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《西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第一期

摘要:

研制一種微型可調(diào)式黏滯流體阻尼器，提供可以調(diào)節(jié)的阻尼力。通過(guò)不同位移幅值、不同頻率以及不同循環(huán)的加載試驗(yàn)，研究了可調(diào)式黏滯流體阻尼器的耗能參數(shù)和工作性能。同時(shí)，推導(dǎo)出阻尼力的理論計(jì)算公式，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明:可調(diào)式黏滯流體阻尼器具有良好的耗能性和抗低周疲勞性能，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相近，表明文中提出的阻尼器具有較高的工作穩(wěn)定性，且具有較好的密封性能。

關(guān)鍵詞:

微型可調(diào)式黏滯流體阻尼器;耗能參數(shù);工作性能;加載試驗(yàn);阻尼力計(jì)算公式

結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制可以有效減輕結(jié)構(gòu)在地震或者風(fēng)荷載作用下所引起的反應(yīng)和損傷，有效提高結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)能力。國(guó)內(nèi)對(duì)黏滯流體阻尼器的研究起步較晚，1999年，歐進(jìn)萍等對(duì)間隙式黏滯流體阻尼器進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)與理論研究，探討了不同類型黏滯流體的特性，在冪律流體本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上建立了黏滯阻尼器的阻尼力計(jì)算模型。東南大學(xué)葉正強(qiáng)、李愛(ài)群等對(duì)黏滯流體阻尼器的工作原理進(jìn)行分析，提出雙出桿黏滯流體阻尼器的構(gòu)造方法，并對(duì)其控制效果進(jìn)行試驗(yàn)研究［1］。以上研究主要對(duì)黏滯流體阻尼器的計(jì)算模型及組成材料進(jìn)行研究。流體阻尼器通常采用單出桿和雙出桿形式，由于單出桿流體阻尼器在構(gòu)造上存在缺陷，在活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)“真空”和“頂死”現(xiàn)象，使阻尼器產(chǎn)生的阻尼力不穩(wěn)定。此外，在對(duì)建筑物進(jìn)行縮尺模型試驗(yàn)中對(duì)阻尼器的力學(xué)性能要求較高，用于實(shí)體結(jié)構(gòu)的阻尼器在模型試驗(yàn)這種小體積、小行程條件下不能發(fā)揮明顯作用。因此，本文提出一種新型微型黏滯流體阻尼器，采用雙出桿形式，在阻尼器兩端增加導(dǎo)流管，避免了雙出桿流體阻尼器阻尼力不可調(diào)的弊端，應(yīng)用范圍更廣。

1阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微型可調(diào)式黏滯阻尼器采用雙出桿形式，由油缸、活塞、活塞桿、黏滯介質(zhì)、導(dǎo)流管、調(diào)節(jié)閥、密封件及連接件等組成(如圖1所示)，其中油缸內(nèi)徑D1=53mm，活塞桿直徑D2=12．5mm，導(dǎo)流管直徑d=16．5mm，調(diào)節(jié)閥進(jìn)流口直徑d2=9mm，導(dǎo)流管長(zhǎng)度L=200mm。阻尼器油缸內(nèi)黏滯介質(zhì)采用46#液壓油，阻尼器活塞采用密閉形式。調(diào)節(jié)閥水平總旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為9圈，調(diào)節(jié)閥旋轉(zhuǎn)單圈過(guò)程中閥芯豎向行程為1mm，將調(diào)節(jié)閥旋轉(zhuǎn)劃分為20個(gè)刻度。阻尼器在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)活塞桿壓縮黏滯介質(zhì)，使流體通過(guò)導(dǎo)流管流經(jīng)調(diào)節(jié)閥，由調(diào)節(jié)閥控制流體流量從而調(diào)節(jié)阻尼器阻尼力輸出的大小。

2阻尼力的數(shù)學(xué)推導(dǎo)

為了更為準(zhǔn)確地揭示可調(diào)式微型黏滯流體阻尼器的控制性能，首先需要確定其恢復(fù)力模型。從阻尼器的構(gòu)造及試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知此可調(diào)式黏滯流體阻尼器具有非線性特性，使用的液壓油屬于牛頓流體，則輸出阻尼力與活塞運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系可從能量耗散角度進(jìn)行分析［2］。當(dāng)液壓油從缸筒進(jìn)入導(dǎo)流管時(shí)，此階段的能量損耗主要包括黏滯摩擦損耗和流體動(dòng)能變化引起的附加能量損失。

3阻尼器的試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)在型號(hào)為INSTRON8871疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，在環(huán)境溫度20℃的情況下，對(duì)可調(diào)式微型黏滯阻尼器在調(diào)節(jié)閥閥芯行程不同的情況下進(jìn)行抗低周循環(huán)加載試驗(yàn)(10圈)和抗低周疲勞性能試驗(yàn)(60圈)，試驗(yàn)按照TriangleWave進(jìn)行系統(tǒng)加載，通過(guò)控制不同的加載頻率(0．25Hz、0．5Hz、0．75Hz、1．0Hz、1．25Hz、1．5Hz)和位移幅值(±10mm、±8mm、±6mm)，分別測(cè)得相應(yīng)的阻尼力-位移關(guān)系曲線。

3．1滯回耗能性能經(jīng)過(guò)加載選取具有代表性的2組滯回曲線(振幅均為±10mm)如圖2所示?？梢钥闯鲎枘崞鞯牧?位移滯回曲線近似于矩形并且十分飽滿，說(shuō)明可調(diào)式黏滯流體阻尼器具有良好的耗能性。同時(shí)阻尼器經(jīng)10圈往復(fù)循環(huán)后的滯回環(huán)幾乎與初始滯回環(huán)重合，也證明該阻尼器的耗能性穩(wěn)定。從圖中可知，在F=0附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，究其原因主要由于試驗(yàn)中無(wú)法對(duì)支座連接處做絕對(duì)剛接處理，導(dǎo)致阻尼器在該處出現(xiàn)一定轉(zhuǎn)動(dòng);但這不影響對(duì)阻尼器耗能性能和穩(wěn)定性的評(píng)定。

3．2性能影響參數(shù)影響可調(diào)式黏滯流體阻尼器性能的參數(shù)主要有加載頻率、加載位移和調(diào)節(jié)閥芯行程。圖3為相同加載位移和調(diào)節(jié)閥芯行程、不同加載頻率下的滯回曲線對(duì)比，其中位移幅值為±10mm的情況下，加載頻率取0．25Hz、0．5Hz、0．75Hz對(duì)應(yīng)的最大阻尼輸出力分別為0．213kN、0．354kN和0．613kN。圖4為相同加載頻率和調(diào)節(jié)閥芯行程、不同加載位移下的滯回曲線對(duì)比，其中加載頻率為0．75Hz，加載位移幅值分別為±10mm、±8mm和±6mm的情況下，最大阻尼輸出力為0．613kN、0．459kN、0．302kN。由圖3、圖4可知，同等條件下，可調(diào)式黏滯流體阻尼器的阻尼力和滯回環(huán)面積隨加載頻率、加載位移的增大而逐漸增加，說(shuō)明該阻尼器為速度相關(guān)型阻尼器，具備基本黏滯阻尼器的參數(shù)變化規(guī)律。此外，從試驗(yàn)中可知，調(diào)節(jié)閥芯行程越小，阻尼器滯回曲線面積越大，證明黏阻尼器輸出阻尼力的可調(diào)節(jié)性。

3．3抗低周疲勞性能試驗(yàn)中在完成10圈往復(fù)循環(huán)的力學(xué)性能測(cè)試后，進(jìn)行60圈往復(fù)循環(huán)的抗低周疲勞性能試驗(yàn)，由圖5a)看出，經(jīng)過(guò)10圈阻尼器往復(fù)循環(huán)試驗(yàn)后，各工況阻尼器耗能能力的衰減幅度很小，基本沒(méi)有變化。圖5b)為經(jīng)過(guò)60圈往復(fù)循環(huán)性能試驗(yàn)后阻尼器最大輸出力情況，阻尼器仍具有穩(wěn)定的滯回環(huán)形狀，且其面積較初始滯回環(huán)面積無(wú)顯著差異，阻尼器耗能能力的衰減幅度也是在規(guī)范要求的15%范圍以內(nèi)。如在衰減最顯著的工況(h=3．0mm，f=1．0Hz，A=10mm)下，初始最大輸出力為0．8492kN，60圈往復(fù)加載后最大輸出力為0．7556KN，下降幅度為11．0%;在工況h=6．0mm，f=1．0Hz，A=10mm下，初始最大輸出力為0．6317kN，60圈往復(fù)加載后最大輸出力為0．6009kN，下降幅度為4．9%，以上均符合規(guī)范限值要求。

4阻尼器的理論值與試驗(yàn)值對(duì)比

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，采用數(shù)據(jù)擬合方法給出阻尼器的阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)，根據(jù)第二部分所得阻尼力的數(shù)學(xué)表達(dá)，得到阻尼器在不同工況下的理論值。選取有代表性的0．5Hz、1．0Hz、1．5Hz頻率范圍內(nèi)阻尼器最大輸出力的理論值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。可知，除極少數(shù)工況外，采用推導(dǎo)的計(jì)算模型得到的理論值與試驗(yàn)值吻合度較高，誤差在規(guī)范要求的限值15%以內(nèi)，說(shuō)明可調(diào)式黏滯流體阻尼器輸出阻尼力理論計(jì)算式具有較高可信度。

5結(jié)論

本文研制一種新型可調(diào)式微型黏滯流體阻尼器，經(jīng)過(guò)對(duì)其力學(xué)性能的研究可知:該阻尼器的參數(shù)滿足一般無(wú)剛度速度相關(guān)型黏滯阻尼器的變化規(guī)律，阻尼力-位移滯回曲線十分飽滿，耗能性較強(qiáng)，動(dòng)力性能比較穩(wěn)定，對(duì)振動(dòng)作出耗能響應(yīng)的反應(yīng)敏感;經(jīng)60圈抗低周往復(fù)循環(huán)試驗(yàn)后，阻尼器耗能能力的衰減幅度均控制在規(guī)范要求的15%以內(nèi)，且沒(méi)有出現(xiàn)明顯的疲勞現(xiàn)象，抗低周疲勞性較好;滯回耗能隨加載位移幅值、頻率的增加而增大，滯回環(huán)面積隨調(diào)節(jié)閥芯行程的變小而變大，反應(yīng)阻尼器具有良好的調(diào)節(jié)性和工作效率;此外，將試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值相對(duì)比，證實(shí)該阻尼器輸出阻尼力計(jì)算式的正確性。綜上，可調(diào)式黏滯流體阻尼器作為一種高效減振裝置，可用于建筑物模型試驗(yàn)研究及工程結(jié)構(gòu)的抗震加固中。

作者：蔡婷 張洵安 連業(yè)達(dá) 王軍軍 單位：西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院