專利名稱：筒式變摩擦阻尼器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種筒式變摩擦阻尼器，可應用于建筑結構減振控制及 機車減振。亦可用于制作用于航天、電子、化工、能源、儀表、醫(yī)療、衛(wèi)生 等領域的阻尼器。
技術背景摩擦阻尼器是一類利用摩擦面的摩擦耗能消散振動能量的一種控制裝 置。建筑用摩擦阻尼器的摩擦面通常包括鋼一銅、鋼一鋼和重載制動襯面。 常見的摩擦阻尼器的核心部位為具有一定預壓力的一對或多對摩擦面，外力 需要克服摩擦面之間的摩擦力才能驅使阻尼器的摩擦面發(fā)生相對運動。 一般 的摩擦阻尼器的預壓力和摩擦面的屬性都是不能自動發(fā)生改變的，因而其提 供的摩擦阻力也通常保持不變，阻尼器的滯回曲線接近矩形。具有矩形滯回 曲線的阻尼器在工程應用中，最為關鍵的問題是如何確定振動荷載的作用強 度，因為此類阻尼器的最大摩擦阻力一旦確定就不能更改。比如在建筑結構 的抗震和抗風設計中，如果按照強振作用下的情況設計摩擦阻尼器，則該阻 尼器在弱振作用下根本不會滑動，而如果按弱振情況確定滑動摩擦力，則該 阻尼器在強振作用下將因為出力噸位過小而達不到理想的減振效果。由于建 筑結構面臨的地震作用的強度是不能準確預測的，所以在建筑結構中采用摩 擦阻尼器作為減振部件存在強振和弱振不能兼顧的問題，這是影響摩擦阻尼 器的廣泛應用的一種重要因素。基于此，出現(xiàn)了一些對變摩擦的研究。目前有三種方法產(chǎn)生變摩擦的效果l)哈爾濱工業(yè)大學在上世紀九十年代提出的"擬粘滯摩擦阻尼器"，該 阻尼器的摩擦面由兩個相對的凸起弧面組成，而且在初始狀態(tài)時兩個凸起頂點接觸，如圖1. (a)所示。摩擦面位于兩個彈性橫梁的中部，在這兩個彈性橫梁的端部通過螺栓施加預壓力，通過彈性變形壓緊彈性橫梁中部的摩擦面。當摩擦面相對滑動時，兩個凸起頂點錯開，摩擦面將相 互貼近，彈性橫梁的彈性變形逐步減小，正壓力相應減小，摩擦阻力因 而隨之減小；2) 半主動摩擦裝置，此類裝置在常規(guī)摩擦阻尼器中增加半控制元件，如 壓電元件和電磁元件，通過改變控制元件的電流調節(jié)摩擦面的正壓力， 從而實現(xiàn)變摩擦，如圖1. (b)所示。3) 向心式摩擦阻尼器。美國加州伯克利大學曾研究過一種向心式變摩擦 阻尼器，該阻尼器設有內置彈簧，阻尼器變形越大，彈簧壓力越大，導 致摩擦面正壓力越大，進而實現(xiàn)變摩擦，如圖l. (c)所示。該阻尼器的 滯回曲線表現(xiàn)為在加載時提供大剛度、卸載時提供小剛度，能夠用被動 的方式實現(xiàn)半主動控制。其滯回曲線是兩個頂點相對的三角形。 上述三種方法有一個共同點都是通過調整摩擦面的正壓力而摩擦面的屬性保持不變實現(xiàn)變摩擦。存在較為嚴重的缺陷1) 擬粘滯阻尼器雖然能夠產(chǎn)生類似于粘滯阻尼器的滯回曲線，但是其最 大值依然是固定的，這是與粘滯阻尼器的主要區(qū)別，因而該阻尼器依然 存在常規(guī)摩擦阻尼器不能同時適應強振和弱振的缺陷；2) 半主動摩擦裝置雖然性能優(yōu)越，但是該類裝置構造復雜、造價高昂、 維護要求高，目前尚不可能推廣使用；3) 向心式摩擦阻尼器構造精巧，但是由于其摩擦面的正壓力主要來自于 中間的彈簧，如圖l. (c)所示，為獲得建筑結構減振所需的噸位和變形 能力，需要圖l. (c)中的彈簧同時具有極大的剛度和較大的變形能力， 如果采用螺旋彈簧，變形能力可以滿足，但難獲得滿足要求的大剛度； 而如果采用碟形彈簧，則剛度要求可以滿足，而變形能力要求則不易滿 足?？傊?，對于向心式摩擦阻尼器，很難同時滿足大噸位和大變形能力 的要求，因而，該阻尼器應用于小型設備減振尚可，不能滿足建筑結構 的使用要求。實用新型內容本實用新型的目的在于解決了現(xiàn)有阻尼器的上述缺陷，提供了一種筒式 變摩擦阻尼器。本實用新型為線性摩擦阻尼，能夠同時滿足工程結構強振和 弱振時的減振要求。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取了如下技術方案。筒式變摩擦阻尼器，包括有外套筒15、內套筒、滑動軸18、碟形彈簧19、鎖緊螺母20、擠 壓錐環(huán)21、摩擦滑塊22、左端板23和帶鉸右端板24。所述的內套筒包括有 第二摩擦套筒17和設置在第二摩擦套筒兩端的第一摩擦套筒16，第一摩擦套 筒16和第二摩擦套筒17的內徑位于同一柱面上，第一摩擦套筒16和第二摩 擦套筒17的外徑與外套筒1的內徑相同；左端板23和帶鉸右端板24分別固 定連接在內套筒和外套筒15的左右兩端；滑動軸18位于內套筒的中心軸線 上，其一端伸出內套筒用于與建筑結構固定；在滑動軸18上設置有有兩個擠 壓錐環(huán)21，在擠壓錐環(huán)21的兩端設置有鎖緊螺母19，在鎖緊螺母19和擠壓 錐環(huán)21之間置有碟形彈簧20;若干個摩擦滑塊22拼成環(huán)狀設置在兩個擠壓 錐環(huán)21和內套筒內壁之間；摩擦滑塊22與擠壓錐環(huán)21接觸面為錐形弧面， 摩擦滑塊22的錐形弧面的坡度與擠壓錐環(huán)21外表面坡度相同；第二摩擦套 筒17內壁與摩擦滑塊22的接觸面的摩擦系數(shù)小于第一摩擦套筒16內壁與摩 擦滑塊22的接觸面的摩擦系數(shù)。所述的摩擦滑塊22與第二摩擦套筒17之間的接觸面的摩擦系數(shù)小于摩 擦滑塊22與第一摩擦套筒16之間接觸面摩擦系數(shù)的0. 01倍。所述的第二摩擦套筒17的內壁嵌有滾珠28，摩擦滑塊22與第二摩擦套 筒17接觸面為滾動摩擦。所述的第二摩擦套筒17為內壁附有特氟龍涂層的套筒。本實用新型提出的筒式變摩擦阻尼器通過改變摩擦面中實際發(fā)揮作用的 接觸面積來獲得變摩擦性能，可獲得如下有益效果-1) 通過擰緊鎖緊螺母19，可以方便的調節(jié)摩擦滑塊22與第一摩擦套筒165和第二摩擦套筒17接觸面的正壓力，從而提高阻尼器的出力噸位。摩擦滑塊22的滑動距離不受摩擦面正壓力的影響，因而通過合理設計，本實用新型阻 尼器可同時提供超過100噸以上的最大阻尼力和200毫米以上的大位移能力。2) 由于初始狀態(tài)下，摩擦滑塊22與第二摩擦套筒17在第二摩擦套筒17 軸線方向上中心對齊，且摩擦滑塊22與第二摩擦套筒17接觸面的摩擦系數(shù) 小于摩擦滑塊22與第一摩擦套筒16接觸面的摩擦系數(shù)，所以，當摩擦滑塊 22開始發(fā)生偏離第二摩擦套筒17的相對運動后，摩擦滑塊22與第一摩擦套 筒16的接觸面積逐步增大，摩擦滑塊22與第一摩擦套筒16和第二摩擦套筒 17之間總接觸面的之間的摩擦力將逐步增大。與上述過程類似，當摩擦滑塊 22從偏離位置向初始位置運動時，阻尼器摩擦阻力將隨著偏離距離的減小而 減小。顯然當建筑結構中安裝該阻尼器后，當結構變形幅度增大時，阻尼 器提供的阻尼力隨結構變形幅度的增大而增加，即提供正剛度阻止結構變形 幅度的增加；當結構從振幅處返回平衡位置時，其變形速度將隨著變形幅度 的減小而增大，此時阻尼器提供阻尼力阻止結構變形速度的增加。相對于結 構變形而言，此時阻尼器提供的阻尼力為負值，且隨結構變形幅度的下降而 減小，即提供負剛度。即實現(xiàn)了變剛度控制。3) 本實用新型提出的阻尼器可以實現(xiàn)如圖9所示的滯回曲線，即阻尼器提 供線性摩擦阻尼。該阻尼器的阻尼力將隨變形幅度的增加而線性增大，能夠 同時滿足工程結構強振和弱振時的減振要求。


圖1 (a)擬粘滯阻尼器的變摩擦元件示意圖圖1 (b)半主動變摩擦阻尼器的變摩擦元件示意圖圖1 (c)向心式摩擦阻尼器的構造示意圖圖2是本實用新型提出的筒式變摩擦阻尼器的整體構造圖圖3是本實用新型提出的阻尼器的擠壓錐環(huán)21的左視圖圖4擠壓錐環(huán)21剖面圖a—a圖5實施例l中摩擦滑塊22的左視圖圖6實施例1中摩擦滑塊22的剖面圖b-b圖7實施例1摩擦滑塊22摩擦面寬度與第二摩擦套筒17的高度h相等，且二者在初始時沿第二摩擦套筒軸線方向中心對齊時的結構示意圖 圖8實施例1的摩擦滑塊22偏離初始位置后摩擦力增大時的結構示意圖 圖9實施例l的滯回曲線示意圖 圖10實施例2的整體構造圖圖11實施例2摩擦滑塊22摩擦面寬度與第二摩擦套筒17的高度h相等且二者在初始時中心對齊的結構示意圖 圖12實施例2的摩擦滑塊22偏離初始位置后摩擦力增大的結構示意圖 圖13實施例3的摩擦滑塊22寬度大于第二摩擦套筒17的高度h且二者在初始時中心對齊的結構示意圖 圖14實施例3的摩擦滑塊22的一端完全進入第二摩擦套筒17的范圍之內后摩擦阻力才開始增加的結構示意圖 圖15實施例3的滯回曲線圖16本實用新型提出的筒式變摩擦阻尼器在建筑結構中的斜撐式安裝方法 圖17本實用新型提出的筒式變摩擦阻尼器在建筑結構中的人字支撐式安裝 方法圖中1、擬粘滯摩擦阻尼器的上橫梁，2、擬粘滯摩擦阻尼器的下橫梁， 3 、擬粘滯摩擦阻尼器的滑塊，4 、擬粘滯摩擦阻尼器的鎖緊螺栓，5、半主 動變摩擦阻尼器的上下蓋板，6、半主動變摩擦阻尼器的滑塊，7、半主動變 摩擦阻尼器的鎖緊螺栓，8 、半主動變摩擦阻尼器中改變正壓力的半主動控 制元件，9 、向心式摩擦阻尼器的缸筒，10、向心式摩擦阻尼器的鎖緊螺母， 11、向心式摩擦阻尼器的彈簧，12、向心式摩擦阻尼器的擠壓錐環(huán)，13、向 心式摩擦阻尼器的摩擦滑塊，14、向心式摩擦阻尼器的滑動軸，15、外套筒， 16、第一摩擦套筒，17、第二摩擦套筒，18、滑動軸，19、鎖緊螺母，20、 碟形彈簧，21、擠壓錐環(huán)，22、摩擦滑塊，23、左端板，24、帶鉸右端板，25、連接鉸頭，26、鋼一銅摩擦面，27、鋼一特氟龍(Teflon)摩擦面，28、 滾珠，29、鋼一銅滑動摩擦面，30、滾動摩擦面，31、本實用新型提出的筒 式變摩擦阻尼器，32、建筑結構的橫梁，33、建筑結構的立柱，34、安裝阻 尼器的支撐。
具體實施方式
實施例1:本實例采用特氟龍(Teflon)涂層作為第二摩擦套筒17的內壁接觸面。如圖11所示，兩個第一摩擦套筒16分別對接于一個第二摩擦套筒17的 兩端，外套筒15套在上述三個摩擦套筒外壁。第一摩擦套筒16和第二摩擦 套筒17的外徑相同，都等于外套筒1的內徑。第二摩擦套筒17與摩擦滑塊 22發(fā)生接觸的部位與第一摩擦套筒16的內壁位于同一個柱面上。第二摩擦套 筒17內壁與摩擦滑塊22的接觸面的摩擦系數(shù)小于第一摩擦套筒16內壁與摩 擦滑塊22的接觸面的摩擦系數(shù)。本實施例中外套筒15、第一摩擦套筒16和 第二摩擦套筒17都是鋼質缸筒，第二摩擦套筒17的內壁附有Teflon涂層， 摩擦滑塊22與第二摩擦套筒17之間的接觸面的摩擦系數(shù)小于摩擦滑塊22與 第一摩擦套筒16之間接觸面摩擦系數(shù)的0. 01倍。通過左端板23和帶鉸右端板24固定第一摩擦套筒16與外套筒的相對位 置，滑動軸18位于第一摩擦套筒16和第二摩擦套筒17組成的圓筒的中心線 上，滑動軸18是鋼質實心圓柱體。擠壓錐環(huán)21為環(huán)狀椎體，其內徑大于滑 動軸18，兩個擠壓錐環(huán)21錐頭對著錐頭的套在滑動軸18上，擠壓錐環(huán)21為 鋼質環(huán)形元件，如圖3和圖4所示，多個摩擦滑塊22拼成環(huán)狀位于兩個擠壓錐環(huán)21和內套筒(包括第一摩 擦套筒16和第二摩擦套筒17)內壁之間，摩擦滑塊22為120度的扇形鋼 塊，共3塊組合在一起，如圖5和圖6所示。在本實施例中，摩擦滑塊22的 摩擦面與第二摩擦套筒17的高度h相同，如圖7所示。摩擦滑塊22與內套筒內壁接觸的滑動面為圓弧面，其弧度與第一摩擦套筒16內壁相同。摩擦滑塊22與擠壓錐環(huán)21接觸面為錐形弧面，摩擦滑塊22 的錐形弧面的坡度與擠壓錐環(huán)21外表面坡度相同。兩個鎖緊螺母19從兩端 鎖住兩個擠壓錐環(huán)21，在鎖緊螺母19和擠壓錐環(huán)21之間置有碟形彈簧20， 通過擰緊兩端鎖緊螺母19可以給摩擦滑塊22與第一摩擦套筒16和第二摩擦 套筒17的接觸面之間施加正壓力。初始時，摩擦滑塊22與第二摩擦套筒17沿第二摩擦套筒17軸線方向中 心對齊，如圖7所示。當圖2中滑動軸18相對外套筒15運動時，摩擦滑塊 22與第一摩擦套筒16的銅質摩擦面開始接觸并逐漸增大，如圖8所示，接觸 面產(chǎn)生的摩擦阻力也相應的增大。這就實現(xiàn)了變摩擦。本實施例的滯回曲線 形狀如圖9所示。實施例2:如圖10所示，本實施例第二摩擦套筒17內壁嵌有滾珠30，其余部件與 實施例1相同。摩擦滑塊22的摩擦面的寬度與第二摩擦套筒17的高度h相等，如圖11 所示。第二摩擦套筒17中滾珠30與摩擦滑塊22的接觸部位與第一摩擦套筒 16的內壁位于同一個柱面上。摩擦滑塊22與第二摩擦套筒17之間的接觸面 的滾動摩擦系數(shù)小于摩擦滑塊22與第一摩擦套筒16之間接觸面摩擦系數(shù)的 0. 01倍。初始時，摩擦滑塊22與第二摩擦套筒17對齊，如圖11所示。當阻尼器 發(fā)生變形后，摩擦滑塊22與第一摩擦套筒16的銅質摩擦面的接觸面積開始 增大，如圖12所示，接觸面產(chǎn)生的摩擦阻力也相應的增大。這就實現(xiàn)了變摩 擦。本實施例的滯回曲線形狀如圖9所示。實施例3:如圖13所示，本實施例中摩擦滑塊22的摩擦面寬度大于第二摩擦套筒 17的高度h。其余部件與實施例2相同。初始時，摩擦滑塊22與第二摩擦套筒17對齊。由于摩擦滑塊22的寬度大于第二摩擦套筒17的高度h，所以當摩擦滑塊22相對第二摩擦套筒17從 初始位置開始運動時，阻尼器的摩擦阻力將保持不變，直到摩擦滑塊22的一 端進入第二摩擦套筒17的范圍內，如圖15所示，在此之后，阻尼器的摩擦 阻力將隨著相對位移的繼續(xù)增大而線性增加。因此，實施例3的滯回曲線將 如圖16所示。本實施例提出的筒式摩擦阻尼器在建筑結構中的應用形式如圖16和圖17 所示。本實用新型提出的第二摩擦套筒17還有許多具體實現(xiàn)方式，都屬于本 實用新型所提出的技術方案。本實施例中的阻尼器可實現(xiàn)100噸以上的大阻尼力和200毫米以上的大位移。
權利要求1、筒式變摩擦阻尼器，包括有外套筒(15)、內套筒、滑動軸(18)、碟形彈簧(19)、鎖緊螺母(20)、擠壓錐環(huán)(21)、摩擦滑塊(22)、左端板(23)和帶鉸右端板(24)，其特征在于所述的內套筒包括有第二摩擦套筒(17)和設置在第二摩擦套筒(17)兩端的第一摩擦套筒(16)，第一摩擦套筒(16)和第二摩擦套筒(17)的內徑位于同一柱面上，第一摩擦套筒(16)和第二摩擦套筒(17)的外徑與外套筒(1)的內徑相同；左端板(23)和帶鉸右端板(24)分別固定連接在內套筒和外套筒(15)的左右兩端；滑動軸(18)位于內套筒的中心軸線上，其一端伸出內套筒用于與建筑結構固定；在滑動軸(18)上設置有有兩個擠壓錐環(huán)(21)，在擠壓錐環(huán)(21)的兩端設置有鎖緊螺母(19)，在鎖緊螺母(19)和擠壓錐環(huán)(21)之間置有碟形彈簧(20)；若干個摩擦滑塊(22)拼成環(huán)狀設置在兩個擠壓錐環(huán)(21)和內套筒內壁之間；摩擦滑塊(22)與擠壓錐環(huán)(21)接觸面為錐形弧面，摩擦滑塊(22)的錐形弧面的坡度與擠壓錐環(huán)(21)外表面坡度相同；第二摩擦套筒(17)內壁與摩擦滑塊(22)的接觸面的摩擦系數(shù)小于第一摩擦套筒(16)內壁與摩擦滑塊(22)的接觸面的摩擦系數(shù)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的筒式變摩擦阻尼器，其特征在于所述的摩擦滑塊 (22)與第二摩擦套筒(17)之間的接觸面的摩擦系數(shù)小于摩擦滑塊(22)與第一摩擦套筒(16)之間接觸面摩擦系數(shù)的0.01倍。
3、 根據(jù)權利要求1所述的筒式變摩擦阻尼器，其特征在于所述的第二摩擦 套筒(17)的內壁嵌有滾珠(28)，摩擦滑塊(22)與第二摩擦套筒(17)接 觸面為滾動摩擦。
4、 根據(jù)權利要求1所述的筒式變摩擦阻尼器，其特征在于所述的第二摩擦套筒(17)為內壁附有特氟龍涂層的套筒。
專利摘要本實用新型是筒式變摩擦阻尼器，可應用于建筑結構減振控制及機車減振。包括有外套筒、第一摩擦套筒、第二摩擦套筒、滑動軸、碟形彈簧、鎖緊螺母、擠壓錐環(huán)、摩擦滑塊。內套筒包括有第二摩擦套筒和設置在第二摩擦套筒兩端的第一摩擦套筒，第一摩擦套筒和第二摩擦套筒的內徑位于同一柱面上，左端板和帶鉸右端板固定連接在內套筒和外套筒的左右兩端筒式變摩擦阻尼器在變形過程中，實際提供摩擦阻力的接觸面的面積隨阻尼器的變形而變化，而整個接觸面上的正壓力保持不變，因此而實現(xiàn)變摩擦。該阻尼器具有線性阻尼特征，耗能能力隨變形幅度的增大而增加，用于建筑結構減振控制時，能夠同時滿足強振和弱振作用下的減振要求，具有很高的實際應用價值。
文檔編號F16F7/09GK201166078SQ20082007860
公開日2008年12月17日 申請日期2008年1月18日 優(yōu)先權日2008年1月18日
發(fā)明者周錫元, 彭凌云, 閆維明 申請人:北京工業(yè)大學