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    一種慣容耗能增效裝置的制作方法

    文檔序號:25494297發布日期:2021-06-15 22:24
    一種慣容耗能增效裝置的制作方法

    本發明屬于振動控制領域,具體涉及一種慣容耗能增效裝置。



    背景技術:

    目前慣容元件一般作為獨立的裝置,與耗能裝置、彈簧等連接形成減振系統,各元件分別進行單獨的設計與加工后投入使用。有學者提出包含旋轉黏滯阻尼元件和慣容元件兩部分的慣性質量阻尼器,黏滯阻尼元件部分的筒體和慣容部分的滾珠螺母同步作旋轉運動,從而放大質量和阻尼效應,但這種慣容耗能增效裝置機制復雜,加工難度大,不易實現,目前尚未得到推廣使用。

    有學者在專利cn102494080a中提出一種慣容器與阻尼同軸并聯的一體式減振器裝置,然而該裝置為單出桿形式,由于油缸與其內部黏滯流體體積不可壓縮,當活塞運動時常會導致缸內的壓力急劇變化,導桿抽出和回縮過程中油缸內出現真空和頂死現象,使導桿運動受阻,導致其出力和減振性能非常不理想,也無法保證其軸向受力穩定平衡,難以投入實際使用。同時,由于該減震器裝置中飛輪位于慣容工作腔內,整體的橫向寬度較大,這符合該減震器裝置適用于汽車工程領域的需求,這種設置是出于車輛底盤內可供慣容器布置的空間較小、慣容器和阻尼的工作行程有限等考慮,將慣容器與阻尼集成的主要目的是克服車輛底盤內機械元件布置空間較小和工作行程有限的缺點,且阻尼結構部分是采用活塞、活塞桿和節流閥進行配合工作的,這也使得該裝置行程短、出力有限,因此該裝置噸位小,行程短,出力有限,不能解決大型土木結構的振動控制問題。



    技術實現要素:

    本發明的目的就是提供一種慣容耗能增效裝置,將軸向運動的黏滯阻尼組件與旋轉運動的滾珠螺桿式慣容組件集成為一體,慣容耗能增效裝置與彈簧或鋼支撐等連接后安裝到結構中,可產生吸能-耗能阻尼增效,與傳統的減振裝置相比,阻尼增效特性一方面可以通過調諧機制將能量由結構吸收到慣容耗能增效裝置中,由阻尼組件進行耗散,另一方面慣容耗能增效裝置可以與主結構產生異步相位,放大慣容耗能增效裝置的變形,提高阻尼組件的耗能效率,在結構變形一定的情況下,耗散的能量大于傳統的黏滯阻尼器,從而產生更好的減振效果。定義耗能變形放大率a這一無量綱參數來描述慣容耗能增效裝置的阻尼增效特征,同時以減振比b作為結構減振效果的指標參數?;陔S機振動理論,得到了安裝慣容耗能增效裝置的單自由度減振結構隨機響應、耗能變形放大率及減振比的解析表達式,并經過數學推導發現了慣容系統的阻尼增效公式,即:b2(1+a2·c/d)=1,其中耗能變形放大率a為慣容耗能增效裝置的變形和安裝位置處的結構變形的比值,減振比b為安裝慣容耗能增效裝置的減振結構響應和原結構響應比值,c為慣容耗能增效裝置的阻尼比,d為結構的固有阻尼比。

    該裝置中的滾珠螺桿式慣容組件的慣容系數為幾何參數等相關的非線性函數,同時考慮摩擦等對于耗能的貢獻,黏滯阻尼組件的阻尼力與黏滯系數也有非線性的指數關系。本發明提出的慣容耗能增效裝置為雙出桿形式,避免真空或頂死現象,增強出力的穩定性;同時出力大,行程長,簡單易加工,可用于大型土木結構的振動控制。

    本發明的目的通過以下技術方案實現:

    一種慣容耗能增效裝置,包括滾珠螺桿式慣容組件和黏滯阻尼組件,所述滾珠螺桿式慣容組件包括一號外筒、螺旋副和飛輪,所述一號外筒內部中空,設有螺桿行程室以及與外界相連通的飛輪室,所述飛輪可旋轉地位于飛輪室內,所述螺旋副包括螺桿、螺母和多個滾珠,所述螺桿可移動地貫穿螺桿行程室和飛輪的中心并伸出飛輪室外,所述螺母可旋轉地設于螺桿和飛輪之間,多個滾珠均可滾動地設于螺母和螺桿之間,所述黏滯阻尼組件包括二號外筒、導桿和活塞,所述二號外筒和一號外筒相連接,所述二號外筒內部中空,設有相連通的主腔室和副腔室,所述主腔室和螺桿行程室相連通,所述導桿和螺桿相連接并可移動地位于主腔室和副腔室內。

    所述導桿為雙出桿,所述活塞位于雙出桿之間,兩端為雙出桿并位于主腔室內,所述活塞位于主腔室內,將主腔室分隔成一號室和二號室,所述一號室和二號室中均填充有黏滯流體。一號室和二號室體積可變,具體看活塞在主腔室中位于的位置。本發明的慣容耗能增效裝置出力大、行程長,適用于大型土木結構的振動控制問題。

    所述螺母包括一體成型并同軸設置的螺母本體和環形護套,所述螺母本體設于螺桿和飛輪之間,所述環形護套位于飛輪的外側,所述螺母本體的內側壁上設有多個容納滾珠的槽道。

    所述滾珠螺桿式慣容組件還包括設于一號外筒端部的法蘭盤,所述法蘭盤和一號外筒之間形成有用于容納環形護套的輔助腔室,所述輔助腔室和飛輪室相連通,法蘭盤和一號外筒之間可采用螺栓進行連接。

    所述飛輪和螺母之間通過鉸接或鍵連接。

    所述螺桿上的導程沿螺桿的軸向方向保持不變,使慣容系數能維持不變。

    所述黏滯阻尼組件還包括設于主腔室和螺桿行程室連接處的密封件,所述密封件環繞導桿設置。所述密封件可采用橡膠制密封圈。

    所述密封件的內徑和導桿的外徑相一致,保證實現密封的效果,使黏滯流體不會流進螺桿行程室中影響螺桿的軸向運動。

    所述螺桿伸出飛輪室外的端部設有一號吊耳,所述一號吊耳上設有一號連接孔。一號吊耳用于與減振結構(尤其是大型土木結構)連接。

    所述二號外筒沿軸向的端部設有二號吊耳,所述二號吊耳上設有二號連接孔。二號吊耳用于與減振結構(尤其是大型土木結構)連接。一號吊耳和二號吊耳的相對變形會影響整個裝置的出力。

    所述二號外筒和一號外筒同軸設置。

    所述二號外筒和一號外筒一體成型,避免在工作過程中由于外界的過于激烈的動作而使滾珠螺桿式慣容組件和黏滯阻尼組件相分離,導致慣容耗能增效裝置無法工作。

    所述螺桿和導桿一體成型。

    所述主腔室、副腔室、螺桿行程室和飛輪室同軸設置,保證導桿和螺桿能夠同軸設置,不會出現軸向運動不暢的情況。

    所述飛輪的外徑小于飛輪室的內徑,保證飛輪在旋轉過程中不會與飛輪室的內側壁相碰撞。

    所述飛輪室的內徑大于螺桿行程室的內徑,飛輪的外徑大于螺桿行程室內徑,適當增加飛輪的外徑可增大滾珠螺桿式慣容組件工作時所產生的慣性力。

    所述螺桿的外徑小于螺桿行程室的內徑,部分螺母本體也位于螺桿行程室中,即螺母本體的軸向長度大于飛輪的軸向長度。

    所述螺母本體的外徑和螺桿行程室的內徑相一致。

    所述活塞的外徑和主腔室的內徑相一致,使得一號室和二號室之間不會連通,增大阻尼力。

    所述主腔室的內徑大于副腔室的內徑,主腔室中要容納活塞,副腔室中只容納導桿。

    所述導桿的外徑和副腔室的內徑相一致。

    所述黏滯流體可選自油、硅油或硅膠中的一種或多種,阻尼力和黏滯流體的種類有關,不同的黏滯流體具有不同的粘度(即黏滯系數),阻尼力與黏滯流體的粘度具有非線性關系。

    區別于以往黏滯阻尼組件與慣容組件同步旋轉運動的慣容耗能增效裝置,本發明提出一種慣容耗能增效裝置,由軸向運動的黏滯阻尼組件與既可軸向運動又可旋轉運動的滾珠螺桿式慣容組件并聯而成,將本發明的慣容耗能增效裝置安裝在減振結構上時,減振結構的相對運動帶動螺桿的軸向運動,從而導致滾珠螺桿式慣容組件中飛輪的旋轉運動和黏滯阻尼組件中活塞的直線往復運動,螺桿帶動飛輪高速旋轉實現質量增效,活塞的壓力差使黏滯流體軸向剪切變形,從而產生阻尼力,利用慣容元件的慣性吸振與黏滯阻尼元件的耗能,實現完整的吸能與耗能過程,使同一裝置中吸能-耗能一體化。具體地,黏滯阻尼組件通過黏滯流體的流動產生黏滯阻尼力,阻尼力可表示為cd為黏滯系數,α為指數(0.1≤α≤1),為一號吊耳與二號吊耳之間的相對速度;滾珠螺桿式慣容組件可實現質量增效,慣性力可表示為其中為一號吊耳與二號吊耳之間的相對加速度,慣容系數(即表觀質量放大倍數)min(r0,ri,ld)為與飛輪內徑r0、外徑ri、螺桿導程ld相關的函數,對于線性滾珠螺桿式慣容組件的慣容系數可理想地表示為在考慮摩擦力貢獻以及幾何特性變化時滾珠螺桿式慣容組件的慣容系數和幾個變量之間一般為非線性函數。而本發明提出的慣容耗能增效裝置是針對大噸位土木結構的振動控制,該裝置中滾珠螺桿式慣容組件的慣容系數與幾個變量的幾何參數為相關的非線性函數,黏滯阻尼組件的阻尼力與黏滯系數也有非線性的指數關系,總之本發明提出的慣容耗能增效裝置出力大,在具體設計時應保證慣容的非線性慣容系數min(r0,ri,ld)較大,可通過延長螺桿行程,放大飛輪半徑及適當減小螺距等實現。所述軸向運動的黏滯阻尼組件與旋轉運動的滾珠螺桿式慣容組件相互配合,實現完整的吸能與耗能過程。

    本發明的慣容耗能增效裝置機理明確、加工簡單、易于實現,通過各構件參數的一體化設計,可作為成熟的產品進行加工與選用供工程設計人員參考選用,以有效控制工程結構的動力響應。

    附圖說明

    圖1為慣容耗能增效裝置的結構示意圖;

    圖2為圖1中b-b剖面的結構示意圖;

    圖3為圖1中c-c剖面的結構示意圖;

    圖4為慣容耗能增效裝置的異步相位原理示意圖。

    圖中:1-一號外筒;101-螺桿行程室;102-飛輪室;201-螺桿;202-螺母;202a-螺母本體;202b-環形護套;203-滾珠;204-一號吊耳;205-一號連接孔;3-飛輪;4-法蘭盤;401-輔助腔室;5-二號外筒;501-一號室;502-二號室;503-副腔室;504-二號吊耳,505-二號連接孔;6-導桿;7-活塞;8-密封件;9-主結構;10-鋼支撐;11-慣容耗能增效裝置;12-慣容耗能增效裝置的變形;1201-慣容耗能增效裝置的第一端點位移;1202-慣容耗能增效裝置的第二端點位移;13-主結構的變形。

    具體實施方式

    下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

    實施例

    如圖1、2、3所示,一種慣容耗能增效裝置,包括滾珠螺桿式慣容組件和黏滯阻尼組件,圖2中的位于滾珠螺桿式慣容組件方位的直箭頭往外指,表明螺桿201向外進行軸向移動,彎折箭頭表明飛輪3被螺桿201的運動帶動進行旋轉,圖2中的位于黏滯阻尼組件方位的直箭頭往外指,表明二號外筒5向外進行軸向移動,此時導桿6相對于二號外筒5進行反方向的軸向移動,從而使活塞7攪動一號室501內的黏滯流體。

    滾珠螺桿式慣容組件包括一號外筒1、螺旋副、飛輪3和法蘭盤4,一號外筒1呈t型,外徑較大的那端用于設置飛輪3,一號外筒1內部中空,設有螺桿行程室101以及與外界相連通的飛輪室102,螺桿行程室101呈t型,內徑較大的那端鄰近黏滯阻尼組件,飛輪3可旋轉地位于飛輪室102內(飛輪室102的軸向長度和飛輪3的厚度相一致),螺旋副包括螺桿201、螺母202和多個滾珠203,螺桿201可移動地貫穿螺桿行程室101和飛輪3的中心并伸出飛輪室102外,螺桿201上的導程沿螺桿201的軸向方向保持不變,螺母202可旋轉地設于螺桿201和飛輪3之間,飛輪3和螺母202之間通過鉸接或鍵連接,多個滾珠203均可滾動地設于螺母202和螺桿201之間,螺母202包括一體成型并同軸設置的螺母本體202a和環形護套202b,環形護套202b的外徑大于螺母本體202a的外徑,螺母本體202a設于螺桿201和飛輪3之間,環形護套202b位于飛輪3的外側,螺母本體202a的內側壁上設有多個容納滾珠203的槽道,法蘭盤4設于一號外筒1的端部,法蘭盤4和一號外筒1之間形成有用于容納環形護套202b的輔助腔室401(輔助腔室401的軸向長度和環形護套202b的厚度相一致,環形護套202b的外徑小于輔助腔室401的內徑),輔助腔室401和飛輪室102相連通,法蘭盤4的中部設有通孔,該通孔和螺桿201的外徑相配合,螺桿201伸出法蘭盤4外的端部設有一號吊耳204,一號吊耳204上設有一號連接孔205,一號吊耳204的形狀可根據具體連接的減振結構進行設置。

    黏滯阻尼組件包括二號外筒5、導桿6、活塞7和密封件8,二號外筒5和一號外筒1相連接,二號外筒5內部中空,設有相連通的主腔室和副腔室503,主腔室和螺桿行程室101相連通,導桿6和螺桿201相連接并可移動地位于主腔室和副腔室503內,導桿6為雙出桿,活塞7設于雙出桿之間,兩端為同軸且直徑相同的桿件,活塞7位于主腔室內,活塞7將導桿6分為能插設在副腔室503中的一號導桿和位于主腔室中的二號導桿,一號導桿的軸向長度和副腔室503的軸向長度相一致,活塞7將主腔室分隔成體積可變的一號室501和二號室502,一號室501和二號室502中均填充有黏滯流體,密封件8設于主腔室和螺桿行程室101連接處并環繞導桿6設置,密封件8的內徑和導桿6的外徑相一致,二號外筒5沿軸向的端部設有二號吊耳504,二號吊耳504上設有二號連接孔505,二號吊耳504的形狀可根據具體連接的減振結構進行設置。

    其中,二號外筒5和一號外筒1同軸設置并一體成型,主腔室、副腔室503、螺桿行程室101和飛輪室102同軸設置,飛輪3的外徑小于飛輪室102的內徑,飛輪室102的內徑大于螺桿行程室101的內徑,螺桿201的外徑小于螺桿行程室101的內徑,螺母本體202a的外徑和螺桿行程室101的內徑相一致,活塞7的外徑和主腔室的內徑相一致,主腔室的內徑大于副腔室503的內徑,導桿6的外徑和副腔室503的內徑相一致。

    如圖4所示,一種慣容耗能增效裝置11與鋼支撐10連接后安裝到主結構9中??梢酝ㄟ^調諧機制將能量由主結構9吸收到慣容耗能增效裝置11中,由阻尼組件進行耗散。在外部動力作用下,慣容耗能增效裝置11可以與主結構9產生異步相位,慣容耗能增效裝置的變形12是慣容耗能增效裝置的第一端點位移1201與慣容耗能增效裝置的第二端點位移1202的總和,慣容耗能增效裝置的變形12可顯著大于安裝位置處的主結構的變形13,即放大了慣容耗能增效裝置的變形,從而顯著提高阻尼組件的耗能效率,產生高效吸能-耗能阻尼增效。

    如圖4所示,一種慣容耗能增效裝置11在主結構9中的安裝方式,在圖4中可以產生異步相位的阻尼耗能增效,但安裝方式不限于圖4形式。

    本實施例中圖1、2的慣容耗能增效裝置的放置方位并不是唯一的,可根據實際情況進行選擇。

    上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改,并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此,本發明不限于上述實施例,本領域技術人員根據本發明的揭示,不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。

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