引入滚珠丝杠的齿轮式位移放大型振动控制装置工作机理与应用.pdf
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1、第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:王海东()男湖南澧县人博士教授研究方向为结构抗震韧性(:.)基金项目:国家自然科学基金()引入滚珠丝杠的齿轮式位移放大型振动控制装置工作机理与应用王海东 郑宇飞 蒋德松 谭文正(.湖南大学.土木工程学院.建筑安全与节能教育部重点实验室 湖南 长沙.湖南湖大土木建筑工程检测有限公司 湖南 长沙.中国轻工业长沙工程有限公司 湖南 长沙)摘 要:在钢筋混凝土结构振动位移过小的情况下为提升结构附加阻尼器的耗能减振作用本文提出一种基于滚珠丝杠驱动齿轮齿条啮合运动的新型位移放大型振动控制装置 文中对装置做了尺寸设计和运作机理分
2、析并对该装置进行了理论推导得到了位移放大倍数、滚珠丝杠轴力理论公式、位移放大型阻尼器的阻尼力公式以及简谐作用下的滞回耗能公式 运用 软件进行有限元分析软件分析的伪静力数值试验结果与理论推导结果吻合完好表明了以上推导公式的正确性 结合一个具体微振工程在简谐激励作用下对该大型回转装备 单层钢筋混凝土框架结构体系进行了数值模拟分析结果表明使用该装置后结构的振动控制效果显著关键词:滚珠丝杠 位移放大 丝杠轴力 伪静力数值试验 振动控制中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.土木工程与管理学报 年:随着我国工业化的快速发展装备对振动控制的要求越来越严格振动控制已成为工业工程建设的关键技术是国家
3、科技和相关行业发展的重大需求 工业工程振动控制是基于土木工程的多专业综合技术通过控制地基基础、厂房结构、工业装备等构成的复杂系统振动为装备正常运行提供可靠的振动环境保障 以轻工行业为代表其大型回转装备 厂房结构体系设计寿命长使用环境严酷服役期内频繁经受振动和冲击导致寿命缩短加工精度和安全性降低将带来极大经济损失和安全隐患为结构附加阻尼器的耗能减振技术在各个领域得到了广泛应用 如果结构振动位移过大可能导致阻尼器发生破坏而失效赵桂峰等人利用凸轮的回转机理提出了一种具有限位功能的响应放大装置在遭遇罕遇地震情况下能很好地实现限位功能而使阻尼器在有限行程内不被破坏并产生耗能 但是在工程实际当中钢筋混凝土
4、结构往往振动位移过小阻尼设备发挥不了作用因此需要添加位移放大装置来增大阻尼器耗能尤其在微振情况下超大放大倍率的位移放大装置显得尤为重要 国内外许多学者开始了这方面的研究借助连杆式、杠杆式、齿轮式、旋转式等多种机械装置来实现结构位移放大等率先提出肘节支撑式的连杆式放大装置并应用于工程实际 韩建平等人借助机械装置在流体粘滞阻尼器内部引入齿轮放大机构其放大倍数由齿轮的半径决定大小可控 刘文光等利用杠杆原理提出了位移放大型阻尼墙减震结构并进行了模型试验和框架工程案例分析取得了良好的效果以往的位移放大装置在小位移情况下往往装置放大倍数相对较小或者阻尼器反应较小甚至起不了作用为了研究实现位移放大的超大倍数
5、装置本文提出了一种齿轮式响应放大机构()利用滚珠丝杠副及齿轮齿条啮合实现位移转换和放大尤其滚珠丝杠的引入大大增加了位移放大且可以实现倍数可调 文中介绍了其工作机理对位移放大倍数和滚珠丝杠轴力公式做了理论推导利用 软件进行伪静力的数值模拟试验验证了公式的正确性并结合一个实际微振的工程算例做了数值模拟验证了此放大装置能有效实现振动控制 理论分析.内部构造 主要由滚珠丝杠、滚珠螺母、推力球轴承、放大齿轮、齿条、定向滑轨、底板、侧向支撑板、阻尼器、止推墙、螺栓等部件组成 其整体构造和内部结构具体情况如图 所示图 整体构造?图 内部结构滚珠丝杠支撑于侧向支撑板上滚珠螺母和放大齿轮之间用螺栓连接齿条啮合齿
6、轮并在定向滑轨上移动齿条的两端连接阻尼器阻尼器一端作用在止推墙上.工作原理滚珠丝杠与外部结构通过斜撑固接结构的水平位移带动滚珠丝杠水平移动滚珠丝杠副实现线位移到角位移的转换放大齿轮通过和滚珠螺母固接实现角位移放大然后和齿条啮合带动阻尼器发生垂直平面的线位移 安装如图 所示 第 期王海东等:引入滚珠丝杠的齿轮式位移放大型振动控制装置工作机理与应用图 安装示意.放大倍数分析通过 的工作原理可知结构的水平位移通过滚珠丝杠副转换成了放大齿轮的角位移再通过啮合齿条转化成了阻尼器的线位移通过这两次位移转换实现了位移放大的目的其位移和受力分析如下 位移放大倍数分析:如 位移转换分析(图)所示滚珠丝杆每运动一
7、个导程滚珠螺母就带动齿轮转动一周两者之间的位移关系为:()式中:为滚珠丝杠的轴向位移(框架的水平位移)为滚珠螺母转动的角位移(放大齿轮转动的角位移)为滚珠丝杠的导程xyS图 位移转换分析齿轮和齿条啮合则阻尼器的线位移 (齿条的线位移)为:()式中:为放大齿轮的分度圆半径则阻尼器线位移的放大倍数 为:()其由放大齿轮的半径 和滚珠丝杠的导程 的比值/决定 速度放大倍数分析:由式()()可知阻尼器速度为:()式中:为滚珠丝杠的轴向速度为滚珠螺母转动的角速度 为齿条的速度则阻尼器速度的放大倍数 为:()同样由放大齿轮的半径 和滚珠丝杠的导程 的比值/决定 受力分析:滚珠丝杠通过其螺旋槽利用滚珠把丝杠
8、的轴力转换成滚珠螺母旋转的扭矩滚珠丝杠副的受力分析如图 所示?S?rFFn图 滚珠丝杠受力分析滚珠丝杠副有两种运动形式根据滚珠丝杠受力和几何关系给滚珠螺母施加扭矩获得滚珠丝杠轴向推力时可得:()()式中:为滚珠丝杠的轴向力为滚珠丝杠的切向力是促使滚珠螺母发生角位移的力 为滚珠丝杠副的正传动效率滚珠丝杠副的传动效率在 以上 为滚珠螺母的扭矩 为滚珠丝杠中心到滚珠中心的距离给滚珠丝杠施加轴向推力获得滚珠螺母扭矩时可得:()式中:为滚珠丝杠副的负传动效率根据 的作用机理传动效率为 则可得滚珠丝杠副的轴向力和切向力的转换关系为:()()放大齿轮部分由侧向钢板支撑齿条由定向滑轨支撑在运动过程中各钢部件之
9、间的摩擦系数在.范围内其与接触面的粗 土木工程与管理学报 年糙程度有关可以通过润滑减小摩擦系数各部分之间的受力分析如图 所示TPrFdPPR图 受力分析根据刚体定轴转动原理可得:()式中:为放大齿轮绕中心轴定轴转动的转动惯量为放大齿轮的质量根据齿轮齿条机构受力分析齿轮作用于齿条的合力 可以分解成圆周力 和径向力 圆周力克服齿条上所受到的工作阻力之和可得:()()式中:为放大齿轮和齿条的压力角由达朗贝尔原理则有:()()()()()()()()()式中:为放大齿轮的角加速度 为滚珠丝杠的轴向加速度 为齿条的加速度为附加阻尼器的阻尼力 为齿条和定向滑轨之间的摩擦系数为齿条的质量()为符号函数联立式
10、()()得到滚珠丝杠轴向力的表达式为:()()()()由式()可知滚珠丝杠轴向力由三部分组成齿条和定向滑轨之间的摩擦力引起的力 阻尼器的阻尼力引起的力 放大齿轮的惯性力引起的力 如下:()()()()()滚珠丝杠轴向力和阻尼力之间的倍数关系为:()从式()()可以得出和 具有耗能的作用不具备耗能作用能量以动能的形式存在于 中和结构的能量相互转换 部分是线性粘滞阻尼器的耗能是主要的耗能途径在下面单独讨论不连接 时线性粘滞阻尼器的阻尼力 和耗能 可以简单表示为:()()()()()式中:为粘滞阻尼器的阻尼系数 为阻尼器两端的相对运动速度当给阻尼器进行正弦简谐波加载时设 则阻尼器相对运动速度 其中
11、为位移幅值 为圆频率则阻尼器在一个循环周期(/)内的耗能 为:()()()连接 后阻尼器两端的相对位移和相对速度得到放大相对位移变为 相对速度变为 从而使阻尼力得到放大耗能得到加强可得:()()()()()当给滚珠丝杠进行正弦简谐波加载时设 则 位移幅值增大为 第 期王海东等:引入滚珠丝杠的齿轮式位移放大型振动控制装置工作机理与应用则阻尼器在一个循环周期内的耗能 为:()()()两者的耗能之比 为:()因此从理论上证明附加 后阻尼系数为 的线性粘滞阻尼器与阻尼系数为 的线性粘滞阻尼器具有同样的耗能效果 伪静力数值试验分析对比.模型设计 模型的零部件材料为钢密度./弹性模量 泊松比 .各关键零部
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