一种具有自耗能振子的调谐质量阻尼器

技术领域

本发明涉及振动控制装置，尤其涉及一种具有自耗能振子的调谐质量阻尼器。

背景技术

桥梁、高层建筑与风电工程领域广泛应用调谐质量阻尼器(TMD)与调谐液体阻尼器(TLD)进行振动控制。阻尼器的工作原理是通过共振吸收被控设备的能量，然后通过耗能装置进行能量耗散，从而减小被控设备的振动。

阻尼器一般由振子、耗能装置、限位装置与支撑固定装置等组成。阻尼器的吸振效果主要由振子的有效质量决定，有效质量越大，效果越好。阻尼器的有效振子质量与总质量之比称为有效质量占比，有效质量占比越大，阻尼器总重就可以设计得越轻。TMD的振子是钢块等固体，振子质量一般全部是有效质量，有效质量占比可达到60％。TLD的振子是流体，有效质量只是部分流体，一般有效质量占比为20％或更低。

阻尼器的耗能装置类型也称阻尼类型，有黏滞阻尼、材料阻尼、摩擦阻尼、冲击阻尼与电磁阻尼等。黏滞阻尼是利用黏性液体运动耗散能量，应用比较成熟，例如各行业广泛使用的油黏滞耗能产品，但油黏滞耗能产品的密封件使用寿命较短，需要定期更换。所有的材料都存在材料阻尼，金属材料的分子、晶界位错运动与塑性滑移会发生能耗，橡胶与塑料分子链拉伸与扭转会发生能耗，例如铅挤压耗能器，橡胶阻尼材料等，材料阻尼一般很小且大部分材料使用寿命都比较短。摩擦阻尼耗能机理为摩擦生热耗能，结构简单可靠，但是目前的理论模型很难指导实际工程应用，一般需要根据实际工况反复测试确定阻尼参数。冲击阻尼是利用碰撞来消耗能量，冲击间隙与冲击时机要设计得当，没有持续不间断耗能的能力，一般应用在缓冲器上。电磁阻尼的耗能机理是指利用装置把振子的机械能转化为电能再转化为热能的方式，电磁阻尼没有物体的直接接触损耗，产品使用寿命长且不需要维护，是目前比较前缘的技术，阻尼器的耗能装置对减振效果有一定影响，但主要还是影响产品的使用寿命与工程应用的可靠性。然而，电磁阻尼虽然使用寿命长，可靠性高，但是电磁阻尼装置的重量与结构尺寸一般很大。动力设备对重量很敏感，一般安装空间也有限，一般要求阻尼器重量轻与结构尺寸小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种将耗能装置集成在振子内部、突破了传统阻尼器的设计、大幅提高了阻尼器振子的有效质量占比、增大了阻尼器的吸振效果，减小阻尼器的总重量的具有自耗能振子的调谐质量阻尼器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种具有自耗能振子的调谐质量阻尼器，包括承重板、摆杆组件和自耗能振子，所述自耗能振子包括一级振子和耗能装置，所述一级振子包括一级质量块，所述摆杆组件的上端与承重板铰接，下端与一级质量块铰接，所述耗能装置包括壳体、拉簧、磁钢、二级振子和导体板，所述壳体顶部设有连接部，所述连接部与一级质量块连接，所述导体板安装在连接部上，所述拉簧、磁钢、二级振子设于壳体内，所述二级振子包括上层质量块和下层质量块，所述上层质量块与下层质量块通过紧固组件连接，且上层质量块与下层质量块之间具有安装间隙，所述下层质量块可移动的设于壳体底壁上，所述拉簧设置多个，多个拉簧沿二级振子的外周间隔布置，所述拉簧水平置于所述安装间隙内，且拉簧一端与壳体内壁连接，另一端与紧固组件连接，所述磁钢设于上层质量块的顶部，并位于导体板下方，且磁钢与导体板之间具有间隙。

作为上述技术方案的进一步改进，所述耗能装置还包括可与磁钢产生吸附的屏磁钢板，所述屏磁钢板安装在连接部上，并位于导体板的上方。

作为上述技术方案的进一步改进，所述下层质量块底部设有下滚动件；所述上层质量块顶面具有凹槽，所述磁钢设于所述凹槽内，所述上层质量块顶面设有上滚动件，所述上滚动件设于凹槽外。

作为上述技术方案的进一步改进，所述导体板为铜板或铝板；所述磁钢设置多个，所述磁钢通过螺钉固定在上层质量块的顶部。

作为上述技术方案的进一步改进，所述连接部为连接法兰，所述连接法兰的顶面具有沉台，所述屏磁钢板和导体板均嵌设于所述沉台内。

作为上述技术方案的进一步改进，所述紧固组件包括紧固螺栓和套筒，所述紧固螺栓穿设在上层质量块与下层质量块上，所述套筒套于紧固螺栓上并夹在上层质量块与下层质量块之间，所述拉簧与套筒连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述摆杆组件包括摆杆主体、螺纹轴、上万向节、下万向节和内螺纹法兰，所述摆杆主体包括上端板、下端板、连接上端板与下端板的侧板，所述内螺纹法兰在下端板上方且与下端板固定连接，所述螺纹轴与内螺纹法兰螺纹配合，所述螺纹轴下端伸出下端板并与下万向节的上端连接，所述下万向节的下端与一级质量块连接，所述上万向节的下端与上端板连接且上万向节上端与承重板连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述上端板与下端板之间设有预紧平台，所述预紧平台位于侧板上，所述螺纹轴上端穿过预紧平台，且螺纹轴上端套有预紧螺母，所述预紧螺母位于预紧平台上方。

作为上述技术方案的进一步改进，所述阻尼器还包括摆长调节工装，所述摆长调节工装包括旋转手柄、内螺纹套和推力轴承，所述一级质量块的顶部设有倒T形孔，所述推力轴承位于到T形孔的横孔内，所述内螺纹套位于倒T形孔的竖孔内并与推力轴承的下圈连接，所述旋转手柄上端与承重板螺纹配合，下端与内螺纹套螺纹配合。

作为上述技术方案的进一步改进，所述一级质量块包括多个圆形钢板，多个圆形钢板叠合并通过锁紧螺栓锁紧；所述上层质量块和与下层质量块均为圆钢块。

本发明的核心在于：首次提出将阻尼器的耗能部分换成一个完整的小型阻尼器。耗能部分其实就是提供一种阻力，阻尼器也是提供阻力。提出该想法之后，经过推导、计算数据仿真验算后可行，从而根据推导计算仿真书籍设计出具有自耗能振子的调谐质量阻尼器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的具有自耗能振子的调谐质量阻尼器，耗能装置是一个完整结构的弹簧振子TMD装置，即将耗能装置集成在振子内部，突破了传统阻尼器的设计，大幅提高了阻尼器振子的有效质量占比，增大了阻尼器的吸振效果，减小阻尼器的总重量，简化了外部结构，其为具有2个振子的4自由度阻尼器，具有4个固有频率，吸振效果要优于单个振子。

附图说明

图1是本发明的具有自耗能振子的调谐质量阻尼器的结构示意图。

图2是本发明中一级振子与耗能装置的结构示意图。

图3是本发明中摆杆组件的结构示意图。

图4是本发明的阻尼器在风电塔上的安装使用状态示意图。

图中各标号表示：

1、承重板；11、调节螺母；2、摆杆组件；21、摆杆主体；211、上端板；212、下端板；213、侧板；214、限位板；22、螺纹轴；23、上万向节；24、下万向节；25、内螺纹法兰；26、预紧螺母；3、一级振子；31、一级质量块；311、圆形钢板；312、锁紧螺栓；32、倒T形孔；4、耗能装置；401、安装间隙；402、凹槽；403、沉台；41、壳体；411、连接部；412、耳板；42、拉簧；43、磁钢；44、二级振子；441、上层质量块；442、下层质量块；45、导体板；46、紧固组件；461、紧固螺栓；462、套筒；47、屏磁钢板；48、螺钉；51、下滚动件；52、上滚动件；6、摆杆调节工装；61、旋转手柄；62、内螺纹套；63、推力轴承；631、上圈；632、滚珠；633、下圈；7、固定条；8、塔筒；9、支撑平台。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本实施例的具有自耗能振子的调谐质量阻尼器，包括承重板1、摆杆组件2和自耗能振子，自耗能振子包括一级振子3和耗能装置4，一级振子3包括一级质量块31，摆杆组件2的上端与承重板1铰接，下端与一级质量块31铰接，耗能装置4包括壳体41、拉簧42、磁钢43、二级振子44和导体板45，壳体41顶部设有连接部411，连接部411与一级质量块31连接，导体板45安装在连接部411上，拉簧42、磁钢43、二级振子44设于壳体41内，二级振子44包括上层质量块441和下层质量块442，上层质量块441与下层质量块442通过紧固组件46连接，且上层质量块441与下层质量块442之间具有安装间隙401，下层质量块442可移动的设于壳体41底壁上，拉簧42设置多个，多个拉簧42沿二级振子44的外周间隔布置，拉簧42水平置于安装间隙401内，且拉簧42一端与壳体41内壁连接，另一端与紧固组件46连接，磁钢43设于上层质量块441的顶部，并位于导体板45下方，且磁钢43与导体板45之间具有间隙。

其中，耗能装置4整个组件是一个完整结构的弹簧振子调谐质量阻尼器。一级振子3与耗能装置4固定连接在一起，使振子本身具有耗能功能。

本实施例的具有自耗能振子的调谐质量阻尼器主要用于调节被控设备水平方向的振动。如图4所示，使用时，塔筒8的法兰上用螺栓固定有支撑平台9，阻尼器通过承重板1悬吊安装在支撑平台9上，阻尼器的数量根据实际需要设置。当塔筒8振动时，振动传递给调谐质量阻尼器，调谐质量阻尼器的一级振子3摆动吸收塔筒8的振动，一级振子3摆动时，其下部的耗能装置4也跟着摆动，由于拉簧42的作用，二级振子44在水平方向来回振动，吸收一级振子3的振动，上层质量块441在振动过程中带着磁钢43往复移动，磁钢43在导体板45内产生变化的磁场，从而在导体板45内产生涡电流，从而将振子的机械能转化为电能。

该具有自耗能振子的调谐质量阻尼器，耗能装置4是一个完整结构的弹簧振子TMD装置，即将耗能装置集成在振子内部，突破了传统阻尼器的设计，大幅提高了阻尼器振子的有效质量占比，增大了阻尼器的吸振效果，减小阻尼器的总重量，简化了外部结构，举个例子，现有的阻尼器，振子的重量为1吨，能耗装置的重量为0.2吨，能耗装置不吸能，不能构成振子的有效质量。那么振子的有效质量占比为1/(1+0.2)＝83.33％，而本实施例中，一级振子重量为0.8吨，能耗装置的重量为0.2吨，那么振子的有效质量占比(0.8+0.2)/(0.8+0.2)＝1，这是因为本发明耗能装置4也产生振动吸能，也是振子的有效质量，也就是说，采用本发明的阻尼器，不仅一级振子的重量可以减少，整体的重量也可以减小，关键是不影响吸能效果，阻尼器振子的有效质量占比也提高了。本发明的阻尼器是有2个振子的四自由度阻尼器，具有4个固有频率，吸振效果要优于单个振子。

本实施例中，耗能装置4还包括可与磁钢43产生吸附的屏磁钢板47，屏磁钢板47安装在连接部411上，并位于导体板45的上方。顶部的磁钢43与屏磁钢板47会产生吸附，使上层质量块441和下层质量块442悬浮起来或者半悬浮，减小下层质量块442在振动时与壳体41底部的摩擦力。由于采用了磁悬浮技术，响应比较灵敏。二级振子运动过程中磁钢43与导体板45间隙保持不变，具有持续、稳定与线性的耗能特性。需要说明的是，拉簧42装配的特征在于初始时刻拉簧42处于拉伸状态，且初始拉伸长度大于其运动行程，保证二级振子44具有足够的振幅。二级振子44在具有水平方向两个自由度，可前后振动和左右振动。

本实施例中，一级质量块31包括多个圆形钢板311，多个圆形钢板311叠合并通过锁紧螺栓312锁紧，最下层的圆形钢板311底面设有沉孔，锁紧螺栓312从底面沉孔穿入依次串起所有圆形钢板311，在最上层的圆形钢板311的顶面通过螺母锁紧，同理，最上层的圆形钢板311顶面也设置沉孔用来安放该螺母。此外，最上层的圆形钢板311上预埋备用螺栓，用于其与摆杆组件2连接。连接部411为连接法兰，连接法兰与最下层的圆形钢板311通过螺丝连接。连接法兰的顶面具有沉台403，屏磁钢板47和导体板45均嵌设于沉台403内，并通过螺丝紧固。

本实施例中，下层质量块442底部设有下滚动件51。上层质量块441顶面具有凹槽402，磁钢43设于凹槽402内，上层质量块441顶面设有上滚动件52，上滚动件52设于凹槽402外。下滚动件51和上滚动件52优选为牛眼轴承。磁钢43的顶面是要低于上滚动件52的顶面。下滚动件51的作用是将下层质量块442与壳体底壁的摩擦变为滚动摩擦。而上滚动件52的作用为：当上层质量块441和下层质量块442被吸附悬空时，将上层质量块441顶部与导体板45的摩擦变为滚动摩擦。

本实施例中，导体板45优选为铜板(也可以为铝板)。磁钢43设置多个，磁钢43通过螺钉48固定在上层质量块441的顶部。本实施例中，上层质量块441与下层质量块442均为圆钢块。

本实施例中，紧固组件46包括紧固螺栓461和套筒462，紧固螺栓461穿设在上层质量块441与下层质量块442上，套筒462套于紧固螺栓461上并夹在上层质量块441与下层质量块442之间，为了便于定位，上层质量块441的底面、下层质量块442的顶面均设有沉孔，套筒462两端抵在该两个沉孔内。套筒462侧壁设有挂耳，壳体41内壁设有耳板412，拉簧42一端挂在挂耳上，另一端挂在耳板412上。紧固螺栓461和套筒462均设置多个，每个拉簧42对应一个套筒462。

本实施例中，如图3所示，摆杆组件2包括摆杆主体21、螺纹轴22、上万向节23、下万向节24和内螺纹法兰25，摆杆主体21包括上端板211、下端板212和连接上端板211、下端板212的侧板213，内螺纹法兰25在下端板212上方且与下端板212固定连接，优选为螺栓连接。螺纹轴22与内螺纹法兰25螺纹配合，螺纹轴22下端伸出下端板212与下万向节24的上端连接，下端板212设有可供螺纹轴22穿过的通孔。下万向节24的下端与一级质量块31连接，上万向节23的下端与上端板211连接且上万向节23上端与承重板1连接。

该结构中，通过松开内螺纹法兰25，螺纹轴22相对下端板212上升或下降，带着下端的下万向节24上升或下降，进而实现摆杆组件2的伸缩可调。

进一步的为了提高安装稳定性，上端板211与下端板212之间设有预紧平台214，预紧平台安装在侧板213上，螺纹轴22上端穿过预紧平台214，且螺纹轴22上端套有预紧螺母26，预紧螺母26位于预紧平台214上方。预紧螺母26与螺纹轴22螺纹配合。预紧螺母26支撑在预紧平台214位置预紧螺纹轴22，能减小内螺纹法兰25与螺纹轴22之间的螺纹啮合力，增大螺纹轴22螺栓连接的安全性。螺纹轴22下端设有法兰盘，通过法兰盘与下万向节24连接。

本实施例中，摆杆组件2设置3个。为了便于调节摆杆组件2的长度，专门设置一摆长调节工装6，所述摆长调节工装6包括旋转手柄61、内螺纹套62和推力轴承63，最上层的圆形钢板311的顶部设有倒T形孔32，推力轴承63位于到T形孔32的横孔内，内螺纹套62位于倒T形孔32的竖孔内，推力轴承63的上圈631和下圈633套在内螺纹套62外，上圈631与圆形钢板311连接，下圈633与内螺纹套62连接，旋转手柄61上端与承重板1螺纹配合，下端与内螺纹套62螺纹配合。优选的，承重板11上固定一调节螺母11，旋转手柄61与调节螺母11螺纹配合。

调节过程为：调节前，先向上松开内螺纹法兰25和预紧螺母26，然后，向下旋转手柄61旋转，旋转手柄61相对承重板1下降，旋转手柄61下端带着内螺纹套62旋转，并给予内螺纹套62向下的推力，由于上圈631和圆形钢板311不旋转，内螺纹套62旋转带着下圈633旋转，并在推力作用下，向下推圆形钢板311，圆形钢板311下降拉动下万向节24和螺纹轴22下降，从而增大摆杆组件2的长度。反选旋转旋转手柄61，即可实现内螺纹套62拉动圆形钢板311上升，从而可缩短摆杆组件2的长度。

本实施例中，阻尼器还包括固定条7，固定条7一端与承重板1可拆卸连接，另一端与一级质量块31可拆卸的连接，优选为螺栓连接。固定条7设置多个。当需要固定阻尼器振子时，固定条7上端通过螺栓固定在承重板1上，下边通过螺栓固定在振子上。阻尼器正常工作时，固定条7移动到支撑平台9上，作为阻尼器的限位装置，防止阻尼器摆幅过大与塔筒8接触。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。