CN110805651B - 一种自适应调节的电涡流阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构振动控制领域，涉及一种自适应阻尼调节的电涡流阻尼器，其包括连接件一、连接件二、立柱‑背铁组件、弹簧以及滚珠丝杠组件；连接件一、连接件二固定于滚珠丝杠组件两端，通过滚珠丝杠将连接件一、连接件二的直线位移转换成丝杠螺母上的导体圆盘的旋转运动；立柱‑背铁组件中设有成对的永磁铁形成磁场，滚珠丝杠组件的导体圆盘旋转过程中切割该磁场中的磁感线形成磁阻尼；连接件一粗细渐变且在弹簧拉力作用下与立柱‑背铁组件接触，并在发生振动位移时带动立柱‑背铁组件同步运动，使得永磁铁远离或靠近导体圆盘，导致导体圆盘切割磁感线数量发生相应变化，从而根据振动位移不同而产生不同的阻尼力，实现阻尼自适应调节。

Description

一种自适应调节的电涡流阻尼器

技术领域

本发明属于结构振动控制领域，涉及一种自适应调节的电涡流阻尼器，更具体地，涉及一种利用滚珠丝杠传动***制作的自适应调节的电涡流阻尼器。

背景技术

结构振动控制领域常用阻尼装置多为传统的粘滞、粘弹性阻尼器，但该类阻尼器随着时间推移存在易漏液、耐久性低、后期阻尼参数调节困难等问题。电涡流阻尼器可以有效解决以上问题，具有无接触、低摩擦，维护方便、寿命长、工作原理简单、控制方便、可靠性高，以及对环境不会造成污染等优点。电涡流阻尼器利用电磁感应原理，当导体圆板切割磁力线时会在导体圆板中产生电涡流，电涡流与原磁场相互作用，产生阻碍导体圆板运动的洛伦兹力，同时导体圆板将获得的动能通过电涡流转换为热能耗散出去。

随着国家的发展，高层建筑、高耸结构、大跨结构等结构的重要性与日俱增。在强风、地震等动力荷载作用下，这些结构会产生比较大的振动，影响到结构的正常使用及安全。结构振动控制是通过在结构中设置减振或隔振装置来消耗或隔离外部激励对结构的作用。目前针对振动控制装置的研发多集中于被动控制装置，这些装置具有构造简单，无需人工干预等优点，其中，调谐质量阻尼器(Tuned mass damper，TMD)是一类应用广泛的被动控制装置。

传统的TMD仅能有效地控制结构某一方向速度大小不同时产生的振动，但在实际情况下，结构会存在一种速度近似相等，位移不同时需要不同阻尼的情况，因此振动速度相等情况下针对位移大小不同产生不同阻尼大小适应实际情况需要成为急需解决的一个技术难题。因此，考虑到结构振动的复杂性，传统的TMD无法很好的满足工程振动控制的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自适应调节的电涡流阻尼器，其目的在于，通过滚珠丝杠上连接件粗细的变化设计，使得减振对象带动连接件和滚珠丝杠运动时，引起导体圆盘切割磁感线根数产生相应变化，从而产生不同的阻尼力，从而达到根据位移不同进行阻尼自适应调节的效果，由此解决现有技术无法针对位移大小产生不同阻尼的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自适应调节的电涡流阻尼器，包括：连接件一、连接件二、立柱-背铁组件、弹簧以及滚珠丝杠组件；

所述立柱-背铁组件包括永磁体、立柱、顶推板和背铁；两个所述背铁分别固定于一个所述立柱上下两端形成C形支架，至少一对所述永磁体同向上下布置于所述C形支架内侧；所述顶推板固定于所述C形支架上端的所述背铁上表面，且所述顶推板具有一尖端；

所述滚珠丝杠组件包括滚珠丝杠、滚珠螺母、推力轴承、导体圆盘和背铁圆盘；所述滚珠丝杠和所述滚珠螺母组成滚珠丝杠副，所述滚珠螺母上下两端各通过一个所述推力轴承安装于上下两个所述背铁圆盘之间；所述连接件一固定于所述滚珠丝杠的上端，所述连接件二固定于下端的所述背铁圆盘下部；所述导体圆盘固定于所述滚珠螺母的中部，且与所述滚珠螺母、所述滚珠丝杠和所述连接件一同轴布置；

多个所述立柱-背铁组件沿所述导体圆盘周向均匀分散布置；每个所述立柱-背铁组件中的至少一对所述永磁体形成的磁感线，均被所述导体圆盘切割；相邻两个所述立柱-背铁组件的所述立柱，均由至少一个所述弹簧连接；所述滚珠丝杠的上下两端分别穿过上下两个所述背铁圆盘的中心孔；上下两个所述背铁分别与上下两个所述背铁圆盘滑动配合；

所述连接件一周向具有一沿轴线方向呈粗细渐变过渡的接触面，每个所述顶推板的尖端共面且均与所述接触面接触；当所述顶推板的尖端位于所述接触面的最细处时，所述弹簧处于拉伸状态或恰好不受力。

进一步地，所述接触面由上至下依次为渐粗段、粗段、渐细段三段式渐变过渡。

进一步地，所述渐粗段和所述渐细段均为弧面过渡或斜面过渡，所述粗段为直径恒定的直线段。

进一步地，每个所述背铁与相应所述背铁圆盘之间，以及每个所述顶推板的尖端与所述接触面之间，均通过钢珠滑动配合。

进一步地，所述接触面上以及每个所述背铁均设有与相应所述钢珠配合的钢珠轨道，所述背铁圆盘和每个所述顶推板的尖端均设置有容纳所述钢珠的钢珠坑。

进一步地，当所述立柱-背铁组件运动时，成对的所述永磁体始终处于同一竖直线上。

进一步地，两个所述背铁圆盘及两个所述推力轴承均与所述滚珠丝杠之间存在间隙。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明中导体圆盘与滚珠螺母套装为一体，使用时通过滚珠丝杠副将连接件一的位移转换为导体圆盘绕滚珠丝杠的转动运动，从而切割磁感线产生阻尼力；而连接件一的接触面粗细渐变，随着自身位移变化，推动顶推板的位移也产生相应变化，从而使得永磁体与导体圆盘的相对位置发生变化，引起导体圆盘切割磁感线的数量变化，进而产生不同大小的阻尼。因此，上述结构成功地将连接件一的位移变化与磁阻尼变化联系起来，实现针对位移大小不同产生不同阻尼大小的功能，既能满足振动速度相等情况下的阻尼随位移变化需求，也能满足振动速度不等时的阻尼随位移变化需求。

2、本发明的结构简单，易于设计及组装，可根据工程实际要求，通过调整连接件一的粗细变化、永磁体磁力大小、弹簧刚度大小及预拉伸程度，以及导体圆盘厚度等参数控制阻尼力大小达到预期效果。

3、本发明具有结构简单、安装维护方便、寿命长、无污染等优点，能够应用于吸能减震的TMD中，还可以用于建筑、桥梁等结构或机械的消能减振，适用范围广。

4、本发明可拆卸并可以重复利用，具有较好的经济环保特性。

附图说明

图1为本发明优选实施例的剖面示意图；

图2为本发明优选实施例的俯视图；

图3为图1中虚线框部分的局部放大图；

图4为图3中A-A剖面的剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-连接件一、2-连接件二、3-滚珠丝杠、4-滚珠螺母、5-推力轴承、6-导体圆盘、7-永磁体、8-立柱、9-钢珠、10-顶推板、11-背铁圆盘、12-与立柱连接的背铁、13-弹簧、14-钢珠轨道、15-钢珠坑。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1至图4所示，本发明优选的一种自适应调节的电涡流阻尼器，包括：连接件一1、连接件二2、立柱-背铁组件、弹簧13以及滚珠丝杠组件；

立柱-背铁组件包括永磁体7、立柱8、顶推板10和背铁12；两个背铁12分别固定于一个立柱8上下两端形成C形支架，至少一对永磁体7同向上下布置于C形支架内侧；顶推板10固定于C形支架上端的背铁12上表面，且顶推板10具有一尖端；

滚珠丝杠组件包括滚珠丝杠3、滚珠螺母4、推力轴承5、导体圆盘6和背铁圆盘11；滚珠丝杠3和滚珠螺母4组成滚珠丝杠副，滚珠螺母4上下两端各通过一个推力轴承5安装于上下两个背铁圆盘11之间；连接件一1固定于滚珠丝杠3的上端，连接件二2固定于下端的背铁圆盘11下部；导体圆盘6固定于滚珠螺母4的中部，且与滚珠螺母4、滚珠丝杠3和连接件一1同轴布置；

多个立柱-背铁组件沿导体圆盘6周向均匀分散布置；每个立柱-背铁组件中的至少一对永磁体7形成的磁感线，均被导体圆盘6切割；相邻两个立柱-背铁组件的立柱8，均由至少一个弹簧13连接；滚珠丝杠3的上下两端分别穿过上下两个背铁圆盘11的中心孔；上下两个背铁12分别与上下两个背铁圆盘11滑动配合；

连接件一1周向具有一沿轴线方向呈粗细渐变过渡的接触面，每个顶推板10的尖端共面且均与接触面接触；当顶推板10的尖端位于接触面的最细处时，弹簧13处于拉伸状态或恰好不受力。

具体地，在本实施例中，滚珠丝杠3依次穿过8个顶推板10、上背铁圆盘11、滚珠螺母4和下背铁圆盘11的中心孔，且以上各组件均与滚珠丝杠3之间留有一定的间隙，连接件一1与顶推板10的接触面有如图1所示的粗细变化，即接触面由上至下依次为渐粗段、粗段、渐细段三段式渐变过渡，且粗段为直线段，直径恒定。导体圆盘6与滚珠螺母4套装为一体，使用时绕滚珠丝杠3转动切割磁感线产生阻尼力。

通过连接件一1的粗细控制达到阻尼力不同效果，实现自适应阻尼调节。

在与立柱8连接的背铁12上设置有钢珠轨道14，使钢珠9可以在钢珠轨道14上滚动，在背铁圆盘11上设置有钢珠坑15，使钢珠9只能在背铁圆盘11上原地转动。

装置在滚珠丝杠3突出处与顶推板10处连接同样采用钢珠9，在滚珠丝杠3处设置钢珠轨道14，在顶推板10顶推点处设置钢珠坑15。

自适应调节的电涡流阻尼器，可根据工程实际要求，调整滚珠丝杠3粗细、永磁体7磁力大小、弹簧13刚度大小及预拉伸程度，以及导体圆盘6厚度等参数控制阻尼力大小达到预期效果。

顶推板10与立柱8、背铁12组成背铁-立柱组件，能够同步横向移动。

连接件一1、连接件二2分别与待减振的外部传力构件相连接，当连接件一1、连接件二2受拉或受压时，滚珠丝杠3上下轴向运动，带动导体圆盘6旋转。

上下两个成对布置的永磁体7设置为同向，以使其形成的磁感线能够被导体圆盘6切割。当立柱-背铁组件横向运动时，上下两个永磁体7始终处于同一竖直线上。

下面介绍本发明的工作原理及工作过程。

首先，对弹簧13进行调试，使得弹簧13在顶推板10的尖端位于连接件1的接触面最细位置处处于自然伸长(即刚好不受力)的状态，或者承受一定大小的预拉力。

然后，完成电涡流阻尼器与待减振运动构件的安装对接，并使初始平衡状态下，顶推板10的尖端位于连接件1的接触面粗段正中间，此时弹簧13处于拉伸状态，而立柱-背铁组件受接触面粗段限制，永磁体7离导体圆盘6的轴线最远，导体圆盘6切割磁感线的数量最少。

使用时：

(1)如果振动位移幅度仅位于粗段长度范围内，弹簧13的拉伸状态不会发生变化，立柱-背铁组件不会产生横向位移，此范围内阻尼恒定不变；

(2)当外部构件带动连接件一1、连接件二2上下移动幅度超出粗段长度时，连接件一1由粗段向上下两端较细的部位移动，弹簧收缩带动立柱-背铁组件整体向滚珠丝杠3的轴心处移动，从而带动永磁体7靠近导体圆盘6的轴线，使导体圆盘6切割的磁感线数量变多，产生的阻尼力变大；

(3)当连接件一1由细部向粗部移动时，顶推板10受到顶推力使立柱-背铁组件整体向外移动，此时弹簧13被拉伸程度增大，导体圆盘6切割的磁感线数量变少，阻尼力变小。

通过上述工作原理的阐述，可知本发明的电涡流阻尼器能根据振动位移变化实现自适应阻尼调节。此外，可以理解，如果连接件一1的接触面粗细变化形状函数不同，则带来的阻尼随位移变化的大小也会不同。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自适应调节的电涡流阻尼器，其特征在于，包括：连接件一(1)、连接件二(2)、立柱-背铁组件、弹簧(13)以及滚珠丝杠组件；

所述立柱-背铁组件包括永磁体(7)、立柱(8)、顶推板(10)和背铁(12)；所述背铁(12)分别固定于一个所述立柱(8)上下两端形成C形支架，至少一对所述永磁体(7)同向上下布置于所述C形支架内侧；所述顶推板(10)固定于所述C形支架上端的所述背铁(12)上表面，且所述顶推板(10)具有一尖端；

所述滚珠丝杠组件包括滚珠丝杠(3)、滚珠螺母(4)、推力轴承(5)、导体圆盘(6)和背铁圆盘(11)；所述滚珠丝杠(3)和所述滚珠螺母(4)组成滚珠丝杠副，所述滚珠螺母(4)上下两端各通过一个所述推力轴承(5)安装于上下两个所述背铁圆盘(11)之间；所述连接件一(1)固定于所述滚珠丝杠(3)的上端，所述连接件二(2)固定于下端的所述背铁圆盘(11)下部；所述导体圆盘(6)固定于所述滚珠螺母(4)的中部，且与所述滚珠螺母(4)、所述滚珠丝杠(3)和所述连接件一(1)同轴布置；

多个所述立柱-背铁组件沿所述导体圆盘(6)周向均匀分散布置；每个所述立柱-背铁组件中的至少一对所述永磁体(7)形成的磁感线，均被所述导体圆盘(6)切割；相邻两个所述立柱-背铁组件的所述立柱(8)，均由至少一个所述弹簧(13)连接；所述滚珠丝杠(3)的上下两端分别穿过上下两个所述背铁圆盘(11)的中心孔；每个所述立柱-背铁组件中的上下两个所述背铁(12)分别与上下两个所述背铁圆盘(11)滑动配合；

所述连接件一(1)周向具有一沿轴线方向呈粗细渐变过渡的接触面，每个所述顶推板(10)的尖端共面且均与所述接触面接触；当所述顶推板(10)的尖端位于所述接触面的最细处时，所述弹簧(13)处于拉伸状态或恰好不受力。

2.如权利要求1所述的一种自适应调节的电涡流阻尼器，其特征在于，所述接触面由上至下依次为渐粗段、粗段、渐细段三段式渐变过渡。

3.如权利要求2所述的一种自适应调节的电涡流阻尼器，其特征在于，所述渐粗段和所述渐细段均为弧面过渡或斜面过渡，所述粗段为直径恒定的直线段。

4.如权利要求1所述的一种自适应调节的电涡流阻尼器，其特征在于，每个所述背铁(12)与相应所述背铁圆盘(11)之间，以及每个所述顶推板(10)的尖端与所述接触面之间，均通过钢珠(9)滑动配合。

5.如权利要求4所述的一种自适应调节的电涡流阻尼器，其特征在于，所述接触面上以及每个所述背铁(12)均设有与相应所述钢珠(9)配合的钢珠轨道(14)，所述背铁圆盘(11)和每个所述顶推板(10)的尖端均设置有容纳所述钢珠(9)的钢珠坑(15)。

6.如权利要求1～5任意一项所述的一种自适应调节的电涡流阻尼器，其特征在于，当所述立柱-背铁组件运动时，成对的所述永磁体(7)始终处于同一竖直线上。

7.如权利要求1～5任意一项所述的一种自适应调节的电涡流阻尼器，其特征在于，两个所述背铁圆盘(11)及两个所述推力轴承(5)均与所述滚珠丝杠(3)之间存在间隙。

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