[发明专利]并联阻尼和惯质单元的三元减振装置、设计及装配方法

说明书

本发明属于结构振动控制技术领域，特别涉及一种并联阻尼和惯质单元的三元减振装置、设计及装配方法，该装置包括弹簧单元、阻尼单元和惯质单元，其中阻尼单元与惯质单元并联，进而与弹簧单元串联形成一种并联阻尼和惯质单元的三元减振构型。本发明采用一套滚珠丝杠系统实现了一种并联阻尼单元和惯质单元的三元减振构型，能够同时对阻尼力和惯性力起到调谐作用，充分发挥阻尼单元和惯质单元的减振能力。此外本发明采用装配式技术，具有易调节、耐久性好、耗能能力高等优点。

技术领域

本发明属于结构振动控制技术领域，特别涉及一种并联阻尼和惯质单元的三元减振装置、设计及装配方法。

背景技术

近些年，结构负刚度振动控制理论，以及并联“负刚度弹簧单元”的被动、自适应阻尼器研发为提升结构振动控制效果提供了新的理论方法与技术手段；具有质量放大效应的“Inerter”(两节点惯性质量单元，简称“惯质单元”)为阻尼器研发提供了新的基本单元，阻尼器构型得到了进一步丰富，最终形成了基于“阻尼单元-弹簧单元-惯质单元”的结构三元被动减振理论雏形。研究表明，与传统的“阻尼单元”一元减振、以“阻尼单元-弹簧单元”、“阻尼单元-惯质单元”为代表的二元减振相比，三元被动减振有望进一步提升结构振动控制效果。

目前，二元减振装置的研发多于三元被动减振装置，两种装置多将阻尼单元和惯质单元与滚珠丝杠系统相融合，从而实现惯性质量和等效阻尼系数的双重放大，增强阻尼器的耗能能力。各单元的主要实现方式具体如下：阻尼单元采用粘滞材料或电磁阻尼技术；弹簧单元采用弹簧或磁致刚度；惯质单元采用惯性飞轮。根据磁场源的不同，电磁阻尼器可分为电励磁式、永磁式、混合励磁式；根据导体构成形式，电磁阻尼器可分为电机阻尼器和电涡流阻尼器，其中电涡流阻尼器又可分为直线平板式、轴向相对运动式和轴向旋转式等。弹簧的实现方式主要分为对称预压弹簧(负刚度)或传统拉压弹簧(正刚度)，磁致刚度可采用永磁体或电磁体形成正负刚度。

与传统的粘滞阻尼器相比，利用电磁感应耗能的电磁阻尼器具有无接触、低摩擦、无污染等优点，其中电涡流阻尼器已广泛应用于车辆悬架、汽车制动机械、航空航天等领域，在土木工程领域的成熟应用主要是为调谐质量阻尼器提供阻尼单元，且多采用直线平板型。目前，将电涡流阻尼技术和滚珠丝杠系统相融合形成旋转式电涡流阻尼技术，能够显著提升电涡流阻尼耗能效率，实现大吨位的电涡流阻尼器设计。此外研究表明，与传统拉压弹簧(正刚度)和磁致正刚度相比，对称预压弹簧(负刚度)和磁致负刚度均可以放大阻尼器位移增强耗能能力。

根据相关文献和专利查阅，一些学者已对并联阻尼和惯质单元的三元减振构型进行了相关研究：1)Wen(Design and Evaluation of Tuned Inerter-Based Dampers forthe Seismic Control of MDOF Structures)对TVMD从理论和仿真方面进行了参数优化，未提出并联阻尼和惯质单元的三元减振装置技术与实物；2)Ikago(Seismic control ofsingle-degree-of-freedom structure using tuned viscous mass damper)进行了TVMD单自由度结构震动控制试验，将传统粘滞阻尼和惯性飞轮并联形成二元减振阻尼器VMD，进而将VMD与叶簧串联形成TVMD进行试验，但叶簧位于阻尼器VMD外部，装置体积较大，阻尼系数无调节装置；3)Asai(Outrigger tuned inertial mass electromagnetic transducersfor high-rise buildings subject to long period earthquakes)提出了一种TEMD装置实物图，将电机阻尼和惯性飞轮并联，进而与传统拉压弹簧串联，但未说明装置细部构件、设计和装配方法。由此可知，此构型能够同时对阻尼力和惯性力起到调谐作用，充分发挥阻尼单元和惯质单元的减振能力。目前对并联阻尼和惯质单元的的三元被动减振装置的研发很少，且现有此构型的减振装置阻尼单元存在易漏油(传统黏滞阻尼)、不易调节(黏滞、电机阻尼)等问题，弹簧单元正刚度(拉压弹簧或叶簧)不及负刚度耗能减振效果等问题，且缺乏阻尼系数、弹簧刚度与惯性质量均具有可调性的装置实物，需要进一步对此构型进行探索研发。