技术领域

本发明涉及一种摩擦制动装置，特别涉及一主要用于隔离地震 和振动的摩擦球。

现有技术

地震隔离是把建筑物与地震所造成的力隔离开来并缓冲所隔离 建筑物上所受到的地震力。新西兰专利178949说明了一种可如此成 功隔离建筑物的支承。该发明的优选实施例为一铅橡胶支承。对地 震隔离和铅橡胶的更综合讨论见″地震隔离导论″，Skinner et，John Wylie and Sons(1993)。

另一种建筑物隔震装置是美国加利福尼亚的地震保护系统公司 (Earthquake Protection Systems Inc，of Alameda，California，USA)用 商标″Frictional Pendulum″销售的一种支承。这种支承由一摆件构成， 该摆件的远端有一摩擦表面在一抛光表面上滑动，见美国专利 4,644,714。

另一种地震隔离装置见美国专利4,726,161。该装置包括一可滚 动支承和一碗。一弹簧使该可滚动支承压靠该碗。该组合装置缓冲 作用在一支撑在所述可滚动支承上的建筑物上的地震力。

美国专利5,599,106说明了一种地震隔离支承。该支承包括分别 有朝下和朝上刚性表面的上部和下部负载板，其中至少一个表面呈 锥形。一刚性球夹在两板之间。当一外力使得一负载板相对另一负 载板发生横向位移时，该球沿一锥形表面向上滚动；当外力撤销时， 重力使得该球回到锥形表面中央。

WO97/48866所述发明为一由一夹在一地基和一建筑物之间的 球构成的隔震器。该球装在一固定在该建筑物底面上的笼状构件中。 它在地基的一半球形表面上滚动。

在所有上述现有装置中，支承件或球及其滚动表面是不可压缩 的。这就是说，当所支撑的建筑物与支承抵靠其上的表面之间发生 相对运动时，除了建筑物本身重量，没有其他制动力。如果造成该 相对运动的外力的持续时间很长，建筑物需花相当长的时间才会静 止下来。

本发明的一个目的是向克服这一缺点迈出一步，或至少为大家 提供一种有用的选择。

本发明概述

本发明广义地说涉及一摩擦球，该摩擦球支撑一重量时发生变 形，该变形所生成的摩擦力抵抗所述变形球的滚动。

在一实施例中，所述球用同一种大体均质材料制成。

在一实施例中，所述大体均质材料可塑性变形。

所述可塑性变形材料最好为铅、铝、黄铜、铁、钢或其他可塑 性变形金属材料。

在另一实施例中，所述材料为高弹体。

所述高弹体最好为高摩擦橡胶。

所述高弹体最好为阻尼橡胶。

在另一实施例中，所述摩擦球包括一包住一芯的外层。

所述芯最好包括颗粒材料。

最好是，所述颗粒材料为结构如本文所述的许多小摩擦球，其 直径足够小，从而所述芯中有许多所述摩擦球。

确切说，所述颗粒材料为砂、石英、玻璃、钢、金属球或球形 或非球形球。

在另一实施例中，所述外层为不变形材料。

所述材料最好为铅。

所述芯也可为固体材料。

最好是，当所述芯为固体材料时，所述外层可变形。

更好是，所述固体材料为橡胶、水泥、金属或木头。

所述芯也可为流体。

所述流体最好为气体。

所述气体最好为空气或惰性气体。

所述流体也可为液体。

最好是，所述芯的一部分用材料填充。

所述芯也可全部用材料填充。

在第三实施例中，所述芯填充到5MPa静水压。

所述芯也可填充到20MPa静水压。

所述芯也可填充到20MPa静水压或以上而达到所述外层的极限 强度。

所述外层最好为橡胶。

所述橡胶外层更好为加固橡胶。

所述橡胶最好用纤维、金属丝、碳纤维、绳、橡胶线等加固。

在另一实施例中，所述摩擦球呈由环绕一芯的两层或多层构成 的层状结构。

在一实施例中，所述摩擦球的外表面为具有高摩擦系数的高弹 体。

在另一实施例中，所述外层为有一胎面的橡胶。

在另一实施例中，所述外层有一平坦但粗糙的表面。

所述摩擦球的形状最好呈可滚动的任何几何形状。

所述摩擦球的形状最好为球形。

所述形状也可为椭圆形。

所述形状也可为椭球形。

本发明广义地说还涉及一摩擦球与至少一座的组合，所述座有 供所述摩擦球在其上滚动的凹入或锥形表面。

所述组合最好包括一上部座和一下部座，其中至少一个座凹入， 由所述摩擦球隔震的一建筑物抵靠在所述两座之一上。

最好所述两座都有一凹入表面。

最好是，所述凹入表面可为球面、抛物面或由多项式、三角或 双曲线函数或任何其他光滑曲线或这些曲线的组合界定的表面。

所述凹入表面也可为圆锥面。

所述凹入面中最好有一可接受一所述摩擦球的支座。

最好是，所述支座凹入，其曲率半径小于所述凹入表面的曲率 半径。

最好是，一所述座为一可装在一地基件上的下部座。

所述地基件最好为一桩。

更好是，所述地基件为一基础内墙或外墙。

最好是，一所述座为一可装在一建筑物底面上的上部座，从而 支撑该建筑物。

所述上部座也可与抵靠在所述摩擦球上的一建筑物制成一体。

在另一实施例中，所述组合中有多个所述摩擦球抵靠在所述下 部座上。

在一实施例中，有三个所述摩擦球。

在另一实施例中，有七个所述摩擦球。

最好是，所述下部座的所述凹入表面中有一接受所述多个摩擦 球的支座，该支座的形状使得所述各球的顶面在所述各球的整个接 触表面上均匀接触上部座或抵靠其上的建筑物的底面。

在另一实施例中，本发明广义地说涉及一球和一与所述球配合 的座，所述球和座的至少一个在支撑一建筑物时变形，该变形生成 一抵抗变形球与座之间或变形座与球之间或变形座与变形球之间的 相对滚动的摩擦力。

在一实施例中，所述座可变形。

最好是，当所述座可变形时，至少是接触所述球的表面用与所 述摩擦球的上述制作材料相同的可变形材料制成。

在另一实施例中，所述组合中有多个所述球抵靠在所述下部座 上。

在一实施例中，有三个所述球。

在另一实施例中，有七个所述球。

最好是，所述下部座的所述下凹表面中有一接受所述多个球的 支座，该支座的形状使得所述各球的顶面在所述各球的整个接触表 面上均匀接触上部座或抵靠其上的建筑物的底面。

在另一实施例中，本发明广义地说涉及建筑物的一种隔震方法， 包括把至少一个(如上所述)摩擦球和座的组合插入在一建筑物与 所述建筑物的预定数量的地基点之间，所述建筑物抵靠在各所述组 合上。

每一所述组合最好包括一上部座和一下部座，上部座与下部座 之间有一所述摩擦球。

在另一实施例中，所述组合在所述建筑物建造时安装。

在另一实施例中，所述组合改装在一已有建筑物及其地基之间。

所述组合最好位于所有地基件上方。

所述地基件最好为桩。

所述地基件也可为周边墙或内墙。

所述建筑物最好为房子。

在另一实施例中，本发明广义地说涉及建筑物的一种隔震方法， 包括把至少一个球和一与所述球配合的座插入在一建筑物与所述建 筑物的预定数量的地基点之间，所述建筑物抵靠在各所述摩擦球上， 当支撑一重量时，所述球和所述座中至少一个发生变形，该变形在 所述变形球或座中生成一抵抗滚动的摩擦力。

本发明广义地说还涉及本申请说明书所述或所示分别或集体而 言的各部件、各元件和各特征；两个或多个所述部件、元件或特征 的任何或所有组合，此外，如本文中提到的具体实施例中具有与本 发明有关的公知等同物，这类公知等同物应看成分别包括在此。

本发明涉及上述内容并包括以下例示性结构。

附图的简要说明

下面结合附图说明本发明一优选实施例，附图中：

图1为一建筑物、一座和一球的示意图，示出它们的理论上的 相对运动。

图2为插入在一对座之间的一球的示意剖视图。

图3为本发明摩擦球一实施例的示意剖视图，它处于静止位置， 在抵靠其上的一建筑物的重力作用下发生变形。

图4为本发明一优选实施例的下凹上部座和下部座的示意图。

图5为具有一对支座的本发明一优选实施例的上部座和下部座 的示意剖视图。

图6和7为本发明摩擦球一分层实施例的剖面图。

图8为本发明一建筑物、一座和一球的示意图，其中，摩擦变 形主要发生在该座中，

图9为其上有三个摩擦球的一下部座的俯视图。

图10为其上有七个摩擦球的一下部座的俯视图。

本发明实施方式

把支承插入在较小建筑物底下进行建筑物隔震的实际困难之一 是需要使建筑物可相对地基作足够的移动，以便发生阻尼。图1示 出一具有弧形顶面14的下部座12，一球10抵靠在该顶面上。为表 示起见，该球未变形；而在本发明实施例中，该球变形。一建筑物 16或建筑物16的一部分抵靠在球10的顶面上。当建筑物16从左 向右移动到图1中虚线所示位置时，球10沿半径为R的曲面14向 上移动到位置10a。由于球10的顶面和底面都与一表面接触，因此 当球10水平移动距离为Δx、垂直移动距离为Δy时，建筑物16的水 平移动距离为2Δx。由一滚动球实现的机械优点被用于本发明的摩 擦球概念中，从而在地震力作用期间，在建筑物和地基之间产生相 对的运动。

图2和3示出本发明一摩擦球10。图2示出该球未变形。图3 示出该球在建筑物的重压下发生变形。在图2和3实施例中，该摩 擦球由一芯22和一外层24构成。

可用各式各样的材料制作摩擦球。摩擦球要能隔震，其第一特 性是在待隔震的建筑物的重力作用下它必须能变形。第二特性是， 在变形状态下，摩擦球中的摩擦力增加，以便抵抗滚动。

在图2和3所示结构中，外层优选用高弹体、最好用橡胶制成。 其用途和功能与车轮轮胎上的胎面十分相似。因此，适合于制作和 加固胎面的材料同样适合于制作外层24。外层24可有一胎面；也 可无胎面，但其表面粗糙，以提高该表面与它抵靠其上的座之间的 摩擦力。外层可用各种纤维、金属丝、碳纤维和橡胶线之类材料加 固。

芯22可用若干种材料构成。它最好由砂、石英粒子、玻璃珠、 钢球、水泥球或金属球之类颗粒材料构成。材料的几何形状可规则， 也可不规则。主要标准是，当摩擦球10变形时，颗粒材料受压缩， 从而颗粒间的摩擦力增大。

在一优选实施例中，芯22中的颗粒材料可为许多摩擦球。这些 摩擦球的结构可如上所述。即，它们可为实心、由一外层包住的一 芯或呈多层结构。但是，作为颗粒材料，其直径当然比由该芯中许 多摩擦球构成的摩擦球的直径小得多。只要满足本文所述其他标准， 这些摩擦球的直径和形状可一致，也可不一致。

芯22可用铅、水泥、木头、橡胶或金属之类可压缩固体材料制 成，与外层的变形一起提高摩擦力，从而抵抗球的滚动。

芯22可局部或全部填充到例如20MPa的静水压。可以看到， 芯上的压力当它受其上建筑物重压而发生变形时增大，外层24也应 相应构作。

在一实施例中，摩擦球可呈例如实心橡胶或其他实心高弹体的 均质结构。

只要能在一建筑物与一座之间滚动，球的形状无关紧要。球的 最简单形状为球形。但是，也可为椭圆形(在一平面中呈椭圆，在 另一平面中呈圆形)、椭球形(在两个平面中呈具有相同或不同的长 短轴的椭圆)或其他类似形状。只要在力的作用下可滚动，球的表 面可光滑，也可不光滑。球的表面可为平面或压平的平面，可粗糙， 也可光滑。

如图6和7所示，本发明摩擦球可由一芯22和一外层24和其 间的若干层23、25、27和29构成。每一中间层可为实心或颗粒材 料；只要整个结构可变形，中间层可变形，也可不变形；如可变形， 则较之不变形摩擦球，滚动阻力增加。

摩擦球可用较廉价的材料制成。这在遭受地震的欠发达国家中 特别有利。可用砂填充足球内部而制成摩擦球。也可在兽皮之类较 廉价材料中填充砂或砾石之类颗粒材料。

图4和5示出摩擦球放置其中的两座。在图4中，一上部座18 与一下部座12之间有一球10(其在一建筑物放置在上部座18上时 变形)。球10的顶面抵靠上部座18的弧形底面20。球10的底面抵 靠在下部座12的弧形顶面14上。

座18和12的表面20和14可呈任何形状的曲面，例如球面、 抛物面。它也可呈圆锥面。在摩擦球达到静止时圆锥面特别有助于 摩擦球对中。

在图5实施例中，其底面为平面19的一座16有一支座或弧形 凹进部26。其顶面14下凹的相对座12也有一弧形凹进部28。当摩 擦球10位于支座26和28中时，该建筑物位于所要求中央位置。在 该优选实施例中，摩擦球10可发生足够大的变形，从而处于所述中 央位置时它按照支座26和28的形状变形。

按照本发明，生成隔震所用抵抗滚动的摩擦力的变形可发生在 摩擦球中，也可发生在座中。在图8所示实施例中，具有球面14的 一座12有一可变形层15。层15用在本发明其他实施例中结合摩擦 球所述可变形材料制成。在图8实施例中，一球11基本上不变形。 它使层15变形成点划线17所示深度。在该座与抵靠在球11上的建 筑物之间相对运动时球11移动到位置11a。层15中的摩擦力抵抗该 滚动，从而在摩擦阻力使球在位置11a上停止转动前建筑物16只移 动图8所示距离Δx。

当本发明摩擦球用于隔震时，选择好待隔震建筑物在其地基上 的抵靠点。最好在每一这样的点安装上部和下部座和一摩擦球。可 把摩擦球只安装在一个座上，但最好两边各有一座。两边上的座也 可有如图5所示的支座26和28。这些座可用任何合适固体材料制 成，例如模制水泥或木头等。

如果建筑物发生位移后一个或多个摩擦球不回复到支座26和 28，可机械移动该建筑物而使它回复到其对中位置。

如图9和10所示，本发明的另一变型是在由球、座组合的上下 座之间设置多个球。

图9和10中的座40与图4、5和8中所示下部座类似。有一凹 进支座42(与图5中的支座28类似)，其曲率半径小于座40下凹 顶面的曲率半径。在图9中，凹进支座42中有三个摩擦球44。在 图10中有七个摩擦球46和47。外部六个球(标号为47)环绕一中 心球46。由于这些球堆积在支座42表面上，因此尽管中心球46的 直径与球47相同，其顶面也会稍稍抬高。为作出补偿，可在支座42 中心设置与图5中支座28类似的另一支座。

最好是，建筑物或上部座在各球44、46和47的顶面上的重量 均匀分布。由于在支撑建筑物的重量时或是球本身或是它们抵靠其 上的表面发生变形，因此重量分布是否均匀无关紧要，但重量最好 均匀分布。由于在支撑一重量时或是球或是它们抵靠其上的表面发 生变形，因此，即使各球之间的载荷分布不均匀，也会受到或是球 本身或是它抵靠其上的表面的额外变形的补偿。

因此，是否有凹进支座无关紧要，但最好有凹进支座。

球的数量可任选，但可从2个到一上限，该上限决定于球和座 的大小。球的数量应保证各球相切。最好为三个和七个，但本发明 不受此限制。

使用多个球有其优点。由于受支撑重量分布到大量支撑件上， 因此较之使用单个球，该装置可用来支撑更重建筑物。部件也可标 准化。不管应用在什么场合，不管建筑物有多重，可使用同样大小 的摩擦球。只要增加球的数量，就可支撑更重的建筑物。

在家居中，安装部位可为桩或地基的内墙和周边墙。

由于地震隔离涉及到建筑物与地基之间的相对运动，因此建筑 物与地基之间必须留有间隙；在地震力作用在建筑物底下的地基上 时，必须为建筑物与地基的相对运动留有足够余地。

当摩擦球的一阵列装在一建筑物及其地基之间、该地基受到地 震力冲击时，建筑物与地基之间发生相对运动，同时球发生变形。 在球横向移出座的边缘前球中的摩擦力抵抗滚动而使该相对运动减 速。只要地震继续，该相对运动就会继续，变形摩擦球的滚动阻力 就继续以缓冲地震力。

隔震在某一特定方向上的自然周期为 $2\pi \sqrt{R/g}$

其中，′R′为曲面在该方向、该位置上的曲率半径，′g′为重力加 速度。

本领域普通技术人员可以看出，在设计摩擦球时，必须计算安 装好的摩擦球的滚动阻力，使得摩擦球不水平滚出其座、地基上的 建筑物不坍塌。对于填充颗粒材料、不预加应力的摩擦球，在进行 该计算时，用于摩擦力、库仑力(coulomb)或塑性装置的摩擦系数 μ为

μ＝4tanθ

其中，如图3所示，θ为从摩擦球中心到变形表面的垂直线与球 恢复其自然曲率的变形端部之间的角度。

当摩擦球用可弹性变形的固体材料制成时，H R Hertz， ″Miscellaneous Papers″(McMillan，London 1896)，第5和6章中所 述的弹性材料理论有助于确定摩擦球的摩擦系数。

对于塑性变形实心摩擦球，可用Robinson and Truman，″铝的连 续压痕试验中的应力一应变曲线(Stress-Strain Curve for Aluminium for a Continuous Indentation Test)″，Journal of Materials Science 12 (1977)，1961-1965中所述的方法确定摩擦系数。

以上结合使用摩擦球实现建筑物与其地基的隔震说明了本发 明。

摩擦球也可用来隔离同一建筑物的不同部分或隔离不同建筑 物。例如，摩擦球可使用在利用摩擦的任何场合。这样的一个例子 是可以使用在转动机械中，摩擦球可在转动机械中用作制动器或离 合器。

本发明摩擦球或可变形座可使用在其他场合。例如可使用于小 型工业建筑物的隔震。它们可用来缓冲其他振动源造成的振动。例 如它们可用来隔离机械与该机械所在建筑物。

在本发明范围内的其他变动或组合对本发明普通技术人员来说 是显然的。