本发明专利技术公开了一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器，属于结构振动控制技术领域，所述的调谐质量阻尼器包括底板、推力轴承、螺旋弹簧、滚珠丝杆、滚珠螺母、质量块、运动永磁体组、不动钢板、固定永磁体组、滑动轴承和铜质飞轮组成；本发明专利技术利用运动永磁体组和固定永磁体组之间吸引力的非线性使装置具有负刚度非线性能量阱特征；采用滚珠丝杠式惯容机构放大了调谐质量阻尼器的等效振动质量，在提升调谐质量阻尼器减振效果的同时，解决超低频竖向调谐质量阻尼器弹簧净伸长过大的问题；该装置融合了非线性能量阱和调谐质量阻尼器的优势，拓宽了调谐质量阻尼器的控制频带；同时采用电涡流阻尼技术，提升了装置的耐久性。
【技术实现步骤摘要】
一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器
本专利技术属于结构振动控制
，具体涉及一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器。
技术介绍
近几十年来，我国桥梁建设经历了跨越式发展，兴建了一系列跨江、跨海的千米级桥梁。随着桥梁跨度的不断增大，大跨度桥梁在强/台风、地震、车辆等荷载作用下极易发生大幅振动。桥梁的振动不仅会引起桥梁结构的疲劳损伤，增加桥梁的维护成本，而且会降低桥上行车的安全性和舒适型，使司乘人员和公众媒体对桥梁的安全性产生怀疑。因此，有效的桥梁减振技术对桥梁的安全运营至关重要。调谐质量阻尼器（TMD）作为一种应用最为广泛的被动式减振装置，已成功应用于大跨度桥梁的减振控制，如英国千禧桥、日本东京湾跨海大桥、我国的崇启长江大桥等。然而TMD长期工作过程中，由于TMD或桥梁结构的刚度退化、桥梁结构的多阶模态振动控制需求、以及车-桥耦合作用使桥梁频率具有时变特点，易导致TMD产生频率失谐问题；由于TMD对控制结构的振动频率十分敏感，当TMD的振动频率与主结构的振动频率失谐时，将导致TMD减振效果的显著下降；为避免TMD频率失谐导致其减振效果的下降，专利“一种调谐质量阻尼器频率调节装置及其实现方法”基于惯容机构的质量放大效应实现了竖向TMD的频率调节；论文“Performanceoftunedmassdampersunderwindloads”提出设置被动式摆长调节机构实现摆式TMD的频率调节；论文“摆式调谐质量阻尼器频率调节新方法”利用磁场作用力同性相斥、异性相吸的特点实现了摆式TMD的频率调节；论文“调谐质量减振器在杭州湾大桥观光塔风振控制中的应用”通过附加调频弹簧实现了TMD的频率调节，然而上述频率调节方法仅能实现TMD向特定振动频率的调节，对车-桥耦合作用引起的时变结构的不能起到很好的减振效果；此外，为保证TMD的减振效果，还需定期进行TMD的现场调试。非线性能量阱（NES）作为一种新型的减振装置，由非线性刚度和阻尼组成，当结构受到外激励时，NES能够在较宽的频率范围俘获共振能量并实现能量靶向传递。为拓宽TMD的控制频率提供了新的思路，专利“一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统”拓宽了水平向TMD的控制频带，然而目前尚未发现关于减振性能更好的负刚度非线性能量阱融入TMD相关报道。此外，竖向TMD在控制大跨度桥梁竖向振动时，TMD将存在弹簧元件静伸长过大的问题，以日本东京湾桥为例，TMD的工作频率为0.33Hz，TMD弹簧元件的静伸长量将达到2.27m。弹簧的设计与安装面临巨大困难。为解决这一问题，该桥TMD采用主副框架结构构成的杠杆机构有效降低了弹簧的静压缩量（仅0.45m），但框架式机械装置也造成了TMD运动质量块与整体质量比重下降等问题。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器，利用永磁体之间作用力的非线性及异性相吸的特点，通过构造设计使装置具有负刚度非线性能量阱特点，拓宽了TMD的振动频率；采用滚珠丝杠式惯容机构，提升了TMD的等效运动质量的同时降低TMD质量元件的物理质量，实现TMD减振效果提升和TMD的弹簧元件的静伸长量减小；融合旋转式电涡流阻尼器技术提升TMD的耐久性。为了实现上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器，包括底板、推力轴承、螺旋弹簧、滚珠丝杆、滚珠螺母、质量块、第一运动永磁体组、第一固定永磁组、不动钢板、第二固定永磁体组、第二运动永磁体组、质量块盖板、滑动轴承、铜质飞轮和连接键；所述底板为圆盘形，质量块上部为空心圆筒形，所述推力轴承嵌固在底板的中心；所述螺旋弹簧与推力轴承同轴心、螺旋弹簧下端与底板固定、上端与质量块的底部固定；所述质量块中心位置开有通孔；滚珠螺母嵌固在质量块中心孔的下部，滚珠丝杠与滚珠螺母套装在一起，从下到上依次穿过推力轴承、滚珠螺母、质量块中心孔、不动钢板和滑动轴承；质量块上部开槽，并在光滑导轴位置开设导轴孔，第一运动永磁体组放置在槽底；光滑导轴穿过导轴孔下端与底板固定，上端与不动钢板固定；所述第一固定永磁体组和第二固定永磁体组分别安装在不动钢板的下侧与上侧；所述第二运动永磁体组安装在质量块盖板的下部，质量块盖板与质量块上部的槽边固定；所述滑动轴承嵌固在质量块盖板的中心位置；所述铜质飞轮通过连接键安装在滚珠丝杆的顶端。进一步地，所述运动永磁体组和固定永磁体组的永磁体个数相同，运动永磁体的中心与固定永磁体的中心共线，运动永磁体组的永磁体磁极相同布置，第一运动永磁体组和第一固定永磁体组一相对的永磁体磁极相反布置；第二运动永磁体组和第二固定永磁体组相对的永磁体磁极也相反布置。进一步地，所述光滑导轴外套滑动轴承放置在导轴孔的中心，光滑导轴中心线与通孔的中心线同轴心。进一步地，所述不动钢板距离第一运动永磁体组的净间距与距离第二运动永磁体组的净间距在平衡位置相等；所述运动永磁体组和固定永磁体组的净间距应大于调谐质量阻尼器质量块的振动幅值。进一步地，装置的阻尼系数通过改变铜质飞轮和质量块盖板的净间距或调整第二运动永磁体组中永磁体的个数调整；等效振动质量可通过铜质飞轮的直径或厚度调整。进一步地，装置的振动频率可通过调整运动永磁体组和固定永磁体组中的永磁体个数或铜质飞轮的直径调整。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术采用永磁式负刚度非线性能量阱技术，显著扩宽了TMD的控制频带，提升了TMD的鲁棒性，并具有非线性能量阱从主结构吸收的振动能量不返还给主结构的优势；2、采用滚珠丝杠惯容机构，提升了TMD的等效振动质量的同时有效降低了TMD的实际物理质量，并与永磁体负刚度组合解决了超低频竖向TMD弹簧元件静伸长过大的问题；3、采用旋转式电涡流阻尼，在显著提升电涡流阻尼耗能效率的同时，铜板和永磁体净间距的实时变化，使电涡流阻尼具备非线性特征。附图说明图1为本专利技术所述的一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器的局部剖视图；图2为本专利技术所述的一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器的轴侧图；图3为本专利技术所述的一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器的正视图；图4为本专利技术所述的一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器的俯视图；图5为本专利技术所述的一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器的B-B截面正视图；图6为本专利技术所述的一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器的非线性能量阱的力-位移关系曲线。附图标记列表：1底板，2推力轴承，3螺旋弹簧，4滚珠丝杆，5光滑导轴，6滚珠螺母，7质量块，8第一运动永磁体组，9第一固定永磁体组，10不动钢板，11第一固定永磁体，12第二运动永磁体组，13质量块盖板，14滑动轴承，15铜质飞轮，16连接键。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术，应理解下述具体实施方式仅用本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有负刚度非线性质量阱的低频竖向调谐质量阻尼器，其特征在于：包括底板（1）、推力轴承（2）、螺旋弹簧（3）、滚珠丝杆（4）、光滑导轴（5）、滚珠螺母（6）、质量块（7）、第一运动永磁体组（8）、第一固定永磁组（9）、不动钢板（10）、第二固定永磁体组（11）、第二运动永磁体组（12）、质量块盖板（13）、滑动轴承（14）、铜质飞轮（15）、连接键（16）；所述底板（1）为圆盘形，质量块（7）上部为空心圆筒形，质量块（7）上方设有质量块盖板（13），所述推力轴承（2）嵌固在底板（1）的中心；所述螺旋弹簧（3）与推力轴承（2）同轴心、螺旋弹簧（3）下端与底板（1）固定、上端与质量块（7）的底部固定；所述质量块（7）中心位置开有通孔；所述滚珠螺母（6）嵌固在质量块（7）中心孔的下部，滚珠丝杠（4）与滚珠螺母（6）套装在一起；所述滚珠丝杆（4）从下到上依次穿过推力轴承（2）、滚珠螺母（6）、质量块（7）的中心孔、不动钢板（10）、滑动轴承（14）；质量块（7）上部开槽，并在光滑导轴（5）位置开设导轴孔，第一运动永磁体组（8）放置在槽底；光滑导轴（5）穿过导轴孔下端与底板（1）固定，上端与不动钢板（10）固定；所述第一固定永磁体组（9）和第二固定永磁体组（11）分别安装在不动钢板（10）的下侧与上侧；所述第二运动永磁体组（12）安装在质量块盖板（13）的下部；所述质量块盖板（13）与质量块（7）上部的槽边固定；所述滑动轴承（14）嵌固在质量块盖板的中心位置；所述质量块（7）设置在永磁体组外侧且在螺旋弹簧（3）上方，所述铜质飞轮（15）通过连接键（16）安装在滚珠丝杆的顶端。/n...
【技术特征摘要】
1.一种具有负刚度非线性质量阱的低频竖向调谐质量阻尼器，其特征在于：包括底板（1）、推力轴承（2）、螺旋弹簧（3）、滚珠丝杆（4）、光滑导轴（5）、滚珠螺母（6）、质量块（7）、第一运动永磁体组（8）、第一固定永磁组（9）、不动钢板（10）、第二固定永磁体组（11）、第二运动永磁体组（12）、质量块盖板（13）、滑动轴承（14）、铜质飞轮（15）、连接键（16）；所述底板（1）为圆盘形，质量块（7）上部为空心圆筒形，质量块（7）上方设有质量块盖板（13），所述推力轴承（2）嵌固在底板（1）的中心；所述螺旋弹簧（3）与推力轴承（2）同轴心、螺旋弹簧（3）下端与底板（1）固定、上端与质量块（7）的底部固定；所述质量块（7）中心位置开有通孔；所述滚珠螺母（6）嵌固在质量块（7）中心孔的下部，滚珠丝杠（4）与滚珠螺母（6）套装在一起；所述滚珠丝杆（4）从下到上依次穿过推力轴承（2）、滚珠螺母（6）、质量块（7）的中心孔、不动钢板（10）、滑动轴承（14）；质量块（7）上部开槽，并在光滑导轴（5）位置开设导轴孔，第一运动永磁体组（8）放置在槽底；光滑导轴（5）穿过导轴孔下端与底板（1）固定，上端与不动钢板（10）固定；所述第一固定永磁体组（9）和第二固定永磁体组（11）分别安装在不动钢板（10）的下侧与上侧；所述第二运动永磁体组（12）安装在质量块盖板（13）的下部；所述质量块盖板（13）与质量块（7）上部的槽边固定；所述滑动轴承（14）嵌固在质量块盖板的中心位置；所述质量块（7）设置在永磁体组外侧且在螺旋弹簧（3...
【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，郜辉，邢晨曦，汪志昊，赵恺雍，梁瑞军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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