技术领域
[0001] 本
发明属于结构振动控制技术领域，具体涉及一种调谐质量阻尼器频率调节装置及其实现方法。
背景技术
[0002]
土木工程结构的振动控制技术，根据结构的振动特点，可以分为两大类：一类是适于安装直接耗能减振装置的结构，如斜拉索、建筑结构
层间位移控制；另一类工程结构，如大跨度
桥梁，在其结构内部难以找到相对位移较大的
位置，而直接耗能减振装置一般需要安装在具有一定空间的结构内部，以便耗能减振装置具有一定的相对位移来减振，且阻尼器的相对位移越大，减振效果越好，此时通过增加结构阻尼减小结构振动，往往只能采用吸能减振的措施。
[0003] 调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，简称TMD)安装在建筑结构上，利用共振原理，将主体结构的振动
能量吸收转移到控制装置上，从而减小建筑结构的
风振和
地震反应，是结构振动吸能减振技术中一种常见而重要的形式。计算分析和实践证明，调谐质量阻尼器的固有频率和主体结构的固有频率接近，是保证主体结构的振
动能量被转移到调谐质量阻尼器的前提条件。否则减振效果差。甚至加剧主体结构的振动。
[0004] 调谐质量阻尼器(TMD)主要由质量
块、调谐频率的弹性元件和耗散结构振动能量的阻尼元件三大组件构成。弹性元件主要有
弹簧、摆或
悬臂梁等，采用弹簧作为弹性元件的优势是
刚度比较容易设计与调整，且所需空间小，特别适合竖向调谐质量阻尼器采用；摆式需要较大的空间，难以直接安装在结构内部；悬臂梁式所需空间适当，且具备自导向功能，但悬臂梁固定端存在应
力集中，在调谐质量阻尼器长期工作中，易发生疲劳损伤：一方面，调谐质量阻尼器采用的弹性元件一般存在一定的刚度退化现象，会导致调谐质量阻尼器的频率发生变化；另一方面，结构长期服役过程中，由于功能发生变化，例如质量变化和刚度退化等因素，结构的固有频率也有可能发生改变，此时调谐质量阻尼器将无法保证设计初期的精确调谐状态下的减振效果。此外，结构施工过程中的振动控制，如大跨度
斜拉桥悬臂施工阶段的风致振动控制，由于其频率不断发生变化，也需要对调谐质量阻尼器的频率进行较大范围的连续调节。因此，成熟可靠的调谐质量阻尼器频率调节技术与方法是调谐质量阻尼器高效率工作的重要保证。
[0005] 现有的较为广泛的频率调节方法主要是通过增减质量实现，选用不同的质量块以达到频率调节的目的。
专利号为201320560965.7的中国专利公开了一种摆式调谐质量阻尼器的频率调节装置，通过改变弹簧的布置方式改变调谐质量阻尼器的刚度实现调节质量阻尼器，主要是将调频弹簧
水平设置在摆式调谐质量阻尼器的质量块与主体结构之间，且调频弹簧对称布置在质量块两侧或者均匀分布在质量块四周，该结构能够实现在施工现场调节摆式质量阻尼器的固有频率。以上两种方法均难以实现调谐质量阻尼器频率的连续、精确调节。
申请号为201510060672.6的中国专利公开了一种“超低频摆式调谐质量阻尼器及其实现方法”，但该方法通过
永磁体作用力改变调谐质量阻尼器系统的回复力，继而改变调谐质量阻尼器的频率，仅适用于摆式调谐质量阻尼器。因此，调谐质量阻尼器频率的现有调节方法均存在一定的不足，非常有必要研发一种调谐质量阻尼器频率可以大范围连续调节的高效方法。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种能够连续、精确的调节调谐质量阻尼器频率的调谐质量阻尼器频率调节装置以及其实现方法。
[0007] 本发明调谐质量阻尼器频率调节装置所采取的技术方案是：一种调谐质量阻尼器频率调节装置，包括调谐质量阻尼器的
底板、底板上方的质量块，所述底板和质量块通过弹性元件连接，所述调谐质量阻尼器频率调节装置还包括设置于底板和质量块之间的直线-旋转运动转换装置，所述的直线-旋转运动转换装置包括
转轴和
飞轮，所述的直线-旋转运动转换装置将质量块相对于底板的直线往复运动转化为转轴的旋转运动，所述飞轮固定安装在直线-旋转运动转换装置的转轴上。
[0008] 所述直线-旋转运动转换装置为
齿轮齿条传动机构，所述齿
轮齿条传动机构包括通过
轴承设置在底板上的转轴、固定在质量块上并与转轴垂直对应的齿条和固定设置在转轴上的齿轮，所述的齿轮与齿条匹配
啮合，所述的飞轮固定设置在转轴端部。
[0009] 所述直线-旋转运动转换装置为滚珠
丝杠传动机构，所述质量块上设置有与质量块运动方向平行的通孔，所述的滚珠丝杠传动机构的转轴为丝杠，所述滚珠丝杠传动机构还包括固定安装在质量块的通孔内的丝杠
螺母，所述的丝杠匹配设置在丝杠螺母内并贯穿质量块的通孔，所述的底板上固定安装有与丝杠对应的支座轴承，所述丝杠与支座
轴承内圈固定连接，在所述的丝杠上固定安装有飞轮。
[0010] 所述弹性元件为螺旋压簧。
[0011] 本发明调谐质量阻尼器频率调节装置的实现方法的技术方案:一种
权利要求1所述的调谐质量阻尼器频率调节装置的实现方法，包括：
[0012] (1)测试得到调谐质量阻尼器(TMD)的实际振动频率
[0013] (2)计算TMD目标设计频率 与实际测试频率 之间的比值一般λ需满足0＜λ＜1；
[0014] (3)选择直线-旋转运动转换装置，初步确定直线-旋转运动转换装置的转化系数η；
[0015] (4)计算飞轮
转动惯量设计值 其中mTMD表示TMD的运动质量；
[0016] (5)根据转轴半径R1，初选飞轮外径R2，计算得到飞轮厚度
[0017] 本发明的有益效果是：
[0018] 1、通过本发明的直线-旋转运动转换装置连接的飞轮增加的调谐质量阻尼器的等效质量me远远大于相同的普通的直接安装在调谐质量阻尼器的质量块m，飞轮的等效质量与实际质量的关系如下 且可以得到：当选取较大的直线-旋转运动转化系数以及较大的飞轮半径时，调谐质量阻尼器的频率调节效率将大大提高。
[0019] 2、本发明的频率调节方法可以做到精确的定量设计，设定目标设计频率，然后利用实现调节频率的方法和步骤计算得到飞轮的厚度尺寸，这样可以精确的调节调谐质量阻尼器的频率，且具有较大的频率调节范围。
[0020] 3、本发明结构简单，通过设置于质量块和底板之间的齿轮齿条传动机构或者滚珠丝杠传动机构，利用调谐阻尼器频率调节方法计算飞轮的厚度，将此飞轮安装于频率调节机构的转轴上，这样可以达到设计时所要达到的频率调节目标，从而实现精确调节调谐质量阻尼器的频率。
附图说明
[0021] 图1为本发明频率调节装置的调谐质量阻尼器的结构示意图；
[0022] 图2为本发明调谐质量阻尼器频率调节装置的
实施例一的结构示意图；
[0023] 图3为图2的主视结构示意图；
[0024] 图4为本发明调谐质量阻尼器频率调节装置的实施例二的主视结构示意图；
[0025] 图5为图4的仰视结构示意图。
[0026] 图中：1-质量块，2-螺旋压簧，3-粘滞阻尼器、4-频率调节装置，5-底板，6-齿条，7-螺母，8-飞轮，9-支座轴承，10-转轴、11-丝杠，12-齿轮，13-丝杠螺母，14-
锁固螺帽，15-支座轴承。
具体实施方式
[0027] 本发明调谐质量阻尼器频率调节装置的实施例一，如图1～3所示，包括调谐质量阻尼器的质量块1、螺旋压簧2、粘滞阻尼器3、底板5和频率调节装置4，频率调节装置4包括一套齿条6、齿轮12、一个飞轮8、一对支座轴承9和一根转轴10，质量块1设置有上下方向的通孔，齿条6的上部穿过质量块1并被质量块1上下两个螺母7固定装配，底板5上设置有与质量块1的通孔对应的预留方孔，齿条6的下部穿过预留方孔，齿轮的支座轴承9固定连接在调谐质量阻尼器的底板5上，转轴10通过对称的支座轴承9固定在底板5上，转轴10上固定连接有齿轮12，齿轮12与齿条6啮合，转轴10的一端固定连接有飞轮8；当质量块1上下运动时，带动齿条6往复运动，齿条6上下运动穿过底板5的预留方孔，并带动与齿条6啮合的齿轮12、转轴10和飞轮8一起转动，齿轮12安装在转轴10的中间，齿轮12和飞轮8与转轴10均是键连接。
[0028] 一种实现实施例一所述的调谐质量阻尼器频率调节装置具体实现方法：
[0029] 首先对本发明的工作原理进行阐述：
[0030] 如图1所示调谐质量阻尼器，质量mTMD，弹簧刚度k，阻尼c，该调谐质量阻尼器的自由振动微分方程：
[0031]
[0032] 在此调谐质量阻尼器上附加本专利所述频率调节装置后，运动方程变为：
[0033]
[0034] 式中p表示齿轮齿条的出力。
[0035] 分析齿条齿轮受力
[0036]
[0037] J表示圆盘转动惯性矩，表示圆盘转动时的
角加速度，表示齿轮的分度圆半径，则加速度 与线加速度 的关系如下：
[0038]
[0039] 运动方程变为
[0040]
[0041] 令 则
[0042]
[0043] me可看作是旋转圆盘作用在振动调谐质量阻尼器的等效质量，由 比较调整前后的调谐质量阻尼器自振频率，
[0044]
[0045] 根据以上理论分析，可以得到调节质量阻尼器频率调节的实施步骤：
[0046] ①计算调谐质量阻尼器目标设计频率 与实际测试频率 之间的比值[0047] ②选择齿轮齿条作为直线-旋转运动转换装置，初步确定齿条齿轮的转化系数其中r表示齿轮的分度圆半径；
[0048] ③计算飞轮转动惯量设计值 其中η为直线-旋转运动转化系数；
[0049] ④根据初选的飞轮外径R2，以及转轴半径R1，计算飞轮厚度
[0050] 本发明调谐质量阻尼器频率调节装置的实施例一的理论分析和模型试验的操作步骤和结果对比：
[0051] 欲对初始实测频率 mTMD＝110kg的调谐质量阻尼器进行调节，假定目标频率分别为3.72Hz、3.21Hz、2.80Hz，按照上述实现实施例一所述的调谐质量阻尼器频率调节装置具体实现方法的推导理论和具体实施步骤，分别采用尺寸为直径170mm厚度
8.6mm、直径210mm厚度8.6mm、直径240mm厚度8.6mm的
钢质圆盘作为飞轮，频率调节结果见表1所示，可见经计算和试验证实运用旋转圆盘的等效质量可以准确、高效地调节调谐质量阻尼器的振动频率。
[0052] 表1本发明实施例一的实现方法的理论计算和试验结果对比
[0053]
[0054] 本发明调谐质量阻尼器频率调节装置的实施例二，如图4～5所示，包括一套滚珠丝杠副和连接在丝杠末端的飞轮8，质量块1上设置有上下方向的通孔，丝杠11穿过质量块1上的通孔，且通孔的直径大于丝杠11的直径，丝杠螺母13固定在质量块1的通孔上部的入口处，丝杠11转动时与质量块1无
接触，丝杠螺母13与丝杠11配合连接，支座轴承15
螺栓连接在底板5的下表面，通过锁固螺帽14连接支座轴承15和丝杠11；当质量块1上下运动时，
丝杆螺母13随之上下运动，丝杠螺母13带动丝杠11转动，使丝杠11与飞轮8一起高速转动。
[0055] 本发明调谐质量阻尼器频率调节装置的实施例二的实现方法：
[0056] 首先对本发明的工作原理进行阐述：
[0057] 在图1所示调谐质量阻尼器附加本专利所述频率调节装置后，自由振动微分方程为：
[0058]
[0059] 式中P表示丝杠的轴向力。
[0060] 分析滚珠丝杠副内部受力，
[0061]
[0062] 式中，Q表示丝杠的切向力，Ld表示丝杆导程，rd表示丝杠中径
[0063] 分析丝杠与圆盘之间的作用力
[0064]
[0065] J1、J2分别表示圆盘和丝杠的转动惯性矩，表示圆盘转动时的
角加速度，角加速度 与线加速度 的关系如下：
[0066]
[0067] 运动方程变为
[0068]
[0069] 令 则
[0070]
[0071] me可看作是旋转圆盘作用在振动的调谐质量阻尼器的等效质量，由比较调整前后的TMD自振频率。
[0072]
[0073] 根据以上理论分析，得到以下TMD频率调节实施步骤：
[0074] ①计算调谐质量阻尼器目标设计频率 与实际测试频率 之间的比值[0075] ②选择滚珠丝杠作为直线-旋转运动转换装置，确定滚珠丝杠的转化系数其中Ld表示丝杆的导程；
[0076] ③计算飞轮转动惯量设计值
[0077] ④根据丝杠半径r，初选的飞轮外径R，计算飞轮厚度
[0078] 一种实施例二所述的实现方法的理论分析和模型试验的对比结果：
[0079] 欲对初始实测频率fTMD＝4.33Hz、mTMD＝99.7kg的调谐质量阻尼器进行调节，目标频率分别为4.26Hz、4.07Hz、3.91Hz，按照实施例二的调谐质量阻尼器频率调节装置的理论分析和具体实施步骤，分别采用尺寸为直径43.4mm厚度8.2mm、直径60.4mm厚度8.3mm、直径69.5mm厚度8.1mm的钢质圆盘作为飞轮。频率调节结果见表2所示，可见经计算和试验证实运用旋转圆盘的等效质量可以准确、高效地调节调谐质量阻尼器的振动频率。
[0080] 表2本发明实施例二的实现方法的理论计算和试验结果对比
[0081]
