[科普中国]-阻尼器

概述

大家知道，使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，我们称之为阻尼。而安置在结构系统上的“特殊”构件可以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置，我们称为阻尼器。

阻尼器又称阻尼装置。为了当受到冲击而产生的振动很快衰减所制成的增加阻尼的装置。理想的阻尼器有油阻尼器。常用油类有硅油、篦麻油、机械油、柴油、机油、变压器油，其形式可做成板式、活塞式、方锥体、圆锥体等。其他尚有固体粘滞阻尼器、空气阻尼器和摩擦阻尼器等。根据隔振设计的实用需要，阻尼比D=0.05～0.2范围内为最佳。

发展过程·在航天、航空、军工、机械等行业中广泛应用，几十年成功应用的历史

·上世纪80年代开始在美国东西两个地震研究中心等单位作了大量试验研究， 发表了几十篇有关论文

·90年代，美国国家科学基金会和土木工程学会等单位组织了两次大型联合，由第三者作出的对比试验，给出了权威性的试验报告，供教授和工程师们参考

·在肯定以上成果的基础上被几乎各有关机构，规范审查，肯定并规定了应用办法

·管理部门通过，带来了上百个结构工程实际应用。 这些结构工程，成功地经历了地震、大风等灾害考验，十分成功。

仓储货架在重力式货架仓储中，由于货物受到重力影响，在倾斜的仓储滑道中做加速运动，如果任其自由运动，货物撞击货架，可能会引起货物损坏，操作人员安全隐患以及货架整体结构的损毁。而阻尼器在其中起了非常重要的作用。重力式货架中的阻尼器，又称减速器，主要用于消除重力式货架中货物产生的重力加速度，从而使得货物能够平稳，缓慢的沿轨道下滑，消除安全隐患。保证货物及操作人员的安全性。其中阻尼可分为外置式和内置式。

工程结构二十世纪，特别是近二、三十年人们对建筑物的抗振动的能力的提高已经做了巨大的努力，取得了显著的成果。这一成果中最引以为自豪的是“结构的保护系统”。人们跳出了传统增强梁、柱、墙提高抗振动的能力的观念，结合结构的动力性能，巧妙的避免或减少了地震，风力的破坏。基础隔震（Base Isolation），各种利用阻尼器(Damper) 吸能，耗能系统， 高层建筑屋顶上的质量共振阻尼系统（TMD）和主动控制( Active Control)减震体系都是已经走向了工程实际。有的已经成为减少振动不可少的保护措施。特别是对于难于预料的地震，破坏机理还不十分清楚的多维振动，这些结构的保护系统就显得更加重要。

这些结构保护系统中争议最少，有益无害的系统要属利用阻尼器来吸收这难予预料的地震能量。利用阻尼来吸能减震不是什么新技术，在航天航空，军工，枪炮，汽车等行业中早已应用各种各样的阻尼器来减振消能。从二十世纪七十年代后，人们开始逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等工程中，其发展十分迅速。到二十世纪末，全世界已有近100多个结构工程运用了阻尼器来吸能减震。到2003年，仅Taylor公司就在全世界安装了110个建筑，桥梁或其它结构构筑物。

泰勒Taylor公司从1955年起经过长期大量航天、军事工业的考验，第一个实验将这一技术应用到结构工程上，在美国地震研究中心作了大量振动台模型实验，计算机分析，发表了几十篇有关论文。结构用阻尼器的关键是持久耐用，时间和温度变化下稳定，泰勒公司的阻尼器经过了长期考验和各种对比分析，其他公司的产品很难望其向背。美国相应设计规范的制定都是基于泰勒公司阻尼器的产品。其产品技术先进，构造合理可靠，技术的透明度高，而且可以按设计者的要求制造适合各种用途的阻尼器。每个产品出厂前都经过最严格的测试，给出滞回曲线。泰勒Taylor公司从世界上130多个工程，32座桥梁的实际应用中，积累了大量的实际经验。

调质阻尼器

为了因应高空强风及台风吹拂造成的摇晃．大楼内设置了“调谐质块阻尼器”（tuned mass damper，又称“调质阻尼器”），是在88至92楼挂置一个重达660公吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。据台北101告示牌所言，这也是全世界唯一开放游客观赏的巨型阻尼器，更是目前全球最大之阻尼器。

台北101采用新式的“巨型结构”（megastructure），在大楼的四个外侧分别各有两支巨柱，共八支巨柱，每支截面长3公尺、宽2.4公尺，自地下5楼贯通至地上90楼，柱内灌入高密度混凝土，外以钢板包覆。 台湾位于地震带上，在台北盆地的范围内，又有三条小断层，为了兴建台北101，这个建筑的设计必定要能防止强震的破坏。且台湾每年夏天都会受到太平洋上形成的台风影响，防震和防风是台北101两大建筑所需克服的问题。为了评估地震对台北101所产生的影响，地质学家陈斗生开始探查工地预定地附近的地质结构，探钻4号发现距台北101 200米左右有一处10米厚的断层。依据这些资料，台湾省地震工程研究中心建立了大小不同的模型，来仿真地震发生时，大楼可能发生的情形。为了增加大楼的弹性来避免强震所带来的破坏，台北101的中心是由一个外围8根钢筋的巨柱所组成。

但是良好的弹性，却也让大楼面临微风冲击，即有摇晃的问题。抵消风力所产生的摇晃主要设计是阻尼器，而大楼外形的锯齿状，经由风洞测试，能减少30-40%风所产生的摇晃。

分类阻尼器只是一个构件.使用在不同地方或不同工作环境就有不同的阻尼作用。Damper：用于减振；Snubber：用于防震，低速时允许移动，在速度或加速度超过相应的值时闭锁，形成刚性支撑。

各种应用中有：弹簧阻尼器，液压阻尼器，脉冲阻尼器，旋转阻尼器，风阻尼器，粘滞阻尼器，阻尼铰链，阻尼滑轨，家具五金，橱柜五金等。

可控被动式电磁

引言

高速旋转机器的振动问题是一个比较突出且难以解决的问题。这类机器的转速高，都在超过临界乃至几阶临界转速以上运行。因此为了保证其安全运行，除了保证仔细的设计和精确的制造安装外，通常还使用阻尼器以减小振动。挤压油膜阻尼器和电磁阻尼器就是两种常用的阻尼器。本文设计了一种新的可控型被动式电磁阻尼器。

可控型被动式电磁阻尼器的结构和工作原理

图1为可控被动式电磁阻尼器的示意图。它没有位移传感器。其结构与挤压油膜阻尼器类似：旋转机械的转子(1)通过滚动轴承(2)或滑动轴承支承在铁芯(3)上。该铁芯再通过弹簧(4)支承在机座(5)上。弹簧的支承刚度可按使用要求设计，为支承系统的主刚度。在机座上环绕铁芯同心放置有四只电磁铁(6)。各磁铁线圈上都作用相同大小的直流励磁电压。

图2示出可控被动电磁阻尼器所产生的附加刚度和阻尼随频率变化的情况。可以看出在整个频率范围内附加刚度的值是负的，且随着频率的升高负的刚度值降低。在高频区刚度值几乎为零。这种阻尼特性刚好符合旋转机械所要求的低频大阻尼高频小阻尼的特性。在可控被动电磁阻尼器的尺寸确定后，刚度和阻尼值就仅取决于静态励磁电流或励磁电压。改变励磁电压值就能改变刚度和阻尼，因而这种阻尼器是可控的。2

实验装置

图3a为实验装置：一根细长轴，一端支承在普通的刚性滚珠轴承上，另一端支承在图1所示的电磁阻尼器支承上。转子由直流电机驱动。轴的振动和转速分别由涡流传感器和光电传感器检测。振动信号和转速信号由计算机通过AD板采集。图3b为提供主支承刚度的平板径向弹簧。该弹簧以弹性铝为材料，线切割加工。其刚度值由有限元计算和优化。在一只电磁阻尼器支承上有两只并排放置的弹簧，以保证对称性，利于系统建模。理论计算和实验测试均表明该转子的第一阶临界转速约为3900revs/min。

实 验

在不同励磁电压下测试转子的振动随转速的变化。图4给出了实验数据。图中的四条曲线代表励磁电压分别为0伏、9伏、12伏和15伏的情况。可以看出随着励磁电压的增大，电磁阻尼器提供的阻尼也增大。这使得转子的振幅得到抑制，从0.185mm降到0.56mm，减振效果是很明显的。从图中还可以看出，由于负的电磁刚度的存在，转子的临界转速有所降低。这和图2中的结果很一致，在65HZ临界转速附近，电磁附加负刚度很小因而它对临界转速的影响很小。当励磁电压为15伏时，转子的临界转速仅下降到3780revs/min。

结 论

被动式电磁阻尼器用于转子系统取得了较好的减振效果。这种阻尼器的阻尼产生机理是被动的而阻尼的大小则是随励磁电压的大小可控的。与挤压油膜阻尼器相比，被动式电磁阻尼器具有电磁轴承相对于普通轴承的大部分优点；与主动式电磁阻尼器相比，被动式电磁阻尼器的总体结构简单、造价低、可靠性更高。因而这是一种很有发展前途的行之有效的高速转子的减振阻尼装置。

本文介绍了被动式电磁阻尼器在线性范围内的原理和仅进行了被动式电磁阻尼器的初步的减振实验，更多的非线性特性的研究和优化设计将在今后陆续报道。3

声学阻尼器是插入在声管内的声学布屏。这些阻尼元件用于受话器输出端与耳道之间，其作用是平滑频率响应。

液压1、头部关节轴承 2、活塞杆 3、液压缸

4、贮油缸 5、阻尼控制阀 6、行程指示刻度

7、尾部关节轴承

适用范围：

液压阻尼器是一种对速度反应灵敏的振动控制装置；

液压阻尼器主要适用于核电厂、火电厂、化工厂、钢铁厂等的管道及设备的抗振动。常用于控制冲击性的流体振动（如主汽门快速关闭、安全阀排放、水锤、破管等冲击激扰）和地震激扰的管系振动；

液阻尼器对低幅高频或高幅低频的振动不能有效地控制，该场合宜采用弹簧减振器。4