一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振的擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)減振技術(shù)領(lǐng)域，具體來講是一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振的擺式電渦流調(diào)諧 質(zhì)量阻尼器及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的快速發(fā)展，新建大樓的高度和橋梁的跨度越來越大。新結(jié) 構(gòu)、新材料的應(yīng)用導(dǎo)致建筑的長細(xì)比增大、自身阻尼減小，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。特別是 高聳、細(xì)長的建筑結(jié)構(gòu)在地震、風(fēng)和行車等外界荷載激勵(lì)下極易發(fā)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的 破壞或疲勞損傷，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)使用安全性和使用壽命。而調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper-TMD)由于能有效控制結(jié)構(gòu)固定頻率的振動(dòng)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD) -般是由彈簧、阻尼器和質(zhì)量塊組成，其減振機(jī)理是：將 TMD的振動(dòng)頻率調(diào)整到主結(jié)構(gòu)頻率附近，通過調(diào)整阻尼至優(yōu)化的參數(shù)值，使主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能 量最大限度地向TMD轉(zhuǎn)移并由其耗散，從而達(dá)到降低主結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。
[0004] 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器作為振動(dòng)控制的主要裝置，要求其具有良好的穩(wěn)定性和耐久性， 同時(shí)要有精確、連續(xù)的參數(shù)調(diào)節(jié)功能。但是，現(xiàn)有的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器由于存在各種缺陷，均 不能很好的滿足上述要求。
[0005] 例如，專利號為ZL200610057990. 8的"懸吊式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減振控制裝置"專 利，公開了一種剛性桿懸吊式多向水平振動(dòng)、摩擦耗能的調(diào)諧質(zhì)量阻尼裝置，能通過摩擦耗 能，在一定程度上實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制的目的，且剛性吊桿的設(shè)計(jì)增加了質(zhì)量塊振動(dòng)的穩(wěn)定性。但 該阻尼器的缺點(diǎn)在于：使用摩擦片接觸式耗能，對阻尼器穩(wěn)定性和耐久性不利，并且該阻尼 器將拉簧置于質(zhì)量塊底部的剛性桿上，通過微調(diào)彈簧作用點(diǎn)的位置來調(diào)節(jié)阻尼器頻率，使 得可調(diào)范圍較小，無法實(shí)現(xiàn)精確、連續(xù)的參數(shù)調(diào)節(jié)功能。
[0006] 又例如，公告號為CN103132628B的"擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼裝置"專利，公開了 一種柔性吊索多向水平振動(dòng)、電渦流耗能的調(diào)諧質(zhì)量阻尼裝置，能通過安裝在質(zhì)量塊底部 的電渦流阻尼產(chǎn)生裝置，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制的目的，且非接觸式耗能提高了阻尼器的穩(wěn)定性和 耐久性。但該阻尼器的缺點(diǎn)在于：由于采用柔性吊索帶動(dòng)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)，使得對質(zhì)量塊的動(dòng) 態(tài)穩(wěn)定性難以控制，無法達(dá)到阻尼器穩(wěn)定性和耐久性要求；除此之外，該阻尼器通過調(diào)節(jié)吊 索長度的方式調(diào)節(jié)質(zhì)量塊振動(dòng)頻率，使得其頻率可調(diào)范圍極小，僅適用于較低的阻尼器自 振頻率，應(yīng)用范圍不大。
[0007] 因此，如何解決現(xiàn)有技術(shù)中質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定、耗能方式不可靠、頻率調(diào)節(jié)范 圍小等問題，是調(diào)諧質(zhì)量阻尼器研究中亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振的擺式電 渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器及方法，不但質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定、耗能方式可靠，而且頻率調(diào)節(jié)范圍 大，可適應(yīng)中高自振頻率。
[0009] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：提供一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振的擺式電渦 流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，包括阻尼器主體，阻尼器主體包括長方體結(jié)構(gòu)的支架，支架包括前板、 后板、頂板和底板；其中，所述頂板的底部固定有兩個(gè)與前板、后板平行的軸承，兩個(gè)軸承的 內(nèi)圈通過一水平設(shè)置的轉(zhuǎn)軸連接；轉(zhuǎn)軸的下方豎直設(shè)置有擺桿，擺桿的頂部與轉(zhuǎn)軸連接，底 部焊接有質(zhì)量塊，質(zhì)量塊朝向前板、后板的兩側(cè)面均嵌有多個(gè)永磁鐵，前板、后板與質(zhì)量塊 對應(yīng)之處均設(shè)置有渦流板；
[0010] 所述擺桿的左、右兩側(cè)均設(shè)置有彈簧，擺桿的中部開有1個(gè)擺桿導(dǎo)向孔，前板的板 壁上開有左右2個(gè)前板導(dǎo)向孔，后板與前板導(dǎo)向孔對應(yīng)之處開有左右2個(gè)后板導(dǎo)向孔；所述 擺桿導(dǎo)向孔、前板導(dǎo)向孔和后板導(dǎo)向孔內(nèi)均設(shè)置有鎖緊螺栓，每根彈簧的兩端分別設(shè)置有 第一彈簧擋板和第二彈簧擋板；左側(cè)彈簧的一端通過第一彈簧擋板與擺桿導(dǎo)向孔內(nèi)的鎖緊 螺栓連接，另一端通過第二彈簧擋板分別與左側(cè)前板導(dǎo)向孔、左側(cè)后板導(dǎo)向孔的鎖緊螺栓 連接；右側(cè)彈簧的一端通過第一彈簧擋板與擺桿導(dǎo)向孔內(nèi)的鎖緊螺栓連接，另一端通過第 二彈簧擋板分別與右側(cè)前板導(dǎo)向孔、右側(cè)后板導(dǎo)向孔的鎖緊螺栓連接。
[0011] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述前板與渦流板、所述后板與渦流板均通過用于調(diào) 節(jié)渦流板與永磁鐵之間的距離的調(diào)節(jié)組合件固定。
[0012] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述調(diào)節(jié)組合件為內(nèi)六角螺釘和螺母。
[0013] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，該阻尼器還包括外殼，所述阻尼器主體封裝于外殼內(nèi)， 該外殼扣設(shè)有可拆卸式外殼蓋板，所述外殼與阻尼器主體的支架頂部固定連接。
[0014] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述質(zhì)量塊位于擺動(dòng)方向上的兩側(cè)面均設(shè)置有緩沖橡 膠墊。
[0015] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述質(zhì)量塊設(shè)有永磁鐵的兩個(gè)側(cè)面，開有多個(gè)用于固 定永磁鐵的凹槽，每個(gè)凹槽內(nèi)嵌有一個(gè)永磁鐵，且永磁鐵按照擺動(dòng)方向上磁極交替變化的 規(guī)則設(shè)置。
[0016] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述擺桿導(dǎo)向孔、前板導(dǎo)向孔和后板導(dǎo)向孔均為條形 孔。
[0017] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述質(zhì)量塊采用軟鐵制成；所述永磁鐵選用大小相同 的矩形汝鐵硼永磁鐵；所述渦流板選用銅板或鋁板。
[0018] 本發(fā)明還提供一種基于上述阻尼器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振的方法，包括如下步驟：
[0019] Sl :測試主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率，設(shè)計(jì)擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的質(zhì)量比、阻尼比和 頻率比，轉(zhuǎn)到S2 ;
[0020] S2 :根據(jù)設(shè)計(jì)的質(zhì)量比選擇合適的質(zhì)量塊；根據(jù)設(shè)計(jì)的阻尼比調(diào)整渦流板與永磁 鐵的間距；計(jì)算擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的系統(tǒng)頻率f，轉(zhuǎn)到S3 :
[0021] S3 :將計(jì)算得到的阻尼器的系統(tǒng)頻率f與主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率進(jìn)行比較，通過鎖緊 螺栓調(diào)整彈簧與轉(zhuǎn)軸之間的相對距離，以此來改變阻尼器的系統(tǒng)頻率f，直至阻尼器的系統(tǒng) 頻率f與主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率之間達(dá)到設(shè)計(jì)的頻率比；將調(diào)整好的擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼 器與主結(jié)構(gòu)相連接。
[0022] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，S2中所述計(jì)算擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的系統(tǒng)頻率 f，具體包括以下步驟：將質(zhì)量塊簡化為一質(zhì)點(diǎn)，設(shè)該質(zhì)點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的距離為I1，彈簧中心位置 到轉(zhuǎn)軸的距離為I 2，每個(gè)彈簧剛度為k，則由動(dòng)量矩定理得出： CN 105138798 A I兄明書 3/6 頁
[0023]
[0024] 其中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Θ為擺桿的擺角，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，g為重力加速度；
[0025] 由于擺角Θ <5°，則sin0~Θ，將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J= mif，帶入上式得：
[0026]
[0027] 設(shè)角速度
j則計(jì)算出的阻尼器的系統(tǒng)頻率f為：
[0028] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0029] 1、本發(fā)明中，通過電渦流耗能產(chǎn)生阻尼力，非接觸式耗能提高了阻尼器的穩(wěn)定性 和耐久性；采用剛性的擺桿作為擺動(dòng)的傳動(dòng)部件，使得質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更加穩(wěn)定；彈簧和 擺桿組合提供系統(tǒng)剛度，使系統(tǒng)的剛度和阻尼完全分離；擺動(dòng)的轉(zhuǎn)軸與軸承配合使用，降低 了機(jī)械摩擦，使阻尼器的結(jié)構(gòu)摩擦阻尼小于1 %，后期通過改變渦流板與永磁鐵的間距、以 及彈簧與轉(zhuǎn)軸的間距，使得阻尼器的阻尼比和頻率都可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，頻率調(diào)節(jié)范圍大， 可適應(yīng)中高自振頻率，進(jìn)而達(dá)到結(jié)構(gòu)減振的目的。
[0030] 2、本發(fā)明的阻尼器主體封裝于一個(gè)外殼內(nèi)，該外殼的設(shè)計(jì)一方面能隔離外界的水 汽，使外殼內(nèi)部的阻尼器主體不易受到侵蝕，從而保證了阻尼器的使用壽命；另一方面，外 殼的內(nèi)壁能對質(zhì)量塊的擺動(dòng)起到安全限位的作用，進(jìn)而保證了阻尼器的使用安全。除此之 外，該外殼還扣設(shè)有可拆卸式外殼蓋板，不但拆卸方便、便于后期使用和維護(hù)，而且外形美 觀。
[0031] 3、本發(fā)明中，質(zhì)量塊位于擺動(dòng)方向上的兩側(cè)面均設(shè)置有緩沖橡膠墊，該緩沖橡膠 墊的設(shè)計(jì)保證阻尼器在最不利地工況下（即質(zhì)量塊擺幅達(dá)到最大時(shí)），能緩沖質(zhì)量塊與外 殼內(nèi)壁之間的碰撞，維持阻尼器的安全運(yùn)行。
[0032] 4、本發(fā)明中，永磁鐵按照擺動(dòng)方向上磁極交替變化的規(guī)則進(jìn)行設(shè)置，使得在相對 運(yùn)動(dòng)的方向上，渦流板處于交替變化的磁場中。與單一磁場方向的方案比較而言，渦流板在 方向交錯(cuò)的磁場中會產(chǎn)生更大的電渦流，繼而輸出更大的阻尼力，具備較好的阻尼性能。
[0033] 5、本發(fā)明的阻尼器結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，后期的調(diào)試與養(yǎng)護(hù)便捷，且使用壽命長， 經(jīng)濟(jì)適用。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的主視圖；
[0035] 圖2為圖1另一視角的示意圖；
[0036] 圖3為內(nèi)六角螺釘與螺母配合的示意圖；
[0037] 圖4為外殼與外殼蓋板配合的不意圖；
[0038] 圖5為質(zhì)量塊的受力簡圖。
[0039] 附圖標(biāo)記：
[0040] 1-支架；2-固定耳板；3-轉(zhuǎn)軸；4-軸承；5-軸承端蓋；6-第一彈簧擋板；7-彈簧； 第二彈簧擋板；9-鎖緊螺栓；10-擺桿；11-內(nèi)六角螺釘；12-質(zhì)量塊；13-永磁鐵；14-緩 沖橡膠墊；15-渦流板；16-螺母；17-外殼；18-外殼蓋板；19-連接耳板。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0042] 參見圖1和圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振的擺式電渦流調(diào)諧 質(zhì)量阻尼器，包括阻尼器主體，阻尼器主體包括長方體結(jié)構(gòu)的支架1，該支架1包括前板、 后板、頂板和底板，其中，頂板的底部通過固定耳板2固設(shè)有兩個(gè)與前板、后板平行的軸承 4 (優(yōu)選為深溝球軸承），每個(gè)軸承4的端面設(shè)置有軸承端蓋5,兩個(gè)軸承4的內(nèi)圈通過一水 平設(shè)置的轉(zhuǎn)軸3連接，該轉(zhuǎn)軸3的下方豎直設(shè)置有擺桿10,擺桿10的頂部與轉(zhuǎn)軸3連接，底 部焊接有質(zhì)量塊12,該質(zhì)量塊12朝向前板、后板的兩側(cè)面均嵌有多個(gè)永磁鐵13,前板、后板 與質(zhì)量塊12對應(yīng)之處均設(shè)置有渦流板15,渦流板15為銅板、鋁板等不可被磁化的金屬板。 該渦流板15與質(zhì)量塊12的永磁鐵13構(gòu)成了阻尼器的阻尼元件，當(dāng)質(zhì)量塊12的永磁鐵13 隨擺桿10做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，渦流板15內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，進(jìn)而在渦流板15內(nèi)產(chǎn)生電流（即 電渦流），根據(jù)楞次定律（感應(yīng)電流的效果總是反抗引起感應(yīng)電流的原因），即產(chǎn)生了阻尼 力的來源，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。
[0043] 另外，擺桿10的左、右兩側(cè)均水平設(shè)置有彈簧7,擺桿10的中部開有1個(gè)擺桿導(dǎo)向 孔，前板的板壁上開有左右2個(gè)前板導(dǎo)向孔，后板與前板導(dǎo)向孔對應(yīng)之處開有左右2個(gè)后板 導(dǎo)向孔；所有擺桿導(dǎo)向孔、前板導(dǎo)向孔和后板導(dǎo)向孔內(nèi)均設(shè)置有鎖緊螺栓9,每根彈簧7的 兩端均分別設(shè)置有第一彈簧擋板6和第二彈簧擋板8 ;左