CN212714488U - 一种低频杠杆式调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低频杠杆式调谐质量阻尼器，包括杠杆框架(1)，包括杠杆支架(11)及杠杆悬臂(12)；与杠杆框架(1)垂直连接的固定机构(6)，固定机构(6)内设有弹簧组件(2)及阻尼器(5)，杠杆悬臂(12)远离所述固定机构(6)的一端设有质量单元(3)，该质量单元(3)通过轴承(4)与所述杠杆悬臂(12)活动连接，质量单元(3)及杠杆悬臂(12)构成调谐质量阻尼器动力及动力臂，弹簧组件(2)、阻尼器(5)及杠杆悬臂(12)至杠杆支架(11)之间部分构成阻力及阻力臂；且质量单元(3)包括质量块(31)。本实用新型的调谐质量阻尼器，可有效避免主结构因大幅度振动而发生破坏，进而保护主结构不受损坏。

Description

一种低频杠杆式调谐质量阻尼器

技术领域

本实用新型涉及的是质量阻尼器的技术领域，尤其是涉及一种低频杠杆式调谐质量阻尼器。

背景技术

调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，简称TMD)因其原理明确，构造简单，被广泛的应用于桥梁结构振动控制中，尤其适用于大跨度桥梁因风振引起的涡激振动控制。目前TMD的主要控制频率一般大于0.3HZ，而针对于低频率(小于0.3HZ)控制的TMD则相对较少。TMD的振动频率直接关系到整个装置的性能，一般TMD的自振频率越低，其振动周期越长，刚度越小，行程越大。

TMD一般安装于钢箱梁内部，目前用于结构竖向减振的TMD结构型式主要有堆放式和悬吊式，主要区别在于前者采用压缩弹簧，后者采用拉伸弹簧。常规TMD设计时弹簧和质量块是直接相连，弹簧、阻尼器和质量块的动态行程往往是一致的。

低频TMD由于其自振周期较长，弹簧刚度较小，竖向载荷较大，弹簧的设计选型会非常困难。低刚度的弹簧也会由于其长度较长，静载压缩位移过大，动态行程较大等导致其加工和安装困难，甚至使用过程会出现失稳现象等。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供一种低频杠杆式调谐质量阻尼器，利用杠杆原理放大了弹簧的受力，进而提高弹簧的整体刚度，并且压缩弹簧和阻尼器的动态行程，更有利于弹簧和阻尼器的设计选型，并可降低整个TMD的高度尺寸，节省安装空间。该低频杠杆式TMD可采用压缩弹簧设计成堆放式TMD，也可采用拉伸弹簧设计成悬吊式TMD，弹簧可根据实际需求分层布置，弹簧的设计选型更灵活方便。质量块质量可调，也可保证TMD的设计参数更加精确。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种低频杠杆式调谐质量阻尼器，包括：

杠杆框架，其包括杠杆支架及杠杆悬臂，所述杠杆悬臂通过轴承与所述杠杆支架实现活动连接；

与所述杠杆框架垂直连接的固定机构，所述固定机构内设有弹簧组件及阻尼器，所述杠杆支架、固定机构底部或顶部通过钢箱梁固定支架与钢箱梁底板固定连接，构成调谐质量阻尼器的支点；

所述杠杆悬臂远离所述固定机构的一端设有质量单元，该质量单元通过轴承与所述杠杆悬臂活动连接，所述质量单元及杠杆悬臂构成调谐质量阻尼器动力及动力臂，所述弹簧组件、阻尼器及杠杆悬臂至所述杠杆支架之间部分构成阻力及阻力臂；且，

所述质量单元包括质量块，所述质量块的质量可调节，调节杠杆式调谐质量阻尼器的频率与主结构的频率一致，从而在所述主结构受外力振动时产生与其振动相反的惯性力，减小所述主结构的振幅。

进一步地，所述固定机构包括上连接板、下连接板及固定板；

所述上连接板与固定板固定连接；

所述下连接板与钢箱梁底板固定连接。

进一步地，所述弹簧组件包括弹簧及导向柱；

所述导向柱分别设于所述上连接板和下连接板上；

所述弹簧的两端分别套设于对应导向柱上。

进一步地，所述弹簧的外面安装有套筒，用于固定弹簧的运动方向。

进一步地，所述质量单元包括螺杆，所述质量块通过该螺杆固定连接。

进一步地，所述杠杆支架包括杠杆横梁及与该杠杆横梁垂直设置的杠杆纵梁。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本实用新型的低频杠杆式调谐质量阻尼器，通过调节质量块的数量，进而调节此TMD的频率，当此TMD频率与主结构频率一致，且在主结构受外力振动时，TMD会在主结构上产生与主结构振动相反的惯性力，进而减小主结构的振动幅度，避免了主结构因大幅度振动而发生破坏，进而保护主结构不受损坏。

2.本实用新型的低频杠杆式调谐质量阻尼器，适用于低频率(小于0.3HZ)和大行程的TMD，通过杠杆原理，放大了弹簧的受力，进而提高弹簧的整体刚度，并且压缩弹簧和阻尼器的动态行程，更有利于弹簧和阻尼器的设计选型，并可降低整个TMD的高度尺寸，节省安装空间。

3.本实用新型的低频杠杆式调谐质量阻尼器，可采用压缩弹簧设计成堆放式TMD，也可采用拉伸弹簧设计成悬吊式TMD，弹簧可根据实际需求分层布置，弹簧的设计选型更灵活方便。质量块质量可调，也可保证TMD的设计参数更加精确。

4.本实用新型的低频杠杆式调谐质量阻尼器，导向柱对因应的安装在所述上连接板61的下表面和所述下连接板的上表面，所述弹簧套设于所述导向柱的外圆周上，一方面起到导向作用，迫使弹簧沿该导向柱仅发生垂向位移，同时限制弹簧发生其他自由度运动，提高阻尼器的精度。

5.本实用新型的低频杠杆式调谐质量阻尼器，采用轴承设计使得所述杠杆支架和所述杠杆悬臂之间处于可活动状态，便于实现杠杆功能，而且质量单元设于杠杠的一端，其通过自身重力作用，使得弹簧处于受压状态，当有桥梁结构受到外力扰动，打破这种平衡，即质量单元受外力作用做垂向运动，弹簧对应伸长或压缩，振动频率与主结构频率一致，从而抵消外力扰动，起到保护主结构的作用。

附图说明

图1为本实用新型实施例一种低频杠杆式调谐质量阻尼器的整体安装结构示意图；

图2为本实用新型实施例一种低频杠杆式调谐质量阻尼器的三维结构示意图前视图；

图3为本实用新型实施例一种低频杠杆式调谐质量阻尼器的右视图；

图4为本实用新型实施例一种低频杠杆式调谐质量阻尼器的正视图；

图5为本实用新型实施例一种低频杠杆式调谐质量阻尼器的杠杆原理图；

图6为本实用新型实施例一种低频杠杆式调谐质量阻尼器的质量单元受力分析图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-杠杆框架、11-杠杆支架、111-杠杆横梁、112-杠杆纵梁、12-杠杆悬臂、2-弹簧组件、21-弹簧、22-导向柱、3-质量块单元、31-质量块、32-螺杆、4-轴承、5-阻尼器、6-固定机构、61-上连接板、62-下连接板、63-固定板、8-钢箱梁固定支架、9-钢箱梁底板。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型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相互组合。

如图1-图4所示，本实用新型实施例提供一种低频杠杆式调谐质量阻尼器，安装在箱梁的内部，其包括杠杆框架1、弹簧组件2、质量单元3、阻尼器5以及固定机构6。其中杠杆框架1包括杠杆支架11和杠杆悬臂12，所述杠杆支架11是由钢板焊接而成，其下端通过螺栓与预先安装在钢箱梁底板9上的钢箱梁固定支架8相连，进而固定安装在所述钢箱梁底板9上，作为本实用新型中杠杆结构的支点；所述杠杆悬臂12通过轴承4安装在所述杠杆支架11的两侧，所述杠杆悬臂12以所述杠杆支架11为支点可适度活动，比如绕所述轴承4转动。所述固定机构6包括上连接板61、下连接板62以及固定板63，所述上连接板61安装在所述杠杆悬臂12的中间支撑部上方，所述上连接板61的下方安装有弹簧组件2、阻尼器5和下连接板62，所述阻尼器5的下端安装在所述下连接板62的上面；所述弹簧组件2包括弹簧21和导向柱22，所述导向柱22对因应的安装在所述上连接板61的下表面和所述下连接板62的上表面，所述弹簧21套设于所述导向柱22的外圆周上，一方面起到导向作用，迫使弹簧21沿该导向柱22仅发生垂向位移，同时限制弹簧21发生其他自由度运动，所述弹簧21的外面安装有套筒，用于固定弹簧的运动方向，使其便于归位；所述上连接板61还与所述固定板63固定连接，所述固定板63与所述杠杆悬臂12通过轴承连接，这样可以保持所述上连接板61、所述弹簧组件2、所述阻尼器5以及所述下连接板62的竖向垂直运动；所述下连接板62通过螺栓与所述钢箱梁固定支架8连接进而安装在所述钢箱梁底板9上；所述质量单元3安装在所述杠杆悬臂12的末端，作为本实用新型中杠杆结构的动力结构，质量单元3由质量固定的n块钢板通过螺杆32连接而成，质量可调，用于控制TMD的频率。工作时，通过调节质量块31的数量，进而调节此TMD的频率，当此TMD频率与主结构频率一致，且在主结构受外力振动时，TMD会在主结构上产生与主结构振动相反的惯性力，进而减小主结构的振动幅度，避免了主结构因大幅度振动而发生破坏，进而保护主结构不受损坏。

进一步地，如图1所示，杠杆支架11由顶部横梁111和侧边支架组成112，形成直立的门状结构，作为TMD的支点部分，主要起到支撑作用。所述杠杆悬臂12通过轴承4与所述杠杆支架1相连接，形成框架结构。所述杠杆悬臂12优选为左右各两个，同时，所述轴承4优选为4个，采用轴承设计使得所述杠杆支架11和所述杠杆悬臂12之间处于可活动状态，便于实现杠杆功能，而且质量单元设于杠杠的一端，其通过自身重力作用，使得弹簧21处于受压状态，当有桥梁结构受到外力扰动，打破这种平衡，即质量单元3受外力作用做垂向运动，弹簧21对应伸长或压缩，振动频率与主结构频率一致，从而抵消外力扰动，起到保护主结构的作用。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，如图3所示，所述弹簧组件2优选为6个弹簧21和对应的6对导向柱，可根据刚度和位移等实际需求通过在中间加设隔板分层布置，如此，弹簧的设计选型更灵活方便。所述弹簧组件2的上端与所述上连接板61相连，下端与所述下连接板62相连，这样的安装方式可以便于保持此TMD的竖向刚度。

进一步地，所述阻尼器5固定安装在所述上连接板61的下面和所述下连接板62的上面，所述阻尼器5优选为2个，固定安装于所述弹簧组件2的中间，这样使得阻尼器的运动轨迹和TMD主结构的运动轨迹保持一致性，方便控制。阻尼器已属于现有技术，是一种利用阻尼特性来减缓机械振动及消耗动能的装置，种类有多种，主要有液体阻尼器、气体阻尼器和电磁阻尼器三类。

进一步地，所述固定板63与所述杠杆悬臂12通过所述轴承4连接，所述固定板63的长度小于所述杠杆支架11的高度，且能够满足基本杠杆活动的需求。所述固定板63安装在所述上连接板61的两端下方，这样可以使得所述上连接板61、所述弹簧组件2、所述阻尼器5和所述下连接板62构成的整体结构进行竖向垂直运动。

可选择性的，根据所需要的安装形式不同，所述上连接板61与所述固定板63连接，同时，所述下连接板62与钢箱梁固定支架8固定连接进而固定安装在所述钢箱梁底板上，由于所述杠杆悬臂12、上连接板61、固定板63及质量单元3的自身重力作用，使得所述杠杆悬臂12、上连接板61、固定板63及质量单元3弹簧组件2和所述阻尼器5构成的整体结构堆叠于所述下连接板62和所述钢箱梁底板9上，从而形成堆放式TMD；所述上连接板61可以与钢箱梁的顶部固定连接，同时，所述下连接板62与固定板63固定连接，由于所述弹簧组件2、所述阻尼器5以及所述下连接板62的自身重力作用使得所述上连接板61与所述弹簧组件2以及所述阻尼器5构成的整体结构的下端固定于下连接板61上，由于弹簧组件的自然特性，使整个TMD处于悬吊状态，从而形成悬吊式TMD；堆放式TMD一般采用压缩弹簧方式完成减振过程，悬吊式TMD一般采用拉伸弹簧方式完成减振过程。常规的TMD弹簧和质量块一体设计,运动轨迹基本一致，本实用新型区别于常规TMD设计,将弹簧组件与质量块分开安装，分别构成杠杆的不同组成单元，彼此运动轨迹分离甚至相反，可见安装方式多样，具有高度灵活性；

进一步地，所述质量单元3的两侧与所述杠杆悬臂12通过轴承4连接，使得所述质量单元3保持竖向垂直运动；所述质量单元3与所述杠杆支架11和所述杠杆悬臂12形成闭合的框架，将所述上连接板61和下连接板62以及其之间安装的所述弹簧组件2和所述阻尼器5所形成的整体结构围在内部，可以将所述上连接板61、所述弹簧组件2、所述阻尼器5和所述下连接板62构成的减振结构的动态范围限制在了一定范围，从而降低整个TMD的高度尺寸，节省了安装空间。

进一步地，所述质量单元3包括由n块钢板组成的质量块31和质量块31内部彼此之间起固定连接作用的螺杆32；钢板质量易测，螺杆调节方便，这样既可使TMD的设计参数更加精确，又可通过调节钢板间螺杆和螺母，轻松方便的增加或者删减所述质量单元3的重量，从而简单方便的实现TMD的频率调节；通过调节质量单元3，使TMD频率与主结构频率一致，在主结构受外力振动时，TMD产生相反的惯性力作用在主结构上这样一方面可有效控制TMD的振幅，减轻TMD运动过程中碰撞、冲程超限引起的控制不稳定性，从而提高TMD在低频竖向振动控制上的性能，可以避免因弹簧较大静变形而引起的性能退化问题；

如图5所示，本实用新型实施例的低频杠杆式调谐质量阻尼器具体工作原理如下：采用杠杆原理，所述杠杆支架11作为支点；所述上连接板61、所述弹簧组件2、所述下连接板62以及所述阻尼器5共同构成的整体结构作为阻力结构；所述质量单元3作为动力结构；在自然状态下，所述质量单元3由于自身重力作用有一个自然向下的重力作用，同时杠杆会给其一个与其重力作用相抗的支反力，进而维持杠杆的平衡；当被控制结构发生振动时，引发所述质量单元3发生竖向直线运动，此时所述质量单元3的运动会通过所述杠杆悬臂12传递到所述上连接板61、所述弹簧组件2以及所述阻尼器5共同构成的阻力结构，使其产生与所述质量单元3方向相反的运动模式，进而完成减振过程。

根据常规的TMD设计输入参数：自振频率f＝0.2HZ，质量块m＝2t，行程±500mm，阻尼比0.1。此时，根据弹簧总刚度k＝m·ω²＝m·(2πf)²＝3.22N/mm可知：弹簧静态压缩位移s＝mg/k＝20000/3.22＝6211mm，由于弹簧刚度较小导致弹簧压缩位移达到6.2m，再考虑到弹簧动态行程±500mm以及弹簧自身极限压缩高度，所以弹簧的长度会非常长且稳定性很差。同等条件下，就算是黏滞阻尼器的设计长度也会达到2.5m以上，因此安装空间受限，可见，常规设计很难满足该TMD参数。综上，为了增加弹簧总刚度以及减小弹簧和阻尼器动态行程，考虑如下杠杆式TMD，其工作原理如图5-图6所示：

如图6所示，以质量块为研究对象，假设忽略运动过程中的阻尼，忽略杠杆和弹簧的质量，质量块在运动过程承受自身重力mg，会形成惯性力

以及杠杆对其产生的支反力F，因此质量块的动力平衡方程为：

再根据杠杆原理：

F·L＝k·x1·L1 (2)

带入方程(1)可得：

取n＝L/L₁为杠杆放大系数，则方程(4)可写为

可见，采用杠杆式TMD后，若结构频率f和质量m不变，则弹簧刚度应放大n2倍。弹簧和阻尼器的行程可缩短为质量块行程的1/n倍。

常规的低频TMD由于其自振周期较长，弹簧刚度较小，竖向载荷较大，弹簧的设计选型会非常困难。低刚度的弹簧也会由于其长度较长，静载压缩位移过大，动态行程较大等导致其加工和安装困难，本实用新型采用杠杆原理，根据以上的分析可知，若结构频率f和质量m不变，则弹簧刚度应放大n2倍，弹簧和阻尼器的行程可缩短为质量块行程的1/n倍，此种设计可使弹簧在同等受力条件下不易产生形变，不至于因过度拉伸而性能退化，在提高所述弹簧21整体刚度，同时弹簧和阻尼器的行程缩短，与常规设计相比，还能降低整个TMD的高度尺寸，节省安装空间。另外，通过调节质量块，使TMD频率与主结构频率一致，在主结构受外力振动时，TMD产生相反的惯性力作用在主结构上这样一方面可有效控制TMD的振幅，减小振动幅度，进而减轻TMD运动过程中碰撞、冲程超限引起的控制不稳定性，避免TMD发生冲程破坏，保证TMD的控制稳定性，进而保护主结构不受损坏。最后，所述固定板63可选择性的与所述上连接板61固定或者与下连接板62固定，实现堆叠式TMD和悬吊式TMD的自由选择，安装方式多样；所述质量块31由n块钢板组成，且钢板间通过螺杆32连接固定，质量明确且方便调节，这样使得TMD的设计参数更加精确。本实用新型具有结构合理紧凑、加工方便、性能稳定、减振效果优等特点，不仅克服了现有TMD的缺陷，而且改善了减振效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低频杠杆式调谐质量阻尼器，其特征在于，包括：

杠杆框架(1)，其包括杠杆支架(11)及杠杆悬臂(12)，所述杠杆悬臂(12)通过轴承(4)与所述杠杆支架(11)实现活动连接；

与所述杠杆框架(1)垂直连接的固定机构(6)，所述固定机构(6)内设有弹簧组件(2)及阻尼器(5)，所述杠杆支架(11)、固定机构(6)底部或顶部通过钢箱梁固定支架(8)与钢箱梁底板(9)固定连接，构成调谐质量阻尼器的支点；

所述杠杆悬臂(12)远离所述固定机构(6)的一端设有质量单元(3)，该质量单元(3)通过轴承(4)与所述杠杆悬臂(12)活动连接，所述质量单元(3)及杠杆悬臂(12)构成调谐质量阻尼器动力及动力臂，所述弹簧组件(2)、阻尼器(5)及杠杆悬臂(12)至所述杠杆支架(11)之间部分构成阻力及阻力臂；且，

所述质量单元(3)包括质量块(31)，所述质量块(31)的质量可调节，调节杠杆式调谐质量阻尼器的频率与主结构的频率一致，从而在所述主结构受外力振动时产生与其振动相反的惯性力，减小所述主结构的振幅。

2.根据权利要求1所述的一种低频杠杆式调谐质量阻尼器，其特征在于，所述固定机构(6)包括上连接板(61)、下连接板(62)及固定板(63)；

所述上连接板(61)与固定板(63)固定连接；

所述下连接板(62)与钢箱梁底板(9)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种低频杠杆式调谐质量阻尼器，其特征在于，所述弹簧组件(2)包括弹簧(21)及导向柱(22)；

所述导向柱(22)分别设于所述上连接板(61)和下连接板(62)上；

所述弹簧(21)的两端分别套设于对应导向柱(22)上。

4.根据权利要求3所述的一种低频杠杆式调谐质量阻尼器，其特征在于，所述弹簧(21)的外面安装有套筒，用于固定弹簧(21)的运动方向。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种低频杠杆式调谐质量阻尼器，其特征在于，所述质量单元(3)包括螺杆(32)，所述质量块(31)通过该螺杆(32)固定连接。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种低频杠杆式调谐质量阻尼器，其特征在于，所述杠杆支架(11)包括杠杆横梁(111)及与该杠杆横梁(111)垂直设置的杠杆纵梁(112)。

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