劉學(xué)凱 趙 東 徐增海 劉海洋

（濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250022）

振動控制對于建筑防震、抗震，保護(hù)人身、財產(chǎn)安全有著重要作用。工作在環(huán)境復(fù)雜、惡劣情況下結(jié)構(gòu)或設(shè)備，如海洋平臺、高速沖床、高塔建筑等，其外部激振規(guī)律具有一定隨機(jī)性，難以預(yù)測。這些環(huán)境中的振動控制需要一種能根據(jù)被控結(jié)構(gòu)振動情況而改變輸出阻尼力的減振機(jī)構(gòu)，以最大限度地消除振動，保護(hù)結(jié)構(gòu)。

摩擦阻尼器是一種典型的耗能減振裝置。通過利用一定預(yù)緊力下的成對摩擦片的相對滑動作用而產(chǎn)生摩擦力，該力作用于被控結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到耗能減振、保護(hù)結(jié)構(gòu)的目的［1－3］。但是，目前常見的摩擦阻尼器的缺點(diǎn)主要有:摩擦阻尼力可調(diào)性差;阻尼器的起滑力不易選擇;無論阻尼器是否工作，摩擦片所受正壓力始終存在，摩擦面容易發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象;不能有效利用振動信號實(shí)現(xiàn)反饋控制，耗能裝置不夠靈敏［4］。在振動工況復(fù)雜多變的環(huán)境下，要求阻尼器能夠利用被控結(jié)構(gòu)振動信號反饋，使其阻尼力能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動狀況進(jìn)行自我調(diào)整，為被控結(jié)構(gòu)提供可靠、足量的阻尼力［5－6］。因此，研究切實(shí)可行、具有根據(jù)被控結(jié)構(gòu)振動信號調(diào)整阻尼力功能的摩擦耗能裝置非常必要［7－9］。

1 反饋控制摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足以上減振需求，本文提出一種反饋控制摩擦阻尼器，該阻尼器具有阻尼力可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡單、減振效果好等優(yōu)點(diǎn)。本文根據(jù)阻尼器摩擦耗能原理建立其數(shù)學(xué)模型，對其主要部件進(jìn)行有限元仿真分析，并對其性能影響參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究分析。

1.1 反饋控制摩擦阻尼器工作原理

當(dāng)外部振源作用到被控結(jié)構(gòu)時，安裝于被控結(jié)構(gòu)的反饋控制摩擦阻尼器起到摩擦耗能減振作用。被控結(jié)構(gòu)受外部振源激振下，外殼體和作動柱塞相對于活塞體運(yùn)動，活塞體內(nèi)部油液－增壓氣室受作動柱塞施力作用使得氣體蓄能增壓，活塞體腔內(nèi)的油液壓力隨之改變，通過活塞銷將其油液端面壓力傳遞至與之連接的摩擦板，最終實(shí)現(xiàn)摩擦阻尼力隨被控結(jié)構(gòu)的振動位移而調(diào)整其減振耗能能力。反饋控制摩擦阻尼器的工作原理如圖1所示。

1.2 阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計

反饋控制摩擦阻尼器利用被控結(jié)構(gòu)的振動位移信號調(diào)整輸出阻尼力，使其獲得適當(dāng)、可調(diào)的阻尼力，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。反饋控制摩擦阻尼器是由外殼體、活塞體、作動柱塞、氣室殼體、氣室隔膜以及安裝座等結(jié)構(gòu)組成。

阻尼器的主體為一個能夠承壓的方形空腔活塞體，其兩端由端蓋密封。活塞體下部設(shè)計一個增壓氣室。增壓氣室內(nèi)氣體通過隔膜與活塞體內(nèi)的油液隔開?；钊w側(cè)面有均布的活塞銷孔，內(nèi)安裝活塞銷?；钊w和外殼體之間安裝有摩擦板。摩擦板外側(cè)面與外殼體內(nèi)側(cè)面組成摩擦副?；钊N端部安裝在摩擦板的孔內(nèi)，可以將活塞體內(nèi)油液壓力傳遞給摩擦板。在阻尼器活塞體的密封端蓋上安裝作動柱塞。作動柱塞通過外殼體驅(qū)動，可以壓入、彈出活塞體，從而改變活塞體內(nèi)流體的空間體積。

為獲得多樣的減振耗能能力以滿足不同需求，可根據(jù)減振需求調(diào)整反饋控制摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)。該摩擦器所提供阻尼力的大小同活塞銷的數(shù)量、尺寸、增壓氣室初始狀態(tài)等因素有關(guān)。阻尼器可以選擇雙面、四面結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)摩擦耗能能力不同的減振效果。同時，增壓氣室的初始壓力也直接影響阻尼器的耗能效果。因此，反饋控制摩擦阻尼器可以根據(jù)不同減振要求調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的減振效果。

1.3 活塞體設(shè)計

活塞體是阻尼器的重要結(jié)構(gòu)體。阻尼器工作過程中，活塞體內(nèi)部油液壓力在一定范圍內(nèi)根據(jù)預(yù)期規(guī)律變化?；钊w是一個壁厚不均勻的空腔長方體。油液－增壓氣室施加在活塞體上的壓力造成活塞體某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中甚至破壞。因此需要對活塞體的受力情況進(jìn)行分析和研究。通過有限元仿真對其受力的極限狀態(tài)進(jìn)行分析，并根據(jù)應(yīng)力分布情況，比較危險點(diǎn)的最大等效應(yīng)力和材料破壞強(qiáng)度，以保證活塞體的使用壽命和安全性。

使用Solidworks三維設(shè)計軟件進(jìn)行三維建模，將模型保存為x_t格式導(dǎo)入Adina有限元分析軟件建立有限元模型?；钊w是軸對稱結(jié)構(gòu)，因此選取1/4模型，在對稱面設(shè)置對稱約束進(jìn)行分析。分析模型的網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格劃分，活塞體下端全約束。活塞體上端端蓋采用了螺栓連接并設(shè)計O型圈密封。對活塞體內(nèi)表面施加均布載荷，研究作動柱塞直徑為0.01 m、0.02 m情況下，分別進(jìn)行2 MPa、5 MPa和10 MPa的載荷加載分析，其等效應(yīng)力分布情況如圖3所示:

活塞體分析結(jié)果如表1和圖3所示。分析結(jié)果顯示:（1）活塞銷同活塞體接觸位置存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象;（2）對于直徑為0.01 m和0.02 m的作動柱塞，內(nèi)部油腔油液壓力從2 MPa到10 MPa的變化過程中，應(yīng)力集中點(diǎn)的最大等效應(yīng)力值遠(yuǎn)小于所選材料的破壞強(qiáng)度;（3）作動柱塞安裝孔的增大使得活塞體的最大等效應(yīng)力有所增加，但仍在安全范圍之內(nèi);（4）為使阻尼器獲得更為強(qiáng)勁的阻尼特性可以在一定范圍內(nèi)增大作動柱塞直徑而不會危及活塞體安全。

表1 最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力值 MPa

1.4 作動柱塞設(shè)計

作動柱塞是反饋控制摩擦阻尼器的關(guān)鍵作用部件。作動柱塞是一個圓柱形長柱塞，在兩端分別設(shè)置一軸用彈性擋圈溝槽。溝槽尺寸依據(jù)彈性擋圈型號選擇，安裝軸用彈性擋圈是起到限位作用。根據(jù)O型圈安裝要求，設(shè)計作動柱塞兩端倒角為15°，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

作動柱塞同活塞體之間的相對運(yùn)動會導(dǎo)致活塞體磨損。為延長活塞體使用壽命，在作動柱塞和活塞體之間設(shè)計安裝套。設(shè)計中考慮兩者之間的磨損、加工成本以及制造難易程度，選用作動柱塞作為易損件。作動柱塞安裝套需要較高的強(qiáng)度、耐磨性以及良好的尺寸穩(wěn)定性，材料選擇QT500－7。作動柱塞選用成本較低、耐磨性較低的材料，選擇45鋼。

反饋控制摩擦阻尼器是在作動柱塞與活塞體的相對位移作用下，油液－增壓氣室的壓力作用于柱塞銷而實(shí)現(xiàn)阻尼力的調(diào)整變化。因此，內(nèi)部油液的壓力可以反映摩擦阻尼力的變化規(guī)律。本文根據(jù)阻尼器的摩擦耗能原理研究作動柱塞參數(shù)，如壓入長度、截面半徑等對其耗能性能的影響。

為得到作動柱塞截面半徑對阻尼器性能的影響規(guī)律，選擇不同半徑的作動柱塞進(jìn)行分析。阻尼器參數(shù)如下:增壓氣室初始壓力P0=2 MPa;作動柱塞半徑R2分別選擇 0.01、0.013、0.018、0.02 m;作動柱塞壓入長度變化范圍為0～0.1 m。不同作動柱塞的半徑、壓入長度對油液壓力影響規(guī)律如圖5所示。

通過作動柱塞壓入長度－油液壓力關(guān)系可知:氣體初始壓力P0=2 MPa時，油液壓力變化范圍為10～35 MPa;阻尼器內(nèi)部油液隨作動柱塞壓入長度增力效果明顯;利用該增力效果使阻尼器根據(jù)被控結(jié)構(gòu)振動信號提高耗能減振效果。

1.5 隔膜設(shè)計

隔膜同氣室殼體所構(gòu)成的空間為增壓氣室。阻尼器耗能減振過程中，作動柱塞的位移變化使得氣體增壓，油液壓力隨之改變。隔膜的材料、形狀都會對其壽命和性能產(chǎn)生影響。氯丁橡膠工作溫度－17.7～93.3℃，廣泛應(yīng)用于無腐蝕性的液體中，適宜于制造阻尼器油液－增壓氣室隔膜。

根據(jù)隔膜使用設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，角度α一般選取35°～40°，厚度t、高度h以及隔膜直徑d則根據(jù)氣體初始壓力、工作最高壓力等因素綜合選定，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2 阻尼器耗能性能研究

油液－增壓氣室增力作用是阻尼器實(shí)現(xiàn)被控結(jié)構(gòu)振動信號調(diào)整其輸出阻尼力功能的關(guān)鍵。油液壓力直接反映阻尼力變化規(guī)律，該變化主要通過油液、增壓氣室的綜合作用實(shí)現(xiàn)。阻尼器減振作用過程中，油液－增壓氣室作用過程看作絕熱過程，忽略活塞體變形，油液為不可壓縮流體，液壓油在油腔中各種阻力忽略不計，忽略流體泄露、壓力損失。

為研究反饋控制摩擦阻尼器的靜態(tài)耗能性能及其耗能性能影響參數(shù)，根據(jù)增壓氣體狀態(tài)方程得到其關(guān)系式為

式中:n為氣體多變指數(shù);P0為增壓氣室初始壓力，V0為增壓氣室初始體積。靜態(tài)過程中，氣體同隔膜另一側(cè)油液的壓力相同;p為某時刻增壓氣室的氣體壓力，V為某時刻增壓氣室的氣體體積，作動柱塞壓入長度為l。

結(jié)合阻尼器摩擦耗能原理，得到油液壓力pf關(guān)于作動柱塞參數(shù)和增壓氣室參數(shù)的關(guān)系為

活塞銷的截面面積為A3，作動柱塞截面半徑為R2;ΔV是作動柱塞作用長度l時氣體的等效壓縮體積。綜合庫倫力摩擦力模型，設(shè)阻尼器為耗能面數(shù)為z，每個耗能摩擦面設(shè)計活塞銷數(shù)為j。得出作動柱塞壓入長度l同摩擦阻尼力F的關(guān)系為

阻尼器的力－位移滯回曲線可用來衡量阻尼器耗能效果。力－位移滯回曲線的飽滿性越好，則表明其耗能效果越優(yōu)良。根據(jù)式（3）可以繪制新型阻尼器的力－位移滯回曲線，如圖7所示。從圖中可以看出，傳統(tǒng)恒力摩擦阻尼器的力－位移滯回曲線近似于矩形，而反饋控制摩擦阻尼器的耗能能力在單向位移加載時隨振幅增大而增大，其輸出阻尼力可根據(jù)振動劇烈狀況調(diào)整，耗能效果提升明顯。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種反饋控制摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)，并對主要作用部件活塞體進(jìn)行了有限元仿真分析，驗(yàn)證阻尼器的結(jié)構(gòu)安全性和可靠性。根據(jù)新型阻尼器摩擦耗能原理建立了數(shù)學(xué)模型，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對反饋控制摩擦阻尼器的摩擦耗能效果的影響規(guī)律。通過理論模型分析得到阻尼器的力－位移滯回曲線。理論和仿真分析證明該類阻尼器能夠根據(jù)被控結(jié)構(gòu)振動位移信號調(diào)整阻尼力，具有良好的耗能減振性能。

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