反馈控制摩擦阻尼器的设计及分析*

刘学凯 赵 东 徐增海 刘海洋

（济南大学机械工程学院，山东济南 250022）

振动控制对于建筑防震、抗震，保护人身、财产安全有着重要作用。工作在环境复杂、恶劣情况下结构或设备，如海洋平台、高速冲床、高塔建筑等，其外部激振规律具有一定随机性，难以预测。这些环境中的振动控制需要一种能根据被控结构振动情况而改变输出阻尼力的减振机构，以最大限度地消除振动，保护结构。

摩擦阻尼器是一种典型的耗能减振装置。通过利用一定预紧力下的成对摩擦片的相对滑动作用而产生摩擦力，该力作用于被控结构，最终达到耗能减振、保护结构的目的［1－3］。但是，目前常见的摩擦阻尼器的缺点主要有:摩擦阻尼力可调性差;阻尼器的起滑力不易选择;无论阻尼器是否工作，摩擦片所受正压力始终存在，摩擦面容易发生粘结现象;不能有效利用振动信号实现反馈控制，耗能装置不够灵敏［4］。在振动工况复杂多变的环境下，要求阻尼器能够利用被控结构振动信号反馈，使其阻尼力能够根据结构的振动状况进行自我调整，为被控结构提供可靠、足量的阻尼力［5－6］。因此，研究切实可行、具有根据被控结构振动信号调整阻尼力功能的摩擦耗能装置非常必要［7－9］。

1 反馈控制摩擦阻尼器结构设计

为满足以上减振需求，本文提出一种反馈控制摩擦阻尼器，该阻尼器具有阻尼力可调、结构简单、减振效果好等优点。本文根据阻尼器摩擦耗能原理建立其数学模型，对其主要部件进行有限元仿真分析，并对其性能影响参数进行了相关研究分析。

1.1 反馈控制摩擦阻尼器工作原理

当外部振源作用到被控结构时，安装于被控结构的反馈控制摩擦阻尼器起到摩擦耗能减振作用。被控结构受外部振源激振下，外壳体和作动柱塞相对于活塞体运动，活塞体内部油液－增压气室受作动柱塞施力作用使得气体蓄能增压，活塞体腔内的油液压力随之改变，通过活塞销将其油液端面压力传递至与之连接的摩擦板，最终实现摩擦阻尼力随被控结构的振动位移而调整其减振耗能能力。反馈控制摩擦阻尼器的工作原理如图1所示。

1.2 阻尼器结构设计

反馈控制摩擦阻尼器利用被控结构的振动位移信号调整输出阻尼力，使其获得适当、可调的阻尼力，其结构如图2所示。反馈控制摩擦阻尼器是由外壳体、活塞体、作动柱塞、气室壳体、气室隔膜以及安装座等结构组成。

阻尼器的主体为一个能够承压的方形空腔活塞体，其两端由端盖密封。活塞体下部设计一个增压气室。增压气室内气体通过隔膜与活塞体内的油液隔开。活塞体侧面有均布的活塞销孔，内安装活塞销。活塞体和外壳体之间安装有摩擦板。摩擦板外侧面与外壳体内侧面组成摩擦副。活塞销端部安装在摩擦板的孔内，可以将活塞体内油液压力传递给摩擦板。在阻尼器活塞体的密封端盖上安装作动柱塞。作动柱塞通过外壳体驱动，可以压入、弹出活塞体，从而改变活塞体内流体的空间体积。

为获得多样的减振耗能能力以满足不同需求，可根据减振需求调整反馈控制摩擦阻尼器结构。该摩擦器所提供阻尼力的大小同活塞销的数量、尺寸、增压气室初始状态等因素有关。阻尼器可以选择双面、四面结构以实现摩擦耗能能力不同的减振效果。同时，增压气室的初始压力也直接影响阻尼器的耗能效果。因此，反馈控制摩擦阻尼器可以根据不同减振要求调整结构参数，实现预期的减振效果。

1.3 活塞体设计

活塞体是阻尼器的重要结构体。阻尼器工作过程中，活塞体内部油液压力在一定范围内根据预期规律变化。活塞体是一个壁厚不均匀的空腔长方体。油液－增压气室施加在活塞体上的压力造成活塞体某些部位出现应力集中甚至破坏。因此需要对活塞体的受力情况进行分析和研究。通过有限元仿真对其受力的极限状态进行分析，并根据应力分布情况，比较危险点的最大等效应力和材料破坏强度，以保证活塞体的使用寿命和安全性。

使用Solidworks三维设计软件进行三维建模，将模型保存为x_t格式导入Adina有限元分析软件建立有限元模型。活塞体是轴对称结构，因此选取1/4模型，在对称面设置对称约束进行分析。分析模型的网格采用四面体网格划分，活塞体下端全约束。活塞体上端端盖采用了螺栓连接并设计O型圈密封。对活塞体内表面施加均布载荷，研究作动柱塞直径为0.01 m、0.02 m情况下，分别进行2 MPa、5 MPa和10 MPa的载荷加载分析，其等效应力分布情况如图3所示:

活塞体分析结果如表1和图3所示。分析结果显示:（1）活塞销同活塞体接触位置存在一定的应力集中现象;（2）对于直径为0.01 m和0.02 m的作动柱塞，内部油腔油液压力从2 MPa到10 MPa的变化过程中，应力集中点的最大等效应力值远小于所选材料的破坏强度;（3）作动柱塞安装孔的增大使得活塞体的最大等效应力有所增加，但仍在安全范围之内;（4）为使阻尼器获得更为强劲的阻尼特性可以在一定范围内增大作动柱塞直径而不会危及活塞体安全。

表1 最大应力点应力值 MPa

1.4 作动柱塞设计

作动柱塞是反馈控制摩擦阻尼器的关键作用部件。作动柱塞是一个圆柱形长柱塞，在两端分别设置一轴用弹性挡圈沟槽。沟槽尺寸依据弹性挡圈型号选择，安装轴用弹性挡圈是起到限位作用。根据O型圈安装要求，设计作动柱塞两端倒角为15°，结构如图4所示。

作动柱塞同活塞体之间的相对运动会导致活塞体磨损。为延长活塞体使用寿命，在作动柱塞和活塞体之间设计安装套。设计中考虑两者之间的磨损、加工成本以及制造难易程度，选用作动柱塞作为易损件。作动柱塞安装套需要较高的强度、耐磨性以及良好的尺寸稳定性，材料选择QT500－7。作动柱塞选用成本较低、耐磨性较低的材料，选择45钢。

反馈控制摩擦阻尼器是在作动柱塞与活塞体的相对位移作用下，油液－增压气室的压力作用于柱塞销而实现阻尼力的调整变化。因此，内部油液的压力可以反映摩擦阻尼力的变化规律。本文根据阻尼器的摩擦耗能原理研究作动柱塞参数，如压入长度、截面半径等对其耗能性能的影响。

为得到作动柱塞截面半径对阻尼器性能的影响规律，选择不同半径的作动柱塞进行分析。阻尼器参数如下:增压气室初始压力P0=2 MPa;作动柱塞半径R2分别选择 0.01、0.013、0.018、0.02 m;作动柱塞压入长度变化范围为0～0.1 m。不同作动柱塞的半径、压入长度对油液压力影响规律如图5所示。

通过作动柱塞压入长度－油液压力关系可知:气体初始压力P0=2 MPa时，油液压力变化范围为10～35 MPa;阻尼器内部油液随作动柱塞压入长度增力效果明显;利用该增力效果使阻尼器根据被控结构振动信号提高耗能减振效果。

1.5 隔膜设计

隔膜同气室壳体所构成的空间为增压气室。阻尼器耗能减振过程中，作动柱塞的位移变化使得气体增压，油液压力随之改变。隔膜的材料、形状都会对其寿命和性能产生影响。氯丁橡胶工作温度－17.7～93.3℃，广泛应用于无腐蚀性的液体中，适宜于制造阻尼器油液－增压气室隔膜。

根据隔膜使用设计经验，角度α一般选取35°～40°，厚度t、高度h以及隔膜直径d则根据气体初始压力、工作最高压力等因素综合选定，结构如图6所示。

2 阻尼器耗能性能研究

油液－增压气室增力作用是阻尼器实现被控结构振动信号调整其输出阻尼力功能的关键。油液压力直接反映阻尼力变化规律，该变化主要通过油液、增压气室的综合作用实现。阻尼器减振作用过程中，油液－增压气室作用过程看作绝热过程，忽略活塞体变形，油液为不可压缩流体，液压油在油腔中各种阻力忽略不计，忽略流体泄露、压力损失。

为研究反馈控制摩擦阻尼器的静态耗能性能及其耗能性能影响参数，根据增压气体状态方程得到其关系式为

式中:n为气体多变指数;P0为增压气室初始压力，V0为增压气室初始体积。静态过程中，气体同隔膜另一侧油液的压力相同;p为某时刻增压气室的气体压力，V为某时刻增压气室的气体体积，作动柱塞压入长度为l。

结合阻尼器摩擦耗能原理，得到油液压力pf关于作动柱塞参数和增压气室参数的关系为

活塞销的截面面积为A3，作动柱塞截面半径为R2;ΔV是作动柱塞作用长度l时气体的等效压缩体积。综合库伦力摩擦力模型，设阻尼器为耗能面数为z，每个耗能摩擦面设计活塞销数为j。得出作动柱塞压入长度l同摩擦阻尼力F的关系为

阻尼器的力－位移滞回曲线可用来衡量阻尼器耗能效果。力－位移滞回曲线的饱满性越好，则表明其耗能效果越优良。根据式（3）可以绘制新型阻尼器的力－位移滞回曲线，如图7所示。从图中可以看出，传统恒力摩擦阻尼器的力－位移滞回曲线近似于矩形，而反馈控制摩擦阻尼器的耗能能力在单向位移加载时随振幅增大而增大，其输出阻尼力可根据振动剧烈状况调整，耗能效果提升明显。

3 结语

本文设计了一种反馈控制摩擦阻尼器结构，并对主要作用部件活塞体进行了有限元仿真分析，验证阻尼器的结构安全性和可靠性。根据新型阻尼器摩擦耗能原理建立了数学模型，研究结构参数对反馈控制摩擦阻尼器的摩擦耗能效果的影响规律。通过理论模型分析得到阻尼器的力－位移滞回曲线。理论和仿真分析证明该类阻尼器能够根据被控结构振动位移信号调整阻尼力，具有良好的耗能减振性能。

［1］周云，邓雪松，汤统壁，等.中国（大陆）耗能减震技术理论研究、应用的回顾与前瞻［J］.工程抗震与加固改造，2006，28（6），1 －15.

［2］王涛，朱文坚.摩擦制动器原理结构与设计［M］.广州:华南理工大学出版社，1992.

［3］周云.摩擦耗能减振结构设计［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2006.

［4］蒙文流，韦树英.结构振动半主动控制策略的研究进展［J］.四川建筑科学研究，2009，35（5）:155 －161.

［5］赵东，王威强、马汝建，等.新型摩擦阻尼器的研究及其在建筑结构振动控制中的应用［J］.工业建筑，2006，36（2）:1 －4.

［6］Eiji Sato，Takafumi Fujita.Semi－ active seismic isolation system with controllable friction dampers using piezoelectric actuators［J］.Journal of Environment and Engineering，2007，2（2）:215 －226.

［7］姚静，孔祥东，权凌霄，等.采用蓄能器的快锻液压机建模仿真与试验研究［J］.中国机械工程，2009，20（2）:241 －244.

［8］贾九红，黄修长、杜俭业，等.粘滞型胶泥吸能器建模与实验分析［J］.噪声与振动控制，2007，27（5）:31 －37.

［9］解少伟，尚增温、郗安民，等.液压阻尼器试验系统设计［J］.液压与气动，2005（12）:9－12.