一种超低频调谐质量惯质阻尼器的制作方法

1.本技术涉及阻尼减振装置技术领域，特别涉及一种超低频调谐质量惯质阻尼器。


背景技术：

2.对于无法采用接地方式安装直接式阻尼器的某些建筑、桥梁结构而言，通常可以将调谐质量阻尼器(tunedmass damper，tmd)安装在结构振幅最大的位置，并通过频率调谐作用、结构的振动引起tmd中质量块的大幅振动，进而实现结构的振动能量向阻尼器转移，再由阻尼器内部的阻尼耗能装置将能量耗散，最终实现结构的振动控制效果。工程实践证明，采用tmd可以有效控制结构的振动，其是一种行之有效的减振措施。
3.不过，当结构的受控频率不断降低时，虽然理论上采用tmd仍然有效，但是由于传统tmd的弹簧既要平衡质量块的自重，又要调节频率，弹簧的静力变形量与频率的平方成反比，比如某跨海大桥主梁受控频率为0.25hz，弹簧静力变形量接近4m，而箱梁内部可利用空间约3.5m，由此可见，通过传统tmd的机械结构实现超低频非常困难。
4.相关技术中，通常采用滚珠丝杠式惯质机构来放大调谐质量阻尼器的等效振动质量，以解决超低频竖向调谐质量阻尼器弹簧净伸长量过大的问题；但是，滚珠丝杠式的结构在长期使用过程中，滚珠与滚珠、滚珠与滑道、滚珠与丝杆均有摩擦存在，且该多重摩擦会增大摩擦力，以致初始阻尼比偏大；而由于超低频调谐质量阻尼器的阻尼系数和频率成正比，频率低导致阻尼系数小，因此超低频调谐质量阻尼器的初始阻尼比要足够小，才能通过附加阻尼的方式获得最优阻尼比。由此可见，滚珠丝杠式惯质机构虽然能够解决弹簧净伸长量过大的问题，但是存在初始阻尼比偏大，以致无法获得最优阻尼比的问题。


技术实现要素：

5.本技术提供一种超低频调谐质量惯质阻尼器，以解决相关技术中存在的无法有效实现超低频结构减振的问题。
6.第一方面，提供了一种超低频调谐质量惯质阻尼器，包括：
7.固定箱，所述固定箱用于固定于待减振物上；
8.阻尼器，所述阻尼器设于所述固定箱内，所述阻尼器包括：
9.至少一个弹簧，所述弹簧的一端固定于所述固定箱的顶部；
10.阻尼件，所述阻尼件的一端固定于所述固定箱的顶部；
11.质量块，所述质量块分别与所述弹簧的另一端、所述阻尼件的另一端固定连接，所述质量块上转动连接有一转轴；
12.至少一个惯容器，所述惯容器包括：
13.齿条，所述齿条竖直固定于所述固定箱内；
14.飞轮，所述飞轮套设固定于转轴的一端；
15.齿轮，所述齿轮套设固定于所述转轴靠近飞轮的一端，所述齿轮位于所述齿条的侧方，并可与所述齿条啮合；
16.其中，所述质量块在所述弹簧的带动下可进行上下运动并可通过转轴带动所述飞轮和所述齿轮上下运动，所述齿轮在上下运动的同时可与所述齿条进行啮合运动并带动所述飞轮绕所述转轴旋转。
17.一些实施例中，所述质量块的底部两侧分别设有挂耳板，所述弹簧通过所述挂耳板与所述质量块固定连接。
18.一些实施例中，所述弹簧的数量为四个，四个所述弹簧对称固定连接于所述质量块两侧的挂耳板上。
19.一些实施例中，所述弹簧为螺旋拉伸弹簧。
20.一些实施例中，相邻两个所述弹簧的旋向相反。
21.一些实施例中，所述转轴穿设于所述质量块上，并通过深沟球轴承转动连接于所述质量块上。
22.一些实施例中，所述惯容器的数量为两个，两个所述惯容器分别固定于所述转轴的两端。
23.一些实施例中，所述飞轮和所述齿轮均通过平键固定于所述转轴上。
24.一些实施例中，所述固定箱为镂空结构。
25.一些实施例中，所述阻尼件为电涡流阻尼或粘滞阻尼。
26.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：不仅可以降低弹簧的静力伸长量，还可以有效降低频率和初始摩阻，进而实现超低频结构减振。
27.本技术提供了一种超低频调谐质量惯质阻尼器，包括固定箱以及设于固定箱内的阻尼器，阻尼器包括弹簧、阻尼件、质量块和惯容器，其中，弹簧和阻尼件的一端分别固定于固定箱的顶部，质量块分别与弹簧、阻尼件的另一端固定连接，其上转动连接有一转轴；惯容器包括齿条、飞轮和齿轮，齿条竖直固定于固定箱内，飞轮套设固定于转轴的一端，齿轮套设固定于转轴靠近飞轮的一端，齿轮位于齿条的侧方并可与齿条啮合，质量块在弹簧的带动下可进行上下运动并可通过转轴带动飞轮和齿轮上下运动，齿轮在上下运动的同时可与齿条进行啮合运动并带动飞轮绕转轴旋转。当阻尼器处于静止状态时，由于齿轮与齿条之间不受力，即只有质量块与飞轮参与静力平衡运算，使得静力平衡方程中的自重较小，进而有效降低弹簧的静力伸长量；而当阻尼器发挥作用时，齿轮齿条传动，将放大飞轮产生的惯质系数，进而使得动力方程中的频率降低，达到超低频的目的；此外，由于本技术中的初始摩擦阻尼只来自于齿轮-齿条传动和转轴的转动摩阻，因此摩擦力较小，进而可使得初始摩阻较小，从而获得最优阻尼比。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本技术实施例提供的超低频调谐质量惯质阻尼器的立体结构示意图；
30.图2为本技术实施例提供的超低频调谐质量惯质阻尼器的平面示意图；
31.图3为本技术实施例提供的超低频调谐质量惯质阻尼器的受力等效示意图。
32.图中：1-固定箱，2-阻尼器，21-弹簧，22-阻尼件，23-质量块，231-转轴，232-挂耳板，24-惯容器，241-齿条，242-飞轮，243-齿轮。
具体实施方式
33.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
34.本技术实施例提供了一种超低频调谐质量惯质阻尼器，其能解决相关技术中存在的无法有效实现超低频结构减振的问题。
35.参见图1至图3所示，本技术实施例提供了一种超低频调谐质量惯质阻尼器，包括固定箱1和阻尼器2，固定箱1用于固定于待减振物上，优选为镂空结构，可有效降低惯质阻尼器的重量；阻尼器2设于所述固定箱1内，其包括至少一个弹簧21、阻尼件22、质量块23和至少一个惯容器24；其中，弹簧21竖直设于固定箱1内，其一端固定于所述固定箱1的顶部；弹簧21的数量可优选为4个以上的偶数个，可共同为质量块23提供均衡的弹性力，使质量块23只能上下振动，而不会翻转或者倾斜；其次，弹簧21可优选为螺旋拉伸弹簧，其形状可优选为圆柱形，螺旋拉伸弹簧不仅可为阻尼器提供刚度，其与压缩弹簧相比，在较大的长细比下(即大行程运动中)也不会出现失稳问题；此外，对于设置了偶数个的弹簧21而言，可优选将相邻两个弹簧21的旋向设置为相反的，即某一弹簧21为右旋，那么其相邻的弹簧21可设为左旋，可进一步避免质量块23在上下运动的过程中出现左右摆动的问题。
36.阻尼件22可以为电涡流阻尼或粘滞阻尼，其一端固定于所述固定箱1的顶部，当质量块23发生相对运动时，阻尼件22内部会出现相对位移，进而产生耗能作用；所述质量块23分别与所述弹簧21的另一端、所述阻尼件22的另一端固定连接，优选的，质量块23的底部设有挂耳板232，多个弹簧21可优选对称固定连接于挂耳板232上，由于挂耳板232设置在质量块23的底部，提供了更大的空间供弹簧21具有更大的静力变形量。此外，质量块23上转动连接有一转轴231，具体的，质量块23上设有一销孔，转轴231穿过该销孔并通过深沟球轴承转动连接于所述质量块23上，使得转轴231可随着质量块23做上下同步运动，并可以绕着自身做轴心转动。
37.惯容器24包括齿条241、飞轮242和齿轮243，其中，所述齿条241竖直设于固定箱1内，并分别与固定箱1的顶板和底板固定连接；飞轮242套设固定于转轴231的一端，所述齿轮243套设固定于所述转轴231靠近飞轮242的一端，其中，飞轮242和所述齿轮243优选通过平键固定于所述转轴231上，固定方式更为简单高效；所述齿轮243位于所述齿条241的侧方，并可与所述齿条241啮合；当调谐质量惯质阻尼器发挥作用时，弹簧21会进行拉伸与压缩，而质量块23在所述弹簧21的带动下会进行上下运动并会通过转轴231带动所述飞轮242和所述齿轮243上下运动，而所述齿轮243在上下运动的同时会与所述齿条241进行啮合运动并带动所述飞轮242绕所述转轴231旋转。
38.更进一步的，惯容器24的数量优选为两个，两个所述惯容器24分别固定于所述转轴231的两端，因此，可通过质量块23两侧的飞轮242转动提供的惯性力使质量块23能平稳的上下运动。
39.本技术在静力平衡状态下，由于齿轮243与齿条241之间不受力，即只有质量块23与飞轮242参与静力平衡运算，使得静力平衡方程中的自重较小，进而有效降低弹簧21的静力伸长量；而当阻尼器发挥作用时，齿轮243与齿条241传动，将放大飞轮242产生的惯质系数，进而使得动力方程中的频率降低，达到超低频的目的；此外，由于本技术中的初始摩擦阻尼只来自于齿轮243-齿条241传动和转轴231的转动摩阻，因此摩擦力较小，进而可使得初始摩阻较小，从而获得最优阻尼比。
40.以下对本技术中的调谐质量惯质阻尼器进行受力分析：
41.当处于静力平衡状态下时，齿轮243与齿条241之间不受力，弹簧21只需平衡质量块23、飞轮242的自重，其平衡方程为：
42.(m1 m2)
·
g＝k
·
δ
ꢀꢀꢀ
(1)
43.式中，m1为质量块23的质量，m2为飞轮242的质量，g为重力加速度，k为弹簧21的总刚度，δ为弹簧21的静力伸长量；
44.当处于非静力平衡状态下时，质量块23会进行上下运动，调谐质量惯质阻尼器的频率受弹簧21的刚度、质量块23和飞轮242的惯质系数控制，其动力方程为：
[0045][0046]
式中，f为频率，k为弹簧21的总刚度，me为总惯质系数；
[0047]
方程(1)与方程(2)之间存在如下关系：
[0048][0049]
式中，m为总质量，m
e1
为质量块23的惯质系数，m
e2
为飞轮242的惯质系数，α为飞轮242的质量与惯质系数的转化系数。
[0050]
由此可见，在弹簧21上下运动过程中，只有质量块23在进行纯上下运动，而飞轮242-转轴231-齿轮243在随着质量块23上下运动的同时，还发生着绕转轴231中心的转动，该转动的转速与上下运动的速度、齿轮243的半径有关，转动会产生转动的惯性力，这部分惯性力相较于齿轮243与齿条241的传动而言是多出来的一部分，使得惯质系数远比质量要大得多，进而使得动力方程中的频率降低，达到超低频的目的。
[0051]
此外，本技术中的初始摩擦阻尼主要包括齿轮243-齿条241传动和轴承的转动摩阻，首先齿轮243-齿条241在静态平衡时，质量块23的自重直接由弹簧21平衡，而飞轮242的自重依次通过轴承、转轴231、质量块23传递至弹簧21，齿轮243和齿条241之间没有作用力，只有在振动过程中，齿轮243和齿条241之间产生正压力，而且齿轮243是可以转动的，摩擦面上不存在滑动摩擦，且每一个时刻只有很小的接触面是接触的，所以摩擦力很小，进而使得初始摩阻较小，从而可获得最优阻尼比。
[0052]
以下对本技术中的调谐质量惯质阻尼器进行试设计举例说明：
[0053]
已知：某超低频调谐质量惯质阻尼器的频率f＝0.25hz、有效质量m＝1000kg、行程s＝
±
600mm、最优阻尼比ξ＝4.3％＝4.3％，则弹簧21采用拉簧，静力伸长量控制为800mm，4
个弹簧21的总刚度k＝1000
×
9.8
÷
0.8＝12250n/m，惯性质量然后将质量块23和飞轮242按照公式(3)进行分配，令飞轮242的质量与惯质系数之间的转化系数为α，则可知m2×
(α-1)＝2958；再结合实际的构造设计，取m1＝m
e1
＝802.8kg，m2＝197.2kg，m
e2
＝3158kg，α＝16，即利用齿轮243与齿条241的传动使质量为197.2kg的飞轮，产生3158kg的惯质系数；最后根据上述数据计算调谐质量惯质阻尼器的阻尼系数c＝2
×
3958
×2×
π
×
0.25
×
4.3％＝535n
·
s/m。
[0054]
由此可见，本技术达到0.25hz的超低频时，拉簧的静力伸长量仅为0.8m，且该静力伸长量主要是为了保证
±
0.6m振幅的振动过程中，弹簧21始终保持良好的线性度；而传统tmd要实现0.25hz的超低频时，由于没有惯质放大效应，质量和惯质系数相等，则拉簧的静力伸长量为3.97m，因此，本技术在达到超低频的同时，可以有效降低弹簧21的静力伸长量。当然，本实施例只是以频率为0.25hz为例阐述本技术中的超低频调谐质量惯质阻尼器的设计过程，如果根据实际需求，频率需要进一步下降，采用本技术也依然可以实现。
[0055]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0056]
需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0057]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。