具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器，包括摩擦套筒、兩個套筒外擋塊、中間滑動軸、滑動軸定位擋塊、兩個摩擦組件以及兩個壓縮彈簧；其中摩擦套筒、兩個套筒外擋塊圍成一圓形筒式腔體，楔形滑動摩擦塊包括一個四分之一圓形摩擦面和兩個四分之一圓形斜面，擠壓楔形塊包括一個圓形斜面，四個楔形滑動摩擦塊圍成一圓筒和兩個斜面相對的擠壓楔形塊組成一個摩擦組件；滑動軸定位擋塊、壓縮彈簧、擠壓楔形塊以及右側套筒外擋塊套在中間滑動軸上；腔體被中間滑動軸中部的圓形擋板分割成左、右兩部分。本阻尼器具有復阻尼的特征，復阻尼力隨變形幅值線性變化，粘滯阻尼力隨變形速度線性變化，摩擦界面性能穩定，性價比占優。
【專利說明】
具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器，可應用于工程結構減振控制，屬于振動控制技術領域。
【背景技術】
[0002]工程結構減振和隔振領域采用的減振阻尼器目前大體上可分為速度相關型和位移相關型兩大類，位移相關型阻尼器主要包括利用金屬材料塑性變形耗能的各種金屬阻尼器和利用摩擦機制耗能的各類摩擦阻尼器;速度相關型阻尼器目前主要包括利用粘滯流體通過阻尼孔產生阻尼力耗散能量的粘滯阻尼器和利用粘彈性材料塑性能力耗能的粘彈性阻尼器。大多數位移相關型阻尼器具有明確的開始耗能的阻尼力閾值，當阻尼器受力小于該閾值時，阻尼器提供彈性剛度，不產生能量消耗，當其受力超過該閾值后，阻尼器進入屈服狀態或摩擦滑動狀態，開始耗散能量，但其阻尼力隨變形的增長通常很小或者不再增長。從這個角度看，位移相關型通常需要設定其發揮耗能作用的變形條件，變形小于設定值時，阻尼器不起耗能作用，而當變形遠大于設定值，由于對阻尼力的增長較小，其附加的等效阻尼比將隨變形的增加而減小，僅在設定變形幅值附近可提供預期的附加阻尼比。粘滯阻尼器則可隨速度變化提供不同的阻尼力和能量消耗，速度越高、阻尼力越大、消耗能量越多，不存在位移相關型閾值問題，因而在工程結構的減振控制中粘滯阻尼器的使用要多于位移相關型。不過粘滯阻尼器的加工精度和密封要求要遠遠高于位移相關型，這導致其造價也要遠遠高于一般的位移相關型，綜合其性價比不如后者。但在一些特殊情況下，粘滯阻尼器具有一些位移相關型不具備的優勢，通常情況下不能用位移型阻尼器替代。例如對于TMD減振結構體系，未獲得最優的減震效果，TMD子結構的阻尼比存在最優值，且其振幅通常不確定，采用位移相關型明顯是不行的:如果選擇過高的起阻尼力閾值，會導致TMD不能適時啟動而失去調頻減振作用;選擇過小的起滑力閾值，又會出現耗能能力不足缺陷，導致TMD在大振幅作用下控制效果不佳。因而目前的TMD減振工程應用中，絕大多數情況下都是采用粘滯阻尼器提供阻尼力。另外，常規摩擦阻尼器需要預加摩擦正應力，摩擦界面在長期處于高應力狀態下的摩擦性能會發生變化。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型為了解決現有阻尼器的上述缺陷，提出一種具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器，解決了阻尼器復阻尼特征以及摩擦界面性能穩定性的問題。
[0004]為了實現上述目的，本實用新型采取了如下技術方案:
[0005]—種具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器，所述阻尼器包括摩擦套筒、兩個套筒外擋塊、中間滑動軸、滑動軸定位擋塊、兩個摩擦組件以及兩個壓縮彈簧;其中摩擦套筒、兩個套筒外擋塊圍成一圓形筒式腔體，楔形滑動摩擦塊包括一個四分之一圓形摩擦面和兩個四分之一圓形斜面，擠壓楔形塊包括一個圓形斜面，四個楔形滑動摩擦塊圍成一圓筒和兩個斜面相對的擠壓楔形塊組成一個摩擦組件;其中摩擦組件中楔形滑動摩擦塊的摩擦面與摩擦套筒的摩擦面之間相互接觸，摩擦組件中楔形滑動摩擦塊的兩個斜面分別與兩個擠壓楔形塊的斜面接觸;滑動軸定位擋塊、壓縮彈簧、擠壓楔形塊以及右側套筒外擋塊中部皆開有圓形洞口，中間滑動軸穿過洞口且位于筒式腔體的中部;腔體被中間滑動軸中部的圓形擋板分割成左、右兩部分，其中各有一個壓縮彈簧和摩擦組件分別位于擋板左、右兩端，左端的壓縮彈簧位于左側定位擋塊和圓形擋板以左摩擦組件之間，右邊的壓縮彈簧位于圓形擋板以右摩擦組件和右側定位擋塊之間;兩塊套筒外擋塊分別用螺栓連接在摩擦套筒的兩邊，用于固定其位置;左端定位擋塊與左端套筒外擋塊夾住摩擦套筒左端，右端定位擋塊固定在右端套筒外擋塊上;左端定位擋塊與左端套筒外擋塊之間留有一定空間距離，以便于中間滑動軸相對于摩擦套筒往復運動時有足夠的移動范圍。
[0006]進一步地，阻尼器左端套筒外擋塊和中間滑動軸右端板分別連接在結構上。
[0007]進一步地，初始狀態時，所述楔形滑動摩擦塊與摩擦套筒之間無預壓力，即接觸應力為零。故阻尼器在加載時不需要起滑力，這有利于保證摩擦界面的性能穩定。
[0008]進一步地，位于腔體兩端的壓縮彈簧和摩擦組件至少為一對。可根據實際需要實現出力噸位較大且不同的阻尼力。
[0009]進一步地，所述壓縮彈簧的壓縮反力大于楔形滑動摩擦塊與摩擦套筒摩擦面之間的摩擦力。
[0010]進一步地，所述壓縮彈簧為采用高性能鉻合金彈簧鋼制作的模具彈簧。
[0011]進一步地，所述腔體各構件通過高強限位螺栓連接固定起來，保證其工作時不發生相對錯動。
[0012]進一步地，所述中間滑動軸往復運動時，其本身長度要滿足一定要求，以使其往復移動時不會與組成該阻尼器的其他構件發生相互碰撞。
[0013]進一步地，相同構件的尺寸應相同，要求加工精密，相互之間接觸要良好，這樣可保證阻尼器性能穩定。
[0014]初始狀態時，中間滑動軸位于筒式腔體中部且滿足向左移動到達位移幅值時不會撞到左端套筒外擋塊上，兩個壓縮彈簧與兩個摩擦組件均處于不受力狀態。當中間滑動軸從初始位置向右移動進行加載時，中間滑動軸會帶動其圓形擋板以右擠壓楔形塊擠壓與之相接觸的四個楔形滑動摩擦塊的斜面，而該楔形滑動摩擦塊的另外一端的斜面與該摩擦組件中另外一個與壓縮彈簧相連的擠壓楔形塊接觸，因此，中間滑動軸的運動會導致壓縮彈簧的壓縮變形，壓縮彈簧變形后產生的壓力會通過該摩擦組件中兩個相對的擠壓楔形塊對四個楔形滑動摩擦塊的擠壓作用傳遞到楔形滑動摩擦塊與摩擦套筒之間的接觸面上，壓縮彈簧變形量越大，楔形滑動摩擦塊與摩擦套筒之間的摩擦力就越大，阻尼器的阻尼力等于彈簧壓縮反力與楔形滑動摩擦塊和摩擦套筒之間摩擦力之和；當中間滑動軸向右加載到位移幅值處并開始反向卸載回到初始位置的過程中時，壓縮彈簧變形量逐漸變小，傳遞到楔形滑動摩擦塊與摩擦套筒之間的摩擦力也越來越小，阻尼器的阻尼力等于彈簧壓縮反力與該摩擦力之差。且摩擦力與彈簧變形量呈線性關系。在此加載與卸載的過程中，只有中間滑動軸圓形擋板以右部分的摩擦組件和壓縮彈簧起作用，擋板以左的摩擦組件和壓縮彈簧板處于不受力狀態。同理當中間滑動軸在初始位置以左進行加載與卸載時，只有中間滑動軸擋板以左部分的摩擦組件和壓縮彈簧起作用，擋板以右部分的摩擦組件和壓縮彈簧均處于不受力狀態，且與中間滑動軸在初始位置以右部分進行加載與卸載時的摩擦原理相同。通常設置為壓縮彈簧的壓縮反力大于摩擦力，這樣可使得卸載時阻尼器可以自行回到初始位置。由于加載與卸載時組成阻尼力的兩部分力都與壓縮彈簧變形量保持線性關系，因此，在往復荷載作用下阻尼器的滯回曲線的形狀為位于一、三象限的兩個對角三角形，具有復阻尼特征。
[0015]本實用新型取得了以下有益效果:
[0016]本文提出了一種具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器，變形從初始位置增大時(即加載過程)，提供隨位移幅值線性增加的阻尼力，當其從振幅位置向初始位置回復時(即卸載過程)，提供隨位移幅值線性減小的阻尼力，且相同變形位置處對應的加載過程阻尼力大于卸載過程阻尼力。由于加載過程和卸載過程都是線性的，二者對應的力-位移曲線所圍面積(即耗散的能量)也隨著振幅的增加而線性增加；當結構保持彈性時，該阻尼器附加給結構的等效阻尼比不受變形幅值的影響，具有復阻尼的特征。復阻尼力隨變形幅值線性變化，粘滯阻尼力隨變形速度線性變化，在絕大多數工程應用條件下，包括TMD減振結構體系中，兩種阻尼具有相近的減振效果。而本申請的造價遠低于粘滯阻尼器，性價比占優。同時，本文提出的壓簧-楔形滑塊變摩擦阻尼器雖然也是基于摩擦機制提供耗能，但在初始狀態時，摩擦界面接觸應力為零，有利于保證摩擦界面的性能穩定性，這也是一個重要的優點。另外，本實用新型的阻尼器由于做成了圓筒式腔體與板式腔體相比，不但減少了構件之間的相互連接，而且增加了楔形滑動摩擦塊與摩擦套筒之間的接觸面積，根據其摩擦耗能機理，在兩者間正應力相同時，可知該阻尼器耗能性能更好。
【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型的具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器結構構造示意圖；
[0018]圖2是圖1的F-F剖面圖；
[0019]圖3是本實用新型阻尼器整體三維立體圖；
[0020]圖4是楔形滑動摩擦塊結構示意圖；
[0021]圖5是圖4的C-C剖面圖；
[0022]圖6是楔形滑動摩擦塊三維立體圖；
[0023]圖7是擠壓楔形塊結構示意圖；
[0024]圖8是圖7的A-A剖面圖；
[0025]圖9是擠壓楔形塊三維立體圖；
[0026I圖10是摩擦組件結構示意圖；
[0027]圖11是圖10的B-B剖面圖；
[0028]圖12是摩擦組件三維立體圖；
[0029]圖13是中間滑動軸三維立體圖；
[0030]圖14是滑動軸定位擋塊三維立體圖；
[0031 ]圖中:1:摩擦套筒，2:套筒外擋塊(左端)，3:套筒外擋塊(右端)，4:中間滑動軸，5:滑動軸定位擋塊，6、7:楔形滑動摩擦塊，8、9、10、11:擠壓楔形塊，12、13:壓縮彈簧。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0033]如圖1-14所示，本實用新型的一種具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器，包括摩擦套筒1、兩個套筒外擋塊2、3、中間滑動軸4、滑動軸定位擋塊5、楔形滑動摩擦塊6、7、擠壓楔形塊8、9、10、11以及壓縮彈簧12、13。其中摩擦套筒1、兩個套筒外擋塊2、3圍成一圓形筒式腔體，兩塊套筒外擋塊2、3分別用螺栓連接在摩擦套筒I的側邊，用于固定其位置，左端定位擋塊5與左端套筒外擋塊2之間留有一定空間距離，初始狀態時中間滑動軸4位于圖示I所處位置，以便于其相對于摩擦套筒I往復運動時有足夠的移動范圍。楔形滑動摩擦塊6、7分別包括一個四分之一圓形摩擦面和兩個四分之一圓形斜面，擠壓楔形塊8、9、10、11分別包括一個圓形斜面，四個楔形滑動摩擦塊6圍成一圓筒和兩個斜面相對的擠壓楔形塊8、9組成一個摩擦組件，另外四個楔形滑動摩擦塊7和擠壓楔形塊10、11組成另一個摩擦組件。其中兩個摩擦組件中楔形滑動摩擦塊6、7的摩擦面與摩擦套筒I的摩擦面之間相互接觸，兩個摩擦組件中楔形滑動摩擦塊6、7的兩個斜面分別與擠壓楔形塊8、9和10、11的斜面接觸。兩個滑動軸定位擋塊5、兩個壓縮彈簧12、13、四個擠壓楔形塊8、9、10、11以及右側套筒外擋塊3中部皆開有圓形洞口，孔洞內壁和中間滑動軸4表面經過光滑打磨處理，使得他們之間摩擦力幾乎為零，不會阻礙中間滑動軸4的往復運動。中間滑動軸4穿過洞口且位于筒式腔體的中軸線上，由于滑動軸定位擋塊5上孔洞的約束作用，當中間滑動軸4往復移動時，只能沿摩擦套筒I軸向滑動，腔體被中間滑動軸4中部的圓形擋板分割成左右兩部分，其中各有一個壓縮彈簧12、13和摩擦組件分別位于擋板左右兩端，左端的壓縮彈簧12位于左側定位擋塊5和圓形擋板以左摩擦組件之間，右邊的壓縮彈簧13位于圓形擋板以右摩擦組件和右側定位擋塊5之間。當阻尼器安裝于結構上時，分別連接在左端套筒外擋塊2和中間滑動軸4右端板上。且左端定位擋塊5與左端套筒外擋塊2夾住摩擦套筒I左端，右端定位擋塊5固定在右端套筒外擋塊3上。
[0034]初始狀態時，所述楔形滑動摩擦塊6、7與摩擦套筒I之間接觸應力為零，阻尼器在加載時不需要起滑力，兩個壓縮彈簧12、13與兩個摩擦組件沿摩擦套筒I軸向處于不受力狀態。以阻尼器中間滑動軸4在初始位置以右的運動過程進行分析對阻尼器的摩擦原理加以解釋，當中間滑動軸4從初始位置向右移動進行加載時，會帶動其圓形擋板以右擠壓楔形塊10擠壓與之相接觸的四個楔形滑動摩擦塊7的斜面，而該楔形滑動摩擦塊7的另外一端的斜面與該摩擦組件中另外一個與壓縮彈簧13相連的擠壓楔形塊11接觸，故中間滑動軸4的運動會導致壓縮彈簧13的壓縮變形，壓縮彈簧13變形后產生的壓力會通過該摩擦組件中兩個相對的擠壓楔形塊10、11對四個楔形滑動摩擦塊7的擠壓作用傳遞到四個楔形滑動摩擦塊7與摩擦套筒I之間的接觸面上，壓縮彈簧13變形量越大，楔形滑動摩擦塊7與摩擦套筒I之間的摩擦力就越大，阻尼器的阻尼力等于壓縮彈簧13反力與四個楔形滑動摩擦塊7和摩擦套筒I之間摩擦力之和；當中間滑動軸4向右加載到位移幅值處并開始反向卸載回到初始位置的過程中時，壓縮彈簧13變形量逐漸變小，傳遞到楔形滑動摩擦塊7與摩擦套筒I之間的摩擦力也越來越小，阻尼器的阻尼力等于彈簧壓縮反力與該摩擦力之差。且摩擦力與壓縮彈簧13變形量呈線性關系，在此加載與卸載的過程中，只有中間滑動軸4擋板以右部分的摩擦組件和壓縮彈簧13起作用，擋板以左的摩擦組件和壓縮彈簧板12不起作用；同理當中間滑動軸4在初始位置以左進行加載與卸載時，只有中間滑動軸4擋板以左部分的摩擦組件和壓縮彈簧12起作用，擋板以右部分的摩擦組件和壓縮彈簧13不起作用，且與中間滑動軸4在初始位置以右部分進行加載與卸載時的摩擦原理相同。這樣的構思設置使壓縮彈簧和摩擦組件依次循環起作用，提高了阻尼器抗疲勞能力，可以延長其使用壽命。
[0035]此外，所述阻尼器內部兩端兩個定位擋塊5中部所開的圓槽形孔洞直徑和中間滑動軸4的直徑尺寸相當，從而保證阻尼器中間滑動軸4只沿軸向精確運動。為了使該阻尼器具有較高剛度和承載能力，所述壓縮彈簧14、15均采用高性能鉻合金彈簧鋼制作，其他部件采用Q345低合金結構鋼制作。所述相同構件的尺寸應相同，要求加工精密，相互之間接觸要良好;所述中間滑動軸4往復運動時，其本身長度要滿足一定要求，以使其往復移動時不會與組成該阻尼器的其他構件發生相互碰撞;所述位于腔體兩端的壓縮彈簧12、13和摩擦組件至少為一對，可根據實際需要實現出力噸位較大的阻尼力。
[0036]進一步地，所述阻尼器由于做成了圓筒式腔體，與板式腔體相比，不但減少了構件之間的相互連接的復雜性，節約造價，能夠發揮更好的耗能性能。
實施例
[0037]本實施例的具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器，通過阻尼器兩端各一組壓縮彈簧和摩擦組件循環往復耗能的機制，可以提高阻尼器的抗疲勞能力，可以延長其使用壽命。同時，為了提高阻尼器的承載能力和變形能力，延長壓縮彈簧的使用壽命，所用壓縮彈簧為采用高性能鉻合金彈簧鋼制作的模具彈簧，高度50mm，外徑30mm，內徑15mm,，剛度為112.5N/mm，摩擦組件長度為37mm，最大寬度為42mm，組成阻尼器的其他構件均采用高性能鋼材制作，摩擦面進行了特殊處理，以保證楔形滑動摩擦塊與摩擦套筒內壁之間的摩擦系數滿足設計要求。楔形滑動摩擦塊和擠壓楔形塊斜面角度均采用V12。阻尼器總長度為310_，圓筒外直徑為60mm(即最大寬度為60mm)。試驗初始狀態設置壓縮彈簧的壓縮反力大于摩擦力，這樣可使得卸載時阻尼器可以自行回到初始位置，由于加載與卸載時組成阻尼力的兩部分力都與壓縮彈簧變形量呈線性關系，在往復荷載作用下阻尼器的滯回曲線近似為位于一、三象限的兩個對角三角形，因此，該阻尼器具有復阻尼特征，且不存在起滑力問題，性能較為穩定。
[0038]通過試驗裝置得出該阻尼器的滯回曲線，在位移幅值為13mm時，阻尼力可達到3000N左右，工程應用中可根據實際需要，設計出構造、體型、原理相似的阻尼器，可采用不同剛度的壓縮彈簧，從而實現不同的出力噸位和位移大小。
[0039]上述實施例只是為了更清楚說明本實用新型的技術方案做出的列舉，并非對本實用新型的限定，本實用新型的保護范圍仍以所附權利要求限定的范圍為準。
【主權項】
1.一種具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器，其特征在于:所述阻尼器包括摩擦套筒、兩個套筒外擋塊、中間滑動軸、滑動軸定位擋塊、兩個摩擦組件以及兩個壓縮彈簧;其中摩擦套筒、兩個套筒外擋塊圍成一圓形筒式腔體，楔形滑動摩擦塊包括一個四分之一圓形摩擦面和兩個四分之一圓形斜面，擠壓楔形塊包括一個圓形斜面，四個楔形滑動摩擦塊圍成一圓筒和兩個斜面相對的擠壓楔形塊組成一個摩擦組件;其中摩擦組件中楔形滑動摩擦塊的摩擦面與摩擦套筒的摩擦面之間相互接觸，摩擦組件中楔形滑動摩擦塊的兩個斜面分別與兩個擠壓楔形塊的斜面接觸;滑動軸定位擋塊、壓縮彈簧、擠壓楔形塊以及右側套筒外擋塊中部皆開有圓形洞口，中間滑動軸穿過洞口且位于筒式腔體的中部;腔體被中間滑動軸中部的圓形擋板分割成左、右兩部分，其中各有一個壓縮彈簧和摩擦組件分別位于擋板左、右兩端，左端的壓縮彈簧位于左側定位擋塊和圓形擋板以左摩擦組件之間，右邊的壓縮彈簧位于圓形擋板以右摩擦組件和右側定位擋塊之間;兩塊套筒外擋塊分別用螺栓連接在摩擦套筒的兩邊，用于固定其位置;左端定位擋塊與左端套筒外擋塊夾住摩擦套筒左端，右端定位擋塊固定在右端套筒外擋塊上；左端定位擋塊與左端套筒外擋塊之間留有一定空間距離。2.根據權利要求1所述的一種具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器，其特征在于:阻尼器左端套筒外擋塊和中間滑動軸右端板分別連接在結構上。3.根據權利要求1所述的一種具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器，其特征在于:位于腔體兩端的壓縮彈簧和摩擦組件至少為一對。4.根據權利要求1所述的一種具有復阻尼特征的雙壓簧圓筒向心式變摩擦阻尼器，其特征在于:所述腔體各構件通過高強限位螺栓連接固定起來。
【文檔編號】E04B1/98GK205637207SQ201521089387
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年12月24日
【發明人】常健, 陸宜倩, 彭凌云, 彭珺潔, 秦麗
【申請人】北京工業大學