互相抵消保持了正反牙丝杆的平衡。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点与有益效果：

1.本实用新型包括正反牙丝杆、磁体盘、导体盘、永磁体、双头法兰筒、丝杆螺母、轴承支座，正反牙丝杆左右两段分别设置有不同方向的正牙螺纹段和反牙螺纹段，连接的磁体盘与导体盘始终发生相对转动，消除了传统惯容系统中对定子的需求。

2.磁体盘与导体盘成对布置，通过保持磁体盘与导体盘的转动惯量一致，可以使正反牙丝杆受到的合力矩为零，在阻尼器工作过程中正反牙丝杆始终处于自平衡状态，在阻尼器工作过程中无需对丝杠的转动方向进行约束，可将该平衡式惯容阻尼器可以应用在纯拉力的系统上，且采用预应力钢绞线进行安装，对支座的要求不高，方便安装。

3.同时本实用新型的阻尼来源采用了电涡流阻尼，不依靠机械摩擦耗能，也不存在密封问题，与结构无直接接触，无机械性磨擦和损耗，耐久性好，加工安装方便。

4.磁体盘与导体盘具有双重作用，一方面通过控制转动惯量可实现惯性增效，另一方面，通过设定磁体盘上布置的永磁体的数量和材料及磁体盘与导体盘的距离可调节电涡流阻尼力的大小，实现对阻尼的自由调节以满足不同工程项目的需要。

5.正反牙丝杆的正牙螺纹段和反牙螺纹段的设计，能够获得相比普通螺纹丝杆旋转式惯容阻尼器两倍的电涡流放大效应。

6.本实用新型适用于中心消能构件纯拉力系统，在结构中用钢索连接的方式来传递结构局部相对位移给惯容阻尼器，具有安装快速、调试方便、造价便宜和受力清晰的优点，且震后可通过拉索的张紧状态快速评估阻尼器工作状态，及是否需更换相关构件，大大提高了阻尼器的耐久性和工程实用性，具有很好的推广应用价值。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器的轴测分解图；

图2为本实用新型实施例提供的正反牙丝杆的轴测图；

图3为本实用新型实施例提供的丝杆螺母的轴测图；

图4为本实用新型实施例提供的双头法兰筒的轴测图；

图5为本实用新型实施例提供的导体盘的轴测图；

图6为本实用新型实施例提供的磁体盘的轴测图；

图7为本实用新型实施例提供的惯容阻尼器的正视图。

附图标记说明

1-正反牙丝杆、2-磁体盘、21-第一丝杆贯通孔、22-第一法兰螺栓孔、3-导体盘、31-第二丝杆贯通孔、32-第二法兰螺栓孔、4-永磁体、5-双头法兰筒、51-第三丝杆贯通孔、52-第三法兰螺栓孔、6-丝杆螺母、61-第四丝杆贯通孔、62-第四法兰螺栓孔、7-轴承支座。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本实用新型提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本实用新型的优点和特征将更加清楚。

如图1至图7所示，一种采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器，包括正反牙丝杆1、磁体盘2、导体盘3、永磁体4、双头法兰筒5、丝杆螺母6、轴承支座7。

其中，正反牙丝杆1为螺纹丝杆，在中点处一分为二，正反牙丝杆1在中点左右两侧分别设置有不同方向的螺纹，左侧为正牙螺纹，右侧为反牙螺纹；正反牙丝杆1 在其正牙螺纹段和反牙螺纹段分别安装一个丝杆螺母6；磁体盘2、导体盘3各自通过一个双头法兰筒5分别支撑于正牙螺纹段的丝杆螺母6及反牙螺纹段的丝杆螺母6 上。

通常，单向螺纹丝杆具有丝杆摩擦阻力小、导程小的优点，虽然可以获得更大放大系数，但是由于在本实用新型中两个丝杆螺母6必须在两段不同螺纹上工作，因此必须使用悬挑的双头法兰筒5来连接导体盘3和磁体盘2以提供工作行程，因此且丝杆的总长必须设计为工作行程的两倍，适宜采用正反牙丝杆1。

进一步，在正反牙丝杆1的左右两端部应预留无螺纹部分，用以与结构连接；在优选的实施方式中，正反牙丝杆1的左右两端部预留的无螺纹部分可以设计为带中心通孔的半圆形扁位，以适应夹具夹紧和钢索连接两种结构连接方式。

进一步，在优选的实施方式中，当导程角过小时，正反牙丝杆1引起的摩擦较大，造成结构在自由振动中处于过阻尼状态，为了更好地使阻尼器的电涡流效应和惯容效应发挥主要消能作用，正反牙丝杆1设计应当在满足足够放大系数的条件下尽量选用大导程丝杆。

进一步，导体盘3、磁体盘2为大小相同的圆形盘，且磁体盘2在与导体盘3相对的面上均匀设置有若干永磁体4。

进一步，磁体盘2可以采用Q235铁盘，一方面铁盘可以通过磁吸的方式方便地固定永磁体4，同时铁盘作为导磁材质还能够发挥导磁体的作用，加大永磁体4的磁感应强度。

进一步，导体盘3为永磁体盘，且材质为导电效应较好的铜或铝。

进一步，在优选的实施方式中，永磁体4选用磁性最强的钕铁硼材质，永磁体磁性越强，电涡流阻尼越大。

进一步，为了满足此自平衡式惯容阻尼器的自平衡性，在磁体盘2上均匀搭载相应数量的永磁体4，以使得导体盘3、磁体盘2的转动惯量相等。在永磁体4数量不变的条件下，永磁体4的设置位置可适当调整，但所有永磁体4应均匀布设。

本实用新型提供的自平衡式惯容阻尼器无需外部能源输入，永磁体4数量与磁场强度线性相关，同等条件下，磁场越强则阻尼力越大，因此永磁体4具体位置可根据所需进行调整。

在本实用新型中，导体盘3、磁体盘2的外侧各安装一个双头法兰筒5，两个双头法兰筒5各自通过一个丝杆螺母6悬挑于正反牙丝杆1上，且不与正反牙丝杆1接触。

进一步，两个丝杆螺母6的外侧安装有轴承支座7，作为整个惯容阻尼器的固定支座，且可以限制导体盘3与磁体盘2之间的相对直线运动。

具体的，在磁体盘2的中心开设有第一丝杆贯通孔21，在第一丝杆贯通孔21周围开设有若干第一法兰螺栓孔22；在导体盘3的中心开设有第二丝杆贯通孔31，在第二丝杆贯通孔32周围开设有若干第二法兰螺栓孔32；在双头法兰筒5的中心开设有第三丝杆贯通孔51，在双头法兰筒5的两端面均开设有若干第三法兰螺栓孔52；在丝杆螺母6的中心开设有第四丝杆贯通孔61，在丝杆螺母6的端面上开设有第四法兰螺栓孔62；在轴承支座7上开设有第五丝杆贯通孔。其中，磁体盘2、导体盘3、双头法兰筒5、丝杆螺母6、轴承支座7的贯通孔的孔位相对应，双头法兰筒5一端面的螺栓孔与磁体盘2、导体盘3的螺栓孔的孔位和尺寸相匹配，双头法兰筒5另一端面的螺栓孔与丝杆螺母6的螺栓孔的孔位和尺寸相匹配。

进一步，磁体盘2、一个双头法兰筒5、一个丝杆螺母6、一个轴承支座7依次通过各自的第一丝杆贯通孔21、第三丝杆贯通孔51、第四丝杆贯通孔61、第五丝杆贯通孔套设在正反牙丝杆1的正牙螺纹段上，且所述丝杆螺母6与正反牙丝杆1的正牙螺纹段啮合连接，同时磁体盘2与所述双头法兰筒5的一端面分别通过各自的第一法兰螺栓孔22、第三法兰螺栓孔52采用螺栓连接，所述双头法兰筒5的另一端面与所述丝杆螺母6的端面分别通过各自的第三法兰螺栓孔52、第四法兰螺栓孔62采用螺栓连接，所述丝杆螺母6同时可转动的安装于所述轴承支座7；导体盘3、另一个双头法兰筒5、另一个丝杆螺母6、另一个轴承支座7依次通过各自的第一丝杆贯通孔 21、第三丝杆贯通孔51、第四丝杆贯通孔61、第五丝杆贯通孔套设在正反牙丝杆1 的反牙螺纹段上，且所述丝杆螺母6与正反牙丝杆1的反牙螺纹段啮合连接，同时导体盘与所述双头法兰筒5的一端面分别通过各自的第一法兰螺栓孔22、第三法兰螺栓孔52采用螺栓连接，所述双头法兰筒5的另一端面与所述丝杆螺母6的端面分别通过各自的第三法兰螺栓孔52、第四法兰螺栓孔62采用螺栓连接，所述丝杆螺母6同时可转动的固定于所述轴承支座7；由此，两个双头法兰筒5各自通过一个丝杆螺母 6悬挑于正反牙丝杆1上，并将磁体盘2和导体盘3分别悬挑安装在两个丝杆螺母6 上，使磁体盘2和导体盘3能够分别跟随两个丝杆螺母6转动和平动。

电涡流惯容器工作过程中，为了使导体盘3和磁体盘2间气隙较小以便发挥电涡流效应，会导致与导体盘3和磁体盘2直接相连的两丝杆螺母6之间距离过小，不能充分发挥行程。因此，本实用新型设计了悬空的双头法兰筒5分别连接磁体盘2、导体盘3，并将磁体盘2和导体盘3悬挑出丝杆螺母6，以满足工作过程中丝杆螺母6 之间间距保持与行程大致相同。

本实用新型提供的采用正反牙丝杆的自平衡惯容阻尼器在工作时，阻尼器的固定安装较为灵活，可通过拉索或夹具与结构牢固连接。当结构发生振动时，通过将结构的水平位移转为正反牙丝杆运动，进而转为磁体盘2、导体盘3角位移，并通过正反牙丝杆的螺纹使磁体盘2、导体盘3相反方向转动将角位移进行两倍效应的放大。结构在安装本实用新型提供的采用正反牙丝杆的自平衡惯容阻尼器后能量的消耗来源主要来源于，结构固有阻尼、正反牙丝杆与其他部件的摩擦作用、本实用新型提供的采用正反牙丝杆的自平衡惯容阻尼器的惯容效应和电涡流效应。该采用正反牙丝杆的自平衡惯容阻尼器发挥效应时，导体盘3在永磁体4形成的磁场中旋转，切割磁感线，在导体盘3中产成了抑制结构振动的电涡流，形成了阻尼器耗能所需的阻尼，阻尼力与导体盘3的转动速度成线性关系，且本实用新型所述的采用正反牙丝杆的自平衡惯容阻尼器由于导体盘3、磁体盘2双向转动可放大阻尼效果。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非是对本实用新型范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本实用新型技术方案保护的范围。

Claims (8)

1.一种采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：包括正反牙丝杆(1)、磁体盘(2)、导体盘(3)、永磁体(4)、双头法兰筒(5)、丝杆螺母(6)、轴承支座(7)；

所述正反牙丝杆(1)在其中点左右两侧分别设置有不同方向的正牙螺纹段和反牙螺纹段，所述磁体盘(2)与导体盘(3)的外侧各安装一个双头法兰筒(5)，两个双头法兰筒(5)各自通过一个丝杆螺母(6)分别悬挑于正反牙丝杆(1)的正牙螺纹段和反牙螺纹段上，且不与正反牙丝杆(1)接触；同时，两个丝杆螺母(6)分别与所述正牙螺纹段和反牙螺纹段啮合传动连接；所述磁体盘(2)和导体盘(3)分别悬挑于两个丝杆螺母(6)上，且磁体盘(2)和导体盘(3)能够分别跟随两个丝杆螺母(6)进行转动和平动；

所述磁体盘(2)与导体盘(3)相对设置在正反牙丝杆(1)的正牙螺纹段和反牙螺纹段，且磁体盘(2)在其与导体盘(3)相对的面上均匀布设有若干永磁体(4)，使得磁体盘(2)与导体盘(3)的转动惯量相等；

两个丝杆螺母(6)各自与一个轴承支座(7)连接，轴承支座(7)作为整个惯容阻尼器的固定支座，并保持磁体盘(2)与导体盘(3)之间固定的距离；

所述正反牙丝杆(1)穿过磁体盘(2)、导体盘(3)、双头法兰筒(5)、丝杆螺母(6)、轴承支座(7)，并位于它们的转动中心轴线上。

2.根据权利要求1所述的采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：所述正反牙丝杆(1)的正牙螺纹段和反牙螺纹段的丝杆直径及螺纹导程一致。

3.根据权利要求1所述的采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：所述磁体盘(2)与导体盘(3)还可作为惯性单元增效机构，通过调节磁体盘(2)与导体盘(3)的转动惯量来确定。

4.根据权利要求3所述的采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：所述磁体盘(2)与导体盘(3)发生转动，其转动的速度由正反牙丝杆(1)的丝杆直径和螺纹导程控制。

5.根据权利要求1所述的采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：所述轴承支座(7)将自平衡式惯容阻尼器固定在支座上，正反牙丝杆(1)的左右两端部均预留有无螺纹部分，用以连接结构上发生变形的部位。

6.根据权利要求5所述的采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：所述正反牙丝杆(1)的左右两端部的无螺纹部分，设计为带中心通孔的半圆形扁位，以适应钢索连接的方式，其左右两端对称布置钢索。

7.根据权利要求1所述的采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：所述磁体盘(2)和导体盘(3)的距离通过轴承支座(7)进行调节，达到对电涡流阻尼调节的目的。

8.根据权利要求1所述的采用正反牙丝杆的自平衡式惯容阻尼器，其特征在于：所述导体盘(3)切割磁体盘(2)上的磁力线，所述导体盘(3)的材质采用有导电效应的铜或铝。