一种约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器

1.本发明属于阻尼器相关技术领域，更具体地，涉及一种约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器。


背景技术：

2.在风力发电领域，随着理论知识的不断完善和建造技术的逐步发展，人们开始探索更深更远的海域，以求获取更大海域范围内的风能资源。目前，海上风力发电厂主要建设于沿海地区的较浅海域内，海上风力发电机组的基础形式也以单桩式等固定式基础为主，其在风力和波浪力耦合作用下的结构整体偏移并不明显，主要以结构内部的振动为主，塔顶的振动最为明显。若此时塔顶的振动幅值超限，可以通过安装阻尼器的方式来限制塔顶的振动，以达到保护风机主体结构的目的。阻尼器是一种吸收主结构振动能量并通过自身运动帮助主结构耗散振动能量的装置，近年来已被广泛应用在高耸结构中提高结构的抗振能力。由于固定式基础风机结构内部振动的振幅可控，基本可以将塔顶的振动看作是直线式的往复运动，所以在塔顶附近安装约束平动自由度运动的调谐质量阻尼器即可有效地限制塔顶的振动。
3.然而，当海上风力发电机被部署在更深的海域中时，建造固定式的基础将变得十分困难且不经济，因此，深海中的海上风力发电机常采用柱型漂浮式基础、漂浮平台式基础等漂浮式的基础形式。此类基础为风机提供一个漂浮平台，漂浮平台通过锚链系统锚固在海床上。采用此类基础形式的海上风力发电机在风力和波浪力的耦合作用下，运动将以平台和风机的整体刚性位移为主，而不再是风机结构内部的振动。海上漂浮物的运动可以分解到六个自由度方向上，分别为平动的三个自由度和转动的三个自由度。即使此时在风机和漂浮平台内部安装约束平动自由度运动的调谐质量阻尼器，也将无法有效解决风机整体在转动自由度方向上的运动问题。在“碳达峰”和“碳中和”政策的大力支持下，未来将有更多的海上漂浮式风机出现，解决其在风力和波浪力耦合作用下转动自由度方向上的运动问题将有利于海上风机的大规模建设。相应地，本领域存在着发展一种约束转动自由度运动的惯性质量放大的调谐质量阻尼器的技术需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器，所述阻尼器是基于旋转惯性体的惯性放大原理研究及设计的，其是一种可以使用较小的物理质量产生较大的惯性质量继而明显提高对待减振主结构的减振效果的调谐质量阻尼器，可以有效节约耗材，并显著提高调谐质量阻尼器的减振效果。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器，所述阻尼器包括外框、转轴、大质量圆盘、带刚度轴承、行星齿轮、行星齿轮轴、中心齿轮、中心齿轮轴、飞轮及永磁体，所述阻尼器通过所述外框连接于待减振主结构的内部；所述转轴相背的两端分别固定连接于所述外框相对的两内壁上；所述大质量圆盘
包括第一圆盘体及第二圆盘体；所述带刚度轴承设置在所述第一圆盘体内，且所述带刚度轴承套设在所述转轴上；所述行星齿轮轴相背的两端分别固定连接于所述第一圆盘体及所述第二圆盘体，所述行星齿轮套设在所述行星齿轮轴上；所述中心齿轮套设在所述转轴上，且其与所述行星齿轮啮合连接；所述飞轮及所述中心齿轮轴均套设在所述转轴上，所述中心齿轮轴的一端穿过所述第二圆盘体后固定连接于所述第一圆盘体，另一端固定连接于所述飞轮；所述永磁体成对地设置在所述外框的内壁上，且对称地设置在所述飞轮相背的两侧。
6.进一步地，所述阻尼器包括外齿圈，所述外齿圈的外侧固定连接于所述外框的内壁，其内侧与所述行星齿轮啮合连接。
7.进一步地，所述行星齿轮的数量为多个，多个所述行星齿轮绕所述转轴的中心轴均匀排布。
8.进一步地，所述外齿圈的中心轴、所述中心齿轮的中心轴、所述转轴的中心轴及所述大质量圆盘的中心轴重合。
9.进一步地，所述大质量圆盘上开设有多个安装孔，配重块可拆卸地安装在所述安装孔内；通过拆卸或者安装所述配重块来调整所述大质量圆盘的质量。
10.进一步地，所述永磁体通过轨道连接于所述外框的内壁，所述阻尼器通过所述轨道来改变所述永磁体与所述飞轮之间的间距。
11.进一步地，所述阻尼器还包括无刚度中心齿轮轴承、无刚度行星齿轮轴承及无刚度飞轮轴承，所述无刚度中心齿轮轴承、所述无刚度行星齿轮轴承及所述无刚度飞轮轴承分别设置在所述中心齿轮、所述行星齿轮及所述飞轮内，且所述无刚度中心齿轮轴承及所述无刚度飞轮轴承分别套设在所述转轴上，所述无刚度行星齿轮轴承套设在所述行星齿轮轴上。
12.进一步地，所述第一圆盘体的直径与所述第二圆盘体的直径相等，且所述第一圆盘体的长度大于所述第二圆盘体的长度。
13.进一步地，所述中心齿轮轴开设有第四收容孔，所述第四收容孔的中心轴与所述中心齿轮轴的中心轴重合；所述中心齿轮轴通过所述第四收容孔套设在所述转轴上；所述第四收容孔的直径大于所述转轴的直径。
14.进一步地，所述主结构在外力作用下沿转动自由度方向运动时，所述大质量圆盘与所述主结构之间产生位移差，该位移差通过所述带刚度轴承产生约束所述主结构运动的反作用力。
15.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器主要具有以下有益效果：
16.1.所述阻尼器是基于旋转惯性体的惯性放大原理研究及设计的，其是一种可以使用较小的物理质量产生较大的惯性质量继而明显提高对待减振主结构的减振效果的调谐质量阻尼器，可以有效节约耗材，并显著提高调谐质量阻尼器的减振效果，具体地，主结构在转动方向上微小的运动都会引起主结构与所述大质量圆盘的位移差，从而引起阻尼器的响应，阻尼器对主结构转动自由度方向上的运动响应灵敏。
17.2.所述中心齿轮与所述飞轮通过同轴差速机构将所述大质量圆盘慢速、小幅的运动放大为二者快速、大幅的运动，继而为所述大质量圆盘提供因所述中心齿轮与所述飞轮
高速转动而产生的额外转动惯量，增大所述大质量圆盘的转动惯量，从而产生更加明显的减振效果。
18.3.所述永磁体与所述外壳之间采用轨道式连接，如此在实际应用中，当由于主结构实际参数与理论参数不一致而导致所述阻尼器需要调整阻尼比时，可以通过改变所述永磁体与所述飞轮之间的安装距离，快速调整阻尼器的阻尼比。
19.4.所述大质量圆盘采用预留孔洞的设置，如此在使用中，当由于主结构实际参数与理论参数不一致而导致所设置的阻尼器频率与主结构真实频率不匹配时，可以通过增加或者减少所述大质量圆盘上配重的方式快速地改变阻尼器的频率。
20.5.所述阻尼器为纯机械式连接，且构造简单直接，无需外部能源，制造、安装及维护简单，使用时性能更稳定。
附图说明
21.图1是本发明提供的一种约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器的结构示意图；
22.图2是图1中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器沿第一方向的示意图；
23.图3是图1中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器沿第二方向的示意图；
24.图4是图2中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器沿第三方向的示意图；
25.图5是图1中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器的大质量圆盘、带刚度轴承及行星齿轮轴承的装配示意图；
26.图6是图1中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器的转轴的示意图；
27.图7是图1中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器的行星齿轮及无刚度行星齿轮轴承的示意图；
28.图8是图1中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器的行星齿轮轴及大质量圆盘的结构示意图；
29.图9是图1中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器的外齿圈的示意图；
30.图10是图1中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器的中心齿轮及无刚度中心齿轮轴承的示意图；
31.图11是图1中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器的中心齿轮轴的示意图；
32.图12是图1中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器的飞轮及无刚度飞轮轴承的示意图；
33.图13是图1中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器的永磁体的示意图；
34.图14是图1中的约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器的外壳的示意图。
35.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-大质量圆盘，2-带刚度轴承，3-转轴，4-行星齿轮，5-无刚度行星齿轮轴承，6-行星齿轮轴，7-外齿圈，8-中心齿轮，9-无刚度中心齿轮轴承，10-中心齿轮轴，11-飞轮，12-无刚度飞轮轴承，13-永磁体，14-外壳。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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。
37.请参阅图1及图2，本发明提供的一种约束转动自由度运动的调谐质量阻尼器，所述阻尼器设置有大质量圆盘，所述大质量圆盘通过带刚度轴承连接于待减振的主结构，且所述大质量圆盘的转动中心与所述主结构的旋转中心轴共线，当主结构在外力作用下沿转动自由度方向振动时，所述大质量圆盘由于其自身的惯性作用会保持其原有的运动状态，从而通过所述带刚度轴承对所述主结构施加一定的反作用力，以限制所述主结构进一步的运动。同时，所述大质量圆盘的慢速、小幅的转动运动会通过同轴差速机构被放大，同轴差速机构后方连接的飞轮，飞轮快速、大幅的转动运动产生的额外转动关联将反作用于所述大质量圆盘，从而达到利用旋转惯性体的转动惯量增加所述大质量圆盘惯量的作用，进而实现利用较小的物理质量来产生较大的惯性转动惯量的目的，可以有效节约耗材，并显著提高调谐质量阻尼器的减振效果。
38.所述阻尼器包括大质量圆盘1、带刚度轴承2、转轴3、行星齿轮4、无刚度行星齿轮轴承5、行星齿轮轴6、外齿圈7、中心齿轮8、无刚度中心齿轮轴承9、中心齿轮轴10、飞轮11、无刚度飞轮轴承12、永磁体13及外壳14。所述阻尼器通过所述外壳14连接于待减振主结构的内部，所述转轴3相背的两端分别固定连接于所述外壳14，且所述转轴3的中心轴与所述主结构的旋转中心轴共线。所述带刚度轴承2设置在所述大质量圆盘1内，所述大质量圆盘1通过所述带刚度轴承2套设在所述转轴3上。所述行星齿轮轴6固定连接于所述大质量圆盘1上，所述无刚度行星齿轮轴承5设置在所述行星齿轮4内，所述行星齿轮4通过所述无刚度行星齿轮轴承5套设在所述行星齿轮轴6上。所述外齿圈7固定连接于所述外壳14的内部，且其与所述行星齿轮4相啮合。所述中心齿轮8通过所述无刚度中心齿轮轴承9套设在所述转轴3上，且其与所述行星齿轮4啮合连接。所述中心齿轮轴10套设在所述转轴3上，其相背的两端分别固定连接于所述中心齿轮8及所述飞轮11，所述飞轮11通过所述无刚度飞轮轴承12套设在所述转轴3上。成对设置的所述永磁体13设置在所述外壳14的内壁上，且分别位于所述飞轮11相背的两侧，以使得所述飞轮11在转动时切割磁感线，通过所述飞轮11切割磁感线产生的阻尼作用为所述调谐质量阻尼器整体提供阻尼。
39.请参阅图5，所述大质量圆盘1包括第一圆盘体及第二圆盘体，所述第一圆盘体的直径与所述第二圆盘体的直径相同，且所述第一圆盘体的长度大于所述第二圆盘体的长度。所述第一圆盘体的开设有第一收容孔，所述第二圆孔体开设有第一通孔，所述第一通孔的直径大于所述第一收容孔的直径，所述带刚度轴承2设置在所述第一收容孔内，所述第一通孔用于供所述中心齿轮轴10通过。
40.本实施方式中，所述第一圆盘体与所述第二圆盘体间隔设置，且所述第一圆盘体的中心轴与所述第二圆盘体的中心轴重合，所述第一收容孔的中心轴、所述第一通孔的中心轴与所述第一圆盘体的中心轴重合。当主结构在外力作用下沿转动自由度方向运动时，所述大质量圆盘1由于其自身的惯性作用会维持原先的运动状态不变，因此所述大质量圆盘1与所述主结构之间产生位移差，该位移差通过所述带刚度轴承2进一步产生约束所述主结构运动的反作用力，进而约束所述主结构的运动。结合以上原理，所述大质量圆盘1应尽可能选择直径较大、高度较低的圆盘结构，以增加所述大质量圆盘1的转动惯量，进而提高整体的减振效果。
41.请参阅图3及图4，所述带刚度轴承2套设在所述转轴3上，且其临近所述转轴3的一端设置。所述带刚度轴承2在转动方向上具有一定的刚度，以使得所述大质量圆盘1与所述主结构之间产生位移差时，所述大质量圆盘1可以通过所述带刚度轴承2为所述主结构的运动提供约束反力，进而约束主结构的运动。
42.请参阅图6及图14，所述外壳14为矩形的框体，所述转轴3固定安装在所述外壳14内，其为所述大质量圆盘1、所述中心齿轮10及所述飞轮11提供旋转支撑轴，当所述外壳14随所述主结构运动而发生转动时，所述转轴3随所述外壳14也发生转动，所述大质量圆盘1由于其自身的惯性作用，有维持原先运动状态的趋势，进而与所述转轴3之间产生位移差，并通过所述带刚度轴承2为所述转轴3提供约束反力，该约束反力进一步通过所述外壳14传递至所述主结构，达到主结构减振的目的。
43.请参阅图7，所述行星齿轮4开设有第二收容孔，所述无刚度行星齿轮轴承5设置在所述第二收容孔内，所述无刚度行星齿轮轴承5套设在所述行星齿轮轴6上。所述行星齿轮轴6相背的两端分别固定连接于所述第一圆盘体及所述第二圆盘体。本实施方式中，所述第二收容孔的中心轴与所述行星齿轮4的中心轴重合；所述行星齿轮轴6的数量、所述行星齿轮4的数量及所述无刚度行星齿轮轴承5的数量均为四个；四个所述行星齿轮轴6绕所述大质量圆盘1的中心轴均匀排布，以避免因四个所述行星齿轮4的位置分布不均匀而造成所述大质量圆盘1的转动中心偏移，从而产生额外的刚度，影响减振效果；四个所述无刚度行星齿轮轴承5分别连接四个所述行星齿轮4及四个所述行星齿轮轴6，其在转动方向上没有刚度，即所述行星齿轮4可以绕所述行星齿轮轴6无约束转动。
44.请参阅图8，四个所述行星齿轮轴6分别固定在所述大质量圆盘1上，使得所述行星齿轮轴6在所述大质量圆盘1发生转动时可以同步转动，并带动其上的四个所述行星齿轮4分别转动，四个所述行星齿轮4与所述外齿圈7及所述中心齿轮8啮合连接，所述外齿圈7固定连接于所述外壳14，进而所述大质量圆盘1的转动会带动四个所述行星齿轮4的转动，并进一步带动所述中心齿轮8的转动，从而构成同轴差速机构，将所述大质量圆盘1的慢速、小幅的转动放大为所述中心齿轮8的快速、大幅的转动，所述中心齿轮8通过所述中心齿轮轴10与所述飞轮11固定连接，继而实现所述飞轮11的惯性放大作用以增大所述大质量圆盘1的转动惯量。
45.请参阅图9，所述外齿圈7固定连接于所述外壳14的内壁上，并与四个所述行星齿轮4啮合连接，四个所述行星齿轮4与所述中心齿轮8啮合连接，使得所述行星齿轮4在所述大质量圆盘1的带动下运动时，所述行星齿轮4通过其与所述外齿圈7及所述中心齿轮8的啮合连接带动所述中心齿轮8的转动，并将所述大质量圆盘1的慢速、小幅的转动放大为所述中心齿轮8快速、大幅的转动。
46.请参阅图10，所述中心齿轮8开设有第三收容孔，所述无刚度中心齿轮轴承9设置在所述第三收容孔内，其套设在所述转轴3上，使得所述大质量转盘1带动所述行星齿轮4转动时，所述中心齿轮8可以无约束地绕所述转轴3转动，并将放大后的转动运动无衰减地传递给所述飞轮11。所述无刚度中心齿轮轴承9套接在所述转轴3上，以使得所述中心齿轮8可以自由地绕所述转轴3转动，所述无刚度中心齿轮轴承9无旋转自由度方向上的刚度，当所述转轴3在所述外壳14及所述主结构的带动下发生转动时，所述中心齿轮8不会由于其自身的惯性作用对所述转轴3产生任何影响，以使得所述中心齿轮8只会因所述行星齿轮4的传
动作用而运动。
47.请参阅图11，所述中心齿轮轴10开设有第四收容孔，所述第四收容孔的中心轴与所述中心齿轮轴10的中心轴重合。所述中心齿轮轴10通过所述第四收容孔套设在所述转轴3上。所述第四收容孔的直径大于所述转轴3的直径，使得所述中心齿轮轴10可以绕所述转轴3自由转动。所述中心齿轮轴10的一端穿过所述第一通孔后固定连接于所述中心齿轮8，另一端固定连接于所述飞轮11，以使得所述中心齿轮8快速、大幅的转动运动可以无衰减地传递至所述飞轮11。
48.请参阅图12，所述飞轮11开设有第四收容孔，所述无刚度飞轮轴承12设置在所述第四收容孔内，其套接在所述转轴3上，所述飞轮11可以绕所述转轴3自由运动。所述飞轮11与所述中心齿轮轴10固定连接，使得所述飞轮11在所述中心齿轮8的带动下运动。所述无刚度飞轮轴承12套接在所述转轴3上，使得所述飞轮11可以自由地绕所述转轴3运动，所述无刚度飞轮轴承12无旋转自由度方向上的刚度，当所述转轴3在所述外壳14及所述主结构的带动下发生转动时，所述飞轮11不会由于其自身的惯性作用而对所述转轴3产生任何影响，以使得所述飞轮11只会在所述中心齿轮8的带动下运动。
49.请参阅图13，两个所述永磁体13成对布置，分别固定安装在所述外壳14相对的两个内壁上，且对称设置于所述飞轮11相背的两侧，使得所述飞轮11处于两个所述永磁体13产生的磁场内部，所述永磁体13与所述飞轮11的边缘之间存在一定的间距，当所述主结构运动导致所述大质量圆盘1运动，并进一步带动所述飞轮11的运动时，所述飞轮11在两个所述永磁体13产生的磁场内部做切割磁感线运动，并受到因切割磁感线运动而产生的阻尼力，进而为阻尼器整体提供阻尼作用。
50.请参阅图14，使用时，所述外壳14连接于所述主结构内部，但所述主结构在外力作用下运动时，所述外壳14会在所述主结构的作用下运动，所述转轴3与所述外壳14固定连接，所述转轴3也会在所述外壳14的作用下产生运动，进一步与所述大质量圆盘1产生位移差，所述大质量圆盘1通过所述带刚度轴承2对所述转轴3提供运动的约束反力，该约束反力进一步通过所述外壳14传递至所述主结构，达到主结构减振的目的。
51.本实施方式中，所述大质量圆盘1的盘面上没有预先开设安装孔，在实际使用过程中，难以通过增加或者减少附加质量的方法改变所述大质量圆盘1的转动惯量，继而改变所述阻尼器的自振频率；当然在其他实施方式中，所述大质量圆盘1上可以采用预留安装孔的方式，这样在实际应用中，当由于所述主结构的实际参数与理论参数一致导致所述阻尼器的频率与所述主结构的真实频率不匹配时，可以通过增加或者减少所述大质量圆盘1上配重的方式快速地改变所述阻尼器的频率。
52.本实施方式中，两个所述永磁体13与所述外壳14之间采用了固定连接的方式，使用此种连接方式时，在实际应用中难以通过改变所述永磁体13与所述飞轮11之间的距离的方式来改变所述阻尼器的阻尼比；当然在其他实施方式中，所述永磁体13与所述外壳14之间可以采用轨道连接，在实际应用中，当由于主结构的实际参数与理论参数不一致导致所述阻尼器需要调整阻尼比时，可以通过改变所述永磁体13与所述飞轮11之间的距离，以快速调整所述阻尼器的阻尼比。
53.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明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
在本发明的保护范围之内。