CN114622760B - 质量等效式惯容减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及属于土木工程结构减振耗能技术领域的质量等效式惯容减振装置，包括固定板、支撑板、质量圆盘、圆盘扩展槽、滚珠丝杆、滚珠螺母、旋转阻尼器、弹簧以及连接杆。装置整体对称布置，质量圆盘通过圆盘扩展槽与滚珠螺母进行固定，滚珠螺母沿滚珠丝杆轴向运动时，使得质量圆盘具有平动和转动效果，进而实现惯容的机制。利用连接杆，质量圆盘转动使固定在支撑板上的旋转阻尼器同步转动，以实现结构耗能。利用两组弹簧分别进行调谐和扩充自由度，与质量圆盘搭配分别起到进行调谐和增加转动动能的效果。本装置通过机械传动方式赋予质量单元以惯容的效果，与经典调谐质量阻尼器相比，控制频带更宽且耗能效率更佳，具有广泛的应用场景。

Description

质量等效式惯容减振装置

技术领域

本发明属于土木工程结构减振耗能技术领域，尤其涉及一种质量等效式惯容调谐减振装置。

背景技术

吸能减振技术作为一种有效的结构减振方式，在土木结构的抗风及抗震方面已得到广泛的应用。吸能减振通常是在主结构上附加一组子系统，通过调节阻尼器参数实现与结构频率一致以达到共振，将输入结构的能量转移至附属子系统中，以耗散主的结构能量及减小结构响应幅值，避免结构发生破坏。当作为一种被动控制方式时，其可自发地进行，不需要外部能量的输入，性能稳定性好且易于检查维护。

经典调谐质量阻尼器(TMD)构造简单，仅通过一组质量-弹簧-阻尼力学单元来实现，可针对某一特定频率进行控制，但也同时存在响应滞后、控制频带范围较窄等一些缺陷。在TMD的基础上添加惯容元件，并与质量-弹簧-阻尼单元相结合，可进一步拓宽此类装置的频率控制宽度，增强储能和吸能效果。但通常惯容元件需要额外单独考虑和设计，参数一经设置便不可调节，且构造较为复杂，易发生结构损坏。

发明内容

考虑到以上不足，本发明设计了一种将质量单元进行等效的惯容装置，利用机械传动的方法，根据其运动的特点，将其平动的部分能量转为转动动能。使得在不额外添加惯容单元的情况下，仅通过质量单元实现等效的惯容效果。同时可根据实际需要，在不需要重新组装的情形下进行相关参数的调整，使其更具有实际操作的便利性，并可提升减振效率，减小所需质量块的质量。

为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案为：一种质量等效惯容式减振装置，包括固定在主体结构上的一对固定板、一对用于支承内部装置的支撑板、一根滚珠丝杆、滚珠螺母、一对弹簧、两对端板、一对旋转阻尼器和一组质量圆盘。所述支撑板与所述固定板均固定在主结构上，支撑板和质量圆盘之间有滚珠丝杆、滚珠螺母以及一对弹簧，所述旋转阻尼器通过固定圆盘使始终固定在所述支撑板上，并由连接杆与所述质量圆盘相连接。

进一步的，所述装置为对称装置，左右对称。

进一步的，所述质量圆盘通过螺栓固定在扩展圆槽上；所述扩展圆槽通过焊接固定在滚珠螺母上；而所述滚珠螺母嵌套在滚珠丝杆上，使得所述质量圆盘在沿所述滚珠丝杆轴向方向平动的同时能够发生转动的效果。

进一步的，所述滚珠螺母两侧面分别固接有一号端板，所述一号端板另一侧与一号弹簧相连。

进一步的，所述滚珠丝杆两端架立在所述支撑板上，丝杆轴向两端分别固定有二号端板，所述二号端板另一侧通过二号弹簧与所述固定板相连接。

进一步的，所述的连接杆，两端均布置有螺帽，中间设有弹簧弹孔，可沿轴向方向进行升缩。所述连接杆垂直穿过质量圆盘上均匀分布的孔洞，两端与旋转阻尼器内表面连接，以起到传动旋转角速度的作用。

进一步的，所述的旋转阻尼器，转动连接在固定圆盘上，固定圆盘通过固定螺栓固定在所述支撑板上；所述旋转阻尼器内表面中有四个螺栓口，与所述连接杆相互连接，使得所述质量圆盘的转动效果能够传至旋转阻尼器。

进一步的，当受到外部激励时，所述质量圆盘与所述滚珠丝杆有相对运动的趋势，通过所述滚珠螺母，不仅可使得质量圆盘沿滚珠丝杆前后运动，在滚珠螺母的作用下还可实现转动的效果。通过连接杆的传动，使得转动效果能与旋转阻尼器相同步，以耗散主结构产生的动能，减小结构的响应。

进一步的，所述装置外部包装金属箱体，所述箱体由金属板安装在主结构平台上。

本发明具有以下有益效果。

(1)在风荷载及地震作用下，结构产生较大幅度振动时，质量块能在特定方向上运动，实现对结构的单向减振控制。

(2)由于该装置质量圆盘的旋转特性能够实现暂时转动储能的效果，起到惯容的作用。

(3)该装置将质量圆盘和惯容单元耦合为一体，有效地减轻了装置的总质量，降低了对主结构产生的附加荷载。

(4)本发明可以通过调整质量圆盘的质量、调节阻尼大小、调节弹簧刚度等方法以较为方便地改变频率和阻尼比，以适应不同外界激励下的减振需要。

(5)该装置还具有设计合理、结构简单、加工方便、便于安装、成本较低等特点。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构示意图。

图2为本发明实施例惯容单元处剖面示意图。

图3为本发明实施例质量圆盘剖面示意图。

图4为本发明实施例阻尼单元处剖面示意图。

附图标记如下：1、质量圆盘；2、滚珠螺母；3、圆盘扩展槽；4、一号端板；5、一号弹簧；6、连接杆；7、滚珠丝杆；8、旋转阻尼器；9、固定圆盘；10、固定螺栓；11、支撑板；12、二号端板；13、二号弹簧；14、固定板；15、固定脚支点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1-4所示，本发明所述的质量等效式惯容减振装置，包括固定支撑单元、丝杆传动单元、质量等效惯容单元以及阻尼耗能单元。在固定支撑单元上安装丝杆传动单元以及阻尼耗能单元，丝杆传动单元上安装质量等效惯容单元。

所述固定支撑单元，包括支撑板11以及固定板14，通过固定脚支点15上添加螺栓或者焊接使其固定在主结构当中，以支撑上部的附属构件。支撑板11中，中部留有圆形孔，在上部范围四周内留有螺栓孔。

如图2所示，所述质量等效惯容单元包括质量圆盘1、滚珠螺母2、圆盘扩展槽3、一号端板4。在滚珠螺母2上安装多个固定的圆盘扩展槽3，在圆盘扩展槽3上可通过螺栓安装多个质量圆盘1。在质量圆盘1中留有四个圆孔，使得连接板6能够穿过。

所述丝杆传动单元，通过上述固定支撑单元进行连接，包括滚珠丝杆7、连接杆6、一号弹簧5、二号弹簧13以及二号端板13。滚珠丝杆7布置在支撑板11的中间部位的圆形开孔中，所述质量等效惯容单元以及丝杆单元的重量均通过该部位进行承担。一号弹簧5一端连接在支撑板11中，一端与一号端板4固定连接。二号弹簧13一端与固定板14连接，一端固定在二号端板12上。如图3所示，连接杆6在中间部位具有多个弹簧弹孔，可沿轴向方向上伸缩，此外在轴向两端的端部位置留有螺帽口。连接杆6在质量圆盘1四周中进行布置，并垂直穿过质量圆盘1中留有的圆孔。

如图4所示，所述阻尼耗能单元由旋转阻尼器8、固定圆盘9、固定螺栓10组成。旋转阻尼器8内表面四周留有圆孔，圆孔中布置螺栓，并与连接杆6相连接。旋转阻尼器8转动连接在固定圆盘9上，固定圆盘9与支撑板11通过固定螺栓11相互固定。连接杆6带动旋转阻尼器8转动的同时，利用旋转阻尼器8内部的耗能系统进行能量的吸收与耗散。

本发明的使用过程如下所述。

本发明所述的质量等效式惯容减振装置，能够对实现在水平或者竖向方向对结构进行振动控制。

当结构发生振动时，质量圆盘1在外激励的作用下，沿滚珠丝杆7的轴向方向发生平动。滚珠螺母2与滚珠丝杆7发生相对轴向运动，使得滚珠螺母发生转动。在滚珠螺母2上，布置的扩展圆槽3中，可以放置相应的质量圆盘1。当质量圆盘1沿轴向发生平动运动的同时，同时可以发生转动，将部分平动的动能转化为转动的转动动能，以此来实现等效惯容的作用。具体的实际物理质量和惯容系数值，可通过改变圆盘的形状尺寸大小、材料、数量等方式来实现。

当质量等效惯容单元发生转动时，带动连接杆6一起发生转动。连接杆6同时连接旋转阻尼器8，使得阻尼单元8同步发生转动，内部耗能系统在转动的作用下产生的阻尼力，以进行能量的吸收与耗散。由于旋转阻尼器固定在支撑板11中，其出力大小由其旋转角速度和内部的阻尼系数决定，而旋转角速度与丝杆螺母2在滚珠丝杆7上的相对运动大小有关。

一号弹簧连接了质量等效惯容单元与支撑板11，且其刚度较大，与质量等效惯容单元的实际物理质量相搭配，可形成一种与TMD相类似的质量调谐系统，保证与结构频率相一致以起到共振的效果。

滚珠丝杆7放置在支撑板11的中部圆孔中，以支撑其上部构件的重量。在两端均布置有二号端板12，与二号弹簧13相互连接，且二号弹簧13与固定板14相固定。由此，增加的自由度可使得滚珠丝杆7可以在轴向发生平动，增大与滚珠螺母的相对运动。进而让转动角速度增大，使得旋转阻尼器8能耗散更多的能量。

Claims (6)

1.一种质量等效式惯容减振装置，包括质量圆盘(1)、滚珠螺母(2)、圆盘扩展槽(3)、一号端板(4)、一号弹簧(5)、连接杆(6)、滚珠丝杆(7)、旋转阻尼器(8)、固定圆盘(9)、固定螺栓(10)、支撑板(11)、二号弹簧(13)、固定板(14)、固定脚支点(15)，其特征在于：所述支撑板(11)通过底部的固定脚支点(15)焊接或者螺栓锚固固定在结构平台上，在同一轴线上呈对称布置；所述旋转阻尼器(8)转动连接在固定圆盘(9)上；所述固定圆盘(9)通过固定螺栓(10)固定在支撑板(11)上；所述滚珠丝杆(7)放置在两侧对称的支撑板(11)上，可垂直于支撑板(11)平动；所述滚珠螺母(2)嵌套在滚珠丝杠(7)上，可沿滚珠丝杆(7)轴向运动；所述圆盘扩展槽(3)，通过焊接固定在滚珠螺母(2)表面；所述质量圆盘(1)通过螺栓固定在圆盘扩展槽(3)中；所述连接杆(6)两端与旋转阻尼器(8)相连接，中间垂直穿过质量圆盘(1)设有的圆孔。

2.根据权利要求1所述的质量等效式惯容减振装置，其特征在于：所述质量圆盘(1)为质量均匀、密度较大的金属或其他材料圆盘，数量和尺寸大小可根据实际需要选择，内侧具有圆形环槽，且在与圆盘扩展槽(3)凸出部位相衔接，在内侧厚度方向上设有螺栓孔，中间可穿插螺栓与圆盘扩展槽(3)相固定；在靠近外圈位置，具有沿轴线对称且垂直于圆盘表面的四个圆孔，使得连接杆(6)穿入其中。

3.根据权利要求2所述的质量等效式惯容减振装置，其特征在于：所述圆盘扩展槽(3)垂直布置于滚珠螺母(2)圆心轴线方向上，通过焊接固定在滚珠螺母(2)外圈表面上，且等距布置，相互之间的间距大小大于质量圆盘(1)厚度的两倍，在槽厚度方向上，具有对称布置的圆孔，通过螺栓与质量圆盘(1)相固定。

4.根据权利要求1所述的质量等效式惯容减振装置，其特征在于：所述滚珠螺母(2)嵌套在滚珠丝杆(7)上，沿滚珠丝杆(7)轴向方向上运动，在滚珠螺母(2)外表面固定有圆盘扩展槽(3)，在两端部位布置有一号端板(4)；所述滚珠丝杆(7)垂直支撑在支撑板(11)上，沿垂直于支撑板的方向上可发生平动，在滚珠丝杆(7)两端设有二号端板(12)；所述支撑板(11)中间部位开有圆孔，直径大小大于滚珠丝杆(7)直径，可供滚珠丝杆穿过以及移动。

5.根据权利要求1所述的质量等效式惯容减振装置，其特征在于：所述旋转阻尼器(8)转动连接在固定圆盘(9)上；固定圆盘(9)通过固定螺栓(10)固定在支撑板(11)上；在旋转阻尼器(8)四周开有圆孔，圆孔内部具有螺杆，可与连接杆(6)端部的螺帽相互锚固；所述连接杆(6)为一细长圆形直杆，内设卡口，可沿轴向方向收缩，以改变杆的长度大小，且垂直穿过质量圆盘(1)四周留有的圆孔，端部与旋转阻尼器(8)相固定；连接杆(6)带动旋转阻尼器(8)转动的同时，利用旋转阻尼器(8)内部的耗能系统进行能量的吸收与耗散。

6.根据权利要求1所述的质量等效式惯容减振装置，其特征在于：所述一号弹簧(5)和二号弹簧(13)，在轴向方向上对称布置，一号弹簧(5)一端与滚珠螺母(2)端部的一号端板(4)相固定，另一端固定在支撑板(11)留有的圆孔位置处，且弹簧直径大小略大于滚珠丝杆(7)的直径，以避免碰撞和接触的问题；二号弹簧(13)一端与滚珠丝杆(7)端部的二号端板(12)相连接，一端固定在固定板(14)的中心位置处；所述的固定板(14)，通过底部的固定脚支点(15)焊接或者螺栓锚固在主结构的平台上。

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