专利名称：一种液体质量双调谐减振方法
技术领域：
本发明涉及一种结构振动控制的减振方法，具体地说是一种抑制桥梁或高层 建筑结构振动的减振方法，属于工程结构减振技术领域，并能应用于机械结构 抑制振动的减振方法。
背景技术：
随着跨度及高度的不断增大，桥梁或高层建筑结构自身及其构件的整体刚度 降低，阻尼减小，极易在风荷载、地震及交通车辆等外界激励下发生过大的振 动，导致结构中应力集中区域极易产生疲劳损伤，而危及结构安全。因此控制 结构的振动成为当今工程界的重大课题。现有研究结果表明，无论何种形式的 振动，只要釆取措施提高结构的模态阻尼，即可对其进行抑制，较为成熟的提 高结构模态阻尼的方法包括质量调谐阻尼方法和液体调谐阻尼方法。
质量调谐阻尼方法是在主振动系统上安装的附加质量调谐阻尼装置，使主振 动系统的振动能量向质量调谐阻尼装置转移，通过调整质量调谐阻尼装置的质 量等参数(即调谐)，使主振动系统的能量最大限度地向质量调谐阻尼装置转移 并由质量调谐阻尼装置内部构造耗散，从而最大限度地降低主振动系统的振动。 桥梁工程结构中釆用的质量调谐阻尼器多为简单摆式结构，如专利号为
94237943.8、公开号为CN219493
公开日为1995. 04. 19的"一种质量调谐阻尼 器"，是采用弹簧钢片作为悬臂杆件，在附加质量块与盒体侧面沿振动方向设置 橡胶阻尼构件，当结构振动时，附加质量块与结构产生相对位移，使橡胶阻尼 构件产生弯曲与剪切变形，进而使橡胶的高分子之间产生内摩擦耗散振动能量， 从而达到抑制结构振动的效果。由于实现了刚度与阻尼的部分分离，理论上可 以使减振器的频率及阻尼均调整到其最佳参数上。但在这种质量调谐阻尼器中， 橡胶元件不仅提供阻尼器所需的阻尼，而且还提供部分刚度，而橡胶的刚度与 阻尼特性均随环境温度的改变而产生一定幅度的变化，使得阻尼器的抑振效果 会随环境温度的改变而发生变化，尤其是橡胶刚度的变化会使质量调谐阻尼器 的频率参数偏离调谐范围，使得抑振效果下降，存在很难实现在不同季节均达 到理想抑振效果的缺陷，同时由于刚度参数与阻尼参数未实现完全分离，还存 在阻尼器参数调节较困难的缺陷。
液体调谐阻尼方法是利用容器内液体的晃动来吸收并耗散振动能量，从而抑 制受控结构的水平振动，通过调整容器尺寸与容器内液体深度，可以调整液体 晃动频率与结构自振频率一致，从而最大限度地吸收结构振动能量；对于浅液 型液体调谐阻尼系通过液体晃动时表面波的破碎及与容器壁的碰撞来耗散振动 能量，而对深液型液体调谐阻尼，则通过加阻塞器来耗散振动能量。如专利号 为CN94213058. 8、公开号为CN219832
公开日为1994. 05. 23的"一种液体调谐阻尼器"，釆用在筒形容器内的圆形底面上设置柱式阻塞器，通过柱式阻塞器产 生有规则、周期性的涡旋脱落，以此来增大对振动能量的耗散，达到较佳的抑 振效果。由于液体的密度较低，与质量调谐阻尼相比，液体调谐阻尼单位体积 的减振效率较低，存在要达到较好的减振效果其装置体积会相对庞大的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种液体质量双调谐减振方法，在质量为M，刚度为K， 阻尼系数为C的主振动系统上，设置一个内置质量调谐阻尼机构的容器A,容器 A内质量调谐阻尼机构的质量为m，刚度为k，阻尼系数为c，调节质量阻尼机 构的质量m、刚度k、阻尼系数c等参数，使其满足质量调谐条件，以达到质量 调谐的减振效果；同时，在容器A内充入阻尼液，通过调整容器A尺寸及其内 阻尼液的深度，使其满足液体调谐条件，以达到液体调谐的减振效果；由于质 量块m运动时推动阻尼液运动，使其波幅更大，更有利于其吸收并耗散主振动 系统的能量，即通过质量与液体双调谐，同时利用流体与固体的耦合作用，在 大大减小了减振装置体积的情形下，不仅使整个减振装置的参数调整更加方便， 而且使其减振效果更佳。阻尼液除给整个减振装置提供稳定且便于调节的阻尼 外，还给减振装置的各构件提供防锈蚀环境，延长了整个减振装置使用寿命， 降低了总体成本。
本发明的技术方案是这样实现的
在外壳4内置一个质量调谐阻尼机构，该质量调谐阻尼机构主要通过活动 质量块1左右圆柱体部分分别嵌入压缩弹簧2和2，，再套装于轴杆5上形成质 量调谐阻尼机构的活动质量体系，并将两根螺旋压缩弹簧2和2，靠外壳4的一 端分别固定于外壳的左右端板上，另一端固定于活动质量块1的突缘l，上，以 便提供质量调谐阻尼机构所需的刚度，即整个减振装置所需的刚度，通过调节 活动质量块l的质量大小，实现质量调谐阻尼频率的调整；在活动质量块l上 沿中心轴线所开贯穿园孔两边各安装一个直线轴承6和6，，固定于轴杆5上并 带过油小孔8的封油隔板7与直线轴承6和6，共同将环形腔室分隔为左隔室9 和右隔室10,在外壳4的箱体内注入作为阻尼液的低黏度阻尼油3至淹没螺旋 压缩弹簧2和2，，并使得低黏度阻尼油3充满左隔室9和右隔室10,当活动 质量块1与直线轴承6和6， 一起沿着轴杆5轴线运动时，左、右隔室9、 10中 的低黏度阻尼油3将在直线轴承6和6，的推动下通过封油隔板7上的过油小孔 8在两隔室间流动，形成柱塞式小孔型油阻尼，调节过油小孔8的大小实现阻尼 系数调整，实现了刚度参数与阻尼参数的完全分离；调节外壳4的尺寸及其内 低教度阻尼油3的深度，使其满足液体调谐的调谐条件，同时利用流体与固体 的耦合作用，活动质量块l运动时推动低黏度阻尼油3运动，使其波幅更大， 从而更多地吸收并耗散被控主振动系统的能量，达到更好的减振效果。
本发明的优点
1、由于流体与固体的耦合作用，实现了质量调谐和液体调谐的结合，大大提高了减振装置单位体积的减振效率；
2、 利用阻尼液给阻尼装置提供稳定JU更于调节的阻尼，实现了阻尼装置刚
度参数与阻尼参数的完全分离，使得阻尼装置的参数调节筒单化；
3、 阻尼液为减振装置部件提供防锈蚀环境，提高其耐久性。
图l是本发明液体质量双调谐方法机理示意图； 图2是本发明实施例液体质量双调谐减振装置立面剖视图； 图3是本发明实施例液体质量双调谐减振装置侧面剖^ 见图； 图4是本发明模拟试验结构示意图5是本发明模拟试验结构未设置液体质量双调谐减振装置时主振动系统 振动时程曲线；
图6是本发明模拟试验结构设置阻尼比为O. 07的液体质量双调谐减振装置 时质量块与主振动系统振动时程曲线。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，该实施例为针对某拱桥吊杆 抑振的模拟试验。
图1是本发明液体质量双调谐方法机理示意图。在质量为M，刚度为K，阻 尼系数为C的主振动系统上，设置一个内置质量调谐阻尼机构的容器A，容器A 内质量调谐阻尼机构的质量为m,刚度为k,阻尼系数为c，调节质量阻尼机构 的质量m、刚度k、阻尼系数c等参数，使其满足质量调谐条件，以达到质量调 谐的减振效果；同时，在容器A内充入阻尼液，通过调整容器A尺寸及其内阻 尼液的深度，使其满足液体调谐条件，以达到液体调谐的减振效果；由于质量 块m运动时推动阻尼液运动，使其波幅更大，更有利于其吸收并耗散主振动系 统的能量，即通过质量与液体双调谐，同时利用流体与固体的耦合作用，在大 大减小了减振装置体积的情形下，不仅使整个减振装置的参数调整更加方便，而 且使其减振效果更佳。阻尼液除给整个减振装置提供稳定且使于调节的阻尼外， 还给减振装置的各构件提供防锈蚀环境，延长了整个减振装置使用寿命，降低 了总体成本。
图2是本发明实施例液体质量双调谐减振装置立面剖视图，图3是本发明 实施例液体质量双调谐减振装置侧面剖视图。该实施例液体质量双调谐减振装 置D主要由一个活动质量块1、左右两根螺旋压缩弹簧2和2'、低黏度阻尼油3、外 壳4、 一个圆柱形轴杆5、左右两个直线轴承6和6'、封油隔板7、过油小孔8等构 成。质量块l主体部分加工成中间带突缘l'的圆柱体，并沿圆柱体中心轴线开贯 穿园孔，并在质量块1上所开贯穿园孔两边各安装一个直线轴承6和6，后，套装于 轴杆5上形成阻尼装置的活动质量，并减小运动副的摩擦。两根螺旋压缩弹簧2 和2'靠外壳4的一端分别固定于外壳的左右端板上，另一端固定于活动质量块l的突缘r上，提供阻尼器所需的刚度；活动质量块l左右圆柱体部分分别嵌入到压
缩弹簧2和2'内，以便节省阻尼器空间，控制阻尼器的外部尺寸和外观；固定于 轴杆5上并带过油小孑L8的封油隔板7与直线轴承6和6，共同将环形腔室分隔为左 隔室9和右隔室10。在外壳4内充入低翻度阻尼油3淹没至螺旋压缩弹簧2和2，， 既防止弹簧2和2'、活动质量块l、圆柱形轴杆5、轴承6和6，、封油隔板7等部件 及外壳4内壁锈蚀，又使活动质量块1上的左隔室9和右隔室10内充满阻尼油，当 活动质量块1与直线轴7K6和6，一起沿着轴杆5轴线运动时，左、右隔室9、 IO中的 阻尼油将在直线轴承6和6，的推动下通过封油隔板7上的过油小孔8在两隔室间流 动，形成柱塞式小孔型油阻尼，为阻尼装置提供所需的大部分阻尼力，该阻尼 力的大小主要由过油小孔8的大小和活动质量块1的运动速度所决定，基本不随 外界温度的改变而发生变化，并可通过改变过油小孔8的大小实现阻尼器的阻尼 系数的调节。该减振装置不仅实现了刚度参数与阻尼参数的完全分离，可方便 地调整由质量块l、弹簧2和2'、过油小孔8等构成的质量调谐的频率与阻尼，使 其始终处于最佳调谐范围，从而保证质量调谐在不同季节均能达到理想的抑振 效果，而且可通过调整外壳4的尺寸及其内阻尼油3的深度，使其满足液体调谐 的调谐条件，以同时提供液体调谐的减振效果。利用流体与固体的耦合作用， 质量块1运动时推动阻尼油3运动，使其波幅更大，从而更多地吸收并耗散被控 主振动系统的能量，达到更好的减振效果。
图4是本发明模拟试验结构示意图。本实施例模拟试验结构主振动系统采 用四根长度为1570mm的Z90 x 56 x 7截肢角钢，对称焊接在厚度为20mm的两块 钢板上，底板锚固于地面，顶板开孔用螺栓固定480kg集中质量块。四根锚固 于地面的截肢角钢X构成主振动系统的刚度K与阻尼C,顶板及其上面的集中质 量块构成主振动系统的质量M。在单向激励时，模拟结构的振动为单一模态的弯 曲振动，其频率为2. 50Hz，与某拱桥长吊杆基频一致。该主振动系统模态集中 质量为530kg。在集中质量块中间设置如图2、图3所示的液体质量双调谐减振 装置D,液体质量双调谐减振装置D的活动质量为10kg,模态质量比为1. 9 % 。
图5是本发明模拟试验结构未设置液体质量双调谐减振装置时主振动系统 振动时程曲线。在集中质量块中间没有设置液体质量双调谐减振装置D时，模 拟试验结构主振动系统自由振动，其振动衰减极慢，阻尼比为0.00126,某拱桥 实桥吊杆的实测阻尼比在0. 001左右，即模拟试验结构阻尼稍大于某拱桥实桥 吊杆的阻尼，可以模拟某拱桥实桥吊杆结构。图6是本发明模拟试验结构设置 阻尼比为0. 07的液体质量双调谐减振装置时质量块与主振动系统振动时程曲 线。其中CH1为活动质量块振动时程曲线，CH2为主振动系统振动时程曲线。比 较图5与图6可以看出，液体质量双调谐减振装置D使模拟试验结构的振动衰 减明显加快。当液体质量双调谐减振装置D阻尼比约为0. 07时，模拟试验结构 阻尼达到峰值，此时液体质量双调谐减振装置D-模拟试验结构系统的阻尼比约 为0.066,液体质量双调谐减振装置D使模拟试验结构的阻尼增大52倍，证明
6液体质量双调谐减振装置D的减振效果非常好。理论分析表明当质量比为1. 9%时，在达到最优参数的条件下质量调谐阻尼装置可使模拟试验结构阻尼提高到
0.049,而由于液体质量双调谐减振装置D充分利用了阻尼液的减振作用，使其减振效果比普通质量调谐阻尼装置的减振效果更好，提高幅度达35%。
权利要求
1、一种液体质量双调谐减振方法，其特征在于在外壳(4)内置一个质量调谐阻尼机构，该质量调谐阻尼机构主要通过质量块(1)左右圆柱体部分分别嵌入压缩弹簧(2和2’)，再套装于轴杆(5)上形成质量调谐阻尼机构的活动质量体系，并将两根螺旋压缩弹簧(2和2’)靠外壳(4)的一端分别固定于外壳的左右端板上，另一端固定于质量块(1)上，以便提供质量调谐阻尼机构所需的刚度，即整个减振装置所需的刚度，通过调节质量块(1)的质量大小，实现质量调谐阻尼频率的调整；在质量块(1)上沿中心轴线所开贯穿园孔两边各安装一个直线轴承(6和6’)，固定于轴杆(5)上并带过油小孔(8)的封油隔板(7)与直线轴承(6和6’)共同将质量块(1)环形腔室分隔为左、右隔室(9和10)，在外壳(4)的箱体内注入作为阻尼液(3)，并使得阻尼液(3)充满左、右隔室(9和10)，当质量块(1)与直线轴承(6和6’)一起沿着轴杆(5)轴线运动时，左、右隔室(9和10)中的阻尼液3将在直线轴承(6和6’)的推动下通过封油隔板(7)上的过油小孔(8)在两隔室间流动，形成柱塞式小孔型油阻尼，调节过油小孔(8)的大小实现阻尼系数调整，实现了刚度参数与阻尼参数的完全分离；调节外壳(4)的尺寸及其内阻尼液(3)的深度，使其满足液体调谐的调谐条件，同时利用流体与固体的耦合作用，质量块(1)运动时推动阻尼液(3)运动，使其波幅更大，从而更多地吸收并耗散被控主振动系统的能量，达到更好的减振效果。
2、 根据权利要求1所述的液体质量双调谐减振方法，其特征是阻尼液(3)采用低黏度阻尼油，在外壳(4)内充入阻尼液(3)至淹没弹簧处，既防止外壳(4)内所有内壁和部件生锈，又并使得阻尼液(3)充满质量块(1)上左、右隔室(9和10)。
全文摘要
一种液体质量双调谐减振方法，在外壳内置一个质量调谐阻尼机构，质量块嵌入压缩弹簧再套装于轴杆上，经压缩弹簧与质量块和外壳的固定，提供减振所需的刚度，经调节质量块质量大小，实现质量调谐阻尼频率调整，质量块内开贯穿园孔并在两边安装直线轴承，直线轴承与固定于轴杆上并带过油小孔的封油隔板将质量块内圆孔分隔为左、右隔室，在外壳内充入阻尼液且充满左、右隔室后形成柱塞式小孔型油阻尼，调节过油小孔大小实现阻尼系数调整，实现刚度、阻尼参数的完全分离，调节外壳尺寸及阻尼液的深度，以满足液体调谐的调谐条件，利用流、固体耦合作用，经质量块运动推动阻尼液产生更大波幅，更多地吸收并耗散主振动能量，达到更好的减振效果。
文档编号E04B1/98GK101492941SQ20081023745
公开日2009年7月29日 申请日期2008年12月26日 优先权日2008年12月26日
发明者宏 刘, 周明星, 李东超, 李裕生, 汪正兴, 田启贤, 胡志梅, 建 赵, 魏利明 申请人:中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司;中铁大桥局股份有限公司