基于立柱式构件的多调控杆式颗粒质量阻尼装置的制作方法

1.本实用新型涉及阻尼减振技术领域。


背景技术：

2.对于通信塔结构，为了适应越来越多的设备种类和数量，风荷载的常规解决方式一方面是增加塔桅结构数量或加大单个塔主体结构外观及钢材用量，另一方面是设置各种结构减振措施。
3.结构减振控制措施按控制方式不同，可分为主动控制、半主动控制、被动控制及混合控制。被动控制中，调谐质量阻尼器(tuned mass damper，简称tmd)是一种常用的减振装置，是在高耸塔顶部或上部某位置上加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主体结构(高耸塔)相连。调谐质量阻尼器的振动频率接近主结构的频率，控制策略为应用子结构与主结构控制振型共振达到动力吸振的目的，应用阻尼结构不断消耗主结构和子结构的能量来降低主结构的动力响应。tmd从部件组成上通常分为刚度系统、质量系统和阻尼系统三大部分，这几部分通过不同组合方式可组成不同类型的阻尼装置：刚度系统种类较多，质量系统可分为固体和液体两大类，阻尼系统可分为杆式阻尼器、阻尼箱、电涡流阻尼器三大类。然而，上述方案存在如下缺陷：
4.1)现有tmd的减振频带窄，耗能能力有限，且往往需要占用较大空间以匹配质量系统的运动。
5.2)灵敏度不高。刚度系统采用弹簧，虽然可靠性强、可现场调节频率，耐久性强等优点，但质量系统底部需设置滑轮等支撑构件，这些支撑构件与地板具有一定摩擦，从而导致其工作状态需要一个初始启动力，在微小振动时难以及时反应，灵敏度一般。
6.3)难以对频率进行连续调节。目前的频率调节方式包括以下两种方式：一是通过增加或减少质量块的大小来调节频率，此方法会影响减振效果，特别是当质量减小时会导致减振效果降低。二是通过更换弹簧调节频率，缺点是实际操作麻烦。并且上述两种调节方法都属于离散型方法，频率只能调节到可控范围内的某个固定数值，难以调节到可控范围内的任意数值。
7.颗粒阻尼器技术是近年来应用于土木工程振动控制领域的新型阻尼器，其作为一种调谐质量、耗能减振控制技术，具有对原系统改动小、附加质量小、减振频带宽、多维控制能力好等优点。然而，颗粒阻尼器中，阻尼颗粒起振后发生的颗粒与颗粒间、颗粒与腔体间的碰撞多为弹性碰撞，碰撞耗散结构能量的能力有限。
8.因此，亟需提供一种可连续调节频率、灵敏度好、耗能能力强、减振频带宽的新型调谐颗粒阻尼器。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于：克服现有技术的不足，提供了一种基于立柱式构件的多调控杆式颗粒质量阻尼装置。本实用新型采用立柱式构件作为主要刚度系统，并设置辅助
刚度系统以辅助立柱式刚度系统提供额外刚度，质量系统刚接于立柱式构件之上，可连续调节频率，灵敏度好，同时利用颗粒阻尼器和调谐质量阻尼器的混合耗能机制加强了减振耗能效果，增大了减振频带。
10.为实现上述目标，本实用新型提供了如下技术方案：
11.基于立柱式构件的多调控杆式颗粒质量阻尼装置，包括外壳，以及设置在外壳中的质量系统、刚度系统和杆式阻尼器；
12.所述质量系统包括颗粒质量块，颗粒质量块包括由壳体形成的空腔，空腔内填充有颗粒群，通过颗粒群自身之间以及颗粒群与壳体之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量；
13.所述刚度系统包括主要刚度系统和辅助刚度系统，所述主要刚度系统为立柱式构件以作为质量系统的下部支撑，所述辅助刚度系统用于辅助立柱式构件提供额外刚度；立柱式构件的一端与外壳刚性连接，另一端与质量系统底部刚性连接，杆式阻尼器的一端连接在外壳上，杆式阻尼器的另一端连接在质量系统上，使得质量系统能够在外壳中以立柱式构件作为支撑进行弹性摆动。
14.进一步，所述质量系统还包括固定质量块，将前述颗粒质量块固定安装在固定质量块的上部和/或下部。
15.进一步，所述颗粒质量块的重量与质量系统的总重量的重量比为5％-90％。
16.进一步，所述固定质量块和/或颗粒质量块在立柱式构件上的高度可调节，通过调节质量块在立柱式构件上的高度以调整消振频率。
17.进一步，所述辅助刚度系统包括一组或多组弹簧，每组弹簧包括水平布置在质量块与外壳内壁之间的一个或多个弹簧，弹簧的一端连接质量系统，弹簧的另一端连接外壳内壁。
18.进一步，每组弹簧的多个水平布置的弹簧采用对称或非对称方式安装在质量系统周围。
19.进一步，所述弹簧采用可拆卸方式安装在质量系统与外壳内壁之间，通过更换不同刚度的弹簧以调整消振频率或辅助调整消振频率。
20.进一步，所述杆式阻尼器为多个，多个杆式阻尼器在质量系统的周围对称或非对称布置。
21.进一步，所述杆式阻尼器为单出杆式粘滞阻尼器、双出杆式粘滞阻尼器、摩擦阻尼器或粘弹性阻尼器，粘滞体为流体或半流体。
22.进一步，所述颗粒质量块的壳体形成的空腔内设置有隔板以将空腔分隔成多个子腔，子腔中填充有颗粒群，通过颗粒群与隔板之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量。
23.本实用新型由于采用以上技术方案，与现有技术相比，作为举例，具有以下的优点和积极效果：
24.1)采用立柱式构件作为阻尼装置的主要刚度系统，并设置辅助刚度系统以辅助立柱式刚度系统提供额外刚度。立柱式构件作为质量系统的下部支撑，质量系统直接刚接于立柱式构件之上，工作时无需初始启动力，在微小振动时可以及时反应，其灵敏度良好。
25.2)便于调整阻尼装置的刚度和频率。可以通过更换弹簧调节频率，也可以通过调节质量系统在立柱上的相对位置来连续调节刚度和频率，实现频率的连续性调节，调节方式方便、简单、有效。
26.3)作为辅助刚度系统的弹簧增加了频率可调控范围，最大程度利用了空间。
27.4)调节频率时无需改变质量块，与传统的通过调整质量块大小来调整频率方案相比，降低了频率调整对阻尼装置的减振效果的影响。
28.5)混合利用颗粒阻尼器和调谐质量阻尼器的优点，增大了减振频带，颗粒质量块部分内部的颗粒群与外壳内部、隔板之间以及颗粒群之间进行摩擦、碰撞，大量消耗振动能量，可有效减小外界激励引起的结构响应。
附图说明
29.图1为本实用新型实施例提供的多调控杆式颗粒质量阻尼装置的结构示意图。
30.图2为图1中辅助刚度系统的平面布置示意图。
31.图3为本实用新型实施例提供的阻尼装置在建筑上的安装示意图。
32.图4为本实用新型实施例提供的质量系统的结构示意图。
33.图5为本实用新型实施例提供的质量系统与立柱式构件的连接结构示意图。
34.图6为图5中调整质量系统在立柱式构件上的相对位置的结构示意图。
35.图7为本实用新型实施例提供的单出杆式粘滞阻尼器的结构示意图。
36.图8为本实用新型实施例提供的双出杆式粘滞阻尼器的结构示意图。
37.图9为本实用新型实施例提供的立柱式构件的结构形式示意图。
38.附图标记说明：
39.阻尼装置100；
40.外壳110；
41.质量系统120，颗粒质量块121，壳体121a，空腔121b，颗粒群121c，隔板121d，固定质量块122；
42.主要刚度系统130，杆131，连接构件132；
43.杆式阻尼器140，筒体141，活塞杆142，节流孔143，盖体144，粘滞体145，封闭空间148；
44.辅助刚度系统150；
45.通信塔200；
46.安装平台210。
具体实施方式
47.以下结合附图和具体实施例对本实用新型公开的基于立柱式构件的多调控杆式颗粒质量阻尼装置作进一步详细说明。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
48.需说明的是，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定实用新型可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响实用新型所能产生的功
效及所能达成的目的下，均应落在实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。本实用新型的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所述的或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本实用新型的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
49.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
50.实施例
51.参见图1所示，为本实用新型实施例提供的基于立柱式构件的多调控杆式颗粒质量阻尼装置。
52.阻尼装置100包括外壳110，以及设置在外壳110中的质量系统120、刚度系统和杆式阻尼器140。所述外壳110包括主体框架和围护钢板，所述主体框架形成外壳的骨架，所述围护钢板形成外壳的外围防护。
53.所述质量系统120包括颗粒质量块，颗粒质量块包括由壳体形成的空腔，空腔内填充有颗粒群，通过颗粒群自身之间以及颗粒群与壳体之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量。
54.所述刚度系统包括主要刚度系统130和辅助刚度系统150。
55.所述主要刚度系统130包括立柱式构件，所述立柱式构件作为质量系统120的下部支撑。立柱式构件的一端与外壳110刚性连接，另一端与质量系统120底部刚性连接。
56.所述辅助刚度系统150用于辅助立柱式构件提供额外刚度。
57.杆式阻尼器140的一端连接在外壳110上，杆式阻尼器140的另一端连接在质量系统120上，使得质量系统120能够在外壳110中以立柱式构件作为支撑进行弹性摆动。所述杆式阻尼器140可以水平设置或倾斜设置在外壳与质量系统之间，在倾斜设置时，与水平面的倾斜角度优选的位于30-60度。
58.所述辅助刚度系统150可以选用各种能够提供弹性支承的结构，作为举例而非限制，比如弹簧、弹性体、片簧等。
59.本实施例中，优选的，所述辅助刚度系统150包括一组或多组弹簧，每组弹簧包括水平布置在质量块与外壳内壁之间的一个或多个弹簧，弹簧的一端连接质量块，弹簧的另一端连接外壳内壁。每组弹簧的多个水平布置的弹簧采用对称或非对称方式安装在质量系统周围。
60.参见图2所示，在优选的实施方式中，每组弹簧的多个水平布置的弹簧采用中心对称方式安装在质量系统120周围。
61.考虑到辅助刚度系统对频率和刚度的调节，所述弹簧采用可拆卸方式安装在质量系统与外壳内壁之间，通过更换不同刚度的弹簧以调整消振频率或辅助调整消振频率。
62.本实用新型提供的上述技术方案，立柱式构件作为阻尼装置的主要刚度系统，并通过弹簧作为辅助刚度系统提供辅助刚度调节，质量块刚接在立柱式构件上作为质量系统，阻尼器作为阻尼装置的阻尼系统。振动时，颗粒质量块内部的颗粒群与壳体内部、隔板之间以及颗粒群自身之间进行摩擦、碰撞，可以大量消耗振动能量。在配合目标对象减振同时，上述结构还可有效的减小阻尼装置自身的振动时间和振动行程，耗散振动能量。同时，
弹簧的存在增加了频率可调控范围，最大程度利用了空间。
63.参见图3所示，以通信塔200为例，比如通过在通信塔200上增加一个或多个上述阻尼装置，在通信塔200主结构受到外界动态力作用(如风荷载)时，阻尼装置提供一个频率相近或相等、与结构运动方向相反的力，来部分或全部抵消外界激励引起的结构响应。优选的，所述多个阻尼装置通过安装平台210以中心对称形式安装在通信塔200上。
64.本实施例中，所述质量系统120还可以包括固定质量块122，将前述颗粒质量块121固定安装在固定质量块122的上部和/或下部。所述固定质量块122可以为钢材、铅块、混凝土、灌浆料和液体中的一种或多种混合构成。可以通过调节颗粒质量块121和固定质量块122的重量和重量比来调节阻尼装置的刚度和频率。
65.参见图4所示，所述颗粒质量块121包括由壳体121a形成的空腔121b，空腔121b内填充有颗粒群121c，通过颗粒群121c自身之间以及颗粒群121c与壳体121a之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量。
66.优选的，本实施例中，所述空腔内设置有一个或多个隔板121d，隔板121d可以将空腔121b分隔成多个子腔，每个子腔中均可以填充有颗粒群121c，通过颗粒群121c自身之间以及颗粒群121c与壳体121a和隔板121d之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量。所述颗粒群的体积可占各子腔的腔室体积的20％-80％，优选为20％-40％。
67.所述空腔可以是长方体，也可以是其它形状比如圆柱体、棱柱体、曲面体等，空腔的形状不应作为对本实用新型的限制。
68.所述颗粒群优选的由多个1-60mm的不等直径的球体组成。一方面，球体相互间发生的碰撞、摩擦、动量交换及相互碰撞时微小颗粒塑形变形可以消耗振动系统能量，实现减振的效果；另一方面，球体与容器壁——包括壳体和隔板——之间相互作用的碰撞、摩擦也可以消耗振动系统能量。
69.所述球体可以为钢制球体、铅制球体、铝制球体、陶瓷球体、玻璃球体、塑料球体和合金球体中的一种或多种混合构成。优选的，本实施例中，所述球体采用为钢球。当然，本领域技术人员应知晓，球体作为优选减振颗粒，其它形状的减振颗粒也可用于上述颗粒阻尼器中，其不应作为对实用新型的限制。
70.本实施例中，所述颗粒质量块121的重量与质量系统的总重量的重量比为范围为5％-90％。优选的，所述颗粒质量块121的重量与质量块组件的总重量的重量比为10％-40％，在上述重量比范围内，阻尼装置具有更为优越的减振频带宽度和耗能能力。
71.参见图5所示，所述固定质量块122和/或颗粒质量块121在立柱式构件上的高度可调节，通过调节质量块在立柱式构件上的高度以调整消振频率。
72.根据结构动力学，阻尼装置属于单自由度体系，阻尼装置身频率的计算公式如下：
[0073][0074][0075]
其中，ω为圆频率；k为刚度；m为质量；f为频率。
[0076]
针对立柱式结构，以实心圆心铁棒为例，
[0077]
刚度k的计算公式如下：
[0078][0079]
其中，e为立柱材料的弹性模量；h为质量块中心离立柱地面的高度；i为截面惯性矩。
[0080]
其中截面惯性矩i的计算公式如下：
[0081][0082]
其中，d为立柱直径。
[0083]
综合式(1)-(4)，计算得出最终频率计算公式如下：
[0084][0085]
由公式(5)可知，当立柱截面、材料以及质量块大小不变时，可通过调整质量块在立柱上的高度位置来调整阻尼装置频率大小。
[0086]
参见图6所示，比如需要增大阻尼装置频率时，可以将高度h调小至高度h1。
[0087]
具体的，在本实施例的一种实施方式中，所述固定质量块和/或颗粒质量块上设置有供立柱式构件穿过的孔，所述立柱式构件沿轴长设置有限位件，通过限位件将质量块固定在立柱式构件的预设高度位置；
[0088]
作为举例而非限制，所述的限位件比如可以沿立柱式构件轴长方向设置的螺纹，所述质量块的通孔内壁上可以设置与所述螺纹匹配的内螺纹，通过正向或反向旋转来调整质量块在立柱式构件上的位置。
[0089]
当然，所述限位件还可以根据需要选用抱箍、卡扣、夹具等限位结构，只要能将质量块固定在立柱式构件的预设高度位置即可，其可以是与立柱式构件一体设置，也可以与立柱式构件分体设置。
[0090]
本实用新型提供的上述方案，通过调节质量块在立柱上的相对位置来连续调节产品刚度和频率，可以实现频率的连续性调节，调节方式方便、简单、有效。
[0091]
另一种实施方式中，所述立柱式构件包括上部和下部，上部与质量块(可以是固定质量块也可以是颗粒质量块)固定连接，下部的长度可调节，通过调节下部的长度来调整立柱式构件的高度，从而调整固定在上部的质量块的高度。
[0092]
作为举例而非限制，比如所述立柱式构件的下部采用嵌套式伸缩杆，使得下部能够进行升降调节，升降调节完成后通过锁紧螺栓进行紧固。所述锁紧螺栓设置在伸缩杆的连接处。作为典型方式的举例，比如立柱下部可以包括外柱和内柱，所述外柱的下端套设在内柱外，所述内柱的上端嵌套在外柱的下端内部，在外柱和内柱的连接处设置有锁紧螺栓。需要调整下部的长度时，先旋转锁紧螺栓解除锁定，然后使内柱轴向移动进入外柱内，调整到需要的高度后，反向旋转锁紧螺栓进行锁紧。下部的长度变长后，固定在上部的质量块的高度也就变高了。
[0093]
本实施例中，杆式阻尼器140可以设置多个，每个杆式阻尼器140的一端与外壳连接，另一端与颗粒质量块或固定质量块连接。优选的，所述多个杆式阻尼器在同一水平面上相对质量块成中心对称布置。作为举例而非限制，比如所述阻尼系统140包括3个杆式阻尼
器，则3个杆式阻尼器相互成120度角设置，如此可以形成多方向的阻尼。
[0094]
所述杆式阻尼器140可以为单出杆式粘滞阻尼器、双出杆式粘滞阻尼器、摩擦阻尼器或粘弹性阻尼器，粘滞体为流体或半流体。
[0095]
杆式粘滞阻尼器一般由活塞、油缸及阻尼孔组成，是利用活塞前后压力差使油流过阻尼孔产生阻尼力的一种阻尼装置。作为举例，以单出杆式粘滞阻尼器为例，阻尼器可以包括活塞缸筒，在缸筒内设有活塞，所述活塞将缸筒内室分为第一活塞腔和第二活塞腔，两个活塞腔内分别填充有粘滞体作为阻尼介质，活塞上连接有活塞杆，活塞杆的另一端与耳环相连接。考虑到密封性能，所述缸筒内还设有密封装置，比如所述缸筒、密封装置、活塞杆之间可以通过密封圈进行密封。其工作原理如下：当受到外力时，外力会推动活塞杆和活塞在缸筒内运动，活塞推压第一活塞腔(或第二活塞腔)的阻尼介质，使粘滞体通过阻尼孔，来产生摩擦阻尼，进而耗散受到的振动能量。
[0096]
所述粘滞体优选的采用可压缩硅油。
[0097]
本实施例中，所述杆式阻尼器140优选的包括筒体141和一对盖体144，在筒体141和盖体144所包围的封闭空间148中填充有粘滞体145。可以在一端盖体144或两端盖体144上设置活塞杆142，参见图7所示，示例了在左端盖体144上设置活塞杆142，其构成单出杆式粘滞阻尼器；参见图8所示，示例了在左右两端的盖体144上同时设置活塞杆142，其构成双出杆式粘滞阻尼器。
[0098]
活塞杆142上的活塞将前述封闭空间148分割成2个活塞腔，两个活塞腔内均填充有粘滞体145。振动时，活塞杆142运动使粘滞体145通过节流孔或使粘滞体145在封闭空间中进行相对运动，以此实现振动能量的耗散。
[0099]
所述立柱式构件可以为金属杆、碳纤维棒和玻璃纤维杆中的一个或多个组成的单根杆构件、多根杆构件或格构式结构。
[0100]
参见图9所示，示例了单根杆、多根杆或格构式结构。单根杆由一根杆131组成，多根杆由2根以上间隔布置的杆131组成，格构式结构的主体由多根杆131间隔布置组成，多根杆之间通过连接构件132连接形成一体。
[0101]
所述的金属杆，具体可以为钢杆、铁杆、铜杆或铝杆等。除碳纤维棒和玻璃纤维杆外，也可以根据需要采用其它复合材料。
[0102]
在上面的描述中，本实用新型的公开内容并不旨在将其自身限于这些方面。而是，在本公开内容的目标保护范围内，各组件可以以任意数目选择性地且操作性地进行合并。另外，像“包括”、“囊括”以及“具有”的术语应当默认被解释为包括性的或开放性的，而不是排他性的或封闭性，除非其被明确限定为相反的含义。所有技术、科技或其他方面的术语都符合本领域技术人员所理解的含义，除非其被限定为相反的含义。在词典里找到的公共术语应当在相关技术文档的背景下不被太理想化或太不实际地解释，除非本公开内容明确将其限定成那样。本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。