一种非线性轨道式颗粒阻尼器.pdf

本发明涉及一种非线性轨道式颗粒阻尼器，包括外轨道、滚轮、缓冲元件、阻尼腔体单元和颗粒群。外轨道通过固定装置与主体系统相连，轨道上敷设缓冲材料，缓冲元件设于轨道端部，对滚轮进行限位，阻尼腔体单元为单个的长方体或球体结构，共8个，每个阻尼腔体单元内部布置一层颗粒群，颗粒群由圆形或形状不规则的金属或非金属颗粒组成。本发明利用阻尼器质量体自身的振动以及腔体内颗粒的摩擦碰撞等方式进行耗能，且将阻尼腔体单元外置，有利于加剧系统的运动，增加耗能，使本系统的耗能效率更高，此外，非线性的曲面轨道设计使系统具有良好的复位功能和自动限位能力。

1.  一种非线性轨道式颗粒阻尼器，包括外轨道（1）、滚轮（2）、缓冲元件（3）、阻尼腔体单元（4）和颗粒群（5），其特征在于：两条外轨道（1）平行布置，分别通过固定装置与主体系统相连，两个滚轮（2）通过中心转轴相连，分别搁置于相应的外轨道（1）上，缓冲元件（3）固定于外轨道两端，用于对滚轮（２）进行限位；阻尼器腔体单元（4）共有8个，以中心转轴为中心环向均匀对称布置，每个阻尼器腔体单元（4）内部布置一层颗粒群（5），颗粒群（5）由圆形或形状不规则的颗粒组成；外轨道（1）表面采用非线性的曲面结构，外轨道（１）表层敷设有缓冲材料，便于滚轮运动，同时增加能量的转移和耗散；所述颗粒阻尼器利用轨道的非线性曲面形成的非线性控制力，滚轮自身的振动以及阻尼器腔体单元内颗粒群的摩擦碰撞进行耗能。

2.  根据权利要求1所述的一种非线性轨道式颗粒阻尼器，其特征在于：阻尼腔体单元（4）通过连杆连接在中心转轴外侧，利于滚轮的转动，增加耗能。

3.  根据权利要求1所述的一种非线性轨道式颗粒阻尼器，其特征在于：颗粒群（5）由若干圆形或不规则颗粒组成，所述颗粒是金属球、混凝土球或陶瓷球中的任一种或多种；颗粒截面尺寸为2mm~50mm；颗粒群（5）在水平面投影面积为阻尼器腔体单元（4）水平面积的20%-100%。

4.  根据权利要求1所述的一种非线性轨道式颗粒阻尼器，其特征在于：所述每个阻尼器腔体单元（４）均为长方体或球体结构。

一种非线性轨道式颗粒阻尼器
技术领域
本发明涉及一种非线性轨道式颗粒阻尼器，在一个或多个阻尼器腔体单元内部填充颗粒，通过大小颗粒的多次碰撞以及质量块本身的振动碰撞耗能，属于土木结构（包括高层建筑、高耸结构和桥梁结构等）振动控制领域。
背景技术
近年来，调谐质量阻尼器（TMD）以其施工简单、操作方便、减振效果显著等特点收到广泛欢迎。同时，调谐质量阻尼器只在特定的频带范围内具有一定的减振效果，且附加质量块与主体结构通过悬吊或滑动支座的方式相连，只能在水平方向上提供一个自振频率，而风/地震等的振动方向具有随机性，使其实际应用有一定的限制。而颗粒阻尼器（ParticleDamping）同样作为一种附加质量被动阻尼器，其原理是利用在振动体中有限封闭空间内填充的微小颗粒间摩擦与冲击作用消耗系统振动能量，具有耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感，可用于恶劣环境等优点，且颗粒阻尼器的阻尼作用并不受方向限制，这些优点为颗粒阻尼器在工程实践中的广泛应用提供了可能。因此本发明在主结构顶部设置质量单元，同时在质量块上设置空腔，在其内部填充颗粒，通过体系的运动以及颗粒群的摩擦、碰撞来转移并耗散结构的动能，这样，同时利用两种阻尼器的耗能方式，提高了阻尼器的耗能效率，同时也加宽了阻尼器的减振频率。
然而颗粒阻尼器也有自身的不足，比如传统的颗粒阻尼器内颗粒堆叠在一起，限制了颗粒的运动能力，颗粒与腔体的碰撞多为弹性碰撞，碰撞耗能能力有限等。因此，本发明设置多个阻尼腔体单元，环向均匀对称分布于体系四周，将原本堆积在一处的颗粒分散开来，使颗粒充分运动、碰撞，提高耗能效率，同时质量腔体布于体系四周有利于阻尼器的启动，能够加剧阻尼器的运动，增加了能量的转移和耗散量。
本发明结合质量阻尼器和颗粒阻尼器的优点，实现混合形式的耗能，做到优势互补，从而形成一种具有成本低廉、安装方便、耗能效果及耐久性好、减振频率宽等优点的新型阻尼器，具有工程实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种非线性轨道式颗粒阻尼器，该装置在传统调谐质量阻尼器的基础上加以改进，在转轴周围环向对称设置8个阻尼腔体单元，同时在腔体内设置颗粒群。本阻尼器结合质量阻尼器及颗粒阻尼器的优点，构造简单、消能减震效果好。在风或地震作用下，该装置能提供更宽的减振频率，同时通过颗粒群的摩擦、碰撞以及质量体系自身的振动来转移并耗散结构的动能。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。
本发明提出的一种非线性轨道式颗粒阻尼器，包括外轨道1、滚轮2、缓冲元件3、阻尼腔体单元4和颗粒群5，其中：两条外轨道1平行布置，分别通过固定装置与主体系统相连，两个滚轮2通过中心转轴相连，分别搁置于相应的外轨道1上，缓冲元件3固定于外轨道两端，用于对滚轮２进行限位，防止运动幅度过大时产生脱轨问题，阻尼器腔体单元4共有8个，以中心转轴为中心环向均匀对称布置，每个阻尼器腔体单元4内部布置一层颗粒群5，颗粒群5由圆形或形状不规则的颗粒组成。外轨道1表面采用曲面结构，使系统具有良好的复位功能和自动限位能力，外轨道１表层敷设有缓冲材料，便于滚轮运动，同时增加能量的转移和耗散。本发明利用轨道的非线性曲面形成的非线性控制力，系统滚轮自身的振动以及阻尼器腔体单元内颗粒群的摩擦碰撞等方式进行耗能，同时将阻尼腔体单元外置，有利于加剧阻尼腔体单元的滚动，增加耗能，使本系统的效率更高，此外，非线性的曲面轨道设计使系统具有良好的复位功能和自动限位能力。
本发明中，阻尼腔体单元4通过连杆连接在中心转轴外侧，利于滚轮的转动，增加耗能。
本发明中，颗粒群5由若干圆形或不规则颗粒组成，所述颗粒是金属球、混凝土球或陶瓷球中的任一种或多种；颗粒截面尺寸为2mm~50mm；颗粒群5在水平面投影面积为阻尼器腔体单元4水平面积的20%-100%。
本发明中，所述每个阻尼器腔体单元４均为长方体或球体结构。
本发明与现有技术相比，本发明的优点如下：
1）本发明通过在竖直面内将8个阻尼腔体单元沿中心转轴环向均匀对称布置，使传统阻尼器中堆叠在一起的颗粒群分散开来，利于在运动中实现充分的碰撞摩擦耗能，且将阻尼腔体及颗粒群外设利于系统的启动，使耗能效率更加提高。
2）本发明中采用非线性曲面设计的轨道，使系统具有良好的复位功能和自动限位能力，同时轨道表面敷设缓冲材料，提高了阻尼器的耗能效率。
3）本发明在轨道端部设置了缓冲元件，在滚轮运动到达轨道端部时限制其运动，以防阻尼器运动幅度过大时出现脱轨问题，提高阻尼器作用的耐久性及稳定性。
附图说明
图1为本发明一种非线性轨道式颗粒阻尼器的正视图；
图2为本发明一种非线性轨道式颗粒阻尼器的俯视图；
图3为本发明一种非线性轨道式颗粒阻尼器的侧视图。
图中标号：1为外轨道、2为滚轮、3为缓冲元件、4为阻尼腔体单元、5为颗粒群。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1：如图1所示，为本发明的一种非线性轨道式颗粒阻尼器实施例，其主要包括外轨道1、滚轮2、缓冲元件3、阻尼腔体单元4和颗粒群5。
外轨道1为非线性的曲面设计，并通过固定装置与主体系统相连，表面敷设缓冲材料，滚轮2通过中心转轴连接并搁置在外轨道1上，环向对称布置的阻尼腔体单元4与中心转轴相连，阻尼器腔体单元4为个长方体或球体结构，每个阻尼器腔体单元4内部布置一层颗粒群5，颗粒群5由圆形或形状不规则的颗粒组成，材料可以是金属、混凝土、玻璃或陶瓷中的任一种或多种。系统结合了质量阻尼器和颗粒阻尼器的优点，通过轨道的非线性曲面形成的非线性控制力，颗粒群的摩擦、碰撞以及腔体单元自身的振动来转移并耗散结构的能量。
通过对实施例1装置的研究发现，附加该非线性轨道式颗粒阻尼器之后，主体结构的减振率可以达到60%，而传统的调谐质量阻尼器的减振率一般在30%左右，且其在风振和地震作用下均有较好的效果，相比之下，对于风振的减振效果更优。