一种基于菱形传动机构的自复位自平衡式惯容器

技术领域

本发明涉及土木工程结构震动控制领域，尤其是涉及一种基于菱形传动机构的自复位自平衡式惯容器。

背景技术

在土木工程结构领域，震动的来源除了地震、风振、海浪等自然因素以外，还有交通运输、机器运转、施工爆破等人为因素。虽然各类动荷载的来源不同，但对土木工程结构的危害都是不容小觑的。严重的震动会造成房倒屋塌、桥梁断裂、人员伤亡，轻微的震动也会造成建筑物开裂变形、非结构构件损坏等，降低使用的安全感和舒适度。不论震动的大小，土木结构的震动都严重威胁我们的生命安全和生活品质。

将震动控制装置或机构安装在结构当中，可以分担土木结构在地震中的震动作用，减弱其自身承担的地震力，通过调整结构的自振频率或周期，增大结构阻尼和控制力，以降低结构的震动响应，实现结构震动的控制。目前，各种类型的惯容器主要作为调谐质量阻尼器的阻尼元件正逐步应用在土木工程结构的震动被动控制领域，而菱形构型的惯容器在控制层间位移方面也具有很大的优势。

近年来，针对结构的快速地震康复策略受到了业内的关注，使用中心消能构件配合纯拉力系统来快速提高结构的抗震性能成为了一种较好的方法，传统有丝杆旋转式惯容器虽然已具有一定的速度放大能力，但必须依托定子和转子的相对运动进行工作，不论转子和定子如何分配，始终必须有制动扭矩限制定子的转动，才能使惯容器发挥作用，这一点使得它无法运用在纯拉力系统中，拉索的连接无法提供这样的制动力矩。因此，基于拉索的纯拉力系统对阻尼器提出了整体、自平衡、可复位性能的要求。

同时针对不同的结构，对于震动加速度和震动位移的要求不尽相同，主要的目的是在满足震动位移符合要求的情况下，使地震作用下的震动加速度尽量远离地震加速度。由于装置所安装的结构可能分布在不同的场地位置，在结构的使用中也可能经历不同的地震作用，所以一种可根据结构的具体情况进行调整的惯容器装置就显得十分有必要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于菱形传动机构的自复位自平衡式惯容器，整体性好，能够实现自平衡和复位要求，且刚度可调节。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于菱形传动的自复位自平衡式惯容器，包括丝杆、耗能组件、传动组件和复位组件，所述的传动组件为菱形传动组件，分别与耗能组件和复位组件连接，所述的耗能组件设置两组，分别套设于丝杆两端螺纹上，能够绕丝杆沿相反方向旋转，所述的复位组件包括弹簧，所述的弹簧分别与传动组件和丝杆连接，所述的丝杆上开设方向一致的螺纹；

该惯容器使用时，震动从传动组件输入，所述的传动组件将震动分别传送至耗能组件和复位组件，两组耗能组件通过在丝杆上沿相反方向旋转对震动的能量进行消耗并实现自平衡，所述的复位组件中的弹簧通过产生形变将震动的能量转化为弹性势能，并在耗能组件完成耗能后，利用弹性势能将耗能组件和传动组件复位。

弹簧的伸缩速度在各个相对长度时是不同的，飞轮的转动速度也会有所不同，所以整个惯容器的刚度一直在变化，实现了刚度可调，可以有效避开振动的卓越周期，避免共振。

进一步地，所述的耗能组件包括飞轮和滑动螺母，所述的滑动螺母分别套设于丝杆的螺纹上，所述的飞轮中间开设安装通孔，其套设于丝杆上，且与滑动螺母固定连接，所述的耗能组件对称设置丝杆两端，所述的两组耗能组件中的滑动螺母分别与传动组件连接。

进一步地，所述的传动组件包括第一连接件、第二连接件以及两个端子和四根连杆，所述的两个端子分别设置于丝杆中垂线两端的对称位置，所述的四根连杆用于将丝杆中垂线两端的端子和丝杆两端的滑动螺母相互连接，形成菱形结构，所述的连杆通过第一连接件与滑动螺母活动连接，通过第二连接件与端子活动连接，所述的第一连接件与滑动螺母之间通过轴承连接。

所述的震动从端子输入，改变两个端子之间的距离和菱形结构的内角，所述的连杆通过第一连接件分别向丝杆两侧推动滑动螺母，两端的滑动螺母在轴承和丝杆的作用下，分别朝相反的方向转动和平动，并带动飞轮朝相反的方向转动和平动，所述的飞轮和滑动螺母的转动实现对振动能量的消耗，并产生等量相反的扭转力矩作用于丝杆上实现自平衡。

进一步地，所述的复位组件还包括滑座，所述的滑座固定设置于丝杆的中部，所述的弹簧的两端分别与丝杆中垂线两端的端子连接，中部固定设置于滑座上。

更进一步地，所述的弹簧设置两根，两根弹簧的中部分别与滑座的两侧固定连接，分别跨过丝杆的两侧。

优选地，所述的丝杆两端的端部分别开设安装孔洞，用于固定安装该惯容器，以适应不同的工程需要。

优选地，所述的丝杆上的螺纹分为左右两部分，左右两部分螺纹的行程相等，两部分螺纹之间有预留无螺纹段。

进一步优选地，所述的丝杆左右两部分螺纹的行程均设置为290mm，保证正常工作所需行程。

更进一步地，所述的第一连接件和第二连接件通过勾圈或铰链与连杆连接，限制连杆与端子和滑动螺母的相对位移，但不限制相对角度，能够自由改变菱形结构内角。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明的惯容器采用菱形结构的传动组件，分别将振动传送至耗能组件和复位组件，两组耗能组件沿相反方向旋转的同时吸收振动能量并保持自平衡，在振动输入结束后，弹簧会有恢复原位的趋势，使传动组件和耗能组件恢复到振动输入前的情况，此过程利用了原本的输入振动能量，无需外界给与恢复力就实现了复位，这样可以将该惯容器应用在纯拉力的系统上，采用预应力钢绞线进行安装，对支座的要求不高，方便安装；

2)本发明耗能组件中两端的滑动螺母和飞轮彼此往相反方向转动和平动，对丝杆产生等大反向的扭转力矩，使丝杆整体保持自平衡，丝杆的自平衡特性相比于传统的非自平衡式丝杆无需外界扭转力矩的作用就可以保持位置不变，避免了要考虑外界作用的时期，以及外界作用会对丝杆产生较大的力，导致丝杆变形过大甚至破坏的可能，具有安全性高、可靠性好、使用寿命长、适应多种结构条件和易安装等优点；

3)本发明耗能组件中飞轮的转动惯量可以极大增加此惯容器的表观质量，以此来吸收振动能量，可以在只增加很小的真实质量的情况下，极大增加结构的表观质量，从而降低结构的固有频率，也起到一定的调谐作用，同时采用飞轮封存惯量，可以极大的减小机械摩擦和损耗，耐久性好，结构大大简化，加工安装方便；

4)通过弹簧的伸缩可以被动调节两侧飞轮之间相对距离，从产生不同的调谐效果，进而改变装置的惯容大小，因而可以调节结构的固有频率，避免共振现象，适应不同结构不同场地，同时，可以调节弹簧初始时的状态，从而在初始时给与结构一定的力的效果，调节方便；

5)在振动输入结束后，弹簧可通过储存的弹力快速恢复惯容器的工作状态，使两端子的相对距离恢复到振动输入前的情况，大大提高了阻尼器的耐久性和工程实用性，此过程利用了原本的输入振动能量，无需外界给与恢复力，对振动能量的耗散更为有利，也可以减小结构的位移，因此，此装置可同时适用于对振动加速度和振动位移都有要求的结构之中；

6)由于弹簧的弹性伸缩特性，导致两侧飞轮之间的相对距离发生变化，使菱形构型发生变化，使整个装置的刚度也发生了变化。同时弹簧的伸缩速度在各个相对长度时是不同的，飞轮的转动速度也会有所不同，所以整个装置的刚度一直在变化，可以有效避开振动的卓越周期，避免共振。

7)与已有的盘式自平衡惯容阻尼器相比，菱形构型的改进的惯容阻尼器，结构更加整体化，机械性能更好，便于计算与布置。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为丝杆、滑座和耗能组件安装示意图；

图3为丝杆与滑座安装示意图；

图4为弹簧和端子连接示意图；

图5为飞轮结构示意图；

图6为滑动螺母和第一连接件安装示意图；

图7为端子的结构示意图；

图8为连杆结构示意图；

图9为连杆端部放大图。

其中，1、丝杆，21、弹簧，22、滑座，31、飞轮，32、滑动螺母，41、端子，42、连杆，43、第一连接件，44、第二连接件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1-图4所示，本发明提供一种基于菱形传动的自复位自平衡式惯容器，包括丝杆1、耗能组件、传动组件和复位组件，传动组件为菱形传动组件，分别与耗能组件和复位组件连接，耗能组件套设于丝杆1两端螺纹上，能够绕丝杆1沿相反方向旋转。

丝杆1上开设方向一致的螺纹，且两端的端部分别开设安装孔洞，丝杆1上的螺纹分为左右两部分，左右两部分螺纹的行程相等，均设置为290mm。

耗能组件包括飞轮31和滑动螺母32，滑动螺母32分别套设于丝杆1的螺纹上，飞轮31中间开设安装通孔，其套设于丝杆1上，且与滑动螺母32固定连接，两组耗能组件设置两组，分别对称设置于丝杆1两端，且相互，两组耗能组件中的滑动螺母32分别与传动组件连接。

传动组件包括第一连接件43、第二连接件44以及两个端子41和四根连杆42，两个端子分别设置于丝杆1中垂线两端的对称位置，四根连杆42用于将丝杆1中垂线两端的端子41和丝杆1两端的滑动螺母32相互连接，形成菱形结构，连杆42通过第一连接件43与滑动螺母32活动连接，通过第二连接件44与端子43活动连接，第一连接件43与滑动螺母32之间通过轴承连接。

复位组件包括弹簧21和滑座22，滑座22固定设置于丝杆1的中部，弹簧21的两端分别与丝杆1中垂线两端的端子41连接，中部固定设置于滑座22上，弹簧21设置两根，两根弹簧的中部分别贴在滑座22的两侧，分别跨过丝杆1的两侧。

该惯容器使用时，震动从传动组件的端子41输入，改变两个端子41之间的距离和菱形结构的内角，连杆42通过第一连接件43分别向丝杆1两侧推动滑动螺母32，两端的滑动螺母32在轴承和丝杆1的作用下，分别朝相反的方向转动和平动，并带动飞轮31朝相反的方向转动和平动，飞轮31和滑动螺母32的转动实现对振动能量的消耗，并产生等量相反的扭转力矩作用于丝杆1上实现自平衡；复位组件中的弹簧21通过产生形变将震动的能量转化为弹性势能，并在耗能组件完成耗能后，利用弹性势能将耗能组件和传动组件复位。

如图5和图6所示，飞轮31上开设中间通孔，中间通孔的直径大于丝杆1的直径，使得飞轮31在旋转的过程中不与丝杆1接触，中间通孔的外侧分别开设多个安装孔，滑动螺母32由一块安装板和一个圆筒相接而成，圆筒内开设内螺纹，安装板中间开设螺纹孔，该螺纹孔与圆筒的内螺纹相互配合，安装板上还开设与飞轮31的安装孔相互对应通孔，用于将滑动螺母32和飞轮31相互固定连接，第一连接件43通过轴承套设于滑动螺母32圆筒部分的外侧上，并通过勾圈或铰链与连杆42连接。

如图7所示，端子41由一个圆台和一个圆柱相接而成，圆台与圆柱的连接处开设一个通孔，圆柱的底部设置两个小圆柱，两根弹簧21分别安装于两个小圆柱上，圆柱的侧面套设第二连接件44，第二连接件44通过勾圈或铰链与连杆42。

如图8和图9所示，连杆42包括中间的细长杆和两端的端部，端部与第一连接件43和第二连接件44配合，通过勾圈或铰链连接。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。