黏滯阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

陳忠海，文 登，唐 璐，韓鵬飛，楊 全

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

近年來(lái)，地震、颶風(fēng)等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，造成了巨大生命和財(cái)產(chǎn)損失，促使結(jié)構(gòu)減(隔)震技術(shù)成為新的研究熱點(diǎn)之一。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)建筑抗震能力的重視，黏滯阻尼器(下稱(chēng)阻尼器)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到諸多國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施、特大橋和跨海大橋等建筑工程上[1-4]，成為建筑減(隔)震領(lǐng)域最受工程師青睞的減震吸能設(shè)備之一。國(guó)外對(duì)于阻尼器的研究始于上世紀(jì)九十年代，以泰勒、毛勒為代表的阻尼器廠商對(duì)我國(guó)進(jìn)行了嚴(yán)密的技術(shù)封鎖。為了取得技術(shù)上的突破，國(guó)內(nèi)眾多科研院校和企業(yè)如東南大學(xué)[5]、南京丹普科技工程有限公司、上海材料研究所和株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司[6]等高度重視阻尼器的基礎(chǔ)研究與設(shè)計(jì)，相繼推出了研究成果或產(chǎn)品，我國(guó)的阻尼器技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。

本文主要進(jìn)行某阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究工作，闡述了阻尼器基本工作原理，對(duì)缸體、活塞桿等主要部件進(jìn)行了強(qiáng)度核算，并開(kāi)展了耐壓、慢速、速度相關(guān)性和頻率相關(guān)性等性能試驗(yàn)，以尋求一種阻尼器設(shè)計(jì)與研究的方法。

1 阻尼器工作原理

本文研究的阻尼器屬于孔隙式結(jié)構(gòu)，當(dāng)阻尼器處于工作狀態(tài)時(shí)，介質(zhì)反復(fù)從阻尼器高壓腔經(jīng)過(guò)細(xì)長(zhǎng)阻尼孔進(jìn)入低壓腔。從能量的角度來(lái)說(shuō)，阻尼器能量損失可以分為沿程阻力損失和局部阻尼損失。沿程阻力損失沿整個(gè)通道長(zhǎng)度分布，局部阻尼損失主要出現(xiàn)在進(jìn)口起始端和出流段。從力學(xué)角度分析，阻尼器的阻尼力響應(yīng)是其減震耗能直接表現(xiàn)，泰勒公司認(rèn)為阻尼力響應(yīng)符合式(1)[7]

式中:F為阻尼力;v為活塞速度;C為阻尼系數(shù);α為速度指數(shù)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)介紹

圖1所示阻尼器屬于雙出桿阻尼器形式，其主缸內(nèi)充滿介質(zhì)流體，副缸無(wú)介質(zhì)，當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，部分活塞導(dǎo)桿進(jìn)入副缸內(nèi)，反之亦然。該種結(jié)構(gòu)形式的阻尼器主缸內(nèi)介質(zhì)始終保持體積恒定，結(jié)構(gòu)和加工相對(duì)簡(jiǎn)單，性能可靠。

圖1 阻尼器結(jié)構(gòu)

阻尼器內(nèi)部壓力高，阻尼力響應(yīng)大，對(duì)主要結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度要求高，同時(shí)還有很高的密封性要求。所以，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度檢驗(yàn)是阻尼器設(shè)計(jì)非常重要的一步。從圖1可看出，阻尼器包括活塞、活塞桿、缸體、耳環(huán)、連接筒等部件，本文主要對(duì)缸體、活塞桿和連接筒強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本文研究的阻尼器設(shè)計(jì)最大阻尼力Fmax=1 025 kN，本阻尼器具有一個(gè)限位裝置，最大限位力Fx=3 350 kN，設(shè)計(jì)位移S=±550 mm;阻尼力F與速度v符合式(1)，且C=1 250/v0.3，α=0.3。基于阻尼力響應(yīng)要求，阻尼器驗(yàn)收要求規(guī)定:試驗(yàn)阻尼力輸出應(yīng)處在理論阻尼力輸出的±15%以?xún)?nèi)。

2.2 關(guān)鍵部件力學(xué)校核

2.2.1 缸體

缸體主要承受內(nèi)部壓力，屬于阻尼器最重要的部件，它的力學(xué)性能將直接決定阻尼器設(shè)計(jì)的成敗。缸體設(shè)計(jì)需要從軸向應(yīng)力σ、工作壓力P和塑性變形3個(gè)方面進(jìn)行校核。

缸體采用材料為45#鋼，其屈服強(qiáng)度σs=355 MPa。缸體外徑D1=350 mm，缸體最小外徑D1min=322 mm，內(nèi)徑D=250 mm，缸體最大內(nèi)徑Dmax=278 mm，活塞桿直徑d=120 mm。

缸體軸向應(yīng)力按式(2)計(jì)算，其值小于屈服強(qiáng)度σs的一半，滿足要求。

工作壓力P按式(3)計(jì)算

工作壓力應(yīng)小于最大壓力Pmax=0.35σs(D21－D2)/D21=60.9 MPa。

主畫(huà)面中，正中的主要區(qū)域顯示焊接電流、焊接點(diǎn)數(shù)，字體采用大字體以方便操作人員觀看。在畫(huà)面的頂端留出一個(gè)小的長(zhǎng)條窗口，焊機(jī)正常時(shí)，該窗口顯示綠色，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，該窗口顯示紅色，同時(shí)以走馬燈的方式顯示報(bào)警信息。在窗口的下端，加入一個(gè)長(zhǎng)條按鈕，按鈕上注明：參數(shù)設(shè)置。當(dāng)點(diǎn)擊該按鈕時(shí)，畫(huà)面進(jìn)行切換。

為避免缸體發(fā)生塑性變形，工作壓力必須滿足公式P≤0.35 PPL，塑性變形壓力PPL=2.3σslg(D1/D)=119.3 MPa。

2.2.2 活塞桿

在阻尼器中，活塞桿主要承受軸向力，故需要對(duì)其進(jìn)行軸向應(yīng)力校核?；钊麠U的材料為40CrNiMoA，屈服強(qiáng)度σs=835 MPa，最小直徑 dmin=92 mm，安全系數(shù) n=1.5，計(jì)算得，σ =503.9 MPa≤556.7 MPa，計(jì)算結(jié)果說(shuō)明活塞桿滿足軸向力要求。

活塞桿屬于細(xì)長(zhǎng)桿，需按式(4)[8]進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，為了保證活塞桿的穩(wěn)定，實(shí)際軸向力Ps必須不大于失穩(wěn)臨界力Plj。此時(shí)，Ps=Fx=3 350 kN，取安全系數(shù) n=1.5，經(jīng)計(jì)算 Plj=3 392.0 kN，Ps≤Plj，計(jì)算合格。

式中:E為彈性模量，E=2.06×1011Pa;I為活塞桿抗彎截面慣性矩;μ為長(zhǎng)度系數(shù)，μ=0.7;l為活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度，l=1 540 mm。

2.2.3 連接筒

連接筒主要承受軸向力，連接筒材料為45#鋼，其屈服強(qiáng)度σs=355 MPa。連接筒外徑DL=380 mm，連接筒最大內(nèi)徑DLmax=338 mm，取安全系數(shù)n=2。經(jīng)計(jì)算，σ=141.4 MPa≤177.5 MPa，此時(shí)連接筒軸向應(yīng)力小于許用應(yīng)力，計(jì)算合格。

3 試驗(yàn)分析

圖2 阻尼器試驗(yàn)

3.1 耐壓性能試驗(yàn)

耐壓性能試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)阻尼器的密封性能以及各部件承壓能力。具體方法如下:將阻尼器的一個(gè)注油口與液壓加載設(shè)備連接，確認(rèn)注油口及其它部位密封好后，控制加載設(shè)備向注油口中注入與試樣相同黏度的硅油，使其內(nèi)部壓強(qiáng)緩慢上升。待壓強(qiáng)上升至設(shè)計(jì)最大壓強(qiáng)的1.25倍時(shí)，停止注入硅油，并保持這個(gè)壓力值120 s以上。試驗(yàn)后，阻尼器無(wú)滲漏、屈服、破壞等現(xiàn)象即為合格。

3.2 慢速試驗(yàn)

慢速試驗(yàn)進(jìn)行三角波位移加載，目的是為了測(cè)量在模擬溫度變化引起的運(yùn)動(dòng)或準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下阻尼器所產(chǎn)生的軸向阻力。具體方法:對(duì)阻尼器加載一個(gè)振幅為S的全行程運(yùn)動(dòng)，恒定速度不小于0.1 mm/s。振幅S應(yīng)該符合由溫度變化引起的一般最大位移，可以由工程師制定，但一般不小于10 mm。要求實(shí)際阻尼力不應(yīng)大于設(shè)計(jì)最大阻尼力Fmax的5%為合格。阻尼器阻尼力為15.4 kN，小于Fmax的5%，即該阻尼器合格。

3.3 頻率相關(guān)性試驗(yàn)

阻尼器的阻尼力響應(yīng)對(duì)于速度和頻率相對(duì)比較敏感，頻率相關(guān)性試驗(yàn)的目的就是為了研究阻尼力與頻率之間的關(guān)系。判斷阻尼器頻率相關(guān)性合格的依據(jù)是各種頻率下的阻尼器輸出處于基頻下阻尼力的±15%內(nèi)。將阻尼器調(diào)整至初始長(zhǎng)度，然后按正弦函數(shù)u=u0sinωt(其中ω=2πf)對(duì)阻尼器施加3個(gè)完整的位移循環(huán)。本文選取的頻率段有 0.18，0.27，0.36和0.45 Hz，其中0.18 Hz為基頻。由此可以計(jì)算出加載速度0.52 m/s時(shí)的位移值，如表1所示。選取阻尼器試驗(yàn)過(guò)程中第2個(gè)位移循環(huán)的滯回曲線，如圖3所示，取阻尼器的最大阻尼力響應(yīng)為其在速度0.52 m/s下的阻尼器輸出值。從表1可以看出，當(dāng)頻率f=0.45 Hz時(shí)，與基頻下阻尼力的誤差達(dá)到最大值5.67%，該值在工程誤差允許范圍之內(nèi)，阻尼器的頻率特性滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 理論值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖3 阻尼器頻率相關(guān)性滯回曲線

3.4 速度相關(guān)性試驗(yàn)

速度相關(guān)性試驗(yàn)是阻尼器試驗(yàn)中最為重要的試驗(yàn)，它能夠體現(xiàn)阻尼力—速度的關(guān)系，其結(jié)果是評(píng)價(jià)阻尼器性能的依據(jù)，阻尼器的需求方往往對(duì)該項(xiàng)試驗(yàn)特別關(guān)注。在阻尼器進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師一般都是根據(jù)式(1)，按照阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)α的目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

速度相關(guān)性試驗(yàn)時(shí)，對(duì)阻尼器按正弦函數(shù)u=u0sinωt(其中ω=2πf)加載，使其在5個(gè)不同運(yùn)動(dòng)速度下分別進(jìn)行3個(gè)完整位移循環(huán)運(yùn)動(dòng)，設(shè)置頻率f=0.18 Hz，所得理論值與試驗(yàn)值對(duì)比如表2所示。同樣選取第2個(gè)位移循環(huán)的滯回曲線，并按照建筑抗震歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，速度v對(duì)應(yīng)的阻尼力應(yīng)該是拉伸與壓縮時(shí)最大阻尼力。

表2 理論值與試驗(yàn)值對(duì)比

分析表2可知，阻尼力試驗(yàn)值與理論值最大誤差為12.7%，雖然當(dāng)阻尼器速度為390 mm/s和520 m/s時(shí)，其誤差較大，但仍然滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

按照設(shè)計(jì)要求規(guī)定，本文對(duì)某阻尼器進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析。分析數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果表明:阻尼器產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果正確，各項(xiàng)性能符合抗震標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，具有較好的減震吸能效果，較好地滿足了客戶的需求。本文采用的阻尼器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法正確，具有很好的可行性和一定的通用性，對(duì)于同類(lèi)產(chǎn)品有指導(dǎo)意義。

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