一种可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器及其设计方法

摘要

本发明涉及一种可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器及其设计方法。所述可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器包括：两端用端盖密封、其内填充阻尼介质的缸体；位于缸体内的无轴向间隙活塞，其轴向端面设有套塞安装孔；连接无轴向间隙活塞的活塞导杆；安装在套塞安装孔内的带阻尼孔套塞件和无阻尼孔套塞件，带阻尼孔套塞件的轴心设有阻尼孔。其设计方法包括：确定带阻尼孔套塞件组合；安装或更换带阻尼孔套塞件；密塞不用的套塞安装孔；完成变参数后设计。本发明结构和方法简单，设计快速。依此法进行孔隙式粘滞阻尼器的开发，加工，实验工作，可大大提高效率和减少物力成本，其经济效益和社会效益十分显著。

说明书

 

技术领域

本发明专利涉及土木建筑工程结构消能减振（震）控制领域，更具体地，涉及一种可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器及其设计方法。

背景技术

地震和风灾害严重威胁着人类的生存与发展，自从人类诞生以来人们就为抗拒这两种自然灾害而奋斗。随着科学技术和人民生活水平的提高，预防与抵御地震和风灾害的能力也在不断地提高，结构减振（震）控制技术作为抗御地震或强风的一种有效方法，也得到了发展和应用，并成为比较成熟的技术，结构减振（震）控制方法改变了通过提高结构刚度、强度和延性来提高结构的抗震抗风能力的传统方法，而是通过调整或改变结构动力特性的途径，改变结构的震动反应，有效地保护结构在地震或强风中的安全。在加入消能减振（震）器来控制结构的地震和风振反应的消能减振（震）方法是结构减振（震）控制技术中一种有效、安全、可靠、经济的减振（震）方法。

粘滞阻尼器是属于发展中的结构减振（震）控制技术中的一种被动控制技术。粘滞阻尼器是一种应用广泛的消能装置，它安装于大型结构工程(如：大型桥梁和高层建筑)的某些部位，如：节点。在风载荷或地震作用时，阻尼器具有足够的初始刚度，处于弹性状态，结构体系具有足够的抗侧向刚度以满足正常使用要求。当出现中、强地震、强风、爆炸或其他形式的冲击载荷和振动干扰时，随着结构侧向变形的增大，阻尼器进入较大的非弹性变形，如：弹塑性状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的能量，避免主体结构出现明显的弹塑性状态，并且迅速衰减结构的动力反应，如：位移、速度、加速度。因此通过阻尼器而不是结构本身对输入主体结构能量的耗散，从而确保主体结构在强地震或强风中的安全性和稳定性。

粘滞阻尼器是根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生粘滞阻力的原理而制成的。根据阻尼力产生原理的不同，可分为缸式粘滞流体阻尼器、圆筒式粘滞阻尼器和粘滞阻尼墙。缸式粘滞阻尼器的结构构造主要沿用机械用液缸的结构，外缸加活塞。依据活塞上耗能构件的构造不同，又可将其分为孔隙式、间隙式和混合式阻尼器三种类型；本发明涉及的就是孔隙式粘滞阻尼器系列。

从结构上易知，对于同型号缸体尺寸的阻尼器，孔隙式粘滞阻尼器的阻尼性能，包括阻尼力和速度―出力特性直接由活塞上的阻尼孔参数控制和决定，阻尼孔参数具体包括阻尼孔的孔型、孔径、长度。现有技术和工艺是这样的，开发一款孔隙式粘滞阻尼器，在活塞上加工成阻尼孔，进行试制和实验；因不同的设计目标而需要重复设计和加工，并进行实验测量和研究，开发效率低下并且物力耗费严重。所以，在粘滞阻尼器的开发和研究过程中，快速把握和控制阻尼孔参数能提高设计和研发的效率，同时能大大节省人力和物力成本。

现有技术中，论文《套塞式粘滞阻尼器的流体动力学分析》中介绍了一种套塞式粘滞阻尼器的构造设计。该文发表在《工程抗震与加固改造》第32卷第6期（2010年12月）上。其设计的套塞式粘滞阻尼器将活塞分成内外两部分，内活塞和套筒形式的外活塞采用同轴心加工，中间无间隙并予以密封。在内外活塞之间采用紧固件保证其无相对运动。阻尼孔设在内活塞的外表面。该方案对某种特定的阻尼孔类型可以提供更多的控制参数来调节阻尼器性能。申请公布号为CN 102359532 A、申请公布日为2012年02月22日的中国发明专利申请一种在线可变阻尼粘滞阻尼器，其设有集成阀，通过调节集成阀可调节阻尼器的阻尼大小。该发明是一种具备可能实时控制的在线装置，可以对粘滞阻尼器的阻尼进行无级调节。公开号为CN 101576139A、公开日为2009年11月11日的中国发明专利申请可控式粘滞阻尼器，其在活塞中设有由前阀和后阀组成的单向压差调节装置来实现阻尼器性能的可控化。

     以上现有技术，设计较为复杂，或者不是通过阻尼孔技术来控制阻尼参数，或者是不能快速把握和控制阻尼孔参数从而提高设计效率，或者不能提供加工制造成本更低廉的结构形式。因此有必要进一步改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能快速把握和控制阻尼孔参数从而提高设计效率的可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器及其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：所述可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器包括：两端用端盖密封、用紧固环密封加固、其内空间处填充阻尼介质的缸体；位于缸体内的无轴向间隙活塞，其轴向端面设有套塞安装孔，其径向外表面配置有密封挡圈和起导向作用的金属导向带；一端连接无轴向间隙活塞、另一端伸出缸体外与连接附耳相联的活塞导杆；所述套塞式粘滞阻尼器还包括安装在套塞安装孔内的带阻尼孔套塞件和无阻尼孔套塞件，带阻尼孔套塞件的轴心设有阻尼孔。

所述套塞安装孔带有内螺纹，所述带阻尼孔套塞件或无阻尼孔套塞件带有相应的外螺纹、以螺纹联接方式安装在套塞安装孔内。所述阻尼器为小孔式阻尼器，阻尼孔的孔径和长短根据实际需要加工成不同的型号，所述阻尼孔的型号有直孔、S形孔、渐扩孔、缩放孔和X形孔。根据阻尼参数的需要，确定带阻尼孔套塞件的个数、尺寸或相应阻尼孔的型号。所述无轴向间隙活塞上设有六个套塞安装孔，其中N个（1≤N≤6）套塞安装孔装有带阻尼孔套塞件，剩余的套塞安装孔用无阻尼孔套塞件进行密塞。所述带阻尼套塞件或无阻尼孔套塞件的端部设有用于旋紧装配的扳手槽。无轴向间隙活塞通过螺纹联接方式联接两侧的活塞导杆。所述可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器还可包括其他多重密封与紧固措施。

所述可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器的设计方法，该设计方法包括以下步骤：

A. 确定带阻尼孔套塞件组合：在确定所述套塞式粘滞阻尼器其他零部件及其参数不变的情况下，利用无轴向间隙活塞上配置的多个套塞安装孔，根据设计目标确定的阻尼参数选择相应尺寸和阻尼孔型号的带阻尼孔套塞件，确定个数，形成一个带阻尼孔套塞件组合；

B. 安装或更换带阻尼孔套塞件：把选定好的上述带阻尼孔套塞件组合对应安装到套塞安装孔中或者对已在套塞安装孔中的带阻尼孔套塞件进行更换；

C. 密塞不用的套塞安装孔：把不需要应用的套塞安装孔用无阻尼孔套塞件进行密塞，完成所述套塞式粘滞阻尼器的设计；

D. 完成变参数后的设计：改变阻尼参数，重复以上步骤，通过选择新的带阻尼孔套塞件组合进行安装或更换，其他零部件无需作任何设计和工艺上的更改，实现对阻尼性能的调整，实现阻尼变参数，完成改变参数后所述套塞式粘滞阻尼器的设计。

可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器的主要结构为缸体与无轴向间隙活塞结构。无轴向间隙活塞通过螺纹联接两侧的活塞导杆，无轴向间隙活塞能径向外表面配置有金属导向带，在活塞在缸体内进行往复运动时起导向作用，同时无轴向间隙活塞能径向外表面配置有密封挡圈，保证在活塞在缸体内进行往复运动时起导向作用时活塞与缸体接触面上无漏油和泄压。

无轴向间隙活塞和活塞导杆组件与油缸装配后，在缸体空间内填充阻尼介质，在缸体两端用进行密封，用紧固环进行密封加固。

完成以上工作，可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器的主体结构基本完成，阻尼器两端再装配好连接附耳便装配完毕，通过连接附耳，阻尼器即可安装至工程结构的特定节点，发挥减振（震）功能。

本发明同时提供了一种可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器的快速设计方法，所述方法利用可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器无轴向间隙活塞上配置的套塞安装孔，选择不同尺寸或者不同孔型的带阻尼孔套塞件进行安装或者更换，其他零部件完全不用更换的前提下，让粘滞阻尼器实现不同的阻尼性能和速度－出力特性；无轴向间隙活塞上配置有多个套塞安装孔，同时允许单一型号和多种型号的带阻尼孔套塞件之间的组合来实现阻尼性能的调整，不需要应用的套塞安装孔，可利用无阻尼孔套塞件进行密塞。

本发明所涉及结构和方法简单，实现了孔隙式粘滞阻尼器减振（震）效果的最优化和快速设计：仅需要更换个数和型号，对无轴向间隙活塞上无阻尼孔套塞件或有阻尼孔套塞件进行配置，即可让同款孔隙式粘滞阻尼器实现不同阻尼性能。依此法进行孔隙式粘滞阻尼器的开发，加工，实验工作，可大大提高效率和减少物力成本，其经济效益和社会效益十分显著。

该阻尼器套塞式结构与快速设计方法，是通过更换阻尼套塞件与无轴向间隙外活塞的配合，来实现阻尼器的阻尼参数变换，能有效提高阻尼器的设计效率和实验效率，从而满足阻尼器目标参数和性能要求；同时阻尼套塞件体积小，方便阻尼孔的加工，可以实现复杂的阻尼孔流道，技术容易实现，且质量有保障；无轴向间隙外活塞上配多个套塞安装孔，容易实现带阻尼孔套塞件和无阻尼孔套塞件数量上的合理搭配。本发明有助于阻尼器开发效率的提高，减小阻尼器全套零件的加工和工艺上的浪费，快速实现多种型号阻尼器的设计。

附图说明

图1是本发明的一种可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器的无轴向间隙活塞结构的径向剖面示意图；

图2是本发明的一种可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器的结构示意图；

图3是本发明的带阻尼孔套塞件结构示意图，端部开有扳手槽；

图4是本发明的无阻尼孔套塞件结构示意图，端部开有扳手槽；

图5是本发明的带阻尼孔套塞件的各种阻尼孔类型，其中，（a）直孔；（b）直线渐扩孔；（c）弧形缩放孔；（d）直线缩放孔；（e）S形阻尼孔；（f）X形孔； 

图6是本发明的无轴向间隙活塞上进行带阻尼孔套塞件与无阻尼孔套塞件配置实施例一：该活塞加工有6个套塞安装孔，其中1个套塞安装孔装有带阻尼孔套塞件，另外5个套塞安装孔装用无阻尼孔套塞件进行密塞；

图7是本发明的无轴向间隙活塞上进行带阻尼孔套塞件与无阻尼孔套塞件配置实施例二：该活塞加工有6个套塞安装孔，其中2个套塞安装孔装有带阻尼孔套塞件，另外4个套塞安装孔装用无阻尼孔套塞件进行密塞；

图8是本发明的无轴向间隙活塞上进行带阻尼孔套塞件与无阻尼孔套塞件配置实施例三：该活塞加工有6个套塞安装孔，其中3个套塞安装孔装有带阻尼孔套塞件，另外3个套塞安装孔装用无阻尼孔套塞件进行密塞；

图9是套塞式粘滞阻尼器的安装示意图。

图中：

１、缸体；  ２、无轴向间隙活塞；  ３、带阻尼孔套塞件；  ４、活塞导杆；５、无阻尼孔套塞件；  ６、套塞安装孔；     7、端盖；     8、连接附耳；9、紧固环；  10、紧固螺孔；        11、阻尼介质；        12、密封挡圈；13、金属导向带； 14、联接支座；  15、套塞式粘滞阻尼器； 16、销轴。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1和图2所示，本实施方式的可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器，包括缸体1、无轴向间隙活塞2、带阻尼孔套塞件3、活塞导杆4、无阻尼孔套塞件5、套塞安装孔6、端盖7、连接附耳8、紧固环9、紧固螺孔10、阻尼介质11、密封挡圈12、金属导向带13和其他多重密封与紧固措施。

缸体1两端用带紧固螺孔10的端盖7密封、用紧固环9密封加固、其内空间处填充阻尼介质11；无轴向间隙活塞2位于缸体1内，其轴向端面设有套塞安装孔6，其径向外表面配置有密封挡圈12和起导向作用的金属导向带13；活塞导杆4一端连接无轴向间隙活塞2、另一端伸出缸体1外与连接附耳8相联；带阻尼孔套塞件3和无阻尼孔套塞件5安装在套塞安装孔6内，带阻尼孔套塞件3的轴心设有阻尼孔。

所述套塞安装孔6带有内螺纹，所述带阻尼孔套塞件3或无阻尼孔套塞件5带有相应的外螺纹、安装在套塞安装孔6内。阻尼孔的孔径和长短根据实际需要加工成不同的型号。所述阻尼孔的类型有直孔、S形孔、渐扩孔、缩放孔和X形孔。根据阻尼参数的需要，确定带阻尼孔套塞件或无阻尼孔套塞件的个数、尺寸或相应孔型。所述带阻尼套塞件3或无阻尼孔套塞件5的端部设有用于装配旋紧的扳手槽。

优选地，无轴向间隙活塞2加工有六个套塞安装孔6，其中二个套塞安装孔装有带阻尼孔套塞件3，对称布置；另外四个套塞安装孔装用无阻尼孔套塞件5进行密塞。套塞件通过螺纹联接，带阻尼孔套塞件和无阻尼孔套塞件两端加工有扳手槽，利用扳手槽可拧紧。

无轴向间隙活塞2通过螺纹联接两侧的活塞导杆4，无轴向间隙活塞2的径向外表面配置有金属导向带13，当无轴向间隙活塞2在缸体1内进行往复运动时起导向作用；同时无轴向间隙活塞2的径向外表面配置有密封挡圈12，保证在无轴向间隙活塞2在缸体1内进行往复运动时起导向作用时无轴向间隙活塞2与缸体1接触面上无漏油和泄压。

无轴向间隙活塞2和活塞导杆4组合与缸体1装配后，缸体1内空间处填充阻尼介质11，待消除空泡和介质充满后，在缸体1两端用端盖7密封，用紧固环9进行密封加固。

完成以上工作，可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器15的主体结构基本完成，所述套塞式粘滞阻尼器两端再装配好联接附耳8便装配完毕，通过连接附耳8进行销轴16固定，所述套塞式粘滞阻尼器即可安装至工程结构的联接支座14，发挥减振（震）功能。

可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器的设计方法，是这样实现的：一、在所述套塞式粘滞阻尼器其他零部件及其参数确定的情况下，利用无轴向间隙活塞上配置的多个套塞安装孔，根据设计目标确定的阻尼参数选择相应尺寸或者孔型的带阻尼孔套塞件，带阻尼孔套塞件选用不同孔型，如图5所示的（a）~（f）所示的六种不同孔型中的一种，确定个数，形成一个带阻尼孔套塞件组合；二、把选定好的上述带阻尼孔套塞件组合对应安装到无轴向间隙活塞上的套塞安装孔中或者对已在套塞安装孔中的带阻尼孔套塞件进行更换；三、把不需要应用的套塞安装孔用无阻尼孔套塞件进行密塞，完成所述套塞式粘滞阻尼器的设计；四、为了满足不同的设计目标和阻尼性能，利用套塞件的可更换性，可以进行同种孔型的选择或者进行多种孔型之间的搭配应用，可以实现阻尼性能的变参，满足不同设计要求；改变阻尼参数，重复以上步骤，形成新的带阻尼孔套塞件组合，实现对阻尼性能的调整，实现阻尼变参数，完成改变参数后所述套塞式粘滞阻尼器的设计。

依此法进行孔隙式粘滞阻尼器的开发，加工，实验工作，可大大提高效率和减少物力成本。

图6是本发明专利的无轴向间隙活塞上进行带阻尼孔套塞件与无阻尼孔套塞件配置实施例一：该活塞加工有6个套塞安装孔，其中1个套塞安装孔装有带阻尼孔套塞件，另外5个套塞安装孔装用无阻尼孔套塞件进行密塞。

图7是本发明专利的无轴向间隙活塞上进行带阻尼孔套塞件与无阻尼孔套塞件配置实施例二：该活塞加工有6个套塞安装孔，其中2个套塞安装孔装有带阻尼孔套塞件，另外4个套塞安装孔装用无阻尼孔套塞件进行密塞。

图8是本发明专利的无轴向间隙活塞上进行带阻尼孔套塞件与无阻尼孔套塞件配置实施例三：该活塞加工有6个套塞安装孔，其中3个套塞安装孔装有带阻尼孔套塞件，另外3个套塞安装孔装用无阻尼孔套塞件进行密塞。

从以上对实施方式的描述中可知，本发明的一种可实现阻尼变参数的套塞式粘滞阻尼器及快速设计方法能无需要重新设计和加工整套阻尼器零部件的前提下，就可以满足不同的设计目标和性能要求。阻尼器的开发涉及设计、加工和实验工作，依照该发明专利即可大大提高效率和减少物力成本，其经济效益和社会效益十分显著。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。