一种可预设早期刚度的螺旋弹簧阻尼器技术领域
本发明涉及减震装置，特别是涉及采用圆柱形螺旋压缩弹簧的阻尼器。
背景技术
阻尼器是一种以提供运动的阻力来耗减运动能量的减震装置。利用阻尼器来耗能
减震是一种被广泛应用于航天、航空、军工、枪炮以及汽车等行业的传统技术。自二十世纪
七十年代以来，人们开始逐步的把利用阻尼器耗能减震的技术应用到建筑、桥梁、铁路等结
构工程中。而螺旋弹簧阻尼器以其抗冲击能力高、成本低、减震效果好的特性被广泛应用于
各种建筑的抗震结构中。
人们对于建筑物尤其是高层建筑的抗震结构的设计追求一种“抗”与“耗”相结合
的综合的抗震性能，即在弱风振和小地震的作用下抗震结构能为建筑物主体提供额外的附
加刚度来抵抗外部载荷的作用，保持主体结构的完整性，避免结构主体出现内部损伤，而在
强风振和大地震的作用下抗震结构则开始屈服变形，通过抗震结构中的阻尼器的阻尼作用
来耗散外部能量，使结构主体在强风振和大地震中不至于被严重破坏甚至倒塌，保证人们
的生命和财产安全。这便要求应用于抗震结构在外部弱载荷的作用下能保持刚性，不发生
变形；在外部强载荷的作用下则能变形耗能。然而现有的弹簧阻尼器还无法满足上述抗震
需求，任何弹簧阻尼器在外部载荷的作用下均会产生或多或少的弹性变形。因此上述人们
所追求的建筑物抗震结构的性能是很难实现的。
授权公告号为CN 204081122 U的实用新型专利申请公开了一种建筑用抗风减震
弹簧阻尼器，该阻尼器将导向套内的两只弹性体(即两只螺旋弹簧)分别固接在中心轴上的
中间限制组件上，当阻尼器受拉或受压时，其中一个弹性体受拉，另一弹性体受压，从而实
现抗风减震。但是，该实用新型专利明显存在下述缺点：1、需要两只螺旋弹簧，整个阻尼器
的长度较长，不适合在距离较小的空间安装；2、在工艺上很难甚至不可能保证两只弹簧的
刚度(包括拉伸刚度和压缩刚度)相等，因此风向不同减震效果即不同；3、无法改变阻尼器
的早期刚度，达到预设抗风级别，降低减震成本的目的；4、一只螺旋弹簧同时在拉伸与压缩
两种状态下工作，现有弹簧的金属材料和生产工艺很难满足要求，只能通过缩小螺旋弹簧
的弹性变形范围来实现拉伸与压缩两种工作状态，这显然会造成资源浪费。
公开号为CN 102409777A的专利申请公开了“一种结构三维隔震和抗倾覆装置”，
该装置包括叠层橡胶隔震支座和设在叠层橡胶隔震支座下部的由螺旋压缩弹簧构成的弹
簧隔震支座，其中弹簧隔震支座主要用于隔离竖向地震波；但是由于竖向地震波为双向的，
而该发明中的弹簧隔震支座仅能压缩变形耗能；因此该装置无法隔离地震中地表瞬间向下
移动的负向波。此外，该装置还存在无法改变阻尼器的刚度，达到预设抗震烈度，降低减震
成本的目的。
公开号为CN101457553A的发明专利申请公开了一种“弹簧刚度可调式调谐质量减
振器”，该减振器是一种复合阻尼器，通过改变质量块的厚度改变其特征频率，通过改变粘
滞阻尼器的工作介质的流量改变其阻尼比，通过改变弹簧的有效工作长度改变其刚度，其
中改变弹簧的有效工作长度的手段有三种，一是采用固化材料将弹簧位于固化筒内的一段
固化，二是往螺旋弹簧的中心孔内塞入约束块，二者过盈配合，使与约束块接触的一段弹簧
失效，三是在约束块表面设置螺旋状凸起，将螺旋状凸起卡在弹簧丝之间，使弹簧丝之间卡
有螺旋状凸起的一段弹簧失效。由此可见，该专利申请方案中的弹簧虽然可改变刚度，但所
述的弹簧不仅有效工作长度明显缩短，而且只能压缩耗能减振，不能拉伸耗能减振。另外，
通过改变弹簧有效工作长度的方式来改变弹簧的刚度，调节范围受弹簧自身材质和形状的
约束，调节范围十分有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可预设早期刚度的螺旋弹簧阻尼器，该阻
尼器不仅保持了弹簧的有效工作长度，而且既可压缩耗能减振，又可拉伸耗能减振。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种可预设早期刚度的螺旋弹簧阻尼器，该阻尼器包括导向套，该导向套的一头
设有第一端盖，另一头设有第二端盖；所述的导向套内同轴设有圆柱形螺旋压缩弹簧，一驱
动构件由第一端盖的外侧伸进所述的导向套内，该驱动构件包括动压板和驱动杆，其中所
述的动压板位于圆柱形螺旋压缩弹簧的头部，所述驱动杆设在动压板上并沿导向套轴线延
伸出导向套；其特征在于，
所述的导向套内还设有反压装置，该反压装置包括数量分别至少为三根的两组预
压钢索和两块浮动压板，其中，
所述的两块浮动压板，一块设在所述动压板与圆柱形螺旋压缩弹簧之间，另一块
设在第二端盖与圆柱形螺旋压缩弹簧之间；
所述的两组预压钢索分别绕导向套的轴线以直线状态对称分布于所述圆柱形螺
旋压缩弹簧的中心孔内，且，一组预压钢索的一头分别固定在与动压板相邻的浮动压板上，
另一头分别穿过与第二端盖相邻的浮动压板固定在第二端盖上；另一组预压钢索的一头分
别固定在与第二端盖相邻的浮动压板上，另一头分别穿过与动压板相邻的浮动压板固定在
动压板上；
所述的浮动压板上在穿过所述预压钢索的位置分别设有穿过该预压钢索的通孔，
该通孔的孔径大于所穿设的预压钢索的直径；
张紧两组预压钢索，使两块浮动压板之间的距离等于将圆柱形螺旋压缩弹簧压缩
至预设早期刚度的长度。
上述方案中，所述的预压钢索可以是钢丝绳，也可以是预应力钢铰线。
本发明所述的可预设早期刚度的螺旋弹簧阻尼器，其中所述的预压钢索两头可采
用常规的方法锚固，也可采用类似于吊环螺钉或由钢筋弯曲的U形构件系接固定，因此，如
果将所述的预压钢索的两头都采用锚固或吊环螺钉系接固定死，那么要达到预设早期刚度
的目的，就必须预先计算并严格控制所述预压钢索的长度才能预设的张力，进而达到预设
早期刚度的目的。但是，在实际生产调试过程中，要采用控制所述预压钢索长度的方法达到
预设早期刚度的目的则存在下述两大难题，一是锚固或系接的过程会产生误差，二是即使
控制了锚固或系接的过程所产生误差，但预压钢索在切断、放置过程中还会导致其特性参
数的变化。为了解决上述技术难题，本发明的一个改进方案是：
所述的两组预压钢索的另一头采用钢索自锁锚具分别固定在动压板和第二端盖
上；所述的钢索自锁锚具由安装孔、夹爪和防松螺栓构成，其中，
所述的安装孔设在动压板或第二端盖上；所述的安装孔由一段锥孔和一段螺纹孔
组成，其中所述锥孔位于靠近浮动压板的一侧，且尖头指向浮动压板，所述螺纹孔位于远离
浮动压板的一侧；
所述的夹爪为与所述锥孔相匹配圆锥形，并由3～5瓣组成，其体内沿轴线设有夹
持预压钢索的装夹孔；
所述的防松螺栓与所述螺纹孔相匹配，且体内沿轴线设有直径大于所述预压钢索
直径的圆孔；
所述的夹爪安装在所述锥孔内，防松螺栓安装在所述螺纹孔内。
由上述改进方案可见，将所述两组预压钢索的一头分别固定在所述的浮动压板
上，另一头分别由所述的钢索自锁锚具的装夹孔和圆孔中穿出，这样即可把露出的绳头系
接在牵引张拉机上，在牵引张拉的同时监测圆柱形螺旋压缩弹簧的压缩量(即为张拉距
离)，以便确定两块浮动压板之间的距离；当两块浮动压板之间的距离等于将圆柱形螺旋压
缩弹簧压缩至满足早期刚度的长度时，拧动防松螺栓即可推动所述夹爪将预压钢索夹紧并
锁死即可(此时需保证第二端盖和与第二端盖相邻的浮动压板紧贴在一起)；使用时即使在
振动过程中两组预压钢索反复张紧、松驰的情况下也不会松动。
本发明所述的阻尼器可广泛用于各种一维隔震领域，如，机械设备内部振动的隔
离、设备基础隔震、建筑结构的抗震加固、建筑基础隔震等。
本发明所述的阻尼器具有如下有益效果：
(1)仅需一只圆柱形螺旋压缩弹簧就可使阻尼器无论所受轴向外力为正向还是反
向，所述的圆柱形螺旋压缩弹簧均能产生弹性压缩变形而耗能，不仅节省了一只弹簧，而且
大大的缩短了阻尼器的长度。
(2)当动载荷大于阻尼器所设早期刚度的抵御能力时，双向弹性变形对称，因此外
力载荷的正负方向的变化不影响其压缩变形而耗能的效果。
(3)改变预压钢索的长度即可改变整个阻尼器的早期刚度，当早期刚度大于零时，
外力在克服该早期刚度之前无法使阻尼器产生变形，因此将其用于建筑结构抗震时，可预
设地震设防等级，显著降低隔震成本。
(4)预设所述预压钢索的长度即可预设阻尼器早期刚度，所述圆柱形螺旋压缩弹
簧没有一圈失效，即有效工作长度不变，不会改变圆柱形螺旋压缩弹簧原有的特性参数。
附图说明
图1～6为本发明所述阻尼器的一个具体实施例的结构示意图，其中，图1为主视图
(剖视)，图2为图1的A-A剖视图，图3为图1的B-B剖视图，图4为仰视图，图5为图1中局部Ⅰ的
放大图，图6为图2中局部Ⅱ的放大图。
图7～13为本发明所述阻尼器第二个具体实施例的结构示意图，其中，图7为主视
图(剖视)，图8为图7的C-C剖视图，图9为图7的D-D剖视图，图10为仰视图，图11为图7中局部
Ⅲ的放大图，图12为图7中局部Ⅳ的放大图，图13为图8中局部Ⅴ的放大图。
图14～16为图7～13所示实施例中钢索自锁锚具的结构示意图，其中图14为主视
图(剖视图，图中双点划线示意预压钢索)，图15为俯视图，图16为图14的E-E剖视图。
图17～19为本发明所述阻尼器第三个具体实施例的结构示意图，其中，图17为主
视图(剖视)，图18为图17的F-F剖视图，图19为图17的G-G剖视图。
具体实施方式
例1
参见图1，本例中的可预设早期刚度的螺旋弹簧阻尼器是一种可用于建筑结构抗
震加固的耗能装置，它包括导向套1、分别设在导向套1两头的第一端盖2和第二端盖3，其
中，所述第一端盖2与和第二端盖3通过螺钉分别与导向套的两端固定连接。所述的导向套1
内沿轴向设有一圆柱形螺旋压缩弹簧4，一驱动构件由第一端盖2中心伸进所述的导向套1
内，其中，所述的驱动构件由位于圆柱形螺旋压缩弹簧4上端且与导向套1动配合的动压板5
和由动压板5上表面向上延伸出导向套1的驱动杆5-1构成，所述驱动杆5-1位于导向套1外
的末端设有带铰接孔13的连接环5-2，所述连接环5-2与驱动杆5-1通过螺纹连接的方式对
接在一起。所述动压板5与第一端盖2之间设有大于所述圆柱形螺旋压缩弹簧4振幅的间隙。
参见图1和4，所述第二端盖3的外侧设有与之连成一体的两个连接耳板12，每一连
接耳板12上设有铰接孔13。
参见图1～6，所述的导向套1内设有反压装置，该反压装置包括两组预压钢索和两
块浮动压板；其中，所述的两组预压钢索为由三根预压钢索组成的第一组预压钢索8和由五
根预压钢索组成的第二组预压钢索9；所述的两块浮动压板为设在所述驱动构件的动压板5
与圆柱形螺旋压缩弹簧4之间的第一浮动压板6和设在第二端盖3与圆柱形螺旋压缩弹簧4
之间的第二浮动压板7；
参见图1～6，所述两组预压钢索分别以直线状态绕导向套1轴线对称分布在所述
圆柱形螺旋压缩弹簧4的中心孔内，每一根预压钢索均平行于导向套1轴线，且第一组预压
钢索8距导向套轴线的距离等于第二组预压钢索9距导向套轴线的距离；其中，所述第一组
预压钢索8的下头分别由吊环螺钉14固定在第二浮动压板7上，上头分别穿过第一浮动压板
6由吊环螺钉14固定在所述动压板5上；所述第二组预压钢索9的上头分别由吊环螺钉14固
定在第一浮动压板6上，下头穿过第二浮动压板7由吊环螺钉14固定在第二端盖3上；所述第
一浮动压板6上在每一根第一组预压钢索8穿过的位置设有供其穿越的第一通孔10，该第一
通孔10的孔径大于所述第一组预压钢索8的直径；所述第二浮动压板7上在每一根第二组预
压钢索9穿过的位置设有供其穿越的第二通孔11，该第二通孔11的孔径大于所述第二组预
压钢索9的直径；所述的预压钢索的两头由吊环螺钉固定在相应构件上的方法为：将吊环螺
钉14固定在相应的构件上，然后将预压钢索的一头系接在吊环螺钉的吊环上，并由钢丝绳
夹(图中未画出)固定死。
本例中的所述的预压钢索可以是钢丝绳，也可以是预应力钢铰线，具体实施时，可
根据实际需要自行选取。
为了实现可预设早期刚度的目的，上述两预压钢索的安装及张紧方法如下所述：
(1)先根据预设的早期刚度和圆柱形螺旋压缩弹簧4的弹性系数确定圆柱形螺旋压缩弹簧4
压缩量，进而计算出每一根第一组预压钢索8和第二组预压钢索9的长度；(2)按图1～3将圆
柱形螺旋压缩弹簧4、反压装置和驱动构件连接好，然后反复调节使每一根预压钢索的实际
长度与计算长度相等并用常见的钢丝绳夹(图中没显示)固定死，将圆柱形螺旋压缩弹簧4
始终夹持在第一浮动压板6与第二浮动压板7之间；然后，(3)放入导向套1内并盖上第一端
盖2与和第二端盖3，最后将连接环5-2与驱动杆5-1对接起来，即得所述的可预设早期刚度
的螺旋弹簧阻尼器。
参见图1，所述两组预压钢索分别牵拉两块浮动压板压缩所述圆柱形螺旋压缩弹
簧4为其来提供预压力，通过调节钢索的长度即可调节预压力的大小，进而达到预设早其刚
度的目的。参见图1，当阻尼器受到轴向的外部载荷时，无论外部载荷是压力还是拉力，只要
其小于上述预压力，圆柱形螺旋压缩弹簧4是不会继续变形的。当外部载荷大于所述预压力
时，若外部载荷为压力，所述动压板5推动所述第一浮动压板6继续压缩圆柱形螺旋压缩弹
簧4产生弹性变形耗能，若外部载荷为拉力，所述两组预压钢索分别牵拉两块浮动压板相对
移动压缩圆柱形螺旋压缩弹簧4产生弹性变形耗能。因为无论阻尼器所受的动载荷为拉或
压，最终产生的变形均是圆柱形螺旋压缩弹簧4的压缩变形，所以阻尼器的双向弹性变形必
然是对称的。
例2
本例与例1具有如下区别：
参见图7～9，所述第一组预压钢索8和第二组预压钢索9均由四根预压钢索组成。
并且，第一组预压钢索8距导向套轴线的距离大于第二组预压钢索9距导向套轴线的距离。
参见图7～13，所述的第一组预压钢索8的上头和第二组预压钢索9的下头分别采
用钢索自锁锚具15替代例1中的吊环螺钉固定在所述动压板5和第二端盖3上。
参见图14～16，并结合图7，所述的钢索自锁锚具15由设置在安装板15-1上的安装
孔、夹爪15-2和防松螺栓15-4构成，其中，所述安装板15-1即为动压板5或第二端盖3。所述
的安装孔的轴线与相应的预压钢索所在的直线共线；所述的安装孔由一段锥孔和一螺纹孔
组成，其中所述锥孔位于靠浮动压板的一侧，且尖头指向所浮动压板，螺纹孔位于远离浮动
压板一侧。所述的夹爪15-2为与所述锥孔相匹配圆锥形，并由3瓣组成，其体内沿轴线设有
夹持相应预压钢索的装夹孔15-3。所述的防松螺栓15-4与所述螺纹孔相匹配，且体内沿轴
线设有直径大于相应预压钢索直径的圆孔15-5。所述的夹爪15-2安装在所述锥孔内，防松
螺栓15-4安装在所述螺纹孔内；相应的钢索的另一头被夹持在所述的装夹孔15-3内，且末
端自对应防松螺栓15-4的圆孔15-5穿出。
按本例的方案制作组装好所述阻尼器后，把露出的第一组预压钢索8和第二组预
压钢索9的头部系接在牵引张拉机上，在牵引张拉的同时监测圆柱形螺旋压缩弹簧4的压缩
量(即为张拉距离)，以便确定两块浮动压板之间的距离；当两块浮动压板之间的距离等于
将圆柱形螺旋压缩弹簧4压缩至满足早期刚度的长度时，拧动防松螺栓15-4即可推动所述
夹爪15-2将预压钢索夹紧并锁死，从而将圆柱形螺旋压缩弹簧4始终夹持在第一浮动压板6
与第二浮动压板7之间。
本例上述以实施方法与例1相同。
例3
参见图17～19，本例中的可预设早期刚度的螺旋弹簧阻尼器为一种可用于建筑物
竖向隔震的隔振装置(也称隔震支座)，本例与例2相比主要具有如下区别：
1、作为隔震支座，为便于安装，本例中省略了例1中第二端盖3上所设的连接耳板，
而将第二端盖3自边缘先向下轴向延伸再向外径向延伸，并于边缘处均匀设有连接螺栓孔
16，以第二端盖3作为隔震支座的底座，其中向下轴向延伸的长度需大于所述钢索自锁锚具
15露在第二端盖3外侧部分的长度。所述驱动构件的驱动杆5-1为一由动压板5上表面向导
向套1外延伸的金属管，该金属管与动压板5通过沉头螺钉固定连接，所述金属管位于导向
套1外的端部设有连接托板17，且，该连接托板17上同样设有连接螺栓孔16。所述的第一端
盖2由导向套1上端向内延伸构成。
2、所述第一组预压钢索8和第二组预压钢索9分别由三根钢索组成，且第一组预压
钢索8距导向套轴线的距离等于第二组预压钢索9距导向套轴线的距离。
本例上述以外的其它实施方式与例2相同。