CN115538835B - 一种自复位旋转放大摩擦耗能阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种自复位旋转放大摩擦耗能阻尼器属于建工领域。摩擦阻尼器包括外约束钢板、齿轮、扇形板体、齿条、摩擦板、摩擦凹槽、扭簧和SMA碟簧。本发明基于啮合齿轮的“杠杆效应”，可以将较小的变形放大，使得阻尼器在小震情况下也能实现高效耗能；同时，由于变形放大，使得阻尼器的整体耗能增加，因此能够在较低正压力下实现期望的摩擦耗能，从而可以克服较高正压力带来的摩擦接触面磨损过大的问题；阻尼器采用了弧形摩擦凹槽和形状记忆合金(SMA)碟簧，实现了变摩擦耗能，进一步提高了阻尼器的耗能能力；阻尼器安装有扭转弹簧，可以通过设置不同的预应力，从而实现自复位的功能。

Description

一种自复位旋转放大摩擦耗能阻尼器

技术领域

本发明属于建工领域。

背景技术

结构在环境荷载的作用下会产生振动，过度的振动响应会导致构件疲劳甚至结构破坏。因此，增设减振装置来吸收/耗散振动能量，降低结构振动响应，对于提高结构服役性能，保证其安全可靠至关重要。根据工作原理不同，结构振动控制大致可分为：被动控制、主动控制、半主动控制以及混合控制。其中，被动控制技术由于其不依赖外部能源、构造相对简单等优点应用最为广泛。常见的被动控制装置主要包括：粘滞性阻尼器、粘弹性阻尼器、金属阻尼器和摩擦阻尼器。具体来说，粘滞性阻尼器利用液体运动（如小孔射流）来消耗振动能量，属于速度相关型阻尼器。粘弹性阻尼器是由粘弹性材料（例如高弹性聚合物）与约束钢板相互交错粘结而成，钢板运动时会使得粘弹性材料发生变形，实现能量耗散，也属于速度相关型阻尼器。金属阻尼器是一种利用特殊金属材料（如软钢）的弹塑性变形进行耗能的位移相关型阻尼器。摩擦阻尼器同样属于位移相关型阻尼器，通常是由两块外约束钢板和一块内约束钢板以及三者之间的摩擦材料层构成。当钢板与摩擦材料层发生相对滑动时，可以将动能转化为热能，进而达到消能减振的目的。

虽然结构振动控制技术已经发展了数十年，但是现有的减振技术依然存在诸多问题尚待解决：

（1）粘滞阻尼器由于腔室内压强较大，存在容易渗漏、耐久性差等缺点。此外，高温环境下粘滞性液体的粘稠度也会降低，影响阻尼器的耗能能力；

（2）金属阻尼器的耗能能力高度依赖金属材料的塑形变形。在小震情况下，金属阻尼器主要发生弹性变形，耗能能力有限；

（3）传统粘弹性阻尼器自身的阻尼效果有限，在大震情况下，无法满足耗能的要求且容易发生破坏；

（4）摩擦阻尼器是通过摩擦板与钢板之间的相对摩擦耗散能量，然而，在较小的位移下，摩擦阻尼器的耗能却并不明显。此外，传统摩擦阻尼器的正压力一般较大，对摩擦接触面的磨损较大，且不具备自复位能力，震后残余变形明显。

发明内容

本发明的改进点如下：

（1）基于啮合齿轮的“杠杆效应”，可以将较小的变形放大，使得阻尼器在小震情况下也能实现耗能；

（2）由于变形放大，使得阻尼器的整体耗能增加，使得阻尼器能够在较低正压力下实现期望的摩擦耗能，从而可以克服较高正压力带来的摩擦接触面磨损过大的问题；

（3）阻尼器采用了弧形摩擦凹槽和形状记忆合金（SMA）碟簧，实现了变摩擦耗能，提高了阻尼器的耗能能力；

（4）阻尼器安装有扭转弹簧，通过设置不同的预应力，从而实现自复位的功能。

本发明所提出的一种自复位旋转放大摩擦阻尼器，具体技术原理如下：如图 1-5所示，“齿轮”型摩擦阻尼器主要是由外约束钢板、齿轮、扇形板体、齿条、 摩擦板、摩擦凹槽、扭簧和 SMA 碟簧等组成。摩擦阻尼器的最中间从上往下依次是上扇形板体 22，上齿轮23，齿条25，下齿轮24，下扇形板体 27，其中齿条25位于中间，上齿轮 23与齿条 25 的上啮合部 251 啮合，下齿轮 24 与齿条25的下啮合部 253 啮合，上齿轮 23 和上扇形板体 22为一体式结构，下齿轮24与下扇形板体27 为一体式结构。在上扇形板体 22 的前后两侧，对称抵接着两块上摩擦板21，在下扇形板体27 的前后两侧，对称 抵接着两块下摩擦板26。在各个摩擦板的外侧，抵接着对应的摩擦凹槽，其中摩擦板和摩 擦凹槽被加工成为相互贴合的弧形面。在摩擦凹槽的外侧，连接着外约束钢板 12，摩擦凹 槽镶嵌在外约束钢板12上，与外约束钢板12 固接在一起。在外约束钢板12 的外侧，并 对应着摩擦凹槽中心的位置，抵接着 SMA 碟簧，在SMA 碟簧的外侧抵接着垫块。在扇形板体、摩擦板和垫块的中心有螺栓孔，在摩擦凹槽的中心有弧形的滑槽，扇形板体、摩擦板、摩擦凹槽、外约束钢板、SMA碟簧和垫块依次通过高强螺栓连接在一起。

在上齿轮 23、下齿轮 24 的前后两侧，分别对称抵接着套筒，套筒开口较大的一侧面 向齿轮，开口较小的一侧背离齿轮。在上齿轮23、下齿轮24 的前后两侧，并环绕套筒的外侧，对称连接着扭簧，扭簧的一端力臂***齿轮的预留孔，另一端力臂***外夹板47的预留孔。扭簧的内径略大于套筒的外径，外径略小于外约束钢板12 的预留孔，扭簧和套筒通过预留孔穿过外约束钢板 12。在套筒开口较小的一侧，分别对称抵接着外夹板47， 扭簧的另一端力臂***在外夹板 47 的预留孔中。在齿轮和外夹板47 上面有螺栓孔，齿轮、套筒、扭簧和外夹板依次通过旋转轴连接在一起，在旋转轴的两端通过螺母固定。在外约束钢板 12 的左右两侧，并位于齿条25 的上下两侧，对称分布着水平限位螺栓，水平限位螺栓通过两侧的外约束钢板12 的预留孔固定在外约束钢板 12 上。在外约束钢板12 的左右两侧，并位于齿条25 的前后两侧，对称分布着防倾斜限位螺栓，防倾斜限位螺栓通过 单侧的外约束钢板 12 的预留孔抵接在齿条25 的前后两侧。齿条25 的中心有条形避让槽，前后两侧的外约束钢板12 中心有两个螺栓孔，前后两侧的外夹板47 中心有两个螺栓孔，通过预留孔，紧固螺栓依次将外夹板47、外约束钢板12 和齿条 25 连接起来。

当齿条在外力作用下开始往复运动时，就会通过齿轮带动扇形板体旋转，从而使得摩擦板与摩擦凹槽发生相对运动，开始摩擦耗能。由于扇形板体和齿轮的旋转中心相同，但扇形板体的旋转力臂是齿轮的数倍，因而可以实现“杠杆效应”，使得摩擦板的相对位移较齿条的水平位移来说被成倍放大，进而增大了阻尼器的摩擦耗能。由于阻尼器具有放大效应，能够在低正压力下实现期望的摩擦耗能，因此可以避免较大正压力带来的摩擦接触面磨损过大等问题，从而提升了阻尼器的使用寿命与可靠性。 当摩擦板与摩擦凹槽发生相对运动时，两侧的外约束钢板则会被顶开，从而开始挤压 SMA 碟簧，SMA 碟簧发生压缩后会产生更大的弹力。当摩擦板与摩擦凹槽继续运动，SMA 碟簧则持续被压缩，将会对摩擦运动施加更大的正压力，从而使得摩擦力逐渐增大，耗能 也不断增强。但是由于阻尼器采用的总体正压力较小，所以导致 SMA 碟簧不能提供足够 的恢复力使得摩擦板产生自复位，因此，在齿轮的旋转中心位置，本发明又安装了扭簧，来确保摩擦板在外力消失后能够实现完全的自复位功能。阻尼器的自复位组件由旋转轴、扭簧、外夹板和套筒组成，扭簧一端固定在扇形板体上，另一端则固定在外夹板上的圆孔上。为了确保扭簧能够使得摩擦板恢复到初始位置，则可以通过外夹板上的不同固定孔，给扭簧施加不同的预应力，且预应力的大小大于摩擦 板与摩擦凹槽之间的动摩擦力。当施加外力时，扭簧则会发生扭转，从而产生扭力；当外 力消失时，扭簧就会克服摩擦力做功，使得摩擦板回到初始位置，从而避免了残余位移。

本发明的有益效果如下：（1）扇形旋转放大摩擦阻尼器，利用了杠杆原理，可以将较小的变形放大，使得阻尼器在小变形的情况下也能产生较大的耗能；

（2）由于变形放大，整体耗能增加，使得阻尼器能够在较低正压力下实现期望的摩擦耗能，从而可以克服较高正压力带来的摩擦接触面磨损过大的问题；

（3）摩擦阻尼器设计为弧形凹槽加SMA碟簧的形式，一方面可以改变正压力的大小，以满足更多的实际需求，另一方面由于 SMA 碟簧的弹性，可以有效增大外约束钢板与摩 擦板之间的摩擦耗能；

（4）摩擦阻尼器中增设了扭簧，在增大其耗能的同时，还使得阻尼器实现了自复位。

附图说明

图 1 自复位旋转放大摩擦阻尼器第一连接部详图

图 2 自复位旋转放大摩擦阻尼器第二连接部详图

图 3 自复位旋转放大摩擦阻尼器弹性组件详图

图 4 自复位旋转放大摩擦阻尼器自复位组件详图

图 5 自复位旋转放大摩擦阻尼器导向限位组件详图

图 6 自复位旋转放大摩擦阻尼器正视图和侧视图

图 7 自复位旋转放大摩擦阻尼器俯视图

图中：1 第一连接部，11 连接板，12 外约束钢板，13 上摩擦凹槽，14 上条形滑槽， 15 下摩擦凹槽，16 下条形滑槽；2 第二连接部，21 上摩擦板，22 上扇形板体，23 上齿轮， 24 下齿轮，25 齿条，26 下摩擦板，27 下扇形板体，251 齿条上啮合部，252 条形避让槽， 253 齿条下啮合部；3 弹性组件，31 上 M16 高强螺栓杆，32 上 SMA 碟簧，33 上垫块，34 上 M16 螺母，35 下 M16 高强螺栓杆，36 下 M16 螺母，37 下垫块，38 下 SMA 碟簧；4 自复位组件，41 上旋转轴，42 上旋转轴螺母，43 下旋转轴螺母，44 下旋转轴，45 上套筒， 46 上扭簧，47 外夹板，48 下扭簧，49 下套筒，4-10 上扭簧固定孔，4-11 下扭簧固定孔； 5 导向限位组件，51 上方左侧水平限位螺栓，52 下方左侧水平限位螺栓，53 左防倾斜限 位螺栓，54 左紧固螺栓，55 右紧固螺栓，56 右防倾斜限位螺栓，57 上方右侧水平限位螺 栓，58 下方右侧水平限位螺栓

具体实施方式

本发明的自复位旋转放大摩擦阻尼器包括第一连接部 1、第二连接部 2、弹性组件 3、 自复位组件 4 和导向限位组件 5。以阻尼器的上半部分运动为例，当外力驱动两个连接点 相互远离或者相互靠近时，第一连接部 1 与第二连接部 2 之间会产生相对运动趋势，由于 齿条 25 与上齿轮 23 啮合，则当齿条 25 运动时，会驱动上齿轮 23 一起转动，从而带动上 扇形板体 22 向左或向右摆动，而在上扇形板体 22 摆动的过程中，上扇形板体 22 将带动 上摩擦板 21 开始运动，此时，上摩擦板 21 与上摩擦凹槽 13 之间开始受到静摩擦力；当 外力增大至大于上摩擦板 21 与上摩擦凹槽 13 之间的静摩擦力和上扭簧 46 的预应力之和 时，就会迫使上摩擦板 21 与上摩擦凹槽 13 之间产生相对运动，则上摩擦板 21 的凸出部 具有移出上摩擦凹槽 13 的趋势，由于上摩擦凹槽 13 的槽深由凹槽的中部向两端逐渐减小， 则上摩擦板 21 凸出部能够逐渐顶开两侧的外约束钢板 12，以使得两个外约束钢板 12 之间 的间距逐渐增大，而在两个外约束钢板 12 之间间距增大的情况下，弹性组件3中上 SMA 碟簧 32 产生的弹力也在逐渐增大，在弹力作用在两个外约束钢板12上时，外约束钢板12对上摩擦板 21 的正压力也逐渐增大，从而使得上摩擦凹槽 13 与上摩擦板 21 之间的摩擦力也逐渐增大，所需的外力也就越来越大。随着上摩擦凹槽 13 与上摩擦板21 的相互摩擦 运动，振动运动所产生的动能也就成功转化成为摩擦热能，从而达到减振耗能的目的。当外力消失时，由于上摩擦凹槽 13 的槽深是由凹槽的中部向两端逐渐减小，则在自复位组件 4 中上扭簧 46 的作用下，能够迫使上摩擦板 21 的凸出部滑动至上摩擦凹槽 13 的中部，使得上摩擦板 21 凸出部分与上摩擦凹槽13 凹缩部分贴合，从而实现了摩擦阻尼 器的自复位。需要说明的是，在弹性组件 3 中上SMA 碟簧 32 的作用下，摩擦阻尼器同样也可以实现一定范围内的自复位，但是由于在本阻尼器设计之初，就打算采用较小的正压 力，实现较大的耗能作用。因此，在外力施加前，对弹性组件 3 对上 SMA 碟簧 32 施加的正压力较小，所以在外力撤去后，上 SMA 碟簧32 所能提供的恢复力也较小，很难确保上摩擦板 21 与上摩擦凹槽 13 在外力消失时可以回到最初的位置状态，因此阻尼器中还设置 了自复位组件 4。 在外夹板47的两个固定端，分别沿着上旋转轴41的一圈预留了8个上扭簧固定孔4-10， 当上扭簧 46 的一端固定，而旋转另一端，***不同的上扭簧固定孔 4-10 时，则可以对上扭簧 46 施加不同的预应力，可以满足不同的实际需求。为了确保上扭簧 46 能够既有足够的恢复力，则需要上扭簧46 的初始扭力设置要大于上摩擦板 21 与上摩擦凹槽 13 之间的 动摩擦力。由于扭簧的预应力是对称施加的，即使施加的预应力较大，也可以确保阻尼器在运动之初保持静止状态。 在摩擦阻尼器的第二连接部 2 中，上扇形板体 22 和上齿轮 23 被设计为一体式结构， 该一体式结构可以等效为一个杠杆，杠杆支点为上齿轮 23 的旋转中心，以旋转中心为圆 心而延伸出的上齿轮 23 和上扇形板体 22 的半径为力臂，可以将上齿轮 23 与齿条 25 之间 的较小的旋转位移放大，以使得较小的旋转位移即可使上扇形板体 22 产生较大的旋转位移，从而带动上摩擦板 21 与上摩擦凹槽 13 的摩擦运动而增大耗能。 摩擦阻尼器的导向限位组件 5，包括上方左侧水平限位螺栓 51，下方左侧水平限位螺栓 52，左防倾斜限位螺栓 53，左紧固螺栓 54，右紧固螺栓 55，右防倾斜限位螺栓 56，上方右侧水平限位螺栓 57，下方右侧水平限位螺栓 58，其中紧固螺栓分别间隔地设置在齿条 25 的条形避让槽 252 中，一方面可以使得齿条 25 沿水平方向运动，另一方面也能够限 制齿条 25 的水平运动幅度，避免齿条 25 在运动幅度过大的情况下导致上齿轮 23 的破坏失效。水平限位螺栓分别位于齿条 25 两端的上下两侧，主要防止齿条 25 在水平运动的过程中发生上下方向的倾斜；防倾斜螺栓一端固定在外约束钢板 12，另一端则抵接齿条 25的竖直面，防止齿条 25 在前后平面内发生倾斜，从而影响阻尼器装置的稳定性和可靠性。在摩擦阻尼器的外约束钢板 12 上，存在着 3 种不同的约束，包括弹性组件 3 的上 SMA碟簧 32 约束，自复位组件 4 的外夹板 47 约束，导向限位组件 5 的螺栓约束。

在上摩擦板 21 与上摩擦凹槽 13 相互运动的过程中，当上摩擦板 21 的凸出部移出上摩擦凹槽 13 时， 上摩擦板 21 的凸出部将要逐渐顶开两侧的外约束钢板 12。此时，在弹性组件 3 中，由于上 SMA 碟簧 32 的直径大于上摩擦凹槽 13 的条形滑槽 14的宽度，则当外约束钢板 12 沿 M16 螺杆的轴向方向向外侧运动时，上 SMA 碟簧 32 将会受到挤压而对外约束钢板 12 产 生更大的压力。在自复位组件 4 中，上扭簧 46 的外径略小于外约束钢板 12 的旋转孔，则 外约束钢板 12 在沿上旋转轴 41 轴向方向运动时则不会受到上扭簧 46 的约束，而是会一 直向外运动，直到上 SMA 碟簧 32 被破坏后，才会进一步受到外夹板 47 的约束。 需要说明的是，形状记忆合金上 SMA 碟簧 32 的材质为形状记忆合金（shape memory alloys，缩写为 SMA），形状记忆合金是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆 效应的由两种以上金属元素构成的材料。

本方案中的摩擦材料，可以通过其他摩擦材料进行替换，例如镀铬钢板，石棉纤维、碳性纤维等等； 本方案中摩擦阻尼器是通过扭转弹簧来实现自复位功能的，也可以在直齿条的条形槽安装弹簧来实现自复位。

Claims (2)

1.一种自复位旋转放大摩擦阻尼器，其特征在于：

摩擦阻尼器包括外约束钢板、齿轮、扇形板体、齿条、摩擦板、摩擦凹槽、扭簧和SMA碟簧；齿轮包括上齿轮和下齿轮；扇形板体包括上扇形板体和下扇形板体；摩擦板包括上摩擦板和下摩擦板；摩擦阻尼器的中间从上往下依次是上扇形板体、上齿轮、齿条、下齿轮、下扇形板体，其中齿条位于摩擦阻尼器中间，上齿轮与齿条的上啮合部啮合，下齿轮与齿条的下啮合部啮合，上齿轮和上扇形板体为一体式结构，下齿轮与下扇形板体为一体式结构；在上扇形板体的前后两侧，对称抵接着两块上摩擦板，在下扇形板体的前后两侧，对称抵接着两块下摩擦板；在各个摩擦板的外侧，抵接着对应的摩擦凹槽，其中摩擦板和摩擦凹槽被加工成为相互贴合的弧形面；在摩擦凹槽的外侧，连接着外约束钢板，摩擦凹槽镶嵌在外约束钢板上，与外约束钢板固接在一起；在外约束钢板的外侧，并对应着摩擦凹槽中心的位置，抵接着SMA碟簧，在SMA碟簧的外侧抵接着垫块；在扇形板体、摩擦板和垫块的中心有螺栓孔，在摩擦凹槽的中心有弧形的滑槽，扇形板体、摩擦板、摩擦凹槽、外约束钢板、SMA碟簧和垫块依次通过高强螺栓连接在一起；

在上齿轮、下齿轮的前后两侧，分别对称抵接着套筒，套筒开口较大的一侧面向齿轮，开口较小的一侧背离齿轮；在上齿轮、下齿轮的前后两侧，并环绕套筒的外侧，对称连接着扭簧，扭簧的一端力臂***齿轮的预留孔，另一端力臂***外夹板的预留孔；扭簧的内径略大于套筒的外径，外径略小于外约束钢板的预留孔，扭簧和套筒通过预留孔穿过外约束钢板；在套筒开口较小的一侧，分别对称抵接着外夹板；在齿轮和外夹板上面有螺栓孔，齿轮、套筒、扭簧和外夹板依次通过旋转轴连接在一起，在旋转轴的两端通过螺母固定；在外约束钢板的左右两侧，并位于齿条的上下两侧，对称分布着水平限位螺栓，水平限位螺栓通过两侧的外约束钢板的预留孔固定在外约束钢板上；在外约束钢板的左右两侧，并位于齿条的前后两侧，对称分布着防倾斜限位螺栓，防倾斜限位螺栓通过单侧的外约束钢板的预留孔抵接在齿条的前后两侧；齿条的中心有条形避让槽，前后两侧的外约束钢板中心有两个螺栓孔，前后两侧的外夹板中心有两个螺栓孔，通过预留孔，紧固螺栓依次将外夹板、外约束钢板和齿条连接起来；

当齿条在外力作用下开始往复运动时，就会通过齿轮带动扇形板体旋转，从而使得摩擦板与摩擦凹槽发生相对运动，开始摩擦耗能；由于扇形板体和齿轮的旋转中心相同，但扇形板体的旋转力臂是齿轮的数倍，因而可以实现“杠杆效应”，使得摩擦板的相对位移较齿条的水平位移来说被成倍放大，进而增大了阻尼器的摩擦耗能；在齿轮的旋转中心位置，安装了扭簧，来确保摩擦板在外力消失后能够实现完全的自复位功能；当施加外力时，扭簧则会发生扭转，从而产生扭力；当外力消失时，扭簧就会克服摩擦力做功，使得摩擦板回到初始位置，从而避免了残余位移。

2.根据权利要求1所述的一种自复位旋转放大摩擦阻尼器，其特征在于：

当摩擦板与摩擦凹槽发生相对运动时，两侧的外约束钢板则会被顶开，从而开始挤压SMA碟簧，SMA碟簧发生压缩后会产生更大的弹力；当摩擦板与摩擦凹槽继续运动，SMA碟簧则持续被压缩，将会对摩擦运动施加更大的正压力，从而使得摩擦力逐渐增大，耗能也不断增强。