基于滑动面的可调控范围大的电涡流式阻尼装置
技术领域
本实用新型涉及阻尼减振技术领域，尤其涉及一种基于滑动面的可调控范围大的电涡流式阻尼装置。
背景技术
调谐质量阻尼装置(TMD)能够在主结构受到外界动态力作用时提供一个频率几乎相等、与结构运动方向相反的力，从而部分或全部抵消外界激励引起的结构响应。应用时，可以通过合理设计质量、刚度与阻尼系数来达到降低主体结构振动反应、增加结构负载能力的目的。
调谐质量阻尼装置从部件组成上通常分为刚度系统、质量系统和阻尼系统三大部分。这几部分通过不同组合方式可组成不同类型的阻尼装置。以常用的调谐质量阻尼装置为例，常规方案下，质量系统采用质量块，质量块底部设置滑轮，刚度系统采用弹簧，阻尼系统可采用杆式阻尼器或阻尼箱或电涡流阻尼器。上述方案存在如下缺陷：1)灵敏度不高。质量系统底部需设置滑轮等支撑构件，这些支撑构件与地板具有一定摩擦，从而导致其工作状态需要一个初始启动力，在微小振动时难以及时反应，灵敏度一般。2)只能控制一个方向或某几个特定反向的振动，难以满足复杂的振动控制要求。3)频率调节会影响减振效果。比如通过减少质量块的大小来调节频率时，特别是当质量减小时会导致减振效果降低。
针对上述问题，现有技术中也提出了各种基于曲面承台的滑动式和滚动式调谐质量阻尼装置，但减振结构较为单一，阻尼效率难以提升。
发明内容
本实用新型的目的在于：克服现有技术的不足，提供了一种基于滑动面的电涡流式阻尼装置。本实用新型提供的电涡流式阻尼装置，可实现多方位的双重减振，同时提供额外刚度以增加频率可调控范围，显著提高了空间利用率和阻尼效率，并将电涡流阻尼器安装在质量系统上，可以及时对微小振动进行反应，灵敏度高且易于维护。
为实现上述目标，本实用新型提供了如下技术方案：
一种基于滑动面的可调控范围大的电涡流式阻尼装置，包括外壳，以及设置在外壳内的质量块和电涡流阻尼器，
所述外壳内安装有底座，所述底座上部形成表面光滑的内凹式曲面；所述质量块的底部形成外凸式曲面，所述外凸式曲面的曲率与前述底座的内凹式曲面的曲率相同以使质量块与底座面接触；
所述质量块为固体或者质量块内形成中空腔体，腔体中填充有液体作为阻尼介质；
所述质量块侧部与外壳之间水平布置有弹簧以提供额外刚度；
所述电涡流阻尼器的一端连接在外壳上，电涡流式阻尼器的另一端连接在质量块上，使得质量块能够在外壳中以底座曲面为滑动面进行滑动。
进一步，水平布置的弹簧为一组或多组，每组弹簧包括布置在同一水平面的多个弹簧，弹簧的一端连接质量块，弹簧的另一端连接外壳内壁。
进一步，每组弹簧包括3个以上的弹簧，多个弹簧采用中心对称方式均匀安装在质量块周围。
进一步，所述弹簧采用可拆卸方式安装在质量块与外壳内壁之间，通过更换不同刚度的弹簧以调整消振频率或辅助调整消振频率。
进一步，所述质量块与底座之间还设置有减摩阻板或减摩阻涂层；
所述底座上部形成内凹式球面，所述质量块底部形成半径与底座球面相同的外凸式球面。
进一步，所述电涡流阻尼器安装在质量块上，包括永磁体、磁体背铁、导体板和导体背铁，永磁体位于磁体背铁与导体板之间；振动时导体板与永磁体发生相对运动，导体板切割磁力线产生电涡流与永磁体相互作用，产生阻碍相对运动的阻尼力。
进一步，所述导体板活动安装在导体背铁表面，使得导体板与导体背铁表面的距离能够进行调节，从而调整导体板与永磁体之间的间隔以调整阻尼力的大小；
或者，所述导体背铁活动安装在质量块上，使得导体背铁与质量块之间的距离能够进行调节，从而调整导体背铁上的导体板与永磁体之间的间隔以调整阻尼力的大小。
进一步，所述外壳包括主体框架和围护钢板，所述主体框架形成外壳的骨架，所述围护钢板形成外壳的外围防护；
所述导体背铁固定安装在质量块顶部，所述质量块侧部通过一个或多个限位结构连接外壳，所述限位结构能够在质量块滑动时进行限位以防止质量块翻倒。
进一步，对应于所述底座和质量块，分别设置有多个曲率半径不同的内凹式曲面和外凸式曲面，所述内凹式曲面与底座可拆卸连接，所述外凸式曲面与质量块可拆卸连接，从而能够根据需要的消振频率在底座和质量块上安装对应曲率半径的内凹式曲面和外凸式曲面。
进一步，所述质量块为钢材、铅块、混凝土和灌浆料中的一种或多种混合构成，或者为前述一种或多种与液体混合构成。
本实用新型由于采用以上技术方案，与现有技术相比，作为举例，具有以下的优点和积极效果：
1)在质量块侧面连接有弹簧提供额外刚度，增加了频率可调控范围，最大程度利用了空间；结合了调谐质量阻尼器和调谐流体阻尼器的结构，可实现多方位的双重减振；质量块直接放置于底座上，通过在底座上的滑动界面进行滑动来消耗振动能量，安装方便，耐久性能优良。
2)便于调整阻尼装置的刚度和频率。可通过改变或更换曲面底座及质量块底部的曲率半径大小来调节产品频率，也可通过更换弹簧调节频率。与传统的通过调整质量块大小来调整频率方案相比，降低了频率调整对阻尼装置的减振效果的影响。
3)滑动面可在较小的空间范围内实现任意长度的滑动半径，可极大的减小产品尺寸。
4)电涡流阻尼器无机械磨损，无初始启动力，并且易于维护。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的电涡流式阻尼装置的结构示意图。
图2为本实用新型实施例提供的作为辅助刚度系统的弹簧的布置示意图。
图3为本实用新型实施例提供的电涡流式阻尼装置在建筑上的安装示意图。
图4为图3中的A-A的剖面图。
图5为本实用新型实施例提供的质量块与底座的面接触示意图。
图6为本实用新型实施例提供的电涡流阻尼器的结构示意图。
图7为本实用新型实施例提供的电涡流阻尼器的工作原理图。
图8为本实用新型实施例提供的质量块的限位结构的安装示意图。
图9为本实用新型实施例提供的通过弹性装置连接底座与外壳的结构示意图。
图10为本实用新型实施例提供的可更换曲面的底座的结构示意图。
附图标记说明：
电涡流式阻尼装置100；
外壳110；
底座120，承台120a，曲面更换部120b，内凹式曲面121，减摩阻材料122；
质量块130，外凸式曲面131，阻尼介质132，壳体133，空腔134，减摩阻材料135；
电涡流阻尼器140，永磁体141，磁体背铁142，导体板143，导体背铁144，安装支架145；
弹性装置150；
弹簧160；
限位结构190；
通信塔200；
安装平台210。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型公开的基于滑动面的可调控范围大的电涡流式阻尼装置作进一步详细说明。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
需说明的是，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定实用新型可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。本实用新型的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所述的或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本实用新型的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
实施例
参见图1所示，为本实用新型实施例提供的一种基于滑动面的可调控范围大的电涡流式阻尼装置的结构示意图。
所述电涡流式阻尼装置100，包括外壳110，以及设置在外壳110内的质量块130和电涡流式阻尼器140。
所述外壳110内安装有底座120，所述底座120上部形成表面光滑的内凹式曲面121。
所述质量块130的底部形成外凸式曲面131，所述外凸式曲面131的曲率与前述底座的内凹式曲面121的曲率相同以使质量块130与底座120进行面接触。
所述质量块130可以为固体结构或者液体填充结构。
优选的，本实施例中，所述质量块130内形成中空腔体，腔体中填充有液体作为阻尼介质132。
所述质量块130侧部与外壳110之间水平布置有弹簧160以提供额外刚度。
所述电涡流阻尼器140的一端连接在外壳110上，电涡流阻尼器140的另一端连接在质量块130上，使得质量块130能够在外壳110中以底座曲面为滑动面进行滑动。
所述弹簧160能够针对质量块的滑动运动在水平方向上提供弹性支承，其在电涡流式阻尼装置100作为辅助刚度系统以提供额外的刚度调节。
本实施例中，水平布置的弹簧160可以为一组或多组，每组弹簧包括布置在同一水平面的多个弹簧，弹簧的一端连接质量块，弹簧的另一端连接外壳内壁。
参见图2所示，作为优选的方式，每组弹簧包括3个以上的弹簧，多个弹簧采用中心对称方式均匀安装在质量块周围。
考虑到辅助刚度系统对频率和刚度的调节，所述弹簧采用可拆卸方式安装在质量块与外壳内壁之间，通过更换不同刚度的弹簧以调整消振频率或辅助调整消振频率。
在使用时，将电涡流式阻尼装置100安装于塔桅结构上部。外壳110作为整个阻尼装置的外围骨架及防护结构，当结构受到风荷载或地震作用的激励时，随着结构响应的增大，质量块130在底座120的内凹式曲面内滑动，给结构率先施加了较大的阻尼力，消耗掉了结构的大量能量，从而可以有效的控制结构的振动。同时，质量块130内的阻尼介质——比如液体水——与质量块130形成了调谐流体阻尼器，进一步控制了结构物的振动。由于阻尼介质的流体特性，阻尼介质在振动的作用下会向多个方向流动，实现了多个方向上的双重减振控制，减振效果好，显著提升了阻尼效率。进一步，还通过弹簧160作为辅助刚度系统提供辅助刚度调节，弹簧160的存在增加了频率可调控范围，最大程度利用了空间。
参见图3所示，以通信塔200为例，比如通过在通信塔200上增加一个或多个上述电涡流式阻尼装置100，在通信塔200主结构受到外界动态力作用(如风荷载)时，电涡流式阻尼装置100提供一个频率相近或相等、与结构运动方向相反的力，来部分或全部抵消外界激励引起的结构响应。为达到最佳减振效果，优选的，需要将阻尼装置的频率调整为与塔桅结构频率相近。
所述电涡流式阻尼装置100可以通过安装平台210以中心对称形式安装在通信塔200上，参见图4所示，示例了设置3个电涡流式阻尼装置100的方式。
本实施例中，为提高阻尼装置的灵敏度，优选的，所述质量块与底座之间还设置有减摩阻板或减摩阻涂层以减小摩擦力，使得在外部激励较小情况下所述电涡流式阻尼装置100也能够启动。
参见图5所示，示例了在底座120的内凹式曲面121的表面设置减摩阻材料122，以及在质量块130的外凸式曲面131的表面设置减摩阻材料135的方式。具体的，所述质量块130包括壳体133，壳体133形成了内部空腔134，空腔134中填充有阻尼介质132，外凸式曲面131的表面安装有减摩阻层。
作为举例而非限制，比如所述减摩阻材料122为润滑油涂层，所述减摩阻材料135为石墨层、青铜石墨层、聚四氟乙烯层等，当然，也可根据需要选用金属-塑料复合材料作为减摩阻材料135，其不应作为对本实用新型的限制。
优选的，所述底座120上部形成内凹式球面，所述质量块130底部形成半径与底座球面相同的外凸式球面，如此，内凹式曲面和外凸式曲面的曲率为同一常数，曲率半径相同，便于底座和质量块的加工制作。
本实施例中，所述电涡流阻尼器140安装在质量块上部。
具体的，参见图6所示，电涡流阻尼器140可以包括永磁体141、磁体背铁142、导体板143和导体背铁144，永磁体141位于磁体背铁142与导体板143之间。振动时，导体板143与永磁体141发生相对运动，导体板143切割磁力线产生电涡流与永磁体141相互作用，产生阻碍相对运动的阻尼力。
上述方案中，通过电涡流阻尼器将运动机械能转化为导体板的电能，然后通过导体板的电阻最终转化为热能消耗，从而产生阻尼效应。所述电涡流阻尼器不仅能够实现非接触、无机械磨损，而且无需初始启动力，具有结构简单、维护要求低、耐久性好的优点。
具体安装时，所述导体背铁144的一侧可以固定安装在质量块上，与该侧相对的另一侧安装有导体板143；所述磁体背铁142可以通过安装支架145固定安装在壳体110内壁上，而一对永磁体141间隔安装在磁体背铁142的表面上并远离所述导体板143(与导体板间隔设置)。前述永磁体对的磁极相互颠倒设置，当导体板143与永磁体141发生相对运动时，导体板143切割磁力线产生电涡流，电涡流与永磁体141相互作用，产生阻碍相对运动的阻尼力，参见图7所示。
本实施例中，考虑到阻尼力大小的调整，所述导体板与永磁体之间的间隔是可以调节的。
在一个实施方式中，所述导体板143活动安装在导体背铁144表面，使得导体板143与导体背铁144表面的距离能够进行调节，从而调整导体板143与永磁体141之间的间隔距离，从而调整阻尼力的大小。
在另一个实施方式中，所述导体背铁144活动安装在质量块上，使得导体背铁144与质量块之间的距离能够进行调节，从而调整导体背铁144上的导体板143与永磁体141之间的间隔距离以调整阻尼力的大小。
当然，根据需要，还可以将安装支架145设置为长度可调节的支架。作为举例而非限制，比如安装支架145可以包括安装横梁和一对支架臂，所述安装横梁用于固定磁体背铁142，安装横梁的两侧各安装一根支架臂，支架臂的一端连接安装横梁，另一端连接外壳110。所述支架臂为可伸缩结构，通过支架臂的伸缩来调整安装横梁的高度，从而调整磁体背铁142上的永磁体与导体板之间的间隔距离以调整阻尼力的大小。
本实施例中，所述外壳110包括主体框架和围护钢板，所述主体框架形成外壳的骨架，所述围护钢板形成外壳的外围防护。
具体的，所述围护钢板可以包括顶板、底板和侧壁板，根据外壳110的形状，所述侧壁板可以构成圆形，也可以构成方形，或者其它形状，其不应作为对本实用新型的限制。
所述导体背铁144固定安装在质量块130顶部。考虑到结构振动较大时，内凹曲面上设置的质量块130可能由于曲面滑动出现侧翻，所述质量块130侧部还可以通过一个或多个限位结构190连接外壳，所述限位结构190能够在质量块滑动时进行限位以防止质量块翻倒。
具体的，作为典型方式的距离，参见图8所示，所述限位结构190为对称设置的弹性元件——比如弹簧，弹簧对称地水平或倾斜设置在质量块与外壳之间，弹簧一端固定安装在质量块上，弹簧另一端固定安装在外壳内壁上，对称设置的弹簧能够在质量块130滑动时限制质量块130的重心倾斜角度，从而防止质量块130侧翻而导致的电涡流式阻尼器失效。
优选的，限位结构190安装于质量块的上部区域，在质量块上的安装点的高度大于质量块重心G所在高度。
参见图9所示，所述底座120的下部安装在底板上，底座120的侧部可以通过弹性装置150与侧壁板弹性连接。所述弹性装置150用于将底座限位在外壳110底部同时对外壳与底座进行隔振连接，作为优选，所述弹性装置150可以采用橡胶圈或硅胶环，其套设在质量块与外壳之间与二者紧密接触。
本实施例中，可以通过调整曲面的曲率半径来调整整个阻尼装置的频率大小。
根据结构动力学，阻尼装置属于单自由度体系，阻尼装置身频率的计算公式如下：
其中，ω为圆频率；k为刚度；m为质量；f为频率。
质量块在球面上的滑动运动类似于摆动运动，以曲面的曲率半径为摆长，刚度k的计算公式如下：
其中，g为重力加速度；L为曲面的曲率半径。
综合式(1)-(3)，计算得出最终频率计算公式，如下
由公式(4)可知，频率与曲率半径相关，即可以通过调整曲面的曲率半径来调整阻尼装置的频率大小。
增设弹簧160后，弹簧160提供额外刚度，令弹簧的刚度为k2，总刚度如下
k＝k曲面+k2(5)
综合上述公式计算得出最终频率计算公式，如下
由公式(6)可知，此时还可通过更换弹簧来调整阻尼装置频率大小。
对应于所述底座和质量块，分别设置有多个曲率半径不同的内凹式曲面和外凸式曲面，所述内凹式曲面与底座可拆卸连接，所述外凸式曲面与质量块可拆卸连接，从而能够根据需要的消振频率在底座和质量块上安装对应曲率半径的内凹式曲面和外凸式曲面。
所述可拆卸连接方式为螺纹连接、螺栓连接、卡扣连接、磁吸附连接、粘贴连接中的一种或多种。
下面以底座120为例描述更换曲面的操作。作为优选方式的举例，参见图10所示，所述底座包括承台120a和多个曲面更换部120b，所述承台120a上设置有一对倒L型卡扣，对应于所述倒L型卡扣，所述曲面更换部120b底部设置有一对倒L型卡槽，需要更换时，可以将待更换的曲面更换部120b按水平方向推出以使倒L型卡扣和倒L型卡槽分离以解锁，然后将曲率不同的其它曲面更换部120b通过卡扣和卡槽进行安装。
所述质量块为钢材、铅块、混凝土和灌浆料中的一种或多种混合构成，或者为前述一种或多种与液体混合构成。
设置中空腔体时，质量块的壳体可以为钢材、铅块、混凝土和灌浆料中的一种或多种混合构成。所述阻尼介质优选为易于获得的液体，比如水。
在上面的描述中，本实用新型的公开内容并不旨在将其自身限于这些方面。而是，在本公开内容的目标保护范围内，各组件可以以任意数目选择性地且操作性地进行合并。另外，像“包括”、“囊括”以及“具有”的术语应当默认被解释为包括性的或开放性的，而不是排他性的或封闭性，除非其被明确限定为相反的含义。所有技术、科技或其他方面的术语都符合本领域技术人员所理解的含义，除非其被限定为相反的含义。在词典里找到的公共术语应当在相关技术文档的背景下不被太理想化或太不实际地解释，除非本公开内容明确将其限定成那样。本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
