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摘要：本文講述了根據該型阻尼器的構造及工作原理，建立阻尼器在調節閥開啟前后的簡化力學模型，并對其進行力學性能試驗及仿真分析的過程。...

新型黏滯阻尼器原理與試驗研究

黃鎮李愛群

東南大學土木工程學院江蘇南京 21009 東南大學混凝土與預應力混凝土結構教育部重點實驗室

江蘇南京 210096

對工程結構利用黏滯阻尼器(Fluid Viscous Damper)進行消能減振的研究開始于20世紀80年代。研究表明，這是一種有效的結構振動控制手段。目前，全球已在數以百計的工程中使用了流體阻尼器，涉及到高層建筑、高聳結構、大跨結構、海洋石油平臺等多種結構形式。這類研究在發達國家最早始于軍工企業，其在黏滯阻尼器的研究和開發方面投入了很大的財力、物力。隨著研究的深入進行，這一技術逐步進入民用領域，如航空航天、鐵路機車、汽車、機械設備以及土木丁程等，均取得了比較滿意的使用效果。國外在這方面的研究成果較多，研發的產品處于技術壟斷地位。

國內對黏滯阻尼器的研究起步相對較晚，自20世紀90年代以來才開始對黏滯阻尼器進行探索與研究，現已取得一定的研究成果。其中，線性黏滯阻尼器由于構造簡單、性能穩定、計算方便，已在實際T程中得到廣泛應用，但其在性能上尚存一些不足。為了充分利用線性黏滯阻尼器的優點，并改進其不足，實現阻尼器性能的可控化，保證結構及消能支撐的安全，研制了一種新型調節閥式黏滯阻尼器，本文介紹了該型阻尼器的構造及工作原理，并對其進行了系統的理論分析和試驗研究，建立了阻尼器在調節閥開啟前后的簡化力學模型，以供未來工程選擇和設計參考。

1、調節閥式黏滯阻尼器構造與原理

1.1調節閥的作用與構造

本文提出的調節閥式黏滯流體阻尼器，可以根據工程的實際需要，通過調整阻尼孔徑、阻尼孔長及活塞的有效面積等措施來提高其阻尼系數，使得阻尼器在較小的外界激勵下能夠得到較大的輸出阻尼力，具備較大的耗能能力；而當外界激勵較大時，阻尼器的調節閥參與工作，控制阻尼器的最大輸出阻尼力，保證結構的安全。

為實現上述性能要求，在阻尼器的活塞上設計裝配了壓力調節裝置，即壓差調節閥(調節閥構造見圖1)。調節閥由閥芯、調壓彈簧和溢流通道組成，設置在阻尼器缸筒內，融合于活塞中，閥體結構簡單、緊湊，體積小巧。其中，調壓彈簧采用si—Mn系優質合金彈簧鋼制作，含有多種合金元素，強度高、抗彈減性好、抗疲勞性能優良。

調節閥閥芯上設有偏流盤。偏流盤的內側支撐調壓彈簧，外側開有一圈環形槽道，用來改變閥N開啟后射流的方向。射流對偏流盤軸向沖擊力(液動力)的方向與彈簧力相反，可抵消彈簧力的增量，故設置偏流盤及環形槽增加了閥芯開啟后的工作穩定性。

圖1 阻尼器調節閥構造

1.2調節閥的工作原理

本文設計的調節閥由閥芯及彈簧組成，依靠彈簧力與液壓力相平衡的原理，通過調節閥N的開啟壓力大小來控制阻尼器活塞兩端的壓差，在系統中起到限壓和穩壓的作用。

阻尼器工作時，若活塞相對運動速度較小，則缸筒內高壓腔的壓強沒有達到調節閥的開啟壓強，調節閥未開啟，阻尼介質在壓差作用下通過與調節閥并聯的阻尼孔從缸筒內高壓腔流往低壓腔。如果外界激勵作用加大，當高壓腔內阻尼介質的壓強達到或超過調節閥的開啟壓強時，調節閥開啟，對高壓腔內的阻尼介質進行溢流，通過閥芯位移的多少調整泄流量的大小，從而使活塞兩邊的壓差基本保持穩定，進而控制阻尼器的最大輸出阻尼力。

以調節閥的閥芯為研究對象，作用于閥芯的力主要有慣性力Fg、彈簧力Fk、摩擦力Ff、液體靜壓力Fp和穩態液動力Fd等。由于閥芯在設計上體積小，質量輕，且在運動時與閥套間的摩擦力較小，為了分析簡便，忽略這些因素的影響，認為在閥芯上僅作用有液體靜壓力Fp、彈簧力Fk和穩態液動力Fd，其中：

(1)

式中：P為調節閥進口液體壓強；dv為調節閥閥口直徑；k為調壓彈簧剛度；xo為調壓彈簧預壓縮量；x為調節閥閥芯開度；Cp為調節閥閥口流量系數；α為調節閥閥芯半錐角。

故得到閥芯的靜力平衡方程Fp = Fk + Fd，即：

調節閥閥口處于開啟臨界狀態(閥芯位x=0)時，閥芯前端進口處壓強P=Pk(Pk稱為開啟壓強)。根據式(2)有：

當進口處壓強P增加時，閥口開度x增大，流量也隨之加大。故由式(2)、式(3)可得：

因為調節閥閥N的通流面積為：

A = πdwxsinα (5)

閥口的流量為：

式中：P為阻尼介質密度。

由式(4)、式(5)、式(6)可得調節閥的流量方程為：

由式(7)即可得到調節閥的壓強P一流量Q特性。P—Q特性表達了當通過閥的流體流量Q發生變化時，由閥口開度x的改變而引起的調節閥進口壓強p的變化。設計時可通過選擇適當的閥參數，使其性能能夠滿足阻尼器的要求。

2、調節閥式黏滯阻尼器力學模型

如果阻尼介質為牛頓流體，根據流體力學可得阻尼孔兩端的壓差與流體在阻尼孔內平均流速M的關系，進而得到阻尼器輸出阻尼力F與流體在阻尼孔內平均流速ū的關系為：

式中：μ為黏滯流體的動力粘度；l為阻尼孔長度；d為阻尼孔直徑；D1為阻尼器缸簡內徑；D2為阻尼器導桿直徑。

又因為活塞上調節閥都與n組孔徑為d的細長阻尼圓孔并聯設置，當缸筒內高壓腔的壓強大于Pk時(即調節閥開啟)，根據流體的連續性方程可以得到：

式中：V為活塞相對阻尼器缸筒運動速度；Q為調節閥閥口流量。所以，有：

將式(7)、式(10)代人式(8)，得到：

式中：Fk為調節閥開啟時阻尼器輸出阻尼力。則有：

(13)

由式(11)、式(14)、式(16)，可得調節閥開啟后阻尼器的輸出阻尼力為：

將式(17)進行變換后，得到：

根據阻尼器調節閥的設計參數，有λ>>A，所以得到

式中：C′為阻尼器調節閥開啟后的名義阻尼系數。

則式(18)可簡化為：

F = C′V + Fk (21)

綜合前述推導，可以得到該型阻尼器在調節閥開啟前后的阻尼力簡化計算公式為：

3、調節閥式黏滯阻尼器力學性能試驗

阻尼器的力學性能試驗采用位移控制，通過對所采集的數據進行分析，揭示阻尼器阻尼力與活塞運動速度等各參數之間的關系。試驗用阻尼器設定當其輸出阻尼力達到430kN時，閥心開啟(即Fk=430kN)，利用閥的溢流作用來調節活塞兩端的壓差。

通過試驗，得到阻尼器的阻尼力位移滯回曲線(其部分結果如圖2所示)。由試驗結果可知，當阻尼器所受激勵較小時，輸出阻尼力小于430kN，滯回曲線呈光滑橢圓形狀；隨著外界激勵加大，阻尼器輸出阻尼力達到430kN后，調節閥參與工作，阻尼器最大輸出阻尼力的增幅△F被控制在較小的范圍內。

(a)f=0 25Hz，u0=5mm～35mm

(b)f=0 50Hz，u0=25mm～20mm

(C)f-= 00Hz．u0=25ram～8mm

d)f=150Hz，u0 =4mm～7mm

圖2調節閥式黏滯陰尼器部分試驗結果

通過對試驗數據的換算，得到阻尼器的阻尼力一速度關系曲線(參見圖3)。從圖3中可以看到，調節閥開啟前，最大輸出阻尼力Fmax隨激勵速度的增加迅速增長；當缸筒內高壓腔介質壓強達到開啟壓強，調節閥參與工作后，雖然外界激勵不斷加大，但是Fmax增幅較小，且總體保持穩定。根據試驗可知，在激勵速度由30mm／s增加到60mm／s這一階段，Fmax增幅約為60kN，遠小于調節閥開啟前阻尼力的增長率。

圖3阻尼器力速度關系曲線

4、阻尼器性能仿真分析

根據阻尼器在調節閥開啟前后的阻尼力簡化計算公式(式22)，對阻尼器的阻尼力一位移關系進行仿真分析，并與對應工況的試驗結果相對比(參見圖4)。由圖4可以看出，該力學模型能夠體現阻尼器在調節閥開啟前后力學性能的變化，而且最大輸出阻尼力以及滯回環的形狀與試驗結果吻合較好，能比較準確地反映阻尼器的實際受力情況。圖4中出現滯回曲線不完全重疊的部分，主要是因為在該力學模型中，為分析簡便起見，沒有考慮材料彈性變形對阻尼器力學性能的影響。

圖4試驗與仿真結果

在設計阻尼器時，可以根據實際工程的需要，選擇適當的阻尼系數C，在小震情況下迅速獲得較大的阻尼力；根據工程需要，選擇適當的Fk可在大震情況下有效控制Fmax的增長幅度，避免因激勵速度的加大而對阻尼器、支撐以及結構的連接節點產生不利影響。

5、結論

本文研制了一種新型調節閥式黏滯阻尼器，通過理論分析和試驗研究，主要得到以下結論：

(1)基于流體力學和阻尼器構造特點，分析了阻尼器的力學性能，建立了該型阻尼器的力學模型，通過仿真分析與試驗研究可知，該模型比較準確的反映了阻尼器的實際受力特性；

(2)通過試驗研究可知，該型阻尼器的阻尼力位移滯回曲線形狀光滑飽滿，性能穩定，耗能能力強。試驗結果表明，調節閥能夠準確地在設定值附近打開，穩定地控制阻尼器在外界激勵較大時的最大輸出阻尼力，有效地保證工程結構的安全；

(3)研制的調節閥式黏滯阻尼器結構簡潔、構造合理；其力學性能符合設計的預期要求，既保持了阻尼器原有的優點，又彌補了其性能缺陷，在實際工程中具有較為廣闊的應用前景。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會文徑網絡：尹維維編輯文徑審核)