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阅读 2715 次 新型黏滞阻尼器原理与试验研究

摘要:本文讲述了根据该型阻尼器的构造及工作原理,建立阻尼器在调节阀开启前后的简化力学模型,并对其进行力学性能试验及仿真分析的过程。...

新型黏滞阻尼器原理与试验研究

黄镇   李爱群

东南大学土木工程学院 江苏南京 21009  东南大学混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室

江苏南京 210096

    对工程结构利用黏滞阻尼器(Fluid Viscous Damper)进行消能减振的研究开始于20世纪80年代。研究表明,这是一种有效的结构振动控制手段。目前,全球已在数以百计的工程中使用了流体阻尼器,涉及到高层建筑、高耸结构、大跨结构、海洋石油平台等多种结构形式。这类研究在发达国家最早始于军工企业,其在黏滞阻尼器的研究和开发方面投入了很大的财力、物力。随着研究的深入进行,这一技术逐步进入民用领域,如航空航天、铁路机车、汽车、机械设备以及土木丁程等,均取得了比较满意的使用效果。国外在这方面的研究成果较多,研发的产品处于技术垄断地位。

    国内对黏滞阻尼器的研究起步相对较晚,自20世纪90年代以来才开始对黏滞阻尼器进行探索与研究,现已取得一定的研究成果。其中,线性黏滞阻尼器由于构造简单、性能稳定、计算方便,已在实际T程中得到广泛应用,但其在性能上尚存一些不足。为了充分利用线性黏滞阻尼器的优点,并改进其不足,实现阻尼器性能的可控化,保证结构及消能支撑的安全,研制了一种新型调节阀式黏滞阻尼器,本文介绍了该型阻尼器的构造及工作原理,并对其进行了系统的理论分析和试验研究,建立了阻尼器在调节阀开启前后的简化力学模型,以供未来工程选择和设计参考。

1、调节阀式黏滞阻尼器构造与原理

    1.1调节阀的作用与构造

    本文提出的调节阀式黏滞流体阻尼器,可以根据工程的实际需要,通过调整阻尼孔径、阻尼孔长及活塞的有效面积等措施来提高其阻尼系数,使得阻尼器在较小的外界激励下能够得到较大的输出阻尼力,具备较大的耗能能力;而当外界激励较大时,阻尼器的调节阀参与工作,控制阻尼器的最大输出阻尼力,保证结构的安全。

    为实现上述性能要求,在阻尼器的活塞上设计装配了压力调节装置,即压差调节阀(调节阀构造见图1)。调节阀由阀芯、调压弹簧和溢流通道组成,设置在阻尼器缸筒内,融合于活塞中,阀体结构简单、紧凑,体积小巧。其中,调压弹簧采用si—Mn系优质合金弹簧钢制作,含有多种合金元素,强度高、抗弹减性好、抗疲劳性能优良。

    调节阀阀芯上设有偏流盘。偏流盘的内侧支撑调压弹簧,外侧开有一圈环形槽道,用来改变阀N开启后射流的方向。射流对偏流盘轴向冲击力(液动力)的方向与弹簧力相反,可抵消弹簧力的增量,故设置偏流盘及环形槽增加了阀芯开启后的工作稳定性。

1  阻尼器调节阀构造

    1.2调节阀的工作原理

    本文设计的调节阀由阀芯及弹簧组成,依靠弹簧力与液压力相平衡的原理,通过调节阀N的开启压力大小来控制阻尼器活塞两端的压差,在系统中起到限压和稳压的作用。

    阻尼器工作时,若活塞相对运动速度较小,则缸筒内高压腔的压强没有达到调节阀的开启压强,调节阀未开启,阻尼介质在压差作用下通过与调节阀并联的阻尼孔从缸筒内高压腔流往低压腔。如果外界激励作用加大,当高压腔内阻尼介质的压强达到或超过调节阀的开启压强时,调节阀开启,对高压腔内的阻尼介质进行溢流,通过阀芯位移的多少调整泄流量的大小,从而使活塞两边的压差基本保持稳定,进而控制阻尼器的最大输出阻尼力。

    以调节阀的阀芯为研究对象,作用于阀芯的力主要有惯性力Fg、弹簧力Fk、摩擦力Ff、液体静压力Fp和稳态液动力Fd等。由于阀芯在设计上体积小,质量轻,且在运动时与阀套间的摩擦力较小,为了分析简便,忽略这些因素的影响,认为在阀芯上仅作用有液体静压力Fp、弹簧力Fk和稳态液动力Fd,其中:

       (1)  

    式中:P为调节阀进口液体压强;dv为调节阀阀口直径;k为调压弹簧刚度;xo为调压弹簧预压缩量;x为调节阀阀芯开度;Cp为调节阀阀口流量系数;α为调节阀阀芯半锥角。

    故得到阀芯的静力平衡方程Fp = Fk + Fd 即:

    调节阀阀口处于开启临界状态(阀芯位x=0)时,阀芯前端进口处压强P=Pk(Pk称为开启压强)。根据式(2)有:

      当进口处压强P增加时,阀口开度x增大,流量也随之加大。故由式(2)、式(3)可得:

    因为调节阀阀N的通流面积为:

    A = πdwxsinα            (5)

    阀口的流量为:

    式中:P为阻尼介质密度。

    由式(4)、式(5)、式(6)可得调节阀的流量方程为:

     由式(7)即可得到调节阀的压强P一流量Q特性。P—Q特性表达了当通过阀的流体流量Q发生变化时,由阀口开度x的改变而引起的调节阀进口压强p的变化。设计时可通过选择适当的阀参数,使其性能能够满足阻尼器的要求。

2、调节阀式黏滞阻尼器力学模型

    如果阻尼介质为牛顿流体,根据流体力学可得阻尼孔两端的压差与流体在阻尼孔内平均流速M的关系,进而得到阻尼器输出阻尼力F与流体在阻尼孔内平均流速ū的关系为:

    式中:μ为黏滞流体的动力粘度;l为阻尼孔长度;d为阻尼孔直径;D1为阻尼器缸简内径;D2为阻尼器导杆直径。

    又因为活塞上调节阀都与n组孔径为d的细长阻尼圆孔并联设置,当缸筒内高压腔的压强大于Pk(即调节阀开启),根据流体的连续性方程可以得到:

    式中:V为活塞相对阻尼器缸筒运动速度;Q为调节  阀阀口流量。所以,有:

 

    将式(7)、式(10)代人式(8),得到:

    式中:Fk为调节阀开启时阻尼器输出阻尼力。则有:

     (13)

    由式(11)、式(14)、式(16),可得调节阀开启后阻尼器的输出阻尼力为:

    将式(17)进行变换后,得到:

    根据阻尼器调节阀的设计参数,有λ>>A,所以得到

    式中:C′为阻尼器调节阀开启后的名义阻尼系数。

    则式(18)可简化为:

F = CV + Fk                      (21)  

    综合前述推导,可以得到该型阻尼器在调节阀开启前后的阻尼力简化计算公式为:

3、调节阀式黏滞阻尼器力学性能试验

    阻尼器的力学性能试验采用位移控制,通过对所采集的数据进行分析,揭示阻尼器阻尼力与活塞运动速度等各参数之间的关系。试验用阻尼器设定当其输出阻尼力达到430kN时,阀心开启(Fk=430kN),利用阀的溢流作用来调节活塞两端的压差。

    通过试验,得到阻尼器的阻尼力位移滞回曲线(其部分结果如图2所示)。由试验结果可知,当阻尼器所受激励较小时,输出阻尼力小于430kN,滞回曲线呈光滑椭圆形状;随着外界激励加大,阻尼器输出阻尼力达到430kN后,调节阀参与工作,阻尼器最大输出阻尼力的增幅F被控制在较小的范围内。

(a)f=0 25Hzu0=5mm35mm 

(b)f=0 50Hzu0=25mm20mm

(C)f-= 00Hzu0=25ram8mm

d)f=150Hzu0 =4mm7mm

2调节阀式黏滞阴尼器部分试验结果

       通过对试验数据的换算,得到阻尼器的阻尼力一速度关系曲线(参见图3)。从图3中可以看到,调节阀开启前,最大输出阻尼力Fmax随激励速度的增加迅速增长;当缸筒内高压腔介质压强达到开启压强,调节阀参与工作后,虽然外界激励不断加大,但是Fmax增幅较小,且总体保持稳定。根据试验可知,在激励速度由30mms增加到60mms这一阶段,Fmax增幅约为60kN,远小于调节阀开启前阻尼力的增长率。

3阻尼器力速度关系曲线

4、阻尼器性能仿真分析

    根据阻尼器在调节阀开启前后的阻尼力简化计算公式(22),对阻尼器的阻尼力一位移关系进行仿真分析,并与对应工况的试验结果相对比(参见图4)。由图4可以看出,该力学模型能够体现阻尼器在调节阀开启前后力学性能的变化,而且最大输出阻尼力以及滞回环的形状与试验结果吻合较好,能比较准确地反映阻尼器的实际受力情况。图4中出现滞回曲线不完全重叠的部分,主要是因为在该力学模型中,为分析简便起见,没有考虑材料弹性变形对阻尼器力学性能的影响。

4试验与仿真结果

    在设计阻尼器时,可以根据实际工程的需要,选择适当的阻尼系数C,在小震情况下迅速获得较大的阻尼力;根据工程需要,选择适当的Fk可在大震情况下有效控制Fmax的增长幅度,避免因激励速度的加大而对阻尼器、支撑以及结构的连接节点产生不利影响。

5、结论

    本文研制了一种新型调节阀式黏滞阻尼器,通过理论分析和试验研究,主要得到以下结论:

    (1)基于流体力学和阻尼器构造特点,分析了阻尼器的力学性能,建立了该型阻尼器的力学模型,通过仿真分析与试验研究可知,该模型比较准确的反映了阻尼器的实际受力特性;

    (2)通过试验研究可知,该型阻尼器的阻尼力位移滞回曲线形状光滑饱满,性能稳定,耗能能力强。试验结果表明,调节阀能够准确地在设定值附近打开,稳定地控制阻尼器在外界激励较大时的最大输出阻尼力,有效地保证工程结构的安全;

    (3)研制的调节阀式黏滞阻尼器结构简洁、构造合理;其力学性能符合设计的预期要求,既保持了阻尼器原有的优点,又弥补了其性能缺陷,在实际工程中具有较为广阔的应用前景。

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(本文来源:陕西省土木建筑学会     文径网络:尹维维 编辑  文径 审核

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