专利名称：阻尼装置及设定该阻尼装置中阻尼体特征频率的方法
技术领域：
本发明涉及一种安装在如悬索桥塔架部分、高层建筑物、塔或塔门等结构顶部的阻尼装置，以抑制和早期减弱结构由于风载或地震产生的摆动或振动，本发明还涉及设定该阻尼装置中阻尼体特征频率的方法。
背景技术：
在这种传统的阻尼装置中，如图1示意性所示，导轨2平行于结构1的摆动方向安装在结构1的顶面上，阻尼体或重物3通过可沿导轨2水平移动的轮子4支承在导轨2上。在结构1上沿阻尼体3运动方向的一侧安装有支架5，在阻尼体3的端面和支架5之间设有衰减器或阻尼器6用以衰减阻尼体3的动能，并设有弹簧7用以调节阻尼体3的特征频率。当结构1发生摆动时，其振荡能传输到阻尼体3，阻尼体3比结构1的摆动延迟90°相位在导轨2上作往复运动。接着，阻尼体3的动能被衰减器6衰减以抑制结构1的摆动。
然而，这种阻尼装置的问题在于，必须选择阻尼体3的质量、移动行程和/或类似的参数以提供结构1的最佳阻尼效果，且阻尼体3的特征频率必须与结构1的特征频率匹配，这些参数的调整很难进行。
更具体地，在上述阻尼装置中，阻尼体3的特征频率F0由以下等式给定F0＝(k/m)1/2而衰减系数μ由以下等式给定μ＝c/{2(mk)1/2}
其中，m是阻尼体3的质量，k是特征频率调整弹簧7的弹簧常数，而c是用来使阻尼体3的振荡衰减的衰减器6的衰减力或控制力。当要改变阻尼体3的特征频率F0时，可以将弹簧7的弹簧常数从k变为k1，从而使特征频率变为F0′＝(k1/m)1/2。k到k1的这种变化可以通过改变弹簧7的力来进行，这又可能需要调节弹簧的位移量。然而，弹簧常数从k变为k1伴有弹簧7的伸长/缩短行程的变化，这又会限制阻尼体3的移动，导致阻尼效果的下降。因此，具体地，具有较低特征频率的结构1会对弹簧7产生机械约束。比如，当要将弹簧7的伸长/缩短行程设置为100毫米时，弹簧7的长度通常需要为伸长/缩短行程的五倍而达到500毫米，从而引起安装整个阻尼装置所需的二维空间增加的问题。
已经提出了一种能够设置阻尼体的特征频率而不会对弹簧造成机械约束的阻尼装置，如在图2中示意性示出的阻尼装置，其中具有曲率半径为R的拱形底部的阻尼体8支承在相互隔开地布置于结构1的两个支承滚轮9上，从而使自由振荡能够变为简谐振荡，或者如图3中示意性示出的阻尼装置，其中阻尼体10具有角度为θ的V形底部，阻尼质量类似于支承在结构1顶面的两个支承滚轮9上的单摆，阻尼体10能够进行自由振荡。
然而，这些简谐振动型阻尼装置的问题是阻尼体8的曲率半径R或阻尼体10的角度θ一旦确定之后就很难调整特征频率。
而且，如上面所提到的，当要改变阻尼体3的特征频率F0时，可以通过将弹簧7的弹簧常数从k变为k1而使特征频率变为F0′＝(k1/m)1/2。在这点上，由于结构1的实际特征频率不一定与所设计的一样，所以需要准备若干个具有不同弹簧常数的弹簧7，从而能够从中选择一个特征频率与结构1一致的弹簧7；而且每当需要根据结构1的特征频率变化来调节阻尼体3的特征频率时，必须用一个具有相应弹簧常数的弹簧来代替弹簧7。
作为一种能够设置和调节阻尼体的特征频率且与弹簧的弹簧常数无关的阻尼装置，已经提出了如图4示意性所示的阻尼装置，其中具有V形底部的阻尼体10通过垫板10a支承在两个支承滚轮9上，支承滚轮9又以相互隔开的关系布置在结构1上，从而使阻尼体10可类似于单摆作自由振荡。在这种阻尼装置中，需要用不同厚度的垫板替换垫板10a来调节阻尼体10的特征频率，而这种更换工作十分麻烦，因为在现场需要有大型设备和机具如液压千斤顶、手扳葫芦和/或链条葫芦。
因此，本发明的第一个目的是要提供一种阻尼装置，包括可水平往复运动的阻尼体和一个或多个调节阻尼体特征频率的弹簧，这种阻尼装置使得阻尼体的运动不会受到限制，即使所述一个或多个弹簧的弹簧常数和/或伸长/缩短行程变化。
本发明的第二个目的是要提供一种设置阻尼装置中阻尼体特征频率的方法，所述阻尼装置包括可水平往复运动的阻尼体和一个或多个用来调节阻尼体特征频率的弹簧，这种方法能够容易地设置和调节阻尼体的特征频率。
发明内容
为了实现上述第一个目的，根据本发明，阻尼体可水平移动地支承在结构上，一个或多个特征频率调整弹簧安装在所述阻尼体和所述结构之间，因此可沿竖直方向施加伸长/缩短力。
由于所述弹簧是竖向布置的，所以每个弹簧在阻尼体水平移动时绕其支承点作往复运动。这样可减小所述弹簧的要求伸长量且不会限制阻尼体的移动。因此，通过改变所述一个或多个弹簧的弹簧常数和/或伸长/缩短行程能够容易地调节阻尼体的特征频率。
提出一种被动型装置，阻尼体可水平移动地支承在结构上，用来减弱阻尼体移动力的衰减器和一个或多个用来沿竖直方向施加伸长/缩短力的特征频率调整弹簧装配在所述阻尼体和所述结构之间。提出一种主动型装置，阻尼体可水平移动地支承在结构上，用来使阻尼体作往复运动的致动器和一个或多个用来沿竖直方向施加伸长/缩短力的特征频率调整弹簧装配在所述阻尼体和所述结构之间。
作为装配在阻尼体和结构之间施加竖向伸长/缩短力的特征频率调整弹簧的替代方式，可以将一个或多个特征频率调整弹簧装配在阻尼体和固定构件之间，固定构件安装在结构上，使得所特征频率调节弹簧的位置高于阻尼体的位置，这样也不会限制阻尼体的移动。
一种整体构造方式由若干个阻尼单元构成，每个阻尼单元包括阻尼体、衰减器和一个或多个特征频率调整弹簧，所述阻尼体可水平移动地支承在支座上，所述衰减器用来减弱阻尼体的移动力，所述特征频率调整弹簧沿竖直方向施加伸长/缩短力，所述衰减器和所述弹簧装配在阻尼体和支座之间，阻尼单元相互堆叠在结构上，使得相应的阻尼体可以相互正交移动，且上阻尼单元堆叠在下阻尼单元的上面；作为可选择的方案，一种整体构造方式由若干个阻尼单元构成，每个阻尼单元包括阻尼体、致动器和一个或多个特征频率调整弹簧，所述阻尼体可水平移动地支承在支座上，所述致动器用来使阻尼体作往复运动，所述特征频率调整弹簧沿竖直方向施加伸长/缩短力，所述致动器和所述弹簧装配在阻尼体和支座之间，阻尼单元相互堆叠在结构上，使得相应的阻尼体可以相互正交移动，且上阻尼单元堆叠在下阻尼单元的上面。即使所述结构沿任一方向产生水平振荡，这种整体构造方式都可以减弱结构的振荡。
阻尼体的移动可由直线导向机构进行导向以减少阻尼体在移动时产生的噪音。
为了实现上述第二个目的，根据本发明，一个或多个弹性结构体装配在结构和阻尼体之间，阻尼体支承在结构上可作水平往复运动，且可施加竖直方向的张力，通过调整所述一个或多个弹性结构体的初始张力来设置阻尼体的特征频率。
可任意调节竖向布置的弹性结构体本身的初始张力。因此，能够容易地设置阻尼体的特征频率。
所述每个弹性结构体包括弹簧和长度可变化调整的连接杆，通过改变连接杆的长度来调节初始张力。作为可选择的方案，所述每个弹性结构体可以包括弹簧和连接杆，连接杆远离弹簧的一端连接在支承板上，所述支承板通过枢轴搭接到固定于阻尼体或结构的支托上，因此通过改变支承板和支托之间的连接位置来调节初始张力。因此，阻尼体的特征频率能够设置为与所述结构的特征频率匹配的最佳值。
图1是传统阻尼装置的示意图；图2是另一种传统阻尼装置的示意图；图3是又一种传统阻尼装置的示意图；图4是另外一种传统阻尼装置的示意图；图5示出了根据本发明的阻尼装置的基本结构，其中图5a是示意性侧视图，而图5b是沿图5a中箭头A方向的视图；图6示出了图5a和5b的基本结构的改进形式，其中图6a是示意性侧视图，而图6b是沿图6a中箭头B方向的视图；图7示出了根据本发明的阻尼装置的一个实施例，其中图7a和7b分别是侧视图和平面图；图8示出了根据本发明的阻尼装置的另一个实施例，其中图8a是局部剖视的侧视图，而图8b是沿图8a中箭头C方向的视图；图9是图7和8所示阻尼装置实施例的改进形式的示意图；图10是根据本发明的阻尼装置的还有一个实施例的示意图；图11是图10所示实施例的改进形式的示意图；图12是根据本发明的阻尼装置的还有一个实施例的示意性侧视图；图13是图12所示实施例的局部剖视示意性平面图；图14是根据本发明的阻尼装置的另外一个实施例的示意性侧视图；图15是图14所示实施例的局部剖视示意性平面图；图16示出了传统的主动型双轴阻尼装置，其中图16a和16b分别是示意性侧视图和前视图；图17示出了特征频率调整弹簧的其它调整方法的实施例，其中图17a和17b是在不同结构上的示意图；图18示出了特征频率调整弹簧的其它实施例，其中图18a和18b分别是使用螺旋压簧和锥形盘簧的视图；图19是设定根据本发明的阻尼装置中阻尼体特征频率的实施例的示意图；图20是实施本发明的弹性结构体的一个实施例的示意图；图21是图19和20中所示阻尼体的回复力与阻尼体位移之间的关系的曲线图；图22是图19和20中所示阻尼体的特征频率与螺旋拉簧偏移之间的关系的曲线图；图23是弹性结构体的另一个实施例的示意图；图24是弹性结构体的还有一个实施例的示意图；图25是弹性结构体的另外一个实施例的示意图；图26是弹性结构体的初始张力调整部分的另一个实施例的示意图；和图27是本发明的一种改进形式的示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图来介绍本发明的实施例。
首先，将介绍根据本发明的阻尼装置的一个实施例。
图5a和5b示出了本发明的基本构造。结构1的顶面上安装有支座11，阻尼体或重物3通过导向机构例如沿结构1摆动方向的直线导向机构12可水平移动地支承在支座11上。特征频率调整弹簧13，即所谓的螺旋拉簧沿竖直方向安装在阻尼体3的下表面中心和结构1的顶面之间，阻尼体3的零位处于导向机构的纵向中间位置，因此可以调整弹簧的弹簧常数和/或伸长/缩短行程；或者，如图6a和6b所示，弹簧13不是如图5a和5b那样布置在阻尼体3的下表面中心和结构1的顶面之间，而是用支承壳体14包围支座11和阻尼体3，支承壳体14是固定构件，弹簧13可沿竖直方向安装在阻尼体3的上表面中心和支承壳体14的顶梁14a之间，因而阻尼体3从上面悬挂下来。
图7a和7b示出了根据图5a和5b中所示基本构造的并涉及被动型装置的本发明实施例。具体地，安装在结构1顶面上的是矩形框架形式的支座11。在支座11的两侧沿纵向或结构1的摆动方向(箭头X的方向)设有相互平行的直线导轨12a，阻尼体或重物3通过直线滑块12b可纵向移动地支承在直线导轨12a上。因此，直线导向机构12由直线导轨12a和直线滑块12b构成。衰减器16如油阻尼器分别设置在固定于支座11前后端横向中心的支柱15与阻尼体3沿运动方向的前后端之间。另外，在阻尼体3前后端的横向两侧与支座11下部的对应横向两侧之间分别装配有调节阻尼体3特征频率的特征频率调整弹簧13，当阻尼体3沿纵向处于零位时，弹簧是竖直的。
每个弹簧13的上下端分别由板状的上下支持件17和18固定并支承。在连接弹簧13上端的阻尼体3前后端横向两侧的每侧，两个支架19以横向隔开的关系固定在那里。在阻尼体3的这四个位置，末端带有孔眼20a的杆件20穿过成对的支架19，使得孔眼20a从阻尼体3上侧向突出预定的距离。螺栓21穿过每个杆件20的孔眼20a并由螺母22在竖直方向上可移动地固定，弹簧13的上支持件17通过销钉23连接到螺栓21下端的裂隙21a。在支座11的横向两侧向前及向后离开其纵向中心一定距离的位置安装弹簧13的下端，支承梁24横向穿过支座11并从支座11的侧面突出一定长度。沿阻尼体纵向延伸的支架25安装在支承梁24的每个突出端上。连杆27的下端通过销钉26连接到每个支架25的末端。用于弹簧13的下支持件18的下端通过螺栓28连接到连杆27的上端。
在图7a和7b中，参考数字29代表布置在支座11四角纵向相对的限位件，用以限制阻尼体3的纵向运动。
当这样构造的阻尼装置安装在结构1的顶面时，初始伸长/缩短力施加到每个弹簧13，形成与结构1特征频率匹配的阻尼体3的特征频率。在这种情况下，通过转动螺母22调整在上支持件17附近连接到弹簧13的螺栓21的竖向位置以选择弹簧13的力，从而将弹簧常数和/或伸长/缩短行程设定到期望值。
在上面所提到的状态下，当结构1由于空气动力产生振荡时，其振荡能传输到阻尼体3并转换成使阻尼体3水平移动的动能，这种能量被衰减器16消耗。通过这种间接能量消耗，结构1的振荡被迅速抑制。在这种情况下，通过选择阻尼体3的质量、移动行程和/或特征频率可以得到对结构1的最佳阻尼力。由于特征频率调整弹簧13沿竖直方向安装在阻尼体3和支座11之间，图7a中以双点划线示出的阻尼体3的水平移动使弹簧13因为阻尼体3的运动围绕下支持件18附近的销轴26作往复运动，如图中的单点划线所示，因此向前和向后倾斜伸长的弹簧13当恢复其原始状态时施加水平分力到阻尼体3上。于是，与图1所示传统装置中弹簧7的水平伸长/缩短相比，每个弹簧13只有少量的伸长，因而不会限制阻尼体3的运动。所以，通过利用弹簧13调整阻尼体3的特征频率或者通过调整弹簧13的回复力，可以使阻尼体3能够获得较大的移动行程。因此，即使在结构1具有较低特征频率的情况下，阻尼体3的特征频率也很容易与结构1的特征频率匹配。
在上述构造中，用于引导阻尼体3水平移动的直线导向机构12可设定直线导轨12a与直线滑块12b之间的最小间隙，因此当阻尼体3往复运动时不会产生松动，从而减小所产生的噪音。在此实施例中，使用了四个弹簧13；这样使用多个弹簧13对于具有较大质量的阻尼体3很适合。
图8a和8b示出了涉及主动型阻尼装置的本发明另一个实施例。具体地，在与图7a和7b类似的结构中，没有安装阻尼体3和支座11之间的衰减器16，而是将作为致动器的马达30以及具有机械阻尼器形式的衰减器31，如旋转扭矩、旋转液压或涡流阻尼器，分别布置在支座11纵向两端的横向中间位置。滚珠丝杠33通过接头32布置并连接在马达30的输出轴30a和衰减器31的输入轴31a之间。滚珠丝杠33的两端由支座11的横向延伸辅助梁34上的轴承35可旋转地支承并穿过固定于阻尼体3的螺母36。因此，可驱动马达30使滚珠丝杠33转动，于是阻尼体3与螺母36同步移动。
在此实施例中，为了减小装置的总高度，阻尼体3由阻尼体主体3a和平底基板3b构成，其中用铅制造的阻尼体主体3a具有凹进部分，在其顶部设有沿移动方向的通长凹槽，而平底基板3b用不锈钢制成，其底部安装有阻尼体主体3a。螺母36安装在基板3b底部的中央并且设计成，可使螺母36与滚珠丝杠33的接合位置成为阻尼体3的重心。对于这样构造的阻尼体3，与直线导轨12a接合的直线滑块12b通过装配件37安装到基板3b的下表面，且所用弹簧13的长度比图7a和7b中所示弹簧的长度短。其余构造与图7a和7b所示的相同；其中同样的部件用相同的标号来表示。
在图8a和8b的实施例中，当结构1产生振荡并被振荡探测传感器(未示出)检测到时，根据传感器探测信号的相控位移信号从控制单元(未示出)传送到马达30，于是向前或向后驱动马达30。螺母36接合在由马达30可旋转地驱动的滚珠丝杠33上，结果，阻尼体3与螺母36同步沿纵向作往复运动；阻尼体3的动能被衰减器31消耗掉，因此能够迅速抑制结构1的振荡。于是，与图7a和7b的情况相同，弹簧13倾斜地沿纵向伸长并在恢复原状时施加水平分力到阻尼体3上，因此阻尼体3能够按照结构1的特征频率稳定地作往复运动。
在上述情况下，因弹簧13伸长/缩短产生的回复力能够叠加到阻尼体3作往复运动的回动力上，因此可以减小作为致动器的马达30的驱动力。即使在马达30的供电如因电源故障而停止，使马达30不能进行主动阻尼的情况下，通过被动型阻尼或间接能量消耗也可以抑制结构1的振荡，这是因为衰减器31与马达30同轴布置，使得马达30能够自由地将结构1中产生的振荡能量转变为阻尼体3的水平动能，该水平动能通过螺母36转变为滚珠丝杠33的转动能，转而又被衰减器31消耗掉。当涡流阻尼器被用作衰减器31时，可以调整涡流阻尼器的电流使衰减器31的阻尼特性发生变化。
在图7a和7b以及图8a和8b所示的上述实施例中，为了能够使用较重的阻尼体3，全部四个弹簧13布置在阻尼体3和支座11的前后端的横向两侧之间。图9中示出了一种改进形式，可以使用与图6a和6b所示支承壳体几乎一样的支承壳体14从上面进行悬挂。或者，作为本发明的还有一个实施例，如图10所示在阻尼体3的前后端与结构1之间，或者如图11所示在阻尼体3的前后端与支承壳体14之间，可以倾斜地设置一个或多个前弹簧和后弹簧13，在前后侧之间起到对抗(或对称)作用。
图12和13示出了本发明的另外一个实施例，包括两个独立的阻尼单元38a和38b，如图7a和7b中所示，每个阻尼单元包括支座11，具有矩形框架的形式；直线导向机构12，由支座11横向两侧一对沿纵向相互平行的直线导轨12a以及可滑动地安装在直线导轨12a上的直线滑块12b构成；阻尼体3，通过直线导向机构12可沿纵向移动地支承在支座11上；阻尼体3的特征频率调整弹簧13，沿竖直方向布置在阻尼体3前后端的横向两侧与支座11下部的对应横向两侧之间；和衰减器16，使阻尼体3相对支座11的振荡减弱。两个阻尼单元38a和38b沿竖直方向相互堆叠，使得对应的阻尼体3的运动方向可以互相正交。在上阻尼单元38a的支座11四角的下表面与下阻尼单元38b的支座11的侧向伸出部分40上表面之间设有支柱39，每个支柱39的长度略大于下阻尼单元38b的高度，上阻尼单元38a整体安装在下阻尼单元38b上。
在其它方面，与图7a和7b中所示部件相同的部件用相同的标号来表示。
在使用根据图12和13所示实施例的阻尼装置时，阻尼单元38a和38b安装在结构1上，使得阻尼单元38a和38b的阻尼体3的运动方向与结构1主要产生振荡的两个轴线方向(X方向以及垂直于X方向平面的Y方向)一致。图13示出了上下阻尼单元38a和38b的阻尼体3分别沿X和Y方向移动的情况。
在上面所提到的情况下，当结构1由于空气动力而产生沿X方向的振荡时，其振荡能传输到上阻尼单元38a的阻尼体3并转变为使所述阻尼体3沿X方向移动的动能。该动能由上阻尼单元38a的衰减器16消耗掉，迅速抑制结构1在X方向上的振荡。
另一方面，当结构产生沿Y方向的振荡时，其振荡能传输到下阻尼单元38b的阻尼体3上，并转变为使所述阻尼体3沿Y方向移动的动能。该动能由上阻尼单元38b的衰减器16消耗掉，迅速抑制结构1在Y方向上的振荡。
而且，当结构1的振荡以混合的X和Y方向分量发生时，X方向分量的振荡能在上阻尼单元38a中通过与上述方式相同的作用转化为阻尼体3的动能，该动能可以被衰减器16消耗掉；而Y方向分量的振荡能在下阻尼单元38b中转化为能够被衰减器16消耗掉的阻尼体3的动能。因此，能够迅速抑制结构1在任一方向上的振荡。所以，即使对于圆形或方形截面的结构1，虽然其没有主要的振荡方向，但也能够抑制振荡，以确保在结构1的居住舒适性。
具有独立阻尼体3的各阻尼单元38a和38b能够独立及任意地进行设置阻尼体3的质量和/或特征频率，当结构1产生振荡沿两个轴线方向的参数如振幅和频率不同时，这样能够更加容易地作出反应以抑制其振荡。
图14和15示出了本发明的还有的一个实施例，其中与图12和13类似的两个轴型阻尼装置是主动型。这一实施例的阻尼装置独立地形成上下阻尼单元41a和41b。
上阻尼单元41a包括支座11，具有矩形框架的形式；直线导向机构12，由支座11横向两侧一对沿纵向相互平行的直线导轨12a以及可滑动地安装在直线导轨12a上的直线滑块12b构成；阻尼体3，通过直线导向机构12可沿纵向移动地支承在支座11上；阻尼体3的特征频率调整弹簧13，沿竖直方向布置在阻尼体3前后端的横向两侧与支座11下部的对应横向两侧之间；作为致动器的马达30以及具有机械减震器形式的衰减器31，如旋转扭矩、旋转液压或涡流阻尼器，相对布置在支座11纵向两端的横向中心；滚珠丝杠33，通过接头32连接在马达30的输出轴30a和衰减器31的输入轴31a之间；和螺母36，固定在阻尼体3上，滚珠丝杠33拧入该螺母而通过阻尼体3的重心。
下阻尼单元41b的结构基本上与上阻尼单元41a相同，除了阻尼体3中没有阻尼体主体3a而只设有基板3b。因此，上下阻尼单元41a和41b堆叠设置成，可使轴向滚珠丝杠33相互正交；支柱39设置在上阻尼单元41a的支座11四角的下表面与下阻尼单元41b的支座11的侧向伸出部分40上表面之间。上阻尼单元41a整体安装在下阻尼单元41b，并用作下阻尼单元41b的阻尼体。
在其它方面，与图8a和8b所示部件相同的部件用相同的标号来表示。
在使用图14和15的阻尼装置时，如同图12和13所示实施例中的阻尼装置，阻尼单元41a和41b安装在结构1上，可使上阻尼单元41a和下阻尼单元41b的基板3b的运动方向与结构1主要产生振荡的两个轴线方向(X方向以及垂直于X方向平面的Y方向)一致。图15示出了上阻尼单元41a和下阻尼单元41b的基板3b分别沿X和Y方向移动的情况。
在上面所提到的情况下，当结构1由于空气动力而产生沿X方向的振荡并被振荡探测传感器(未示出)检测到时，根据传感器探测信号的相控位移信号从控制单元(未示出)传送到上阻尼单元41a的马达30。结果，上阻尼单元41a如图8a和8b所示实施例的阻尼装置那样相对结构1沿X方向的振荡工作，因此能够迅速抑制结构1沿X方向的振荡。
另一方面，当结构1产生沿Y方向的振荡，如上所述被振荡探测传感器(未示出)检测到时，根据传感器探测信号的相控位移信号从控制单元(未示出)传送到下阻尼单元41b的马达30。结果，上阻尼单元41a作为下阻尼单元41b的阻尼体相对结构1沿Y方向的振荡工作，如同图8a和8b所示实施例中的阻尼装置，因此能够迅速抑制结构1沿Y方向的振荡。
而且，当结构1的振荡以混合的X和Y方向分量发生时，X方向分量的振荡能够如上述情况那样迅速地由上阻尼单元41a抑制；而Y方向分量的振荡能够由同时起到下阻尼单元41b阻尼体作用的上阻尼单元41a迅速抑制。结果，能够迅速抑制结构1在任意方向上的振荡。因此，即使对于圆形或方形截面的结构1，虽然没有主要的振荡方向，但也能够抑制其振荡。
即使上述阻尼单元41a和41b中的马达30的电力供应停止，由于相应的阻尼单元41a和41b带有衰减器31，因此与图8a和8b所示实施例中的情况一样，可以实现被动型的阻尼。
由于上阻尼单元41a带有阻尼体3并能够起到下阻尼单元41b的阻尼体的作用，所以各阻尼单元41a和41b能够独立和任意地设置阻尼体3以及作为阻尼体的上阻尼单元41a的质量和/或特征频率。因此，当结构1沿两个轴线方向产生振荡的参数如振幅和频率不同时，这种阻尼装置能够更加容易地作出反应，抑制结构1的振荡。
在图16a和16b所示的传统阻尼装置中，带有拱形底部的阻尼体或重物42支承在支承滚轮43上，所述拱形底部具有所要求的曲率半径，所述支承滚轮43以相互隔开的关系布置在结构1上，从而使自由振荡能够变为简谐振荡。沿振荡方向安装在阻尼体42上的拱形齿条44与连接到马达45输出轴的旋转轴杆46上的小齿轮47啮合。还有一个带有拱形底部的阻尼体或重物48通过支承滚轮43支承在所述阻尼体42上，所述拱形底部具有所要求的曲率半径，因此对于支承滚轮43的简谐振荡，上述阻尼体的振荡方向相互正交。沿振荡方向安装在上阻尼体48上的拱形齿条44与旋转轴杆46上的小齿轮47啮合，旋转轴杆46连接到安装在下阻尼体42上的马达45的输出轴。各马达45分别以所要求的周期相互独立地往复驱动上下阻尼体42和48，从而对结构1起到双轴阻尼作用。这种传统的主动型双轴阻尼装置需要有电缆支架(未示出)或类似的机构用于移动布线以提供电力给马达45，使得上阻尼体48能够与下阻尼体42同步作往复运动。不过，对于图12和13的情况，这种移动布线变为不必要。
特征频率调整弹簧13的弹簧常数和/或伸长/缩短行程的调整方法可以如图17a所示的那样，若干个孔17a在弹簧13的上支持件17上沿竖直方向排列；固定在阻尼体3的杆件20的末端带有代替孔眼部分20a的螺栓孔20b，通过所选定的孔17a可以将螺栓49拧入或插入其中，或者可以将销钉固定在其中；或者在使用螺栓49时，图17a中所示的孔17a可被图17b所示的上支持件17的竖直狭缝17b代替；而且可以采用其它任何方法。上述实施例中的弹簧13并不局限于所谓的螺旋拉簧；还可以使用如图18a和18b所示的弹簧加载的圆筒形结构，其中容纳螺旋压簧50或层叠锥形盘簧51。此外，所使用的衰减器不仅是液压或机械型的，而且还可以是任何类型的，如电动型或气体型，并且可以设置在任意位置。另外，在图8a和8b或图14和15所示的实施例中，衰减器31可以省去，马达30可以用于衰减和产生驱动力。
下面，将介绍设置阻尼装置中阻尼体特征频率的方法的一个实施例。
图19示出了本发明的一个实施例，其中矩形框架形式的支座11安装在结构1的顶面上。相互平行的导轨2沿横向或结构1的振荡方向(箭头X的方向)布置在支座11前后端的横向两侧，阻尼体或重物3通过轮子4可横向移动地支承在导轨2上。衰减器6设置在阻尼体3的一个端面与支承框架5之间，支承框架5安装在支座11的横向一侧并且沿纵向位于其中央。在这种阻尼装置中，阻尼体3的零位处于导轨2的纵向中间位置，特征频率调节弹性结构体52沿竖直方向安装在阻尼体3的下表面中心和结构1的顶面之间，可沿竖向张紧并防止干涉支座11和导轨2；通过调整弹性结构体52的初始张力F可以设置阻尼体3的特征频率。
如图20中的放大视图所示，弹性结构体52包括沿竖直方向设置的螺旋拉簧56和螺丝连接杆58，螺旋拉簧56的下端与一连接件54的上端接合，连接件54的下端通过销钉55枢轴连接到固定于结构1的支托53以作横向运动，螺丝连接杆58将螺旋拉簧56的上端连接到固定于阻尼体3下表面的支托57。螺丝连接杆58由杆件60、杆件62和花篮螺丝63构成，杆件60带有上眼板59和下螺纹部分60a，杆件62带有下眼板61和上螺纹部分62a，上螺纹部分62a的螺纹方向与下螺纹部分60a的相反，螺纹部分60a和62a拧入花篮螺丝63中。杆件62的下眼板61与螺旋拉簧56的上端接合，而杆件60的上眼板59通过销钉64枢轴连接到阻尼体3下表面上的支托57以作横向往复运动。转动花篮螺丝63可以改变连接杆58的长度，从而又使螺旋拉簧56产生张力反作用力来改变其偏移。
当要将阻尼体3的特征频率设置为与结构1的特征频率匹配时，可以转动弹性结构体52中连接杆58的花篮螺丝63以改变连接杆58的长度，于是可以调整基于螺旋拉簧56偏移的整个弹性结构体52的初始张力F以设置阻尼体3的特征频率。
在上面所提到的情况下，当结构1由于空气动力而产生振荡时，其振荡能传输到阻尼体3上并转换为使阻尼体3水平移动的动能；该能量被衰减器6消耗掉。通过这种间接能量消耗，能够迅速抑制结构1的振荡。在这种情况下，通过选择阻尼体3的质量、移动行程和/或特征频率可使对结构1的阻尼力达到最佳。由于特征频率调节弹性结构体52沿竖直方向安装在阻尼体3和结构1之间，阻尼体3的横向运动使弹性结构体52绕其下端的销钉55倾斜地横向伸长，当其恢复到初始状态时施加水平分力到阻尼体3。因此，与图1所示弹簧7的水平伸长/缩短相比，螺旋拉簧56只产生少量的偏移或伸长而不会限制阻尼体3的移动。而且，可以任意设置竖向弹性结构体52的初始张力F。因此，能够容易地将阻尼体3的特征频率设置为与结构1的特征频率匹配。
可以使用长度能产生所要求变化量的螺旋拉簧56，因为即使弹簧从其竖直位置倾斜地伸长也不会改变弹簧张力。
在上述情况下，阻尼体3的位移与作用在阻尼体3上的回复力之间的关系在图21中示意性示出，其中，螺旋拉簧56的自由长度为600mm，弹簧常数为755N/mm，阻尼体3的质量为3000kg。螺旋拉簧56的初始偏移与阻尼体3的特征频率之间的示例关系在图22中示出。从图22中可以知道，在30-70mm的范围内改变螺旋拉簧56的偏移基本上能够在0.7-0.9Hz的范围内无级调节阻尼体3的特征频率。所以，能够将阻尼体3的特征频率设置到最佳以匹配结构1的特征频率；即使要根据结构1特征频率的变化来重新调节阻尼体3的特征频率，也完全不必换用具有不同弹簧常数的弹簧，这与传统情形不同。
图23示出了本发明的弹性结构体52的另一个实施例，其中活塞杆65和螺旋压簧66代替图20所示的杆件62和螺旋拉簧56。具体地，活塞杆65通过容纳活塞65b的圆筒67的纵向端壁突出/缩回。螺旋压簧66设置在圆筒67内所述纵向端壁和所述活塞65b之间。从圆筒67延伸出的活塞杆65的上端设有螺纹部分65a。与图20所示的方式相同，花篮螺丝63设置在所述螺纹部分和杆件60的下螺纹部分60a之间。眼板68固定在圆筒67的另一个纵向端壁或下端壁上，并通过销钉55枢轴连接到在结构1的支托53以作横向运动。其余构造细节与图20中所示的相同；其中同样的部件用相同的标号来表示。
即使在使用图23所示弹性结构体52的情况下，也可以通过转动花篮螺丝63使螺旋压簧66产生收缩反作用力来调节其初始张力，所以能够十分容易地设置和调节阻尼体3的特征频率。
图24示出了本发明的弹性结构体52的另外一个实施例，其中锥形盘簧69代替图23所示的螺旋压簧66。其余构造细节与图23中所示的相同；其中同样的部件用相同的标号来表示。
即使在使用图24所示弹性结构体52的情况下，也可以通过转动花篮螺丝63使锥形盘簧69产生收缩反作用力来调节其初始张力，所以能够十分容易地设置和调节阻尼体3的特征频率。
图25示出了本发明的弹性结构体52的还有一个实施例，其中支座70以横向隔开的关系安装在结构1上，而薄片弹簧71水平设置，并固定支承在支座70上。与图20中所示连接杆构造相同的连接杆58沿竖直方向设置在薄片弹簧71的中心和阻尼体3的下表面之间。连接杆58的上眼板59通过销钉64枢轴连接到阻尼体3上的支托57。连接杆58的下眼板通过销钉55枢轴连接到固定于薄片弹簧71的支托72。
对于图25所示的弹性结构体52，转动花篮螺丝63可改变连接杆58的长度，使得薄片弹簧71产生弹性变形，其弹性反作用力用作初始张力。因此，通过调节这一初始张力，能够容易地设置和调整阻尼体3的特征频率。
图26示出了弹性结构体52形式的初始张力调整部分的另一个实施例，其中图20或25所示的连接杆58改进为不带花篮螺丝63的单个杆件结构，连接杆58的上眼板59用带有若干个沿竖直方向排成一行的孔73a的支承板73替代。支承板73中任何一个孔73a与支托57上的孔57a对准，以便用螺栓74和螺母连接；通过改变该连接位置可以调节初始张力。图26中所示的结构可以采用活塞杆65的上端来代替图23和24所示的杆件60和花篮螺丝63。上述孔73a可以用狭缝替代。
通过用如图26所示的调节部分对弹性结构体52的初始张力进行调节也可以设置和调节阻尼体3的特征频率。弹性结构体52的初始张力也可以通过图17a或17b所示的部分进行调节。
在任何一个所述实施例中示出的弹性结构体52可以倒转过来设置。而且，为了取代图19所示设置在阻尼体3的下表面中心和结构1的顶面之间的弹性结构体52，可用如图27所示作为固定构件的支承壳体75包围支座11和阻尼体3；弹性结构体52可以沿竖直方向安装在阻尼体3的上表面中心和支承壳体75的顶梁75a之间，阻尼体3从上面悬挂下来。如果考虑到结构1的尺寸和阻尼体3的质量，可以用橡胶作为弹性结构体52。在这些实施例中，示出了对被动型阻尼装置的应用；但是可类似地进行主动型阻尼装置的应用。
工业应用性如上所述，根据本发明的阻尼装置具有以下出色的效果和优点。
(1)阻尼体可水平移动地支承在结构上，一个或多个特征频率调整弹簧装配在阻尼体和结构之间，可沿竖直方向施加伸长/缩短力。结果，当阻尼体移动时，弹簧倾斜地向前和向后伸长，因此即使弹簧的弹簧常数和/或伸长/缩短行程发生变化，与弹簧水平安装的情形相比，阻尼体的移动基本上不受限制；于是，即使在结构具有较低特征频率的情况下，也能够容易地调节阻尼体的特征频率而不会受弹簧的机械约束。而且，由于弹簧不是水平伸长，所以装置整体上能够制造得尺寸紧凑和结构简单。
(2)一种被动型阻尼装置，其中阻尼体可水平移动地支承在结构上；在阻尼体和结构之间安装有用来减弱阻尼体移动力的衰减器和用来施加竖向伸长/缩短力的特征频率调节弹簧。
(3)一种主动型的阻尼装置，其中阻尼体可水平移动地支承在结构上；在阻尼体和结构之间安装有用来使阻尼体作往复运动的致动器和用来施加竖向伸长/缩短力的特征频率调节弹簧。
(4)作为安装在阻尼体和结构之间用来施加竖向伸长/缩短力的特征频率调节弹簧的替代方式，可以将特征频率调节弹簧安装在阻尼体和固定构件之间，固定构件安装在结构上，使得特征频率调节弹簧的位置高于阻尼体的位置。这种装置很容易制造而且不会限制阻尼体的移动。
(5)一种整体构造方式由若干个阻尼单元构成，每个阻尼单元包括阻尼体、衰减器和一个或多个特征频率调整弹簧，所述阻尼体可水平移动地支承在支座上，所述衰减器用来减弱阻尼体的移动力，特征频率调整弹簧沿竖直方向施加伸长/缩短力，衰减器和弹簧装配在阻尼体和支座之间，阻尼单元相互堆叠在结构上，使得相应的阻尼体可以相互正交移动，且上阻尼单元堆叠在下阻尼单元的上面；或者，一种整体构造方式由若干个阻尼单元构成，每个阻尼单元包括阻尼体、致动器和一个或多个特征频率调整弹簧，所述阻尼体可水平移动地支承在支座上，所述致动器用来使阻尼体作往复运动，特征频率调整弹簧沿竖直方向施加伸长/缩短力，致动器和弹簧装配在阻尼体和支座之间，阻尼单元相互堆叠在结构上，使得相应的阻尼体可以相互正交移动，且上阻尼单元堆叠在下阻尼单元的上面(参见图14和15)。利用这种整体构造方式，即使结构沿任一方向产生振荡，也能够减弱结构的振荡。
(6)阻尼体的移动可以由直线导向机构进行引导以减少阻尼体移动时产生的噪音。
而且，根据本发明的设置阻尼装置中阻尼体特征频率的方法具有以下出色的效果和优点。
(1)一个或多个弹性结构体装配在结构和阻尼体之间，阻尼体支承在结构上可作水平往复运动，且能施加竖直方向的张力，通过调整所述一个或多个弹性结构体的初始张力来设置阻尼体的特征频率。所以，与传统情形不同，阻尼体的特征频率能够容易地进行设置和调节，不需要准备多个用于更换的弹簧，并且还可以不受限制地进行再调节。因此，在现场能够容易地设置特征频率，从而缩短施工工期并降低施工成本。
(2)每个弹性结构体可以包括弹簧和长度可变化调整的连接杆，因此可通过改变连接杆的长度来调节初始张力；或者，所述每个弹性结构体可以由弹簧和连接杆构成，连接杆远离弹簧的一端连接在支承板上，所述支承板通过枢轴搭接到固定于阻尼体或结构的支托上，因此可通过改变支承板和支托之间的连接位置来调节初始张力。因此，阻尼体的特征频率能够设置为与所述结构的特征频率匹配的最佳值。
权利要求
1.一种阻尼装置，其特征在于，所述阻尼装置包括阻尼体和一个或多个特征频率调整弹簧，所述阻尼体可水平移动地支承在结构上，所述特征频率调整弹簧安装在所述阻尼体和所述结构之间，可沿竖直方向施加伸长/缩短力。
2.一种阻尼装置，其特征在于，所述阻尼装置包括阻尼体、衰减器和一个或多个特征频率调整弹簧，所述阻尼体可水平移动地支承在结构上，所述衰减器用来减弱所述阻尼体的移动力，所述特征频率调整弹簧沿竖直方向施加伸长/缩短力，所述衰减器和所述特征频率调整弹簧安装在所述阻尼体和所述结构之间。
3.一种阻尼装置，其特征在于，所述阻尼装置包括阻尼体、致动器和一个或多个特征频率调整弹簧，所述阻尼体可水平移动地支承在结构上，所述致动器用来使所述阻尼体作往复运动，所述特征频率调整弹簧沿竖直方向施加伸长/缩短力，所述致动器和所述特征频率调整弹簧安装在所述阻尼体和所述结构之间。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的阻尼装置，其特征在于，作为安装在所述阻尼体和所述结构之间用来施加竖向伸长/缩短力的所述特征频率调整弹簧的替代方式，可以将一个或多个特征频率调整弹簧安装在所述阻尼体和固定构件之间，所述固定构件安装在所述结构上，使得所述特征频率调节弹簧的位置高于所述阻尼体的位置。
5.一种阻尼装置，其特征在于，所述阻尼装置包括若干个整体构成的阻尼单元，所述每个阻尼单元包括阻尼体、衰减器和一个或多个特征频率调整弹簧，所述阻尼体可水平移动地支承在支座上，所述衰减器用来减弱所述阻尼体的移动力，所述特征频率调整弹簧沿竖直方向施加伸长/缩短力，所述衰减器和所述特征频率调整弹簧安装在所述阻尼体和所述支座之间，所述阻尼单元相互堆叠在结构上，使得相应的阻尼体可以相互正交地移动，且上阻尼单元堆叠在下阻尼单元的上面。
6.一种阻尼装置，其特征在于，所述阻尼装置包括若干个整体构成的阻尼单元，所述每个阻尼单元包括阻尼体、致动器和一个或多个特征频率调整弹簧，所述阻尼体可水平移动地支承在支座上，所述致动器用来使所述阻尼体作往复运动，所述特征频率调整弹簧沿竖直方向施加伸长/缩短力，所述致动器和所述特征频率调整弹簧安装在所述阻尼体和所述支座之间，所述阻尼单元相互堆叠在结构上，使得相应的阻尼体可以相互正交地移动，且上阻尼单元堆叠在下阻尼单元的上面。
7.根据权利要求6所述的阻尼装置，其特征在于，所述上阻尼单元可作为所述下阻尼单元的阻尼体。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的阻尼装置，其特征在于，所述阻尼体的移动由直线导向机构引导。
9.一种设置阻尼装置中阻尼体特征频率的方法，其特征在于，一个或多个弹性结构体装配在结构和阻尼体之间，其中所述阻尼体支承在所述结构上可作水平往复运动，可施加竖直方向的张力，通过调整所述一个或多个弹性结构体的初始张力来设置所述阻尼体的特征频率。
10.根据权利要求9所述的设置阻尼装置中阻尼体特征频率的方法，其特征在于，所述每个弹性结构体构包括弹簧和长度可变化调整的连接杆，通过改变所述连接杆的长度来调节所述初始张力。
11.根据权利要求9所述的设置阻尼装置中阻尼体特征频率的方法，其特征在于，所述每个弹性结构体包括弹簧和连接杆，所述连接杆远离所述弹簧的一端连接在支承板上，所述支承板通过枢轴搭接到固定于所述阻尼体或所述结构的支托上，因此通过改变所述支承板和所述支托之间的连接位置可调节所述初始张力。
全文摘要
支座(11)安装在结构(1)的顶面，阻尼体(3)通过直线导向机构(12)可移动地支承在支座(11)上。一个或多个特征频率调整弹簧(13)装配在阻尼体(3)和结构(1)之间，或者装配在阻尼体(3)和安装于结构(1)的支承壳体(14)的顶部之间，可沿竖直方向施加初始张力。阻尼体(3)移动使所述弹簧(13)倾斜地前后伸长后，在恢复原状时施加水平分力到阻尼体(3)上。
文档编号E04H9/02GK1639482SQ0380452
公开日2005年7月13日 申请日期2003年2月26日 优先权日2002年2月27日
发明者风间睦广, 佐藤文男, 宇野名右卫门, 牟田口胜生, 志贺裕二 申请人:石川岛播磨重工业株式会社