CN104912228A - 一种基于sma材料的齿轮式自复位阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土木工程耗能减振与防灾减灾控制技术领域，尤其是一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器。所述的阻尼器包括防护套筒、传力钢板、第一带齿钢板组、第二带齿钢板组、齿轮、齿轮盘、SMA丝、锁紧螺母、限位条。本发明结构简单、经济适用、性能可靠、使用寿命长，采用超弹性形状记忆合金材料SMA，通过传力钢板-齿轮-齿轮盘组成的大传动比的位移放大式机械运动***，实现了本发明优良的耗能功能和自复位功能，快速响应于安装有本发明的土木建筑工程结构在地震作用下的动力反应，耗散应由工程结构本体消耗的部分地震能量，实现了有效降低工程结构损坏程度。

Description

一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器

技术领域

本发明涉及土木工程耗能减振与防灾减灾控制技术领域，尤其是一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器。

背景技术

地震是一种能够对人类生命财产安全造成重大损失的自然灾害，尤其是随着建筑物跨度加大、建筑结构形式日益复杂，传统设计方法设计的工程结构在强地震作用下，遭受巨大的破坏和不可避免的经济财产损失。

在抗震工程结构设计中，通过振动控制技术来抑制外部动力载荷引起的结构本体动力响应是提高结构稳定性和安全性的有效方式。振动控制技术是对振动本体结构安装耗能减振结构达到缓冲耗能、控制本体运动的目的。耗能减振结构所用的材料多种多样，包括弹簧阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、金属屈服阻尼器等，使用过程中存在摩擦阻尼器可靠性差，起滑摩擦力不易控制；粘弹性阻尼器易老化；粘滞阻尼器维护费用高；金属屈服阻尼器残余变形无法恢复等问题，但耗能减振结构在现有领域的应用范围比较广泛、还是具有良好的减振效果，造价不算高等优点。

目前，随着耗能减振技术的不断发展，新材料也不断出现。在抗震工程结构设计中，SMA材料制成的减振耗能结构使用效果理想，是一种性价比高的新型阻尼器，不仅能够达到缓冲耗能的目的，最大限度地减少地震影响，而且该结构机械性能优良，有很好的塑性、韧性。

SMA（shape memory alloys）是一种新型智能材料，这种材料具有形状记忆效应和较高的功重比，并且驱动简单、控制方便。利用形状记忆合金材料（常温下为奥氏体状态）所体现出的良好耗能能力，通过合理的构造手段应用在抗震控制装置结构中。由于阻尼器的构造和外观形式导致其适用性有限，很难与不同类型的结构或结构构件进行集成安装。

基于以上所述，针对地震发生的情况特点，通过采用形状记忆合金，设计一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器是很有必要的，该阻尼器在结构抗震控制领域具有良好的应用前景和发展前途。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器，该阻尼器采用超弹性形状记忆合金材料SMA，通过传力钢板-齿轮-齿轮盘大传动比位移放大式机械运动，实现阻尼器优良的耗能功能和自复位功能，快速响应于安装有阻尼器的土木建筑工程结构在地震作用下的动力反应，耗散应由工程结构本体消耗的部分地震能量，实现有效降低工程结构损坏程度。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器，包括防护套筒、传力钢板、第一带齿钢板组、第二带齿钢板组、齿轮、齿轮盘、SMA丝、锁紧螺母、限位条；所述防护套筒关于其中心轴线方向呈对称布置，沿防护套筒中心轴线方向的防护套筒一端开设方孔，另一端封闭且外接固定板；防护套筒内部的顶层、底层水平固定设置有第一带齿钢板组；传力钢板从带有方孔的防护套筒一端水平穿入，其一端置于防护套筒的外部，另一端置于防护套筒的内部；传力钢板的上、下面固定安装有第二带齿钢板组；所述齿轮位于第一带齿钢板与第二带齿钢板之间，形成齿轮齿条啮合活动连接；齿轮两端固定连接有齿轮盘，沿水平方向在齿轮盘圆周面、防护套筒的左右端面上设有圆孔；SMA丝从防护套筒的一端进入，穿过齿轮盘，由防护套筒的另一端穿出，并且SMA丝的两端用锁紧螺母锁紧在防护套筒上。

进一步，所述的防护套筒开设方孔一端伸出有突出部，该突出部内设有与方孔大小一致的孔，该孔对传力钢板起导向作用，有利于传力钢板在防护套筒内保持运动平稳性；

进一步，所述的第一带齿钢板组、第二带齿钢板组、传力钢板的宽度大小一致，且小于防护套筒内部顶层、底层的宽度；

进一步，所述的置于防护套筒外部的传力钢板一端与防护套筒的左端有一定间距，置于防护套筒内部的传力钢板另一端与防护套筒的封闭端留出一定间距，该间距大小与SMA丝的应变大小有关，保证传力钢板受拉压时能从防护套筒内穿入穿出；

进一步，所述的齿轮在第一带齿钢板组与第二带齿钢板组之间共有6个，沿防护套筒中心轴线方向对称布置，在齿轮盘圆周面的左右端开设有盲孔，SMA丝沿防护套筒长度方向上分成4段，防护套筒两端SMA丝一端穿过防护套筒并用锁紧螺母锁紧，SMA丝的另一端穿过与防护套筒相邻的齿轮盘盲孔并锚固，中间2段SMA丝与其相邻的两个齿轮盘锚固连接并拉紧。

进一步，所述的齿轮盘的外径大于齿轮的大径，齿轮-齿轮盘组成大传动比的位移放大装置；

进一步，所述的限位条位于齿轮盘外端面对应的防护套筒内部的前后壁面上，该限位条限制齿轮发生横向错位，保证齿轮齿条啮合传动精度。

本发明相比现有技术的有益效果：

本发明结构简单、经济适用、性能可靠、使用寿命长，采用超弹性形状记忆合金材料SMA，通过传力钢板-齿轮-齿轮盘组成的大传动比的位移放大式机械运动***，实现了本发明优良的耗能功能和自复位功能，快速响应于安装有本发明的土木建筑工程结构在地震作用下的动力反应，耗散应由工程结构本体消耗的部分地震能量，实现了有效降低工程结构损坏程度。具体来说：

（1）本发明巧妙运用机械原理和几何原理，使结构无论受拉还是受压，均能实现耗能减振和自复位。

（2）本发明构造简单、结构对称、传力明确，便于批量生产。

（3）本发明采用了新型智能材料SMA，利用其具有的高阻尼特性，使阻尼器具有良好的耗能能力，利用其良好的超弹性和形状记忆效应，使阻尼器可以实现自复位功能，减少了结构的残余变形，有效地减少了地震对建筑结构的破坏。

（4）本发明中传力钢板-齿轮-齿轮盘组成大传动比的位移放大装置，增强了耗能能力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1的B-B剖视图。

图4是图1的C-C剖视图。

图5是图1的D-D剖视图。

图6是本发明受拉状态的结构示意图。

图7是本发明受压状态的结构示意图。

图中：1-防护套筒；2-传力钢板；3-第一带齿钢板组；4-第二带齿钢板组；5-齿轮；6-齿轮盘；7- SMA丝；8-锁紧螺母；9-限位条。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器，包括防护套筒1、传力钢板2、第一带齿钢板组3、第二带齿钢板组4、齿轮5、齿轮盘6、SMA丝7、锁紧螺母8、限位条9；

所述防护套筒1关于其中心轴线方向呈对称布置，沿防护套筒1中心轴线方向的防护套筒1一端开设方孔，另一端封闭且外接焊接固定板；防护套筒1开设方孔一端伸出有突出部，该突出部内设有与方孔大小一致的孔，该孔对传力钢板2起导向作用，有利于传力钢板2在防护套筒1内保持运动平稳性；

防护套筒1内部的顶层、底层水平焊接设置有第一带齿钢板组3，第一带齿钢板组3为两块长度相等的带齿钢板；

传力钢板2从带有方孔的防护套筒1一端水平穿入，其一端置于防护套筒1的外部，另一端置于防护套筒1的内部；置于防护套筒1外部的传力钢板2一端与防护套筒1的左端有一定间距，置于防护套筒1内部的传力钢板2另一端与防护套筒1的封闭端留出一定间距，该间距大小与SMA丝7的应变大小有关，保证传力钢板2受拉压时能从防护套筒1内穿入穿出；

传力钢板2的上、下面固定安装有第二带齿钢板组4，第二带齿钢板组4为两块长度相等的带齿钢板；

第一带齿钢板组3、第二带齿钢板组4、传力钢板2的宽度大小一致，且小于防护套筒1内部顶层、底层的宽度；

所述齿轮5位于第一带齿钢板与第二带齿钢板之间，形成齿轮齿条啮合活动连接；齿轮5在第一带齿钢板组3与第二带齿钢板组4之间共有6个，沿防护套筒1中心轴线方向对称布置；

齿轮5两端固定连接有齿轮盘6，沿水平方向在防护套筒1的左右端面上设有圆孔；在齿轮盘6圆周面的左右端面开设有盲孔；齿轮盘6的外径大于齿轮5的大径，齿轮5-齿轮盘6组成大传动比的位移放大装置；

SMA丝7沿防护套筒1长度方向上分成4段，防护套筒1两端SMA丝7一端穿过防护套筒1并用锁紧螺母8锁紧，SMA丝7的另一端穿过与防护套筒1相邻的齿轮盘盲孔并锚固，中间2段SMA丝7与其相邻的两个齿轮盘盲孔锚固连接并拉紧；

限位条9位于齿轮盘6外端面对应的防护套筒1内部的前后壁面上，该限位条9限制齿轮5发生横向错位，保证齿轮齿条啮合传动精度。

本发明的特点：

本发明是利用SMA形状记忆合金的超弹性性能工作的，SMA在受力状态下其内部晶体结构发生变化从而吸收和释放由外力、位移表现的能量，能够很好的反映出土木建筑结构在地震作用下的动力反应特点。基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器在受轴向拉压作用时，通过传力钢板与防护套筒的相对运动，SMA丝均会拉伸耗能，拉压作用结束时，可实现自复位。正是基于上述特点，可以将本发明合理安装于结构中特定部位，从而快速响应于安装有本发明的土木建筑工程结构在地震作用下的动力反应，耗散应由工程结构本体消耗的部分地震能量，实现了有效降低工程结构损坏程度。

本发明的工作方法及具体工作过程：

本发明的工作方法及具体工作过程分为两种情况，每一种情况又分为两个阶段。

第一种情况：受拉工况。如图6所示，本发明在初始状态下受拉力为零。

受拉耗能阶段：随着两端拉力的增大，传力钢板与防护套筒发生相对运动，带动带齿钢板运动，同时带动齿轮转动，齿轮盘直径较大，产生位移放大效应，拉动SMA丝伸长，由于SMA的高阻尼特性，SMA伸长的过程中耗散能量，直到伸长至最大状态。

受拉复位阶段，当外力减小，利用形状记忆合金材料良好的超弹性和形状记忆性两大优点，使SMA丝自动复位到原来长度，并带动齿轮将阻尼器构件拉回到原来长度，消除残余变形，实现自复位。

第二种情况：受压工况。如图7所示，本发明在初始状态下受压力为零。

受压耗能阶段：随着两端压力的增大，传力钢板与防护套筒发生相对运动，带动带齿钢板运动，同时带动齿轮转动，齿轮盘直径较大，产生位移放大效应，拉动SMA丝伸长，由于SMA的高阻尼特性，SMA伸长的过程中耗散能量，直到伸长至最大状态。

受压复位阶段：当外力减小，利用形状记忆合金材料良好的超弹性和形状记忆性两大优点，使SMA丝自动复位到原来长度，并带动齿轮将阻尼器构件拉回到原来长度，消除残余变形，实现自复位。

Claims (7)

1.一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器，其特征在于：包括防护套筒（1）、传力钢板（2）、第一带齿钢板组（3）、第二带齿钢板组（4）、齿轮（5）、齿轮盘（6）、SMA丝（7）、锁紧螺母（8）、限位条（9）；所述防护套筒（1）关于其中心轴线方向呈对称布置，沿防护套筒（1）中心轴线方向的防护套筒（1）一端开设方孔，另一端封闭且外接焊接固定板；防护套筒（1）内部的顶层、底层水平焊接设置有第一带齿钢板组（3）；传力钢板（2）从带有方孔的防护套筒（1）一端水平穿入，其一端置于防护套筒（1）的外部，另一端置于防护套筒（1）的内部；传力钢板（2）的上、下面固定安装有第二带齿钢板组（4）；所述齿轮（5）位于第一带齿钢板与第二带齿钢板之间，形成齿轮齿条啮合活动连接；齿轮（5）两端固定连接有齿轮盘（6），沿水平方向在齿轮盘（6）圆周面、防护套筒（1）的左右端面上设有圆孔；SMA丝（7）从防护套筒（1）的一端进入，穿过齿轮盘（6），由防护套筒（1）的另一端穿出，并且SMA丝（7）的两端用锁紧螺母（8）锁紧在防护套筒（1）上。

2.根据权利要求1所述的一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器，其特征在于：所述的防护套筒（1）开设方孔一端伸出有突出部，该突出部内设有与方孔大小一致的孔。

3.根据权利要求1所述的一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器，其特征在于：所述的第一带齿钢板组（3）、第二带齿钢板组（4）、传力钢板（2）的宽度大小一致，且小于防护套筒（1）内部顶层、底层的宽度。

4.根据权利要求1所述的一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器，其特征在于：所述的置于防护套筒（1）外部的传力钢板（2）一端与防护套筒（1）的左端有一定间距，置于防护套筒（1）内部的传力钢板（2）另一端与防护套筒（1）的封闭端留出一定间距，该间距大小与SMA丝（7）的应变大小有关。

5.根据权利要求1所述的一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器，其特征在于：所述的齿轮（5）在第一带齿钢板组（3）与第二带齿钢板组（4）之间共有6个，沿防护套筒（1）中心轴线方向对称布置；在齿轮盘（6）圆周面的左右端开设有盲孔，SMA丝（7）沿防护套筒（1）长度方向上分成4段，防护套筒（1）两端SMA丝（7）一端穿过防护套筒（1）并用锁紧螺母（8）锁紧，SMA丝（7）的另一端穿过与防护套筒（1）相邻的齿轮盘盲孔并锚固，中间2段SMA丝（7）与其相邻的两个齿轮盘盲孔锚固连接并拉紧。

6.根据权利要求1所述的一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器，其特征在于：所述的齿轮盘（6）的外径大于齿轮（5）的大径，齿轮（5）-齿轮盘（6）组成大传动比的位移放大装置。

7.根据权利要求1所述的一种基于SMA材料的齿轮式自复位阻尼器，其特征在于：所述的限位条（9）位于齿轮盘（6）外端面对应的防护套筒（1）内部的前后壁面上，该限位条（9）限制齿轮（5）发生横向错位。