技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电涡流三维减振装置，适用于
桥梁、建筑、输电塔、海上
风机等各类
土木工程结构的减振控制。
背景技术
[0002] 随着我国
基础设施建设的不断完善，超大跨桥梁、超
高层建筑结构、高速
铁路及地铁等重要性结构与日俱增，并且随着土木工程技术和
建筑材料的发展，
土木工程结构趋向于结构轻型、大跨度、超高层、形式复杂的特点。此类结构在动
力荷载作用下，易产生较大
变形和振动。结构发生振动不仅会使上部人员产生不舒适感，过大的变形和振动容易增大结构的内部
应力，降低结构耐久性，甚至会导致结构破坏，危及生命财产安全。
[0003] 如何减小结构的振动响应是一个前沿且重要的课题。结构振动控制通过在结构中设置减振或隔振装置来消耗或隔离振动
能量，或者施加外部的能量以抵消外部激励对结构的作用。它具体是通过在结构的某些部位，装设某种装置(如
隔震垫)、或某种机构(如各种阻尼器)，或某
种子结构(如调频调谐
质量)，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，使结构的动力响应得到合理的控制，确保结构本身及结构中的人、仪器、设备等的安全和正常使用。目前针对振动控制装置的研发多集中于被动减振装置，这些装置具有构造相对简单，无需人工干预的优点，
调谐质量阻尼器(tuned mass damper，TMD)是其中一类应用十分广泛的被动减振装置。
[0004] TMD的减振机理是：在主振动系统上附加一个小质量动力消振系统。当满足消振系统响应滞后于主振动系统响应π/2的条件时，此时消振系统的弹性力对主振系统相当于粘滞阻力，抑制主振系统的位移，从而最大限度地降低主振系统的振动，达到减振的效果。其构造简单、经济、减震效果较好，目前已被广泛应用于工程结构的振动控制中。
[0005] 传统的TMD阻尼器可以有效地控制结构某一方向的振动，然而结构振动是多维的，各种荷载激励下，结构会不可避免地在多个方向发生振动。因而多维减振就成为国内外急于解决的一个技术难题。为了确保阻尼器对结构振动控制的可靠性，通常需要在结构两
主轴方向同时设置阻尼器，从而大大增加了结构振动控制的成本。因此，考虑到结构振动的复杂性，传统的振动控制装置无法很好的满足振动控制的要求。另外，目前的TMD大多未考虑耗能和阻尼，较低的阻尼系数也在一定程度上限制了TMD的应用发展。
[0006] 电涡流阻尼是基于
电磁感应原理的一种物理现象。当非
磁性导体处于
磁场中做切割磁感线运动时，穿过导体的磁通量就会发生连续变化。根据法拉第电磁感应定律，导体内会产生相应的感生电动势，从而形成类似涡旋的
电流，即电涡流。根据楞次定律，电涡流同时会产生一个与原磁场方向相反的新磁场，形成阻碍二者相对运动的阻尼力。如此循环的结果最终导致振
动能量通过导体的
电阻热效应被消耗掉，这就是电涡流阻尼。在这一过程中，导体板与磁场相对运动的动能先转变为
电能，再在导体板内转化为
热能消耗，于是起到耗能减振的作用。电涡流阻尼器采用非
接触式耗能的方式，具有耐久性好、安装方便等优点，得到广泛使用。
[0007] 针对以往单维减振装置以及传统TMD减振装置低阻尼的不足，本装置利用球体嵌套与电涡流原理相结合，实现空间三维减振。该装置具有模
块化生产，安装便捷，维修方便，使用简单，外观优美等特点，市场前景十分广阔。
发明内容
[0008] 技术问题：针对现有土木工程结构工作过程中振动复杂的问题，本发明提供一种电涡流三维减振装置。该装置利用球体嵌套，实现附加质量块在装置特定空间的多维运动；通过设置不同的球体材料，利用电涡流原理进行能量耗散，实现多维减振。通过调整扭力
弹簧刚度以及附加质量块质量，可对减振装置的使用
频率范围进行调节。该装置安装维护方便、使用寿命长，造型美观，可用于土木工程结构的减振控制。
[0009] 技术方案：为实现上述目的，本发明一种电涡流三维减振装置采用的技术方案为：
[0010] 该减振装置包括
箱体、连接螺孔A、
转轴、扭力弹簧、外层球体、中层球体、内层球体、附加质量块A、附加质量块B、连接螺孔B、内层球体扇叶、内层球体底座、中层球体扇叶、中层球体底座、外层球体扇叶、外层球体底座；
[0011] 其中，附加质量块A、附加质量块B安装在相对称的两个内层球体扇叶之上，内层球体扇叶安装在内层球体底座之上，通过连接螺孔B采用
螺栓进行连接，组成内层球体；
[0012] 内层球体通过转轴安装在中层球体扇叶之上，扭力弹簧套在转轴之外；中层球体扇叶安装在中层球体底座之上，通过连接螺孔B采用螺栓进行连接，组成中层球体；
[0013] 中层球体通过转轴安装在外层球体扇叶之上，扭力弹簧套在转轴之外，外层球体扇叶安装在外层球体底座之上，通过连接螺孔B采用螺栓进行连接，组成外层球体5；外层球体通过转轴安装在箱体之上，扭力弹簧套在转轴之外，减振装置通过连接螺孔A与主体结构相连接。
[0014] 所述转轴、扭力弹簧、外层球体、中层球体、内层球体、附加质量块A、附加质量块B组成嵌套球体装置，能够实现附加质量块在内层球体空间内的三维运动。
[0015] 外层球体、中层球体、内层球体分别与附加质量块A、附加质量块B、转轴、扭力弹簧组成单个TMD减振装置，各TMD减振装置嵌套组成TMD减振系统，实现多维减振。
[0016] 所述内层球体扇叶由
永磁体构成，中层球体扇叶由导体材料构成，外层球体扇叶由永磁体构成，构成电涡流阻尼器的主体部分，内层球体扇叶和外层球体扇叶之间产生的相互磁力作用也为各TMD减振装置提供了恢复力。
[0017] 转轴与各球体扇叶之间的接触
位置均涂有
润滑剂，减小其相对的
摩擦力，减少装置内部的磨损损耗。
[0018] 内层球体扇叶、外层球体扇叶的永磁体材料采用钕铁
硼，该材料具有优异的磁性能，能够产生持续稳定的磁场。
[0019] 转轴、箱体、内层球体底座、中层球体底座、外层球体底座均采用无磁材料，保障各球体转动过程中不受附加磁力影响。
[0020] 所述的无磁材料为无磁
铝合金材料、
碳纤维材料。
[0021] 当结构产生振动时，由于惯性，内层球体上的附加质量块与结构运动方向相反。运动时与结构本身运动存在
相位差，对结构的运动有阻碍作用，可以有效减小结构体的振动幅度。结构振动的机械能通过附加质量块的运动，带动永磁体与导体的相对运动，产生电磁感应，在
铜板内产生电涡流，电涡流又产生与永磁体本身磁场极性相反的
电磁场，这两个极性相反的电磁场互相阻碍运动，产生电涡流阻尼效应。质量块动能转化为热能，热能通过空气等介质传导消耗。质量块在电涡流阻尼效应作用下，运动速度越来越慢，直到停止。以上过程中，结构振动的能量最终转化为电涡流发热的热能，实现耗能作用，达到减振目的。
[0022] 有益效果：
[0023] 1、本发明装置借用球体嵌套装置内附加质量块能够在特定空间内多维运动的特点，结合电涡流原理，实现多维减振，极大地提升阻尼器的工作效率。
[0024] 2、本发明通过调节弹簧刚度、附加质量块质量可以控制TMD阻尼器的工作频率，使该装置的可调性更大，适应性更强。
[0025] 3、本发明通过在转轴等连接装置上涂附
石墨烯材料或其他润滑剂，有效减小装置工作过程中的摩擦阻力，减小装置磨损，有效延长使用寿命。
[0026] 4、本发明采用板式电涡流原理，采用非接触式耗能方式，无需外部
能源输入，可通过装置自身对结构进行实时控制，具有构造简单，耐久性好，维护方便等优点。
[0027] 5、本发明减振装置所有生产、装配均可在工厂里进行，避免了现场高空作业的装配困难、精确度差，提高现场效率、保证减振效果。便于实现减振装置的规范化设计、制造与安装，提高工作效率。
[0028] 6、本发明减振装置外观造型奇特、优美，不会对被减振对象造成外观影响，可作为装饰物安装于被控结构之上。方便使用者直接观看理解电涡流阻尼器工作过程。
附图说明
[0029] 图1为本发明电涡流三维减振装置的俯视图；
[0030] 图2为图1中的Ⅰ-Ⅰ剖面图；
[0031] 图3为图2中所示内层球体7的细部放大图，其中图3(a)为内层球体7的俯视图，图3(b)为内层球体7的侧视图，图3(c)为内层球体7沿中部的剖视图；
[0032] 图4为图2中所示中层球体6的细部放大图，其中图4(a)为中层球体6的俯视图，图4(b)为中层球体6的侧视图，图4(c)为中层球体6沿中部的剖视图；
[0033] 图5为图2中所示外层球体5的细部放大图，其中图5(a)为外层球体5的俯视图，图5(b)为外层球体5的侧视图，图5(c)为外层球体5沿中部的剖视图；
[0034] 图中有：箱体1、连接螺孔A 2、转轴3、扭力弹簧4、外层球体5、中层球体6、内层球体7、附加质量块A 8、附加质量块B 9、连接螺孔B 10、内层球体扇叶11、内层球体底座12、中层球体扇叶13、中层球体底座14、外层球体扇叶15、外层球体底座16。
具体实施方式
[0035] 该减振装置包括箱体、连接螺孔A、转轴、扭力弹簧、外层球体、中层球体、内层球体、附加质量块A、附加质量块B、连接螺孔B、内层球体扇叶、内层球体底座、中层球体扇叶、中层球体底座、外层球体扇叶、外层球体底座；其中外层球体扇叶和内层球体扇叶采用具有优异磁性能的材料(如：钕铁硼)制成，中层球体扇叶采用
导电性能良好的材料(如：铜)制成。转轴、箱体、内层球体底座、中层球体底座、外层球体底座均采用无磁材料(如：
铝合金材料、
碳纤维材料)制成。
[0036] 所述内层球体扇叶安装在内层球体底座之上，通过连接螺孔采用螺栓进行连接。
[0037] 所述内层球体通过转轴安装在中层球体扇叶之上，转轴涂附润滑材料，便于内层球体可以自由转动。扭力弹簧套在转轴之外，其两端分别固定在内层球体底座和中层球体扇叶之上，用于为TMD阻尼器提供弹性恢复力。
[0038] 所述中层球体扇叶安装在中层球体底座之上，通过连接螺孔采用螺栓进行连接。
[0039] 所述中层球体通过转轴安装在外层球体扇叶之上，转轴涂附润滑材料，便于中层球体可以自由转动。扭力弹簧套在转轴之外，其两端分别固定在中层球体底座和外层球体扇叶之上，用于为TMD阻尼器提供弹性恢复力。
[0040] 所述外层球体扇叶安装在外层球体底座之上，通过连接螺孔采用螺栓进行连接。
[0041] 所述外层球体通过转轴安装在箱体之上，转轴涂附润滑材料，便于外层球体可以自由转动。扭力弹簧套在转轴之外，其两端分别固定在外层球体底座和箱体之上，用于为TMD阻尼器提供弹性恢复力。
[0042] 所述转轴、扭力弹簧、外层球体、中层球体、内层球体、附加质量块A、附加质量块B组成嵌套球体装置，能够实现附加质量块在内层球体空间内的三维运动。
[0043] 所述外层球体、中层球体、内层球体分别与附加质量块A、附加质量块B、转轴、扭力弹簧组成单个TMD减振装置，各TMD减振装置嵌套组成TMD减振系统，提高阻尼器的减振适用范围，实现多维减振。
[0044] 所述内层球体扇叶由永磁体构成，中层球体扇叶由导体材料构成，外层球体扇叶由永磁体构成，构成电涡流阻尼器的主体部分。内层球体扇叶和外层球体扇叶之间产生的相互磁力作用也为各TMD减振装置提供一定恢复力。
[0045] 所述附加质量块质量大小、安装位置可自由调节，通过调节附加质量块的质量大小、安装位置以及弹簧刚度大小，对TMD阻尼器的质量参数进行调节，使减振装置适用
频率范围更为广泛。
[0046] 转轴与各球体扇叶之间的接触位置涂有润滑剂，减小了其相对的摩擦力，减少装置内部的磨损损耗。
[0047] 永磁体采用钕铁硼，该材料具有优异的磁性能，能够产生持续稳定的磁场。
[0048] 转轴、箱体、内层球体底座、中层球体底座、外层球体底座均采用无磁材料，保障各球体转动过程中转轴正常工作不受磁力影响。
[0049] 为方便本领域的技术人员准确理解，以下结合附图对本发明作进一步的详细说明，实施方式所提及的内容并非对本发明的限定。
[0050] 电涡流阻尼器是一种利用电涡流的阻尼效应制成的耗能减振装置，具有构造简单、耐久性好等优点，目前，主要作为调谐质量阻尼器的阻尼元件应用在土木工程结构的振动控制领域。此外，球体嵌套装置简单易行，能够实现附加质量块在装置特定空间内的多维运动。因此能够运用球体嵌套装置和电涡流原理相结合，实现多维减振的目的。
[0051] 本发明所述一种电涡流三维减振装置，主要包括箱体1、连接螺孔A2、转轴3、扭力弹簧4、外层球体5、中层球体6、内层球体7、附加质量块A8、附加质量块B 9、连接螺孔B10、内层球体扇叶11、内层球体底座12、中层球体扇叶13、中层球体底座14、外层球体扇叶15、外层球体底座16。如图2、3、4、5所示。
[0052] 所述内层球体扇叶11由永磁体材料制成，内层球体底座12由无磁材料制成，内层球体扇叶11安装在内层球体底座12之上，通过连接螺孔B 10采用螺栓进行连接，如图3所示。
[0053] 所述内层球体7通过无磁材料制成的转轴3安装在中层球体扇叶13之上，转轴3涂附润滑材料，便于内层球体7可以自由转动。扭力弹簧4套在转轴3之外，其两端分别固定在内层球体底座12和中层球体扇叶13之上，用于为TMD阻尼器提供弹性恢复力，如图2所示。
[0054] 所述中层球体扇叶13由导电性能优异的材料制成，中层球体底座14由无磁材料制成，中层球体扇叶13安装在中层球体底座14之上，通过连接螺孔B 10采用螺栓进行连接，如图4所示。
[0055] 所述中层球体6通过无磁材料制成的转轴3安装在外层球体扇叶15之上，转轴3涂附润滑材料，便于中层球体6可以自由转动。扭力弹簧4套在转轴3之外，其两端分别固定在中层球体底座14和外层球体扇叶15之上，用于为TMD阻尼器提供弹性恢复力，如图2所示。
[0056] 所述外层球体扇叶15由永磁体材料制成，内层球体底座16由无磁材料制成，外层球体扇叶15安装在外层球体底座16之上，通过连接螺孔B 10采用螺栓进行连接，如图5所示。
[0057] 所述外层球体5通过无磁材料制成的转轴3安装在箱体1之上，箱体1由无磁材料制成，转轴3涂附润滑材料，便于外层球体5可以自由转动。扭力弹簧4套在转轴3之外，其两端分别固定在外层球体底座16和箱体1之上，用于为TMD阻尼器提供弹性恢复力，如图2所示。
[0058] 所述一种电涡流三维减振装置通过箱体1的连接螺孔A2采用螺栓与主体结构进行连接，当结构产生振动时，由于惯性，内层球体7上的质量较大的附加质量块与结构运动方向相反。运动时与结构本身运动存在
相位差，对结构的运动有阻碍作用，可以有效减小结构体的振动幅度。结构振动的机械能通过附加质量块的运动，带动永磁体与导体的相对运动，产生电磁感应，在导体内产生电涡流，电涡流又产生与永磁体本身磁场极性相反的电磁场，这两个极性相反的电磁场互相阻碍运动，产生电涡流阻尼效应。质量块动能转化为热能，热能通过空气等介质传导消耗。质量块在电涡流阻尼效应作用下，运动速度越来越慢，直到停止。以上过程中，结构振动的能量最终转化为电涡流发热的热能，实现耗能作用，达到减振目的。
[0059] 本实施方案中需要注意以下几个方面：
[0060] 一、该装置应安装在被控结构振动较大位置处，以保证装置能够充分发挥作用。
[0061] 二、弹簧的长度和刚度，以及附加质量块的质量应根据被控结构的主频率进行选择。
[0062] 三、减振装置设计安装时，应在球体之间预留出足够的间距，保证各个球体能够自由转动。但球体之间的间距不应过大，防止磁场强度急剧变弱。
[0063] 四、减振装置设计安装时，两附加质量块质量不能相等或相近；或两附加质量块不能安装在以球体中心中心对称的位置。
[0064] 五、与转轴相连的扇叶应适当加强，防止工作工程中扇叶发生局部屈曲。
[0065] 六、减振装置安装完成之后应注意转轴部分的防尘防腐工作，对其进行紧密密封，尤其是桥梁结构中，工作环境复杂恶劣，应保证转动部分工作过程中不受外部环境影响。
[0066] 以上所述尽是本发明的优选实施方式，应指出：对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下依旧可以做出若干改进，这些改进亦应视为本发明的保护范围。
