一种刚度调节器、钢丝绳减振装置及其安装方法

本发明涉及减振，特别是一种刚度调节器、钢丝绳减振装置及其安装方法。

背景技术：

1、吊/拉索被广泛应用于大跨度桥梁、高耸建筑中，例如在建的世界上最大跨度的公铁两用斜拉桥—常泰长江大桥，其最长拉索设计超过600m；世界上最大跨径的离岸海中悬索桥—伶仃洋大桥，其吊索长度也接近200m。索结构呈现轴向刚度大、横向刚度低、阻尼低的特点，易在风雨等环境激励下发生多种机理形态的振动；索结构的长期振动不仅会影响使用舒适度，而且会导致索保护套和耳板等附属构件发生疲劳破坏，进而引发索结构中钢丝腐蚀，严重时将导致索断裂，危及整个结构。就目前在建的特大跨度桥梁来看，斜拉桥和悬索桥仍是未来大跨桥梁首选的结构形式，这将导致索结构长度进一步增加，阻尼进一步降低，振动问题更加突出，所以索结构的振动控制将是制约大跨桥梁建设、安全运维的关键所在。

2、吊/拉索结构在成桥之前，大多会采用风洞试验或流体动力学模拟进行气动措施的设计。从已建成桥梁来看，部分气动措施的减振效果难以达到预期效果，如丹麦的大海带东桥的吊索通过安装螺旋线并未解决振动吊索大幅振动问题，除此之外，气动控制对结构外形敏感，气动外形易受雨雪，冰霜等环境影响，减振效果进一步削弱。

3、因此，对成桥状态下的吊/拉索需要增加合适的机械措施，提高索的阻尼，弥补气动措施在成桥状态下的不足是必要的。目前常用于索结构的阻尼器有摩擦型阻尼器、高阻尼橡胶阻尼器、粘滞阻尼器、电涡流阻尼器。上述阻尼器在工程实践过程中来看，摩擦型阻尼器有体积小、安装方便、对多阶模态减振效果相当的特点，但其减振效果与振幅密切相关，低于一定的振幅时，摩擦型阻尼器几乎不耗能；粘滞阻尼器对特定阶次振动的减振效果好，但在实践中发现其存在阻尼效果受温度影响大，粘性液体漏液问题；高阻尼橡胶阻尼器有着套筒内安装、同时控制面内面外的振动的优势，但是其在高频振动中存在刚度过大、阻尼性能差的特点。

4、目前钢丝绳减振装置主要作为隔振器应用到航空、船舶、房建领域；就在桥梁工程中应用的钢丝绳阻尼器而言，虽然钢丝绳阻尼器对索结构高频振动有着良好的抑制效果，但钢丝绳阻尼器在索结构中的应用并不理想，主要原因有：

5、当布置形式采用多个钢丝绳阻尼器环向布置时，虽然能起到较好的减振效果，但是安装和更换复杂，成本高昂，且外部需要导管作为支撑结构，导管的位置固定，使得钢丝绳阻尼器的安装位置固定，不能够很好的适应实际情况。

6、当布置形式采用配备单独的支撑装置的索端钢丝绳阻尼器时，这种形式的主要问题是高度受限的问题，减振效果和相位角密切相关，同时钢丝绳过大的自身刚度，使得这种布置形式较其他阻尼形式优势不明显。

7、且一批钢丝绳阻尼器一旦生产固定完成，由于张拉和加工存在误差，钢丝绳阻尼器成品很难达到理想的设计目标，从而导致提供的阻尼达不到预期，需要后天的措施来弥补。即使目前存在多种负刚度装置，例如磁致负刚度，但是磁致负刚度价格昂贵，实现预期功能的时候，负刚度装置的成本将超过钢丝绳阻尼器本身，显然不合适；通过常用于大型隔振产品中复杂的连杆机构来实现负刚度，其结构复杂，体系庞大，对于有限的钢丝绳阻尼器空间，无法配合使用，且无法实现对负刚度的调节。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术调节钢丝绳阻尼器等减振器的负刚度的结构，存在结构复杂、体系庞大，需要较大的安装空间且无法实现对负刚度的调节的问题，提供一种刚度调节器、钢丝绳减振装置及其安装方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种刚度调节器，包括连杆、齿条、齿轮和至少一个预压单元组；

4、所述齿轮与所述连杆固结，所述齿轮与所述齿条啮合，所述齿轮通过转动轴转动连接于第一固定结构；所述预压单元组包括两个预压单元，所述预压单元沿其长度方向能够设置预压量；

5、当只设有一个所述预压单元组时，所述预压单元组的两个所述预压单元的靠近所述连杆的一端分别通过第一铰轴铰接于所述连杆的两端，所述预压单元组的两个所述预压单元的另一端分别通过第二铰轴铰接于第二固定结构；

6、当设有至少两个所述预压单元组时，靠近所述连杆的所述预压单元组的两个所述预压单元的靠近所述连杆的一端分别通过第一铰轴铰接于所述连杆的两端，远离所述连杆的所述预压单元组的两个所述预压单元的远离所述连杆的一端分别通过第二铰轴铰接于第二固定结构，相邻所述预压单元的相邻端通过第二铰轴铰接；

7、当设有至少一个所述预压单元组时，所述第一铰轴、第二铰轴和转动轴的中轴线平行，所述齿条和所述第一固定结构朝向所述连杆的两侧相反设置。

8、本方案中，预压量是指通过压力等方式挤压使得预压单元能够形成反推力的释放能力。其中，减振器需要调节刚度时，将所述齿条和所述第一固定结构朝向所述连杆的两侧相反设置并分别连接在减振器减振变形方向的两侧的固定结构上，如连接于钢丝绳阻尼器两侧的第一夹板和第二夹板，且让刚度调节器初步处于平衡位置，即连杆和预压单元的长度方向平行，此时预压单元的力通过连杆相互抵消，且齿条与此时的连杆和预压单元处于垂直的状态。

9、当减振器所控制的振动物振动时，带动减振器变形方向的两侧的固定结构产生相对位移，使得固定结构脱离平衡位置带动齿条沿所述连杆的对应侧移动，带动齿轮发生转动，齿轮转动后通过转动轴带动连杆发生转动，当连杆发生转动之后，预压单元将和初始状态的平行线形成夹角，此时预压单元对连杆的端部作用的第一分力和第二分力将通过连杆对转动轴产生扭矩，第一分力与齿条的方向一致，第二分力与第一分力垂直，最终通过转动轴传递给齿轮和齿条，扭矩的值等于齿条给齿轮的沿齿条长度方向的力乘以齿轮的分度圆半径。由于此时齿轮给齿条的力和齿条行进方向相同，所以此时通过预压单元、连杆、转动轴、齿轮的配合，将给减振器提供负刚度。且通过改变预压单元提供的预压量，能够改变提供的负刚度大小。且其结构简单，安装于减振器减振变形方向的两侧的固定结构之间，故体系较小，所需安装空间小。

10、优选的，所述连杆沿其长度方向间隔设有至少四个安装孔，所述转动轴穿设于所述连杆中部的其中一个所述安装孔，每个所述第一铰轴穿设于剩余所述安装孔中的一个；通过调整第一铰轴穿设于所述连杆长度方向的不同安装孔，能够改变两个第一铰轴的间距，进而能够改变提供的负刚度大小。

11、和/或，

12、包括至少两种不同直径的齿轮，所有所述齿轮叠放且同轴心设置，所有所述齿轮组成齿轮组，所述齿条与其中一个所述齿轮啮合。通过改变与齿条啮合的齿轮的直径，能够改变提供的负刚度大小。

13、如若发现当前布置形式提供的负刚度过大，有以下方式可以降低所提供的负刚度，可以增加与齿条啮合的齿轮的半径，可以减小两个第一铰轴的间距，也可以降低预压元件的初始预压力。

14、优选的，所述安装孔的数量为奇数，所有所述安装孔在所述连杆上对称分布，所述转动轴穿设于所述连杆正中间的所述安装孔，使得两个第一铰轴有更多的安装选择位置，所能够实现的负刚度调整范围更宽；且能够使得两个第一铰轴与连杆中心的转动轴的间距相等，使得调整负刚度的设计更加容易，且调整负刚度的过程更加稳定。

15、优选的，每个所述预压单元组的两个所述第一铰轴关于所述转动轴对称，使得两个第一铰轴与连杆的转动轴的间距相等，使得调整负刚度的设计更加容易，且调整负刚度的过程更加稳定。

16、优选的，所述预压单元包括预压弹簧，结构简单，选择性多，成本低，且使用稳定。

17、优选的，所述齿条远离所述第一固定结构的一端连接有转动连接件，所述转动连接件的转轴与所述转动轴垂直，所述齿条能够沿所述转轴转动，使得能够适应于沿转动轴轴向方向的变形，避免沿转动轴轴向方向的变形导致齿条无法与齿轮啮合而导致无法有效提供负刚度。

18、优选的，所述转动连接件包括滑槽，所述滑槽的长度方向与所述转动轴的轴向平行，所述滑槽内设有滚轮，所述滚轮能够沿着所述滑槽的长度方向滚动，所述转轴转动穿设于所述滚轮，所述转轴固结于所述齿条远离所述第一固定结构的一端。

19、滚轮能够在滑槽内滑动，进而能够改变转轴沿转动轴轴向的位置，且转轴能够在滚轮里转动带动齿条沿转动轴轴向摆动，使得能够适应于沿转动轴轴向方向的更大的变形，避免沿转动轴轴向方向的变形导致齿条无法与齿轮啮合而导致无法有效提供负刚度。

20、一种钢丝绳减振装置，包括钢丝绳阻尼器和所述的刚度调节器，所述钢丝绳阻尼器包括相对设置的第一夹板和第二夹板，所述第一夹板和所述第二夹板之间绕设有钢丝绳，所述刚度调节器设置于所述第一夹板和所述第二夹板之间，所述刚度调节器的第一固定结构和第二固定结构均连接于所述第一夹板和所述第二夹板中的一个，所述刚度调节器的齿条远离所述第一固定结构的一端直接连接或通过转动连接件连接于所述第一夹板和所述第二夹板中的另一个。

21、本发明所述钢丝绳减振装置，通过刚度调节器能够实现对钢丝绳阻尼器的正刚度的减小，进而在相同的荷载激励下，可以很好放大变形，增加单周期耗能，提高减振效果，所以可以减小传统布置形式环形钢丝绳阻尼器的数量、降低对安装高度的要求，使得钢丝绳阻尼器的适应性更强。且可调的钢丝绳减振装置的整体刚度，甚至形成整体负刚度，使得钢丝绳阻尼器的耗能性能达到最优。

22、优选的，当钢丝绳阻尼器用于斜拉索时，所述第一夹板和所述第二夹板中的一个通过支架连接桥梁主梁、另一个通过索夹连接索结构，其无需根据桥梁的导管所在固定位置安装钢丝绳阻尼器，可以根据实际所需安装高度设置支架进行安装，适用范围更广，能够更好的控制索结构的振动；

23、当钢丝绳阻尼器用于悬索桥吊索时，所述第一夹板和所述第二夹板分别通过索夹连接两个索结构，脱离了支架的设置，可以根据需求安装于任一高度，能够更加容易实现宽频减振。

24、一种刚度调节器的安装方法，用于安装形成所述的钢丝绳减振装置，包括以下步骤：

25、s01、将刚度调节器的第一固定结构和第二固定结构均连接于所述第一夹板和所述第二夹板中的一个；将刚度调节器的齿条远离所述第一固定结构的一端直接连接或通过转动连接件连接于所述第一夹板和所述第二夹板中的另一个；

26、s02、将刚度调节器的连杆、齿轮通过转动轴转动连接于第一固定结构，并保证齿轮与齿条啮合；

27、s03、调整预压单元的预压量，并通过第一铰轴、第二铰轴实现预压单元的铰接，完成刚度调节器的安装。

28、本发明所述刚度调节器的安装方法，先安装第一固定结构、第二固定结构以及齿条于钢丝绳阻尼器，然后安装位于中部的连杆、齿轮并保证相应的连接关系和位置关系，实现配合；再调整预压单元的预压量，完成预压单元的安装，使得能够快速、便捷的将刚度调节器安装于钢丝绳阻尼器内，且便于对预压单元的预压量的调整，使得刚度调节器在钢丝绳阻尼器内的安装效果更好。

29、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

30、1、本发明所述刚度调节器，通过预压单元、连杆、转动轴、齿轮的配合，给减振器提供负刚度。且通过改变预压单元提供的预压量、啮合齿轮的半径、预压单元与连杆间铰轴的间距，能够改变提供的负刚度大小。且其结构简单，安装于减振器减振变形方向的两侧的固定结构之间，故体系较小，所需安装空间小。

31、2、本发明所述钢丝绳减振装置，通过刚度调节器能够实现对钢丝绳阻尼器的正刚度的减小，进而在相同的荷载激励下，可以很好放大变形，增加单周期耗能，提高减振效果，所以可以减小传统布置形式环形钢丝绳阻尼器的数量、降低对安装高度的要求，使得钢丝绳阻尼器的适应性更强。且可调的钢丝绳减振装置的整体刚度，甚至形成整体负刚度，使得钢丝绳阻尼器的耗能性能达到最优。

32、3、本发明所述刚度调节器的安装方法，能够快速、便捷的将刚度调节器安装于钢丝绳阻尼器内，且便于对预压单元的预压量的调整，能够适应钢丝绳阻尼器的内部空间以及满足提供负刚度的需求，使得刚度调节器在钢丝绳阻尼器内的安装效果更好。