一种具有振动位移引出放大功能的摆动质量阻尼器及方法

1.本发明属于土木工程结构防灾减灾技术领域，具体涉及一种具有振动位移引出放大功能的摆动质量阻尼器及方法。


背景技术：

2.随着经济社会和科学技术的不断进步，为了满足美观和实用要求，建筑结构越来越趋向于高耸，桥梁跨度也越来越大，风振等低频振动对结构的影响越来越严重。振动不仅会给人身心产生不适感，甚至对建筑和桥梁结构安全产生威胁。因此振动控制方法和振动控制设备近年来得到了很大的发展和应用。
3.目前，为预防振动危害，通常的做法是在结构某些部位设置阻尼器装置，常见的阻尼器有粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、金属阻尼器、摩擦阻尼器、屈曲约束支撑、调谐质量阻尼器等类型。当振动发生时，阻尼器通过产生阻尼力、摩擦力或者塑性变形，吸收振动产生的能量，将其转化为热能等其他形式的能量，达到效能减振的效果。在风振控制中，使用最多的阻尼装置是调谐质量阻尼器，在风振过程中，调谐质量阻尼器使用传感器来探测风力大小和建筑物的振动程度，并通过计算机经由弹簧、液压装置来控制配重物体向反方向运动，与结构振动之间产生相位差和控制力，从而降低建筑物的风振响应。
4.然而，风振阻尼器在安装和使用过程中往往存在两方面问题：首先，阻尼器的耗能能力往往受到被减振结构的位移幅值影响，当被减振结构的位移幅值较小时，风振阻尼器阻尼力较小，滞回耗能能力减弱，减振效果变差；其次，风振阻尼其在安装过程中，受到安装空间的影响，难以在最合适的位置直接设置风振阻尼器，无法使减振器充分发挥消能减振效果，只能通过设置更多阻尼器来解决风振问题，降低了结构的经济效益。因此，为解决传统风振阻尼器位移相关性问题和缺乏安装空间的问题，设计一种具有振动位移引出放大功能的风振阻尼装置是一项亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.根据现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种具有振动位移引出放大功能的摆动质量阻尼器，通过杠杆放大机构，将被减振结构的水平振动转化为质量单元的摆动位移，并将其放大，提高摆动阻尼器的消能减振效果；同时，可任意选择阻尼器与结构连接的部位，然后将阻尼器的质量单元位置引出，解决安装空间受限的问题，充分发挥阻尼器效能。
6.为实现上述目的，本发明所采用的技术手段为：一种具有振动位移引出放大功能的摆动质量阻尼器，包括：第一固定件，固定连接在被减振结构表面，其上设有竖向滑槽；第二固定件，固定连接在可与所述被减振结构表面发生相对水平位移的另一结构上，第二固定件上设有固定转轴；位移放大曲杆，其上具有位于位移放大曲杆一端的第一连接端、位于位移放大曲
杆另一端的第二连接端以及位于两个连接端之间的连接孔，所述第一连接端与所述第一固定件上竖向滑槽连接，第一连接端能在所述竖向滑槽内上、下移动；所述连接孔与所述第二固定件上的固定转轴铰接；所述第二连接端朝远离所述被减振结构的方向悬伸设置，第二连接端上通过摆动阻尼器与质量单元连接；安装后，位移放大曲杆的第一连接端与所述固定转轴之间形成第一连线，位移放大曲杆的第二连接端与所述固定转轴之间形成第二连线，所述第一连线和第二连线与水平线之间形成夹角；被减振结构小幅值水平振动能够通过所述位移放大曲杆进行放大，转化为所述质量单元的摆动，质量单元摆动动作能够被所述摆动阻尼器吸收，以减小振动。
7.位移放大曲杆的所述第一连接端通过滚轮组件与第一固定件上的竖向滑槽滚动连接。
8.还包括加劲板，设置在所述第二固定件和固定转轴之间，加劲板上开有供所述位移放大曲杆穿过的避让孔。
9.所述摆动阻尼器包括：阻尼器外壳，其上端通过阻尼器连接件与所述位移放大曲杆上第二连接端固定连接；阻尼器内轴，设置在所述阻尼器外壳内部且可相对所述阻尼器外壳转动，阻尼器内轴的轴外壁上设有阻尼材料推板；阻尼材料挡板，包括多个，多个阻尼材料挡板设置在所述阻尼器外壳内壁上，将阻尼器外壳内腔分隔为多个内腔单元，所述阻尼材料挡板与所述阻尼器内轴之间设有空隙；流体状阻尼材料，填充在所述阻尼器外壳的内腔中；当所述阻尼器内轴相对阻尼器外壳转动时，流体状阻尼材料在阻尼材料推板的挤压下通过所述空隙在多个所述内腔单元之间流动，产生阻尼力。
10.所述质量单元包括质量块和连接杆，所述质量块通过所述连接杆与所述阻尼器内轴刚接。
11.所述位移放大曲杆为空心杆。
12.本发明进一步提出一种具有振动位移引出放大功能的摆动质量阻尼器的减振方法，当第一固定件和第二固定件发生相对水平位移时，第一固定件和第二固定件之间的水平距离发生变化，当两者距离变近时，由于位移放大曲杆的第一连接端与固定转轴的连线保持一定角度，位移放大曲杆第一连接端在竖向滑槽内部向下运动，此时位移放大曲杆围绕第二固定件的固定转轴逆时针转动；当两者距离变远时，位移放大曲杆第一连接端在竖向滑槽内部向上运动，此时位移放大曲杆围绕第二固定件的固定转轴顺时针转动；当位移放大曲杆发生逆时针或者顺时针转动时，由于摆动阻尼器刚接于位移放大曲杆的第二连接端，且第二连接端与固定转轴的连线保持一定角度，所以其在水平方向将
会发生向右或者向左的水平位移，在摆动阻尼器水平方向运动初始，由于惯性作用且质量单元与摆动阻尼器之间是铰接，在重力作用下，质量单元相对于摆动阻尼器发生摆动；在质量单元摆动过程中，质量单元通过摆动阻尼器对位移放大曲杆第二连接端产生作用力，此作用力通过位移放大曲杆向被减振结构传递时，会经过位移放大曲杆的杠杆放大作用，在位移放大曲杆第一连接端产生放大的力，通过第一固定件竖向滑槽阻止结构振动，减小结构振动幅度，从而达到减振的效果；与此同时，当质量单元与摆动阻尼器发生相对转动时，摆动阻尼器内部空腔内填充有高阻尼材料，消耗质量单元摆动过程中的机械能，从而消耗被减振结构振动过程中的动能，达到消能减振的效果。
13.振动结束后，质量单元在重力作用下重新回到竖向平衡位置，形成自复位。
14.相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：一、本发明第一固定件和位移放大曲杆的使用，使得被减振结构的水平振动，先通过竖向滑槽转化为位移放大曲杆转动，然后通过杠杆机构将转动位移进行放大，最后转化为质量单元的摆动。最终实现将被减振结构小幅值水平振动转化为质量单元大幅值摆动的效果，使得摆动阻尼器的滞回环扩张，耗能能力提高，能够充分发挥其减振效能。
15.二、本发明的位移放大曲杆轴线长度和形状可以根据使用要求和安装需求自由设定，通过位移放大曲杆进行安装位置的引出，大体积质量单元可任意吊装于远离被减振结构的合适位置，从而解决阻尼器受安装空间限制，无法充分发挥其耗能减振效果的问题。
16.三、本发明的摆动质量单元，在阻尼过程中，将会发生与被减振结构水平振动不同相位不同频率的摆动，从而对于曲杆与质量单元接触端产生反力作用，通过杠杆机构将该反力作用放大后，作用于减振结构。该反力作用将阻止振动作用，减小结构的变形和位移，从而减轻振动对结构的危害，达到减轻振动保护结构的效果。
17.四、本发明的摆动质量单元，在摆动过程中，依靠重力达到平衡状态，质量单元轴线最终平衡于竖向位置，故该阻尼器具有自动复位的功能。因此，在一次耗能减振过程结束之后，该阻尼装置可重复使用，而且无需重新调整质量单元位置，从而提高了阻尼器使用的经济效益。
18.五、本发明的摆动阻尼器，是该减振装置主要的耗能元件。当被减振结构的水平振动通过竖向滑槽机构和杠杆机构转化为位移放大曲杆与质量单元的相对转动时，位移放大曲杆和质量单元分别带动摆动阻尼器外壳和阻尼内轴发生相对转动，阻尼材料推板和阻尼材料挡板之间的相对角度发生变化，推动阻尼材料在摆动阻尼器内部空腔内流动，通过挤压阻尼材料促使其过孔，产生阻尼效应，吸收相对摆动的能量，最终将能量转化为热能，使摆动阻尼器发挥吸收振动能量、减小振动的效果。
附图说明
19.图1是本发明具有振动位移引出放大功能的摆动质量阻尼器的主视图；图2是本发明摆动阻尼器的主视图；图3是本发明摆动阻尼器内轴等轴测视图；图4是本发明摆动阻尼器外壳等轴测视图；图5是本发明第一固定件的右视图；
图6是本发明第一固定件a-a截面剖视图；图7是本发明第二固定件等轴测视图。
20.在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：1第一固定件，1-1螺栓连接板，1-2竖向滑槽，1-3轨道；2滚轮组；3第二固定件，3-1固定板，3-2固定转轴，3-3转轴加颈板；4位移放大曲杆，4-1位移放大曲杆加强板；5摆动阻尼器，5-1阻尼器连接件，5-2阻尼器外壳，5-3阻尼器内轴，5-4阻尼材料挡板，5-5阻尼材料推板，5-6阻尼器内部空腔，5-6-1第一空腔，5-6-2第二空腔，5-6-3第三空腔，5-6-4第四空腔，5-7空隙，5-8环形限位装置；6质量单元，6-1质量单元连接杆，6-2质量块。
具体实施方式
21.根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
22.如图1所示，本发明所述的是一种具有振动位移引出放大功能的摆动质量阻尼器。所述具有振动位移引出放大功能的摆动质量阻尼器，由第一固定件、滚轮组、位移放大曲杆、第二固定件、摆动阻尼器、质量单元六大部分组成。所述第一固定件固接于被减振结构，第二固定件固接于可与被减振结构发生相对水平位移的另一结构。
23.实施例1第一固定件1使用螺栓固接于被减振结构表面，第二固定件3使用螺栓固接于可与被减振结构发生相对水平位移的另一结构上。滚轮组2设置于第一固定件内部的轨道1-3上，可自由滚动。位移放大曲杆4开孔套在第二固定件3的固定转轴3-2上，形成铰接，并在铰接位置对位移放大曲杆做加强处理，位移放大曲杆的第一连接端焊接滚轮组2，第二连接端焊接摆动阻尼器5。质量单元6上端刚接摆动阻尼器内轴5-3，质量单元6在重力作用下在竖直位置保持平衡。
24.第一固定件1包括螺栓连接板1-1、竖向滑槽1-2、轨道1-3三个部分。四块螺栓连接板1-1焊接与竖向滑槽1-2的四角上，开孔略大于螺栓直径；竖向滑槽1-2采用上板开口的长方形管形式，竖向滑槽1-2截面底板宽度略大于上部开口宽度、两滚轮宽度、两导轨1-3厚度之和，便于安装轨道1-3和滚轮，同时上板两侧钢板宽度略大于滚轮宽度，保持滚轮充分接触，防止滚轮滑出；轨道1-3材质为硬质橡胶，成“l”形，共4条，粘贴于竖向滑槽1-2内部轴向四角处，增大与滚轮之间的摩擦，同时减缓轨道与滚轮之间的碰撞。
25.滚轮组2包括两个滚轮、滚轴和位移放大曲杆连接件，滚轴穿过两滚轮中心，滚轮可围绕滚轴自由转动，滚轴长度略小于轨道1-3侧面内壁之间的距离，且大于竖向滑槽1-2上部开口宽度与两滚轮宽度之和；滚轮设置于第一固定件的轨道1-3上，表面进行磨砂处理，通过位移放大曲杆连接件限制于滚轴最外侧，保证滚轮正常滚动不会从竖向滑槽1-2内滚出；位移放大曲杆连接件两端分别焊接滚轴和位移放大曲杆4。
26.第二固定件3包括固定板3-1、固定转轴3-2和转轴加劲板3-3。固定板3-1表面开螺栓孔，轮孔略大于所需螺栓直径；固定转轴3-2垂直焊接于固定板表面，并通过转轴加劲板3-3保证与固定板3-1之间的可靠连接，除此之外，转轴加劲板3-3还起到限制位移放大曲杆4在固定转轴3-2上移位的作用。
27.位移放大曲杆4左端焊接滚轮组2的位移放大曲杆连接件；与固定转轴3-2连接处开孔，套在固定转轴上，此连接处位移放大曲杆同样设置竖向位移放大曲杆加强板4-1进行加强处理，增强此薄弱点的抗弯能力；位移放大曲杆的第二连接端端面保持竖直，刚接于摆动阻尼器5；位移放大曲杆4主要承受弯矩作用，截面采用空心截面形式，轴线形状和长度可根据使用需求和安装空间自由设置。位移放大曲杆4左端和第二连接端都不与固定转轴3-2在同一水平线上，即左端和第二连接端与固定转轴3-2的连线保持一定倾斜角度。
28.摆动阻尼器5包括阻尼器连接件5-1、阻尼器外壳5-2、阻尼器内轴5-3、阻尼材料挡板5-4、阻尼材料推板5-5五个部分。阻尼器连接件5-1上下两端分别焊接阻尼器外壳5-2和位移放大曲杆4，上端做成套筒状，增强连接处抗弯和抗剪性能；阻尼器外壳内部空腔内填充阻尼材料；阻尼器外壳5-2与内轴5-3高精度加工，两者保持良好接触，并在接触面处填充密封材料，防止漏液；阻尼器内轴设置两个环形限位装置5-8，防止阻尼器外壳5-2和内轴5-3之间在轴向发生移位；阻尼材料挡板5-4焊接于阻尼器外壳，并进行开孔5-7；阻尼材料推板焊接于阻尼器内轴5-3，可在阻尼器内部空腔5-6内随阻尼器内轴转动。阻尼材料挡板5-4和推板5-5见阻尼器内部空腔5-6分为四部分，阻尼材料可在空腔之间流动，在本实施例中，阻尼材料选用有机硅油。
29.质量单元6包括质量单元连接杆6-1和质量块6-2。质量块6-2通过质量单元连接杆6-1与摆动阻尼器内轴5-3刚接，质量单元连接杆6-1采用刚性杆，保证质量块6-2在摆动阻尼器5发生水平方向上位移时随内轴同步摆动。
30.本发明实施例1一种具有振动位移引出放大功能的摆动质量阻尼器的工作方法是：第一固定件固接于被减振结构，第二固定件固接于可与被减振结构发生相对水平位移的另一结构，滑轮组设置于第一固定件内部的轨道上。位移放大曲杆铰接于第二固定件的固定转轴，左端刚接滑轮组，第二连接端刚接摆动阻尼器外壳，左端和第二连接端都不与固定转轴在同一水平线上，左端和第二连接端与固定转轴的连线保持一定倾斜角度。摆动阻尼器上端和下端分别连接位移放大曲杆和质量单元，内部空腔内填充有高阻尼材料。质量单元上端刚接摆动阻尼器内轴，质量单元在重力作用下在竖直位置保持平衡。
31.第一固定件和第二固定件固接于不同结构，当两结构发生相对水平位移时，第一固定件和第二固定件之间的水平距离发生变化。当两者距离变近时，由于位移放大曲杆4第一连接端与固定转轴的连线保持一定角度，第一固定件通过滚轮组推动位移放大曲杆第一连接端向右运动，从而使得滚轮在竖向滑槽内部向下运动，此时位移放大曲杆围绕第二固定件的固定转轴逆时针转动；当两者距离变远时，第一固定件通过滚轮组拉动位移放大曲杆的第一连接端向左运动，从而使得滚轮在竖向滑槽内部向上运动，此时位移放大曲杆围绕第二固定件的固定转轴顺时针转动。
32.当位移放大曲杆发生逆时针或者顺时针转动时，由于摆动阻尼器刚接于位移放大曲杆的第二连接端，且第二连接端与固定转轴的连线保持一定角度，所以其在水平方向将会发生向右或者向左的水平位移。在摆动阻尼器水平方向运动初始，由于惯性作用且质量单元与摆动阻尼器之间是铰接，质量块在水平方向上与摆动阻尼器之间将会产生位移差，质量单元连接杆发生倾斜，在竖向重力作用下，质量块相对于摆动阻尼器发生摆动。
33.在质量单元摆动过程中，质量单元通过摆动阻尼器对位移放大曲杆的第二连接端
产生作用力，此作用力通过位移放大曲杆向被减振结构传递时，同样会经过曲杆的杠杆放大作用，在位移放大曲杆的第一连接端产生放大的力，通过滚轮组和第一固定件阻止结构振动，减小结构振动幅度，从而达到减振的效果。
34.与此同时，当质量单元与摆动阻尼器发生相对转动时，由于摆动阻尼器内轴和质量单元刚接，摆动阻尼器内轴与摆动阻尼器外壳之间也会发生相对转动。在摆动阻尼器内部，阻尼材料推板和挡板分别刚接于摆动阻尼器内轴和摆动阻尼器外壳，因此两者之间亦会发生相对转动。摆动阻尼器内部空腔内填充有高阻尼材料，当质量单元向右摆动时，摆动阻尼器第一空腔5-6-1和第三空腔空间5-6-3缩小，第二空腔5-6-2和第四空腔空5-6-4间扩大，阻尼材料在挤压作用下，通过挡板上的孔洞，第一空腔和第三空腔内的阻尼材料分别向第二空腔和第四空腔内流动，产生阻尼力，从而发生阻尼效应产生热能，消耗质量单元摆动过程中的机械能，从而消耗被减振结构振动过程中的动能，达到消能减振的效果。
35.此外，振动结束后，质量单元在重力作用下重新回到竖向平衡位置，形成自复位的效果。