CN104805926B - 形状记忆合金摩擦复合隔振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种形状记忆合金摩擦复合隔振器，包括连接上法兰的内筒和连接下法兰的外筒，内筒和外筒同轴，内筒和外筒间通过多层奥氏体形状记忆合金绞线沿径向连接，内筒下方设置可滑动内筒底座，可滑动内筒底座内部设置轴向奥氏体形状记忆合金弹簧和若干组径向奥氏体形状记忆合金弹簧，径向奥氏体形状记忆合金弹簧通过滑动摩擦副连接内筒，可滑动内筒底座下部通过自适应滑动摩擦副连接外筒；滑块前部设置上小下大的斜面，内筒下部外壁设置与斜面对应的倒角。本发明形状记忆合金摩擦复合隔振器综合利用了奥氏体形状记忆合金的大变形自复位能力和摩擦元件高耗能特点，可实现被控结构在水平面内多方向以及垂向的振动控制和自行复位的目的。
Description
技术领域
本发明是分案申请，母案申请号2013101459528，母案申请日2013年4月25日，母案发明名称形状记忆合金摩擦复合隔振器。本发明属于土木工程技术领域，特别涉及一种形状记忆合金摩擦复合隔振器。
背景技术
工程结构抗震是工程技术领域内必须研究的重点课题之一。强烈的地震带来的沉痛灾难有目共睹，大量的桥梁等建筑结构在强震作用下毁于一旦，从而造成巨大的经济和社会损失。因此在土木结构设计中，必须对结构进行科学且严格的抗震设计。结构振动控制技术为抗震设计提供有效的设计方法和途径。结构振动控制是通过吸振、隔振或者通过外部主动输入能量来控制工程主体结构的振动水平，以免强烈的振动导致工程结构的破坏或损伤。在实际工程中，是通过在结构中装设某种元件或者装置来改变结构的动力学特性，从而达到结构振动控制的目的。传统隔振技术作为主要的结构振动控制手段已经非常成熟，但目前工程上应用的隔振装置仍存在的问题有：震后自复位性能差，比如摩擦阻尼器和软刚阻尼器等；较难维护，比如粘滞阻尼器等；耐久性和抗腐蚀性差，比如橡胶隔振器的橡胶垫易老化。
形状记忆合金是一种新材料，具有独特的形状记忆效应和伪弹性(超弹性)。其中形状记忆效应使该合金具有较强的耗能能力，而伪弹性使形状记忆合金具有大变形自回复能力和一定的滞后耗能能力，并且具备优秀的耐腐蚀、抗疲劳性能，利用其构造的隔振器可以克服目前隔振器的上述缺陷。但是单纯利用伪弹性形状记忆合金构造阻尼器，显得耗能能力不足。而综合利用形状记忆合金的伪弹性和形状记忆效应会使结构参数设计过于复杂，且造价较高，而不便于工程应用。
CN 101575882A公开了一种混合型形状记忆合金多维隔振器，主要由上法兰、内筒、马氏体形状记忆合金耗能弹簧、奥氏体形状记忆合金绞线、外筒、底盘、薄壁形状记忆合金空心球和下法兰组成。上述混合型形状记忆合金多维隔振器利用了形状记忆合金超弹性的自复位能力和形状记忆效应的高阻尼特性来实现振动控制，但是对于垂向振动的应力以外筒内部放置的薄壁形状记忆合金空心球作为载荷受体，其承受载荷范围较小，卸载后复位能力差，一旦过载后其复位时间长，甚至出现难以复位的情形，这对于其安装受体存在着极大的安全隐患；在水平方向上，采用马氏体形状记忆合金耗能弹簧单纯作为耗能构件，其代价之高不言自明，很不经济，相比而言，摩擦阻尼元件具有较强耗能能力，且结构简单可靠，比较廉价，经济适用；再有，对于振动情况比较复杂的情形，比如基础伴随一定转动的情况，该装置中外筒的倾斜会导致形状记忆合金空心球垂直方向上受力局部集中，从而引起合金空心球发生不可回复的变形甚至破坏，增加了该装置损坏的概率。因此，亟需设计出一种新的复合隔振器来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种新的形状记忆合金摩擦复合隔振器，其目的在于解决现有隔振器的自复位和自适应能力差、较难维护、耗能能力不足、抗疲劳和抗腐蚀性能差、隔振方向单一等问题。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种形状记忆合金摩擦复合隔振器，包括连接上法兰的内筒和连接下法兰的外筒，所述内筒和外筒同轴，所述内筒和外筒间通过多层奥氏体形状记忆合金绞线沿径向连接，所述内筒下方设置可滑动内筒底座，所述可滑动内筒底座内部设置轴向奥氏体形状记忆合金弹簧和若干组径向奥氏体形状记忆合金弹簧，所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧通过滑动摩擦副连接所述内筒，所述可滑动内筒底座下部通过自适应滑动摩擦副连接所述外筒。
所述奥氏体形状记忆合金绞线在内筒、外筒圆周上对称布置六组或八组，每组设置为三层或五层，所述奥氏体形状记忆合金绞线的端部通过绞线固定卡环固定。
所述可滑动内筒底座内部设置内台阶，所述内台阶的内侧面设置所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧的安装座，所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧前端设置可以在所述内台阶上移动的滑块。
所述可滑动内筒底座上部侧面设置安装所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧的安装座内孔，所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧前端设置部分伸出所述安装座内孔的滑块。
所述滑块前部设置上小下大的斜面，所述斜面设置凹弧，所述内筒下部外壁设置与所述斜面对应的倒角。
所述滑动摩擦副包括所述滑块前部的外半副和所述内筒外壁的内半副。
所述自适应滑动摩擦副包括可滑动内筒底座底面设置的上半副和所述外筒底面上的下半副，所述上、下半副的接触面设置为具有一定下凹的弧面。
所述滑动摩擦副和所述自适应滑动摩擦副采用聚四氟乙烯制件。
所述奥氏体形状记忆合金绞线表面涂制隔氢层。
所述内筒和外筒表面设置防锈层。
本发明形状记忆合金摩擦复合隔振器的上下两端通过上法兰和下法兰以及配套的螺栓、螺母固定在需要进行隔振的结构中，确保所述内筒和外筒同轴，所述内筒和外筒间通过多层奥氏体形状记忆合金绞线沿径向连接，所述奥氏体形状记忆合金绞线设置为三层或五层，跨度占到外筒高度的一半以上，每一层均包括所述内筒、外筒圆周上对称布置的六组或者八组奥氏体形状记忆合金绞线，可以保证应力载荷卸载后不同高度层面上多点同时做功，保证结构有足够的复位能力和一定的耗能能力；所述奥氏体形状记忆合金绞线端部设置绞线固定卡环，可以通过调节绞线固定卡环使奥氏体形状记忆合金绞线初始应变位于形状记忆合金应力诱发马氏体相变应力—应变曲线平台的中点，保证形状记忆合金小变形的耗能能力和大变形的复位能力；所述可滑动内筒底座内部设置轴向奥氏体形状记忆合金弹簧，上端连接所述内筒，用于竖直方向振动状态时耗能，并在在卸载后实现自复位。
所述可滑动内筒底座内台阶的侧面通过所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧连接滑块，所述滑块可在可滑动内筒底座内台阶上沿径向滑动；这里也可以采用另一种安装形式：所述可滑动内筒底座内部上侧设置安装所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧的安装座内孔，所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧前端设置部分伸出所述安装座内孔的滑块，所述安装座内孔同时具备导轨和安装座的作用，这两种途径均可以在卸载后辅助实现内筒的径向准确复位。
所述滑块前部设置上小下大的斜面，所述斜面设置凹弧，便于适应于所述内筒，在竖直方向上具有一定的复位导向作用，所述内筒下部外壁设置的倒角，配合所述外半副和所述内半副形成滑动摩擦副，对于内筒的竖直方向振动能起到良好的耗能作用。
所述可滑动内筒底座下部通过自适应滑动摩擦副连接所述外筒；所述自适应滑动摩擦副包括可滑动内筒底座底面设置的上半副和所述外筒底面上的下半副，所述上、下半副的接触面形成一定下凹的弧面，可以自适应于本发明所处的受力状态，从而降低由于基础微小倾斜和垂直面内微小转动造成的局部受力不均对结构可靠性和抗破坏性的影响；所述滑动摩擦副和所述自适应滑动摩擦副采用聚四氟乙烯制件，成本低廉，耗能效果佳。
所述奥氏体形状记忆合金绞线表面涂制隔氢层，有效隔离外界氢原子和氢化物对形状记忆合金在时效过程中表面的相变与破坏,避免产生氢致表面收缩产生较大张应力所致时效裂纹，提高了本发明奥氏体形状记忆合金绞线对外界环境的适应能力及其使用的持久性；所述内筒和外筒表面设置防锈层，防止环境因素导致锈蚀、损坏，提高其使用寿命。
本发明形状记忆合金摩擦复合隔振器的工作原理：当有水平方向基础激励时，所述内筒与外筒之间在水平面内有相对运动，此时所述奥氏体形状记忆合金绞线总有部分伸长和部分缩短，在此运动过程中，由于形状记忆合金加卸载形成的滞后效应耗散一定的能量，与此同时，所述可滑动内筒底座的自适应滑动摩擦副在水平运动中也将消耗大量的能量，从而起到水平方向上振动控制的目的，在振动结束后所述内筒在所述奥氏体形状记忆合金绞线的作用下自行复位，由于所述奥氏体形状记忆合金绞线沿圆周方向对称布置，可以实现水平面内任意方位的振动控制和自复位；当有垂直方向的基础激励时，所述内筒相对于可滑动内筒底座的所述滑块有垂直方向的相对运动，此时所述轴向奥氏体形状记忆合金弹簧和所述内筒下端侧面与所述滑块之间设置的滑动摩擦副起到双重耗能作用，从而控制所述内筒的垂向振动，在振动结束后由所述奥氏体形状记忆合金弹簧将所述内筒复位，同时所述可滑动内筒底座下部的自适应滑动摩擦副设计成一定的弧面，可降低基础微小倾斜和转动造成的影响。
本发明形状记忆合金摩擦复合隔振器综合利用了奥氏体形状记忆合金的大变形自复位能力和摩擦元件高耗能特点，可实现被控结构在水平面内多方向以及垂向的振动控制和自行复位的目的，并且自适应摩擦副的弧面设计可降低基础微小倾斜和转动带来的受力集中现象，有效地提高结构的自适应性和可靠性。本发明可以实现结构横向、垂向多方位的隔振功能，能够应对随机方向性的地震等载荷，具有很强普适性。
本发明具有高效的耗能减振作用和可靠的自复位性能，且结构简单可靠，节省昂贵材料，制造安装方便，容易维护，且耐久性和抗腐蚀性能强，可减少被控结构和隔振器震后的修复工作。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1是本发明形状记忆合金摩擦复合隔振器的一种半剖结构示意图；
图2是本发明形状记忆合金摩擦复合隔振器的图1的A-A半剖俯视图；
图3是本发明形状记忆合金摩擦复合隔振器滑块的结构示意图；
图4是本发明形状记忆合金摩擦复合隔振器的另外一种半剖结构示意图。
具体实施方式
具体实施例一
如图1、图2和图3所示，一种形状记忆合金摩擦复合隔振器，包括连接上法兰1的内筒2和连接下法兰3的外筒4，所述内筒2和外筒4同轴，所述内筒2和外筒4间通过圆周上对称布置的八组奥氏体形状记忆合金绞线5实现沿径向连接，每组所述奥氏体形状记忆合金绞线5设置为五层，所述奥氏体形状记忆合金绞线5的端部通过绞线固定卡环6固定；所述内筒2下方设置可滑动内筒底座7，所述可滑动内筒底座7内部设置轴向奥氏体形状记忆合金弹簧8和若干组径向奥氏体形状记忆合金弹簧9，所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧9设置为四组或六组或八组均可，每组所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧9通过滑动摩擦副10连接所述内筒2，所述可滑动内筒底座7下部通过自适应滑动摩擦副11连接所述外筒4。
所述可滑动内筒底座7内部设置内台阶12，所述内台阶12的内侧面设置所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧9的安装座，所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧9前端设置可以在所述内台阶12上移动的滑块13；所述滑块13前部设置上小下大的斜面14，所述斜面14设置凹弧，所述内筒2下部外壁设置与所述斜面14对应的倒角15。
所述滑动摩擦副10包括所述滑块13前部的外半副和所述内筒2外壁的内半副。
所述自适应滑动摩擦副11包括可滑动内筒底座7底面设置的上半副和所述外筒4底面上的下半副，所述上、下半副的接触面设置为具有一定下凹的弧面16。
所述滑动摩擦副10和所述自适应滑动摩擦副11采用聚四氟乙烯制件。
所述奥氏体形状记忆合金绞线5表面涂制隔氢层。
所述内筒2和外筒4表面设置防锈层。
具体实施例二
如图4所示，与具体实施例一的区别在于：所述可滑动内筒底座7上部侧面设置安装所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧9的安装座内孔17，所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧9前端设置部分伸出所述安装座内孔17的滑块13。
具体实施例三
与具体实施例一或二的区别在于：所述奥氏体形状记忆合金绞线5在内筒2、外筒4圆周上对称布置六组，每组所述奥氏体形状记忆合金绞线5设置为五层。
具体实施例四
与具体实施例一或二的区别在于：所述奥氏体形状记忆合金绞线5在内筒2、外筒4圆周上对称布置六组或者八组，每组所述奥氏体形状记忆合金绞线5设置为三层。
上述实施例中，本发明所述形状记忆合金摩擦复合隔振器的设计制作工艺：
步骤1：对工程结构进行动力学分析，根据隔振性能要求来设计隔振器的具体参数；
步骤2：将上述外筒4焊接在下法兰3上，然后在所述外筒4底部粘结聚四氟乙烯自适应滑动摩擦副11的下半副；
步骤3：在可滑动内筒底座7底面粘贴聚四氟乙烯自适应滑动摩擦副11的上半副，并将其安置在所述外筒4底部的自适应滑动摩擦副11的下半副之上，保证可滑动内筒底座7和外筒4同轴；
步骤4：分别在滑块13和内筒2底部侧面粘结聚四氟乙烯制滑动摩擦副10的外半副和内半副；
步骤5：在可滑动内筒底座7的内底面安装轴向奥氏体形状记忆合金弹簧8，在其内台阶12或者安装座内孔17上沿圆周均匀对称安装四组或六组或八组径向奥氏体形状记忆合金弹簧9和滑块13配对组合；
步骤6：将所述内筒2下端放置在所述可滑动内筒底座7上，使所述轴向奥氏体形状记忆合金弹簧8与所述内筒2底面接触，侧面通过滑动摩擦副10和所述滑块13接触；
步骤7：在所述内筒2和外筒4之间布设三层或者五层奥氏体形状记忆合金绞线5，所述奥氏体形状记忆合金绞线5采用表面涂制隔氢层的产品，并在每层在圆周上均匀对称设置六组或者八组；
步骤8：通过所述绞线固定卡环6调节奥氏体形状记忆合金绞线5的预应变，使各组奥氏体形状记忆合金绞线5的预应变都达到形状记忆合金应力诱发马氏体相变对应的应力—应变曲线平台的中点；
步骤9：将装配好的本发明机构通过上法兰1的安装孔和下法兰3的安装孔安装在需要隔振的结构中。
采用上述结构以及工艺制备的本发明形状记忆合金摩擦复合隔振器综合利用了奥氏体形状记忆合金的大变形自复位能力和摩擦元件高耗能特点，可实现被控结构在水平面内多方向以及垂向的振动控制和自行复位的目的，并且自适应摩擦副的弧面设计可降低基础微小倾斜和转动带来的受力集中现象，有效地提高结构的自适应性和可靠性。本发明可以实现结构横向、垂向多方位的隔振功能，能够应对随机方向性的地震等载荷，具有很强普适性。
本发明具有高效的耗能减振作用和可靠的自复位性能，且结构简单可靠，节省昂贵材料，制造安装方便，容易维护，且耐久性和抗腐蚀性能强，可减少被控结构和隔振器震后的修复工作。
Claims (2)
1.一种形状记忆合金摩擦复合隔振器，包括连接上法兰的内筒和连接下法兰的外筒，所述内筒和外筒同轴，其特征在于：所述内筒和外筒间通过多层奥氏体形状记忆合金绞线沿径向连接，所述内筒下方设置可滑动内筒底座，所述可滑动内筒底座内部设置轴向奥氏体形状记忆合金弹簧和若干组径向奥氏体形状记忆合金弹簧，所述径向奥氏体形状记忆合金弹簧通过滑动摩擦副连接所述内筒，所述可滑动内筒底座下部通过自适应滑动摩擦副连接所述外筒，所述奥氏体形状记忆合金绞线在内筒、外筒圆周上对称布置六组或八组，每组设置为三层或五层，所述奥氏体形状记忆合金绞线的端部通过绞线固定卡环固定，所述自适应滑动摩擦副包括可滑动内筒底座底面设置的上半副和所述外筒底面上的下半副，所述上、下半副的接触面设置为具有一定下凹的弧面。
2.如权利要求1所述形状记忆合金摩擦复合隔振器，其特征在于：所述滑动摩擦副和所述自适应滑动摩擦副采用聚四氟乙烯制件。
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