專利名稱：用于大型建筑物的移動阻尼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種阻尼器，即通常所說的擠壓阻尼器，用于減小在各種建筑物和設(shè)備中所產(chǎn)生的移動或位移的影響。
本發(fā)明的阻尼器可用于大型的建筑物，例如橋梁或大廈中，以減小在地震或強風(fēng)時所引起的移動的影響。其也可以用于阻尼大型或小型可移動物體的移動。其也可以用于阻尼工業(yè)機械或發(fā)動機等的移動，或阻尼民用裝置例如洗衣機的移動，或其他任何需要阻尼移動，振動等等的場合。其也可以用于阻尼由于熱膨脹所引起的位移。本發(fā)明的擠壓阻尼器有各種應(yīng)用。
已知作為擠壓阻尼器的裝置，其利用某些材料的彈性和塑性變形來吸收能量。美國專利NO.3,833,093描述了一種擠壓阻尼器，其包括一種能量吸收材料，它們封閉在通常為一圓柱體的細長外管和能在外管中縱向移動的軸之間。吸收材料通常為鉛，而外管和軸通常由鋼構(gòu)成。外管和軸的兩端連接于一個建筑物的兩個部件之間，兩個部件在地震或所產(chǎn)生的其他移動時會相對運動。對這種裝置和有關(guān)裝置的全面描述可參見“地震隔絕介紹”，R.I.Skinner，W.H.Robinson和G.H.Mcverry，1993。
由于幾種原因，鉛是最好的可變形能量吸收材料。首先，它在大約10.5MPa的室溫剪應(yīng)力下屈服，這與其他的金屬和等效的塑性材料相比是低的。第二，隨著屈服變形，通過再結(jié)晶和相關(guān)的過程，其能較快地恢復(fù)機械特性，而能在常溫的周期剪應(yīng)力下提供良好的抗加工硬化性。第三，鉛能容易達到所需的純度而表現(xiàn)出它的特性。
實際上，這種阻尼器都是單獨地設(shè)計，通過阻尼作用在其上的某種運動來保護特定的建筑物，防止其被破壞。它們的特性相當接近于理想的庫倫(Coulomb)阻尼器，具有大致矩形的力—位移滯后回線，并實際上有一獨立于寬的頻率范圍的比率。對這種裝置的性能的研究還在繼續(xù)。
本發(fā)明的目的是改進這種用于地震隔絕和其他場合的阻尼器的性能。
本發(fā)明提供了一種阻尼器，設(shè)置在兩個部件之間，用于阻尼在兩個部件之間產(chǎn)生的移動，包括一細長的外管裝置，一軸穿過外管，在產(chǎn)生移動時，迫使軸穿過外管移動，在外管和軸之間的空間中充填以可塑性變形的能量吸收材料的體，其特征在于能量吸收材料的體相對于外管固定，并且軸包括一直徑減小的部分，在產(chǎn)生移動時，該部分擠壓通過能量吸收材料；和/或能量吸收材料的體固定于軸上，并且外管有一直徑加大的部分，在產(chǎn)生移動時，能量吸收材料的體擠壓通過該部分。
最好能量吸收材料的體受到一至少接近于能量吸收材料的剪切屈服應(yīng)力的流體靜壓力。最好能量吸收材料的體受到一超過能量吸收材料的剪切屈服應(yīng)力的流體靜壓力。最好流體靜壓力是5MPa或更多，最好為10—100MPa的范圍內(nèi)。
能量吸收材料最好是鉛，但其他的能量吸收材料也可以應(yīng)用，例如鉛合金，在例如大約200℃高溫的鋁，錫，鋅，銅，鐵，超塑合金，或其他有低加工硬化率的任何材料，也包括密集填充的顆粒材料，如鋼珠，玻璃珠，氧化鋁，硅土，碳化硅或其他很硬的顆粒材料。
本發(fā)明的阻尼器可用于隔絕地震的場合，以阻尼大型建筑物如橋梁或大廈中由地震引起的移動，和由強風(fēng)等等引起的振動。它們也可以用于其他需要阻尼運動和震動的場合。例如，本發(fā)明的阻尼器可用于發(fā)動機或其他工業(yè)機械的運動阻尼。在民用中，本發(fā)明的阻尼器可以用于洗衣機，旋轉(zhuǎn)干燥機，或洗盤機，以隔離震動。本發(fā)明的小型阻尼器也可用作敏感的電氣設(shè)備——例如錄相機機構(gòu)等——的“微型隔離器”，以及其他的類似場合?？梢栽O(shè)想本發(fā)明的擠壓阻尼器有許多種應(yīng)用，而不僅限于地震隔絕阻尼器。
下面通過實施例并參照附圖對本發(fā)明進行描述。


圖1是本發(fā)明的阻尼器一種形式的透視圖；圖2是圖1中阻尼器的縱剖視圖；圖3顯示了與圖1和2相似的本發(fā)明阻尼器另一種形式的縱剖視圖；圖4也顯示了與圖1和2相似的本發(fā)明阻尼器的另一種形式的縱剖視圖；圖5也顯示了與圖1和2相似的本發(fā)明阻尼器的又一種形式的縱剖視圖；圖6顯示了本發(fā)明阻尼器又一種形式的縱剖視圖；圖7和圖8是莫爾圓結(jié)構(gòu)圖，下面將通過本發(fā)明的阻尼器對其進一步描述；圖9是軸的位移相對于時間的曲線圖，示出了對圖1—5中類型的阻尼器的試驗情況；圖10是圖1—5所示類型阻尼器的負載阻力對時間的曲線圖，其承受了圖9中的位移循環(huán)；
圖11是圖9的試驗循環(huán)中負載阻力對位移的曲線圖，顯示了對順序循環(huán)的順序滯后回線。
圖1—5所示的阻尼器各包括一外管1，其通常由鋼構(gòu)成，并可以是圖示的圓柱形，但也可以是其他的截面形狀，例如橢圓形。在各種情況下，軸2可以在箭頭A的方向通過外管1縱向運動。軸在外管1中不一定要對中定位，而是可以稍微偏置。軸通常也由鋼構(gòu)成。
外管1和軸2之間的空間充以可塑性變形的材料，例如鉛，以致在使用中，軸可以通過鉛運動。
軸2運動穿過端蓋4，端蓋4對軸的一端構(gòu)成了一支承，軸也穿過在另一側(cè)浮動的支承件5，一管狀間隔件6位于一端蓋7和浮動的支承件5之間。
軸2的中部2a有一縮小的直徑。圖1顯示了阻尼器的外部，而圖2—5顯示了阻尼器的縱剖視圖，示出了它們的結(jié)構(gòu)上的變化，這將在后面描述。
在使用中，阻尼器的外管1通過一適當?shù)臋C械連接件連接于建筑物或其他結(jié)構(gòu)物的一個部件，軸通過其端部2b連接于另一部件，在產(chǎn)生移動時，兩個部件可能會相對運動。當用于地震隔絕時，在地震引起的移動過程中，軸2——特別是直徑減小的部分2a——被強迫通過可變形材料3，例如鉛，通過動能轉(zhuǎn)換為塑性變形能和熱能，并在再結(jié)晶的過程和其他自然產(chǎn)生的恢復(fù)過程中進一步轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而能產(chǎn)生阻尼作用。
在一個至少接近和最好超過材料剪切屈服應(yīng)力的流體靜壓力下可以任意地對能量吸收材料進行預(yù)加應(yīng)力，以致材料總是處于壓縮狀態(tài)?？刹捎?MPa或更多，典型地10MPa至大約30MPa的鉛壓力，但已發(fā)現(xiàn)高達100MPa或更高的鉛壓力是有效的。
通過圖7和8所示的莫爾圓結(jié)構(gòu)可以簡要地說明流體靜壓力的作用，其能使應(yīng)力的適當?shù)膹埩棵枋鲇枚S空間表示。施加于物體的流體靜壓力然后被限定為作用在其上的三個主應(yīng)力總量的三分之一。在圖7中，流體靜壓力為0，主拉應(yīng)力σX，主壓應(yīng)力σY，和最大剪應(yīng)力σ’XY在量級上都是相等的。在圖8中，已施加了一與剪應(yīng)力σ’XY相等的流體靜壓力P。最大拉應(yīng)力為0，以致物體總是在壓縮。所以，物體受拉時不能破壞。
再看圖2—5，圖中顯示了將流體靜壓力施加在鉛3(或其他的能量吸收材料)上的各種布置。在圖2中，在管形間隔件6和端蓋7之間有一墊塊，其包括一層例如橡膠的彈性材料8和例如鋼的剛性材料9。在圖3中，在吸收材料3的各端有一彈性材料例如橡膠的墊塊10。在這兩種情況時，間隔件5的長度應(yīng)使當端蓋4被擰緊時，所需的流體靜壓力能施加在鉛3上。在圖4中，吸收材料3的體外圍繞一彈性材料——例如橡膠，或強化橡膠或其他彈性材料——的套管11。在圖5中，吸收材料全部地包圍在這種彈性材料層12中。
在這種情況下，能量吸收材料3可以直接地澆鑄在外管1內(nèi)的位置并圍繞軸2。在圖4和5的實施例中，在繞軸澆鑄之后，橡膠套管或殼可以沿鉛體展開，然后再將鉛體和軸壓配合入外殼之中。另一方面，也可將鉛澆鑄成有一孔穿過體部的等直徑的栓體，然后將栓體插入外殼之中，再將軸壓入穿過鉛體的中心孔。然后，可以通過例如裝上端蓋4或等效物使壓力施加在鉛體上，使鉛壓縮產(chǎn)生移動，而完全地圍繞在軸的直徑減小的部分2a上。
所上所述，阻尼器的整個截面形狀，可以是圓柱形，也可以是橢圓形，方形，矩形，或其他任何所需的形狀。
軸和阻尼器的其他部分可以任意地覆蓋聚四氟乙烯，瓷料，氮化鈦，硬陶材料，玻璃等等。
在阻尼器的裝配時，最好將部件覆以高溫/高壓潤滑脂或其他潤滑脂。
圖6顯示了本發(fā)明的阻尼器的另一種形式。該阻尼器通常也包括一外管21，其通常由鋼制造，其最好為圓柱形，但也可為其他截面形狀。外管21上形成一直徑加大的部分21a，如圖所示。一兩端22a加大的軸22穿過外管21。軸的端部22a在外管21中形成柱塞?？删哂幸幻芊饧?6例如迷宮密封件，以使軸的柱塞部22a與外管的內(nèi)孔形成密封。圖中顯示了軸22的柱塞端部22a的剖面。軸22的端部至少在一側(cè)比圖中所示的進一步伸出外管之外，而能使軸進入使用位置進行連接。軸有一直徑減小的中部22b。在圖中，軸顯示了三個部分，其有一直徑減小的中部22b，并在兩端22c擰入大直徑部分22a。
鉛體23或其他能量吸收材料固定于軸22的直徑減小的部分22b周圍?？梢酝ㄟ^將柱塞端部22a擰緊在中軸部22b上而在封閉在外管1內(nèi)的鉛上施加一所需的壓力，而使鉛受到一流體靜壓力。也可以有其他的布置形式。
在使用中，外管1連接于建筑物或其他結(jié)構(gòu)物的一個構(gòu)件，而軸的一或兩端連接于在所產(chǎn)生的運動中可相對于第一構(gòu)件移動的第二構(gòu)件。在這種移動中——例如用于地震隔絕時的地震引起的移動，軸22相對于外管21運動，所以就迫使鉛體23通過有一直徑加大部分21a的外管內(nèi)部，通過將動能轉(zhuǎn)換成塑性變形能，并在再結(jié)晶過程和其他自然產(chǎn)生的恢復(fù)過程中進一步轉(zhuǎn)換成熱量，從而產(chǎn)生阻尼作用。
并且，軸和外管的內(nèi)部可以覆蓋以聚四氟乙烯，瓷料，氮化鈦等等，并且，阻尼器的部分在裝配時可以覆蓋以高溫潤滑脂，如前面所述一樣。
本發(fā)明的阻尼器的下面的試驗可以進一步說明本發(fā)明。
試驗所用的阻尼器包括一40mm內(nèi)徑的鋼制圓柱形外管。軸是一直徑19mm的圓柱形鋼軸，其有一長20mm的中部，軸的該部分直徑平滑地減小到一12mm的最小直徑，然后再增加恢復(fù)到其正常的直徑。將純度99.9％的鉛澆鑄到外管和中間定位軸之間的位置，以在外管中環(huán)繞軸。固定在外管中并圍繞軸的鉛芯的長度是130mm。在澆鑄鉛之前，將軸上涂以高壓潤滑劑。當外管的端蓋被擰緊時，鉛受到一大約20MPa的流體靜壓力。一Instron試驗機以200mm/min的最大滑塊速度，和一250KN的最大力，使阻尼器受到±195mm位移的軸運動循環(huán)。結(jié)果由一數(shù)據(jù)記錄器直接記錄在與Inston相連的曲線記錄器上。圖9顯示了軸相對于時間的位移。圖10顯示了阻尼器相對于時間的負荷阻力。圖11顯示了阻尼器相對于位移的負荷阻力，對于連續(xù)的循環(huán)顯示了連續(xù)的滯后回線。在延伸試驗之后，阻尼力和每個循環(huán)吸收的能量仍在原始值的20％之內(nèi)。在延伸試驗完成之后，將阻尼器從試驗臺上取下并拆卸。用肉眼檢測鉛，發(fā)現(xiàn)其處于良好狀態(tài)。
本發(fā)明可有許多變型，都在本發(fā)明的精神范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種阻尼器，設(shè)置在兩個部件之間，用于阻尼在兩個部件之間產(chǎn)生的移動，包括一細長的外管裝置，一軸穿過外管，在產(chǎn)生移動時，迫使軸穿過外管移動，在外管和軸之間的空間中充填以可塑性變形的能量吸收材料的體，其特征在于能量吸收材料的體相對于外管固定，并且軸包括一直徑減小的部分，在產(chǎn)生移動時，該部分擠壓通過能量吸收材料；和/或能量吸收材料的體固定于軸上，并且外管有一直徑加大的部分，在產(chǎn)生移動時，能量吸收材料的體擠壓通過該部分。
2.如權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征在于能量吸收材料的體受到一至少接近于能量吸收材料的剪切屈服應(yīng)力的流體靜壓力。
3.如權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征在于能量吸收材料的體受到一超過能量吸收材料的剪切屈服應(yīng)力的流體靜壓力。
4.如權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征在于能量吸收材料的體受到一10MPa或更大的流體靜壓力。
5.如權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征在于能量吸收材料的體受到一超過20MPa的流體靜壓力。
6.如權(quán)利要求1—4中任一所述的阻尼器，其特征在于能量吸收材料由鉛構(gòu)成。
7.如前述權(quán)利要求中任一所述的阻尼器，其特征在于軸和/或外管內(nèi)部覆蓋以聚四氟乙烯，瓷料，氮化鈦，或其他陶磁材料，或玻璃。
8.一種前面描述的并參照附圖的阻尼器。
全文摘要
一種阻尼器，設(shè)置在兩個部件之間，用于阻尼在兩個部件之間產(chǎn)生的移動，包括一細長的外管裝置，一軸穿過外管，在產(chǎn)生移動時，迫使軸穿過外管移動，在外管和軸之間的空間中充填以可塑性變形的能量吸收材料的體，能量吸收材料的體相對于外管固定，并且軸包括一直徑減小的部分，在產(chǎn)生移動時，該部分擠壓通過能量吸收材料；和/或能量吸收材料的體固定于軸上，并且外管有一直徑加大的部分，在產(chǎn)生移動時，能量吸收材料的體擠壓通過該部分。
文檔編號E04H9/02GK1124993SQ94192333
公開日1996年6月19日 申請日期1994年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月2日
發(fā)明者威廉姆·H·羅賓森 申請人:工業(yè)研究有限公司