负刚度颗粒阻尼器

1.本发明涉及振动控制技术领域，尤其涉及一种负刚度颗粒阻尼器。


背景技术：

2.结构在动力荷载的作用下会产生振动，过度的振动响应会影响结构的舒适度，并降低结构的服役性能，甚至导致构件失效或结构破坏，因此，需通过良好有效的振动控制手段来保证结构的安全性与可靠性；在结构上设置阻尼器是工程领域常用的振动控制手段之一。
3.阻尼器包括颗粒阻尼器，现有颗粒阻尼器存在颗粒堆叠导致颗粒阻尼器的减振效果较差的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种负刚度颗粒阻尼器，用以解决或改善现有颗粒阻尼器存在颗粒堆叠导致减振效果较差的问题。
5.本发明提供一种负刚度颗粒阻尼器，包括：第一连接件、第二连接件、叶轮组件及丝杠传动组件；所述第二连接件沿振动方向可移动地设于所述第一连接件上，所述第一连接件内设有腔体，所述腔体内用于填充颗粒；所述丝杠传动组件包括丝杠与螺母，所述丝杠的一端与所述叶轮组件连接，所述丝杠的另一端沿所述振动方向延伸，所述螺母套设于所述丝杠上，所述螺母与所述第二连接件连接；在所述第一连接件与所述第二连接件之间相对移动的情况下，所述第二连接件用于通过所述丝杠传动组件带动所述叶轮组件转动，以搅动所述腔体内的颗粒。
6.根据本发明提供的一种负刚度颗粒阻尼器，所述第一连接件包括：第一区段与第二区段；所述腔体形成于所述第一区段内，所述第一区段与所述第二区段沿所述振动方向排布；所述第二区段与所述第二连接件均呈筒状，所述第二区段套设于所述第二连接件上，所述丝杠的一端伸入所述第二区段内并与所述叶轮组件连接，所述丝杠的另一端伸入所述第二连接件内。
7.根据本发明提供的一种负刚度颗粒阻尼器，所述叶轮组件包括：叶片与转轴；所述叶片设于所述腔体内，所述转轴沿所述振动方向延伸，所述转轴与所述第一区段转动连接；所述叶片与所述转轴的一端连接，所述转轴的另一端伸入所述第二区段内并与所述丝杠的一端连接。
8.根据本发明提供的一种负刚度颗粒阻尼器，所述叶轮组件还包括：第一夹臂与第二夹臂；所述第一夹臂与所述第二夹臂沿所述转轴的轴向呈相对设置，所述叶片的两端分别与所述第一夹臂及所述第二夹臂连接。
9.根据本发明提供的一种负刚度颗粒阻尼器，所述叶片靠近所述转轴的一侧与所述转轴的外侧壁之间设有间隙。
10.根据本发明提供的一种负刚度颗粒阻尼器，所述叶片设有多个，多个所述叶片沿
所述转轴的周向排布。
11.根据本发明提供的一种负刚度颗粒阻尼器，所述丝杠的另一端设有限位部，所述限位部用于止挡所述螺母。
12.根据本发明提供的一种负刚度颗粒阻尼器，所述螺母设于所述第二连接件内，所述螺母与所述第二连接件的内侧壁可拆卸式连接。
13.根据本发明提供的一种负刚度颗粒阻尼器，所述腔体在垂直于所述丝杠的轴线的平面上的截面形状呈圆形状。
14.根据本发明提供的一种负刚度颗粒阻尼器，所述第一连接件背离所述第二连接件的一端设有第一连接部，所述第二连接件背离所述第一连接件的一端设有第二连接部，所述第一连接部用于与振动结构中相对振动的两个连接点当中的其中一者连接，所述第二连接部用于与所述两个连接点当中的另一者连接。
15.本发明提供的负刚度颗粒阻尼器，通过丝杠传动组件将直线方向的振动转化为叶轮组件的转动，从而搅动腔体内的颗粒，以充分消耗振动能量，进而达到降低振动响应的目的。
16.在需要对振动结构进行减振时，将第一连接件与振动结构中相对振动的两个连接点当中的其中一者连接，将第二连接件与两个连接点当中的另一者连接，在振动结构振动时，两个连接点之间产生相对运动，两个连接点之间在相靠近状态与相远离状态之间循环，从而带动第一连接件与第二连接件之间产生往复的直线运动，则螺母在丝杠上往复移动，进而带动丝杠在正向转动状态与反向转动状态之间切换，在由振动带动第一连接件与第二连接件之间的运动的方向改变时，叶轮组件的转动方向也要发生改变，但是，此时叶轮组件与腔体内的颗粒仍按原来的转动方向转动，从而阻碍第一连接件与第二连接件之间运动方向的改变，即第一连接件与第二连接件的运动方向来不及改变，因此该负刚度颗粒阻尼器会产生负刚度效应，可以理解的是，第一连接件与第二连接件之间的相对运动相较于振动响应具有滞后的作用，从而抵消振动响应，以达到减振的目的；同时，在叶轮组件转动的过程中可以搅动腔体内的颗粒，使得腔体内的颗粒与颗粒之间，以及颗粒与腔体之间产生有效地碰撞和摩擦，并避免了颗粒出现堆叠的现象，提升了该负刚度颗粒阻尼器的耗能能力，其次，通过丝杠传动组件将叶轮组件搅动腔体内颗粒所受到的阻力放大，从而有效地放大了该负刚度颗粒阻尼器的控制力，相应地提高了耗能能力，进一步降低了振动结构的振动响应，且适应性较好，也不会受限于工程空间。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
18.图1是本发明提供的负刚度颗粒阻尼器的结构示意图；
19.图2是图1在a-a方向上的剖视结构示意图；
20.附图标记：
21.1：第一连接件；11：第一区段；12：第二区段；2：第二连接件；3：叶轮组件；31：叶片；
32：转轴；33：第一夹臂；34：第二夹臂；4：丝杠传动组件；41：丝杠；42：螺母；43：限位部；5：颗粒；6：联轴器；7：轴承；81：固定螺栓；82：螺栓；91：第一连接部；92：第二连接部。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明实施例和简化描述，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发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
25.申请人在研发过程中发现，现有的颗粒阻尼器在使用过程中还存在以下问题。
26.对于单颗粒阻尼器而言，颗粒的粒径较大导致难以启振，且较大的颗粒受限于工程空间，导致适应性和减振性能较差。
27.对于多颗粒阻尼器而言，由于颗粒的数量较多，颗粒易出现堆叠的相向，导致实际的耗能能力有效，进而无法获得良好的减振性能。
28.对于颗粒调谐质量阻尼器而言，通常需要较大的质量比才能获得较好的减振效果，导致可实施性与适应性较差。
29.下面结合图1至图2描述本发明提供的一种负刚度颗粒阻尼器。
30.如图1和图2所示，本实施例所示的负刚度颗粒阻尼器包括：第一连接件1、第二连接件2、叶轮组件3及丝杠传动组件4。
31.第二连接件2沿振动方向可移动地设于第一连接件1上，第一连接件1内设有腔体，腔体内用于填充颗粒5；丝杠传动组件4包括丝杠41与螺母42，丝杠41的一端与叶轮组件3连接，丝杠41的另一端沿振动方向延伸，螺母42套设于丝杠41上，螺母42与第二连接件2连接；在第一连接件1与第二连接件2之间相对移动的情况下，第二连接件2用于通过丝杠传动组件4带动叶轮组件3转动，以搅动腔体内的颗粒5。
32.具体地，本实施例所示的负刚度颗粒阻尼器，通过丝杠传动组件4将直线方向的振动转化为叶轮组件3的转动，从而搅动腔体内的颗粒5，以充分消耗振动能量，进而达到降低振动响应的目的。
33.在需要对振动结构进行减振时，将第一连接件1与振动结构中相对振动的两个连接点当中的其中一者连接，将第二连接件2与两个连接点当中的另一者连接，在振动结构振动时，两个连接点之间产生相对运动，两个连接点之间在相靠近状态与相远离状态之间循
环，从而带动第一连接件1与第二连接件2之间产生往复的直线运动，则螺母42在丝杠41上往复移动，进而带动丝杠41在正向转动状态与反向转动状态之间切换，在由振动带动第一连接件1与第二连接件2之间的运动的方向改变时，叶轮组件3的转动方向也要发生改变，但是，此时叶轮组件3与腔体内的颗粒5仍按原来的转动方向转动，从而阻碍第一连接件1与第二连接件2之间运动方向的改变，即第一连接件1与第二连接件2的运动方向来不及改变，因此该负刚度颗粒阻尼器会产生负刚度效应，可以理解的是，第一连接件1与第二连接件2之间的相对运动相较于振动响应具有滞后的作用，从而抵消振动响应，以达到减振的目的；同时，在叶轮组件3转动的过程中可以搅动腔体内的颗粒5，使得腔体内的颗粒5与颗粒5之间，以及颗粒5与腔体之间产生有效地碰撞和摩擦，并避免了颗粒5出现堆叠的现象，提升了该负刚度颗粒阻尼器的耗能能力，其次，通过丝杠传动组件4将叶轮组件3搅动腔体内颗粒5所受到的阻力放大，从而有效地放大了该负刚度颗粒阻尼器的控制力，相应地提高了耗能能力，进一步降低了振动结构的振动响应，且适应性较好，也不会受限于工程空间。
34.需要说明的是，本实施例所示的振动方向为图1中的左右方向；颗粒5包括沙子或铅粒等颗粒状物质。
35.在一些实施例中，如图1所示，本实施例所示的第一连接件1包括：第一区段11与第二区段12；腔体形成于第一区段11内，第一区段11与第二区段12沿振动方向排布；第二区段12与第二连接件2均呈筒状，第二区段12套设于第二连接件2上，丝杠41的一端伸入第二区段12内并与叶轮组件3连接，丝杠41的另一端伸入第二连接件2内。
36.具体地，将第二区段12与第二连接件2均设置成筒状，第二连接件2在第二区段12内移动的过程中，第二区段12对第二连接件2起到导向作用，保证了丝杠传动组件4的稳定性，同时，将丝杠41设置在第二连接件2内，第二连接件2对丝杠41起到保护作用，保证了丝杠传动组件4的可靠性。
37.在一些实施例中，如图1和图2所示，本实施例所示的叶轮组件3包括：叶片31与转轴32；叶片31设于腔体内，转轴32沿振动方向延伸，转轴32与第一区段11转动连接；叶片31与转轴32的一端连接，转轴32的另一端伸入第二区段12内并与丝杠41的一端连接。
38.具体地，转轴32的一端伸入腔体内并与叶片31连接，转轴32的另一端穿过第一区段11上的通孔伸入第二区段12内，并通过联轴器6与丝杠41的一端连接，其中，通孔与转轴32之间设置有轴承7；在第一连接件1与第二连接件2之间相对运动的情况下，第二连接件2上的螺母42在丝杠41上移动，从而带动丝杠41转动，丝杠41通过联轴器6带动转轴32同步转动，以使得叶片31能够搅动腔体内的颗粒5。
39.在一些实施例中，如图1所示，本实施例所示的叶轮组件3还包括：第一夹臂33与第二夹臂34；第一夹臂33与第二夹臂34沿转轴32的轴向呈相对设置，叶片31的两端分别与第一夹臂33及第二夹臂34连接。
40.具体地，叶片31沿转轴32的轴向延伸，第一夹臂33与叶片31通过固定螺栓81连接，第二夹臂34与叶片31通过固定螺栓81连接，通过第一夹臂33与第二夹臂34固定叶片31，提升了叶片31的稳定性，保证了叶片31的强度，进而保证了颗粒5的搅动效果。
41.在一些实施例中，如图1所示，本实施例所示叶片31靠近转轴32的一侧与转轴32的外侧壁之间设有间隙。
42.具体地，通过在叶片31与转轴32之间设置间隙，则在转轴32转动的过程中，颗粒5
能够从间隙内通过，从而可以充分搅动颗粒5，避免颗粒5的堆叠现象，以提升该负刚度颗粒阻尼器的阻尼力，阻尼力的方向为转轴32的轴向方向。
43.申请人在研发过程中对阻尼力f进行了计算，阻尼力f的计算公式如下：
[0044][0045]
其中，l为丝杠41的导程，t为阻尼力矩。
[0046]
通常导程l的范围较小，为0.02m至0.1m，带入到上述公式中可得，阻尼力f可以放大为阻尼力矩t的几十至数百倍，第一连接件1与第二连接件2在阻尼力f的作用下可有效地对振动进行抵消，以降低振动响应。
[0047]
进一步地，申请人对该负刚度颗粒阻尼器的负刚度kn进行了计算，负刚度kn的计算公式如下：
[0048][0049]
其中，ω为振动的激励频率，l为丝杠41的导程，i为叶片31、转轴32、第一夹臂33、第二夹臂34以及被搅动的那一部分颗粒的总转动惯量。
[0050]
由负刚度kn的计算公式可得，在激励频率ω不变的情况下，可改变总转动惯量i与丝杠的导程l，从而改变负刚度kn的大小，进而满足不同的减振需求。
[0051]
在一些实施例中，如图2所示，本实施例所示的叶片31设有多个，多个叶片31沿转轴32的周向排布，相应地，第一夹臂33与第二夹臂34也一一对应地设有多个；通过设置多个叶片31，从而在充分搅动腔体内颗粒5的同时，保证了叶轮组件3转动的稳定性。
[0052]
在一些实施例中，如图1所示，本实施例所示的丝杠41的另一端设有限位部43，限位部43用于止挡螺母42，以避免第一连接件1与第二连接件2在相远离时螺母42旋出丝杠41外，从而保证了丝杠传动组件4的可靠性。
[0053]
在一些实施例中，如图1所示，本实施例所示的螺母42设于第二连接件2内，螺母42与第二连接件2的内侧壁可拆卸式连接。
[0054]
具体地，螺母42通过螺栓82固定在第二连接件2上，保证了螺母42与第二连接件2之间的连接强度，进而保证了丝杠传动组件4的可靠性。
[0055]
在一些实施例中，如图2所示，本实施例所示的腔体在垂直于丝杠41的轴线的平面上的截面形状呈圆形状。
[0056]
具体地，整个腔体呈圆筒状，则颗粒5在腔体内的分布较为均匀，同时，转轴32与腔体的轴线重合，转轴32在转动的过程中，叶片31能够对腔体内的颗粒5进行充分搅动，以避免由于搅动盲区导致的颗粒5堆叠现象，进而提升了该负刚度颗粒阻尼器的减振效果。
[0057]
在一些实施例中，如图1所示，本实施例所示的第一连接件1背离第二连接件2的一端设有第一连接部91，第二连接件2背离第一连接件1的一端设有第二连接部92，第一连接部91用于与振动结构中相对振动的两个连接点当中的其中一者连接，第二连接部92用于与两个连接点当中的另一者连接。
[0058]
具体地，在需要对振动结构上相对的两个连接点进行减振时，将其中一个连接点与第一连接部91连接，将另一个连接点与第二连接部92连接，以实现两个连接点通过负刚
度颗粒阻尼器连接，在两个连接点之间出现振动时，第一连接件1相对于第二连接件2作往复直线运动，从而通过丝杠传动组件4带动叶片31搅动腔体内的颗粒5，使得颗粒5之间更加有效地碰撞与摩擦，提高了该负刚度颗粒阻尼器的耗能能力，同时避免了颗粒5堆叠的问题；其次，通过丝杠传动组件4将叶片31搅动腔体内颗粒5所受到的阻力放大几十至数百倍，有效地放大了该负刚度颗粒阻尼器的控制力，相应地提高了耗能能力，进而可以降低该负刚度颗粒阻尼器的质量和尺寸；同时，该负刚度颗粒阻尼器具有明显的负刚度效应，可以进一步地提高耗能能力。
[0059]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。