CN115288003B - 一种液体弹簧调谐质量阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液体弹簧调谐质量阻尼器，涉及低频结构减振技术领域，包含调谐质量块、用于存储液体的水箱；所述水箱能固定于被控结构；所述调谐质量块能漂浮于所述液体并相对所述液体的液面上下运动；所述调谐质量块上设置有通孔结构；所述液体能流经所述通孔结构。由于没有机械弹簧和阻尼器，本液体弹簧调谐质量阻尼器结构简单，维护性能好，成本低，安装时占用空间小。
Description
技术领域
本发明涉及低频结构减振技术领域，特别是一种液体弹簧调谐质量阻尼器。
背景技术
随着大跨度桥梁结构的飞速发展，许多桥梁的竖向基频已小于0.10Hz。而大跨度桥梁结构高柔、轻质以及低阻尼的动力特点，使其在风、车辆或地震荷载下产生显著竖向位移。同时，海洋工程中的大型漂浮结构也在快速建设，例如浮式风机、海洋平台等，这些结构在风浪流荷载下也会发生低频的竖向垂荡，影响工作性能。
调谐质量阻尼器是控制大型结构竖向振动的最常用手段之一，目前现有调谐质量阻尼器通过将机械弹簧和质量块所形成振子系统的自振频率调节到与被控结构的自振频率一致，使得被控结构振动能量向质量块传输，再通过质量块与被控结构之间设置的高压油液型、电涡流型、摩擦型等不同类型的阻尼器进行结构能量消耗，以达耗能减振目的。
但现有的机械弹簧和阻尼器的结构以及安装都较为很复杂，成本也很高；且目前用于控制低频结构的传统调谐质量阻尼器中机械弹簧既要提供回复力，又要承担配重组件的重力，其静伸长量很大，安装时常出现安装空间不足的情况；因此研发性能卓越、造价低廉、结构简单的新型阻尼装置一直是近年来工程领域的研究前沿。
发明内容
本发明的目的在于：解决现有调谐质量阻尼器因为包含机械弹簧和阻尼器而结构复杂，成本高的问题，提供了一种液体弹簧调谐质量阻尼器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种液体弹簧调谐质量阻尼器，包含调谐质量块、还包含用于存储液体的水箱；所述水箱能固定于被控结构；所述调谐质量块能漂浮于所述液体并相对所述液体的液面上下运动；所述调谐质量块上设置有通孔结构；所述液体能流经所述通孔结构。
需要注意的是，在未指定参考的情况下，上下方向和竖直方向指垂直于水平面的方向，以指向地心为下。
在水箱中加注液体后将其固定于被控结构上，则被控结构竖向振动时，水箱会和被控结构一起竖向运动；当水箱向上运动，调谐质量块由于惯性相对水箱向下运动，即调谐质量块相对液体液面向下运动，由于调谐质量块浸没于水中的体积增大，其受到的浮力也增大，该增大的浮力驱使调谐质量块向上运动，相对应的，浮力的反作用力也增大并指向下方，抑制被控结构向上的振幅；同理当水箱向下运动，调谐质量块所受浮力会减小且驱使调谐块向下运动，相对应的，浮力的反作用力也增大并指向上方，抑制被控结构向下的振幅；因此，总是驱使调谐质量块回到平衡的位置的浮力及其反作用力起到了现有调谐质量阻尼器中机械弹簧的作用，即本方案通过液体和调谐质量块组成的液体弹簧替代了机械弹簧。
而当调谐质量块相对液体液面上下运动，一部分液体会在通孔结构中流动，并产生和孔壁发生粘性滑动，产生粘滞阻力；通过粘滞阻力的做功，液体的动能转换为热能，从而使振动的机械能量耗散；因此，液体和通孔结构之间的粘性滑动起到了现有调谐质量阻尼器中阻尼器的作用。
相比于现有的调谐质量阻尼器，本方案由于不含机械弹簧和阻尼器，结构简单，维护性能好，成本也更加低廉；且由于不含机械弹簧，本方案不存在机械弹簧巨大的静伸长量，从而在安装时占用的空间更小。
所述调谐质量块可采用密度小于水的材料以漂浮于水面，也可以采用密度大于水的材料，通过设置空腔以漂浮于水面。
调谐质量块在其行程内向上运动时不宜脱离液体，向下运动是不宜碰撞水箱底部；可以通过调整液体液面高度、调整调谐质量块吃水深度或增加限位装置来确保调谐质量块不会出现脱离液体或碰撞水箱底部的情况。
所述水箱应足够高，防止调谐质量块在向上运动时意外从水箱中翻出；所述水箱的高度还应考虑调谐质量块向下运动时引起的水位上升。
所述通孔结构截面可以是各种形状，如圆形、方形、菱形；所述通孔结构截面也可以是变截面，如从通孔一端至另一端截面积逐渐缩小；所述通孔结构可以是直线孔，也可以存在弯曲段；所述通孔结构轴线可以垂直于水平面，也可以不垂直于水平面；所述通孔结构内壁可以是平整光滑的，也可以是粗糙不平的。
作为本发明的优选方案，所述调谐质量块底部连接有栅格结构作为所述通孔结构。
本方案以连接于调谐质量块的栅格结构作为通孔结构，栅格结构可以单独加工，减小了通孔结构的加工难度，有利于加工出更多的、形状更复杂的通孔，有助于提升栅格结构能产生的粘滞阻力，从而增大整个系统的阻尼，更有效的将振动的能量耗散。
栅格结构和调谐质量块底面之间可以设置间隙防止栅格结构上的通孔一端被调谐质量块底面堵死；且栅格结构和调谐质量块底面之间的间隙不宜过小，从而导致间隙处液体流动速度过低。
所述栅格结构可以是栅格舵式的构造，但各参数如栅格壁截面形状、栅格间距、弦长应按增大阻力的方向调整；所述栅格结构也可以是板状零件，其上分布有复数通孔；所述栅格结构可以通过螺纹连接件连接于调谐质量块。
作为本发明的优选方案，所述栅格结构层数大于一；各所述栅格结构在所述调谐质量块底部竖向间隔分布。
本方案设置多层栅格结构，可以进一步增加总粘滞阻力，从而增大整个系统的阻尼，更有效的将振动的能量耗散。
而各栅格结构在调谐质量块底部竖向间隔分布，相比于各栅格结构平铺于调谐质量块底面的布置能够节省安装体积，使调谐质量块和水箱不需要为了配合增多的栅格结构而做得过大。
各栅格结构上的通孔结构可以对齐，也可以相互错开。
作为本发明的优选方案，还包含直线引导机构；所述直线引导机构限制所述调谐质量块只能相对所述液体的液面上下浮动。
本方案通过消除调谐质量块上下移动以外的其它所有自由度，防止调谐质量块在运动中装向水箱，导致水箱破坏或受损；同时本方案还能保持调谐质量块相对液体液面的姿态恒定不发生倾斜，从而避免调谐质量块所受浮力变化不规律导致自振频率变化，并降低减振效果的情形。
所述直线引导机构可以是安装于调谐质量块上的滑轮，也可以是分别安装于调谐质量块和水箱的导轨与滑块组成的滑块机构。
作为本发明的优选方案，所述直线引导机构是安装于所述调谐质量块的滑轮机构。
滑轮机构简单可靠，成本低，运动时不易卡死；且滑轮机构不易划伤水箱内壁，从而防止潜在的裂纹生长，有助于延长本液体弹簧调谐质量阻尼器的使用寿命。同时滑轮机构对其行走表面的表面质量和平面度要求不高，可以减小水箱的加工难度。
作为本发明的优选方案，所述限位结构在其行程末端设置有限位结构。
通过增加限位结构，能防止调谐质量块振幅超出预料时碰撞水箱底部或冲出水箱。
所述限位结构可以直接加工于所述水箱，也可以是连接于所述水箱的独立零件；所述限位结构可以是简单的凸块，也可以加装弹簧、减振器以对调谐质量块进行缓冲。
作为本发明的优选方案，所述调谐质量块的重心处于其下半部分。
通过降低调谐质量块的重心，减小本液体弹簧调谐质量阻尼器工作中整体翻倒的可能。
可以通过设置空腔的方式调整重心，如在调谐质量块上半部分设置的空腔容积大于下半部分；也可以通过在调谐质量块下半部分增加大密度材料的方式调整重心，如在塑料调谐质量块下半部分内置钢制构件。
作为本发明的优选方案，所述液体为水。
水的成本低，易获得，能减少本液体弹簧调谐质量阻尼器的成本；且水的比热容高，能保证本液体弹簧调谐质量阻尼器在各种温度下减振效果稳定。
作为本发明的优选方案，所述所述液体为阻尼油。
阻尼油的粘滞性高，在流过栅格结构时能产生更大的粘滞阻力，从而更有效的将质量块的动能转换为热能，完成能量耗散，抑制振动。
一种液体弹簧调谐质量阻尼器的设计方法，包含以下步骤：
S1、根据被控结构的质量M拟定调谐质量块的质量mT，并得到所述调谐质量块的质量mT和被所述控结构质量M的质量比μ；根据所述质量比μ计算最优调谐频率比fopt和最优阻尼比ξopt；拟定液体的组分，并得到液体的密度ρ；
S2、根据下列公式计算所述调谐质量块在水平面的横截面积A：
式中ω为被控结构的自振频率；g为重力加速度；
S3、根据所述调谐质量块的质量mT和所述调谐质量块在水平面的横截面积A制作包含通孔结构的所述调谐质量块并对其进行试验以获得其产生的阻尼比ξ；根据实验获得的所述阻尼比ζ和所述最优阻尼比ξopt调整所述通孔结构的数量、尺寸、形状和分布位置。
在S1中mT越大，减振效果越好，但不宜过大从而导致成本增大，设计和制造困难。
在S1中fopt和ξopt的计算可参考如下公式：
在S1中，当需要减小成本，或被控结构振动的总能量较小时，可以使用水作为液体，相反若需要更强的减振效果而对成本不敏感，可以使用阻尼油作为液体。
在S2中，由于对于低频结构的振动控制，本液体弹簧调谐质量阻尼器的自振频率公式可写作如下：
式中ωT为本液体弹簧调谐质量阻尼器的自振频率，ρ为液体的密度，g为重力加速度，A为调谐质量块在水平面的截面积，mT为调谐质量块的质量。
因此通过S2种公式可计算出能使本液体弹簧调谐质量阻尼器自振频率ωT等于ωfopt的调谐质量块在水平面的截面积A。
在S3中设计通孔结构时，可通过实验确定通孔结构和液体发生粘性滑动造成的阻尼比数值，并通过修改通孔数量、形状和大小的方式调整阻尼比至等于ξopt。
本设计方法能够设计出自振频率ωT等于ωfopt，且阻尼比ξ等于ξopt的液体弹簧调谐质量阻尼器，从而以更高的效率将被控结构的能量传递到本液体弹簧调谐质量阻尼器并将振动的机械能转变为热能。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、以调谐质量块、水箱和液体间的相互作用代替机械弹簧，以液体和通孔结构的相互作用代替阻尼器，在拥有为大型结构如桥梁减振能力的同时，结构简单，成本低；且由于结构简单，维护性能也更好。
2、由于没有机械弹簧，本液体弹簧调谐质量阻尼器在安装时不需要考虑用于控制低频振动的机械弹簧较大的静伸长量，从而解决现有技术方案在被控结构内部安装空间不足的问题。
附图说明
图1是实施例1的液体弹簧调谐质量阻尼器的立体结构示意图；
图2是实施例1的液体弹簧调谐质量阻尼器的剖面示意图；
图3是实施例2的液体弹簧调谐质量阻尼器的立体结构示意图；
图4是实施例2的液体弹簧调谐质量阻尼器的剖面示意图；
图标：1-调谐质量块；2-水箱；3-液体；4-直线引导机构；11-通孔结构；12-栅格结构；41-限位结构。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1～2所示，本发明所采用的一种液体弹簧调谐质量阻尼器，包含调谐质量块1和水箱2；水箱2中存储有液体3；调谐质量块1漂浮于液体3；调谐质量块1各侧壁上安装有直线引导机构4；各直线引导机构4抵于水箱2的内壁，使调谐质量块1只能相对液体3的水平面上下浮动；调谐质量块1在水平面以下的部分有形状类似倒T形的结构，且在倒T形结构底面分布有复数个方形通孔结构11。
调谐质量块1的上半部分还设置有空腔，使调谐质量块1的重心降低至其高度的一半以下，从而减少本液体弹簧调谐质量阻尼器在运行过程中翻覆的可能性。
当需要为被控结构减振时，如需要为桥梁减振时，将本液体弹簧调谐质量阻尼器固定于桥梁上，如桥墩、桥面即可。当被控结构发生振动，本液体弹簧调谐质量阻尼器通过调谐质量块1的上下浮动抑制被控结构振幅，并通过液体3和通孔结构11的相互作用耗散振动能量。
在本实施例中的液体3为水，直线引导机构4为滑轮。
当需要继续增大本液体弹簧调谐质量阻尼器的阻尼时，可以将水更换为阻尼油。
需要注意的是，调谐质量块1在水平面以下的部分有形状类似倒T形的结构，是为了方便通孔结构11的机加工，但在加工设备允许的情况下也可以做成其它形状，如倒п形；同样，通孔结构11也可以是方形以外的形状，如圆形、菱形。
实施例2
如图3～4所示，本发明所采用的一种液体弹簧调谐质量阻尼器，包含调谐质量块1和水箱2；水箱2中存储有液体3；调谐质量块1漂浮于液体3；调谐质量块1各侧壁上安装有直线引导机构4；各直线引导机构4抵于水箱2的内壁，使调谐质量块1只能相对液体3的水平面上下浮动；调谐质量块1在水平面以下的部分有柱状结构；两个栅格结构12通过螺钉一上一下连接于调谐质量块1上的柱状结构；各栅格结构12上分布有复数个方形通孔结构11；各栅格结构12之间、栅格结构12与调谐质量块1的底面之间有间隙，以防止液体流动速度过低。
调谐质量块1的上半部分还设置有空腔，使调谐质量块1的重心降低至其高度的一半以下，从而减少本液体弹簧调谐质量阻尼器在运行过程中翻覆的可能性。
当需要为被控结构减振时，如需要为桥梁减振时，将本液体弹簧调谐质量阻尼器固定于桥梁，如桥梁箱室内。当被控结构发生振动，本液体弹簧调谐质量阻尼器通过调谐质量块1的上下浮动抑制被控结构振幅，并通过液体3和通孔结构11的相互作用耗散振动能量。
在本实施例中的液体3为水，直线引导机构4可以是滑轮机构或滑轨机构，水箱2内壁可设置对应直线引导机构4的凹槽或轨道。
当需要继续增大本液体弹簧调谐质量阻尼器的阻尼时，可以将水更换为阻尼油，也可以增加栅格结构12的数目。
需要注意的是，调谐质量块1在水平面以下的柱状结构是为了方便其上安装的各栅格结构12能统一外形的一种设计，若栅格结构12设计不同，也可以是其它形状，如当栅格结构12一端设置凸台，一端设置凹槽，各栅格结构12之间可首尾相连，则调谐质量块1只需要设置与直接与其相连的栅格结构12对应的连接结构。
实施例3
在实施例1～2的基础上，其各结构的设计步骤是：
第一步：获得被控结构的质量M和自振频率ω，并取调谐质量块1的质量mT为被控质量M的5％，则调谐质量块1的质量mT和被控结构质量M的质量比μ为0.05；
根据下列公式计算得出最优调谐频率比fopt和最优阻尼比ξopt；
则当本液体弹簧调谐质量阻尼器的自振频率ωT等于ωfopt，且阻尼比ξ等于
ξopt时，本液体弹簧调谐质量阻尼器的减振效果最佳。
对于本实施例，选择水作为液体3，则得到液体3的密度ρ为水的密度；
第二步：根据下列公式计算得出能使本液体弹簧调谐质量阻尼器的自振频率ωT等于ωfopt的调谐质量块1在水平面的横截面积A；
式中g为重力加速度。
第三步：根据调谐质量块1的质量mT、调谐质量块1在水平面的横截面积A制造调谐质量块1的实物，并在其底部如实施例1加工通孔结构11，或如实施例2安装包含通孔结构11的栅格结构12；通过实验获得本液体弹簧调谐质量阻尼器阻尼比ξ的值，并通过修改通孔数量、形状和大小的方式调整阻尼比等于ξopt；
完成以上三个步骤后，本液体弹簧调谐质量阻尼器对其自振频率ωT、阻尼比ξ的起主要决定作用的结构及参数均已确定，其余结构及其参数对自振频率ωT和阻尼比ξ影响较小，只要能满足本液体弹簧调谐质量阻尼器的使用需求，没有特别的限制和顺序。如对于水箱2，只要应足够高，防止调谐质量块1在向上运动时意外从水箱中翻出，且能灌注水位足够高的液体3，防止调谐质量块1向下运动时碰撞水箱2底部即可。
其他附加结构如直线引导机构4、限位结构41可根据具体功能需求添加。
需要注意的是，调谐质量块1的质量mT一般为被控质量M的0.5％～5％，本实施例出于减振效果的考虑取5％，但若有进一步增强减振效果的需求，也可以取更大值。
实施例4
如图3～4所示，在实施例1～3的基础上，水箱2的内壁还设置有和直线引导机构4匹配的滑槽；滑槽上端设置有限位结构41防止调谐质量块1向上运动时脱离水体，滑槽下端和水箱2底部有间距以防止调谐质量块1向下运动时碰撞水箱2底部。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种液体弹簧调谐质量阻尼器，包含调谐质量块(1)、其特征在于，还包含用于存储液体(3)的水箱(2)；所述水箱(2)能固定于被控结构；所述调谐质量块(1)能漂浮于所述液体(3)并相对所述液体(3)的液面上下运动，从而改变所述调谐质量块(1)所受到的浮力，进而改变所述水箱(2)所受到的反作用力并削减所述水箱(2)的振动；所述调谐质量块(1)上设置有通孔结构(11)；所述液体(3)能流经所述通孔结构(11)；所述调谐质量块(1)底部连接有栅格结构(12)作为所述通孔结构(11)。
2.根据权利要求1所述的一种液体弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，所述栅格结构(12)层数大于一；各所述栅格结构(12)在所述调谐质量块(1)底部竖向间隔分布。
3.根据权利要求1所述的一种液体弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，还包含直线引导机构(4)；所述直线引导机构(4)限制所述调谐质量块(1)只能相对所述液体(3)的液面上下浮动。
4.根据权利要求3所述的一种液体弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，所述直线引导机构(4)是安装于所述调谐质量块(1)的滑轮机构。
5.根据权利要求3所述的一种液体弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，所述直线引导机构(4)在其行程末端设置有限位结构(41)。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的一种液体弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，所述调谐质量块(1)的重心处于其下半部分。
7.根据权利要求1至5中任何一项所述的一种液体弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，所述液体(3)为水。
8.根据权利要求1至5中任何一项所述的一种液体弹簧调谐质量阻尼器，其特征在于，所述液体(3)为阻尼油。
9.一种液体弹簧调谐质量阻尼器的设计方法，其特征在于，应用于如权利要求1至8中任何一项所述的一种液体弹簧调谐质量阻尼器，包含以下步骤：
S1、根据被控结构的质量M拟定调谐质量块(1)的质量mT，并得到所述调谐质量块(1)的质量mT和被所述被控结构质量M的质量比μ；根据所述质量比μ计算最优调谐频率比fopt和最优阻尼比ξopt；拟定液体(3)的组分，并得到液体(3)的密度ρ；
S2、根据下列公式计算所述调谐质量块(1)在水平面的横截面积A：
式中ω为被控结构的自振频率；g为重力加速度；
S3、根据所述调谐质量块(1)的质量mT和所述调谐质量块(1)在水平面的横截面积A制作包含通孔结构(11)的所述调谐质量块(1)并对其进行试验以获得其产生的阻尼比ξ；根据实验获得的所述阻尼比ζ和所述最优阻尼比ξopt调整所述通孔结构(11)的数量、尺寸、形状和分布位置。
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