新型旋转粘滞阻尼器力学性能研究

黄浩鸣，魏陆顺，陈荣创

（佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院，广东 佛山 528225）

阻尼器产生的阻尼力可以使结构的响应得到迅速衰减，保证结构的安全性和正常使用功能［1］。液体粘滞阻尼器在20 世纪50 年代后，在机械、航天等工业领域中得到了广泛的应用，而SOONG T T［2］最早把粘滞阻尼器应用于建筑结构中并进行了相关的研究分析。目前在工程上应用最广泛的粘滞阻尼器是筒式阻尼器，学者们对筒式粘滞阻尼器进行了大量的研究。王家唐［3］等利用FLUENT 软件对新研发的3 种筒式粘滞阻尼器的阻尼力进行了数值模拟和耗能分析，给出了对应阻尼力计算公式。丁行武［4］等采用CFD 数值模拟与试验验证相结合的方法，对筒式粘滞阻尼器进行数值模拟，分析出其基本力学规律。杨珂［5］等以双出杆间隙式粘滞阻尼器为研究对象，建立了筒式粘滞阻尼器的理论计算模型，分析了二甲基硅油的剪切稀化特性引起黏度的变化，并对比了实验与仿真的结果，验证了计算模型的正确性。但是筒式阻尼器的密封性一直是难以解决的问题，可能出现漏液的现象。并且筒式阻尼器要在大行程作用下才能充分发挥作用，小行程时减震效果不明显，对此，阻尼器响应放大技术在近几年得到国内外学者的重视。赵桂锋［6］等全面综述了近年来国内外的响应放大型阻尼器的研究进展和应用情况。阻尼器响应放大技术虽然在中小震下能较好发挥耗能减震作用，但是在极罕遇地震作用下更容易损坏或失效。学者们提出的既有阻尼器多数存在体积过大的问题，限制了粘滞阻尼器在工程领域的应用。针对体积问题，有人开发出了电磁旋转惯性质量阻尼器，并提出了力学模型和进行了减震分析［7］，何锴［8］在低矮房屋抗风研究中进行风洞试验，说明旋转翼片阻尼器对于改变风压保护低矮房屋有重大积极作用。现有的旋转粘滞阻尼器提供的阻尼力十分有限。为此，本文提出一种新型旋转粘滞阻尼器，其优点是阻尼器体积小，不会占用过大的建筑空间，可以灵活使用。通过频率相关性试验和疲劳试验，对其力学性能效果进行研究。

图1 所示为旋转粘滞阻尼器的力学模型图，该旋转粘滞阻尼器由上部的齿轮1、中间的旋转作用盘和阻尼腔2 以及下部底盘3 组成，在上部齿轮条的扭矩作用下，通过旋转轴带动下部旋转片转动，与阻尼腔内的粘滞液发生剪切作用，粘滞液产生与旋转片转动方向相反的阻尼力。其中r 是转盘作用盘的半径，x 为作用盘上任意一点到作用盘中心的距离，dx 为增量，R 为齿轮半径，ω 为转动角速度。

图1 旋转粘滞阻尼器结构模型图

若不考虑温度因素，旋转粘滞阻尼器的阻尼力表达式为

式中：C 为阻尼系数；
S 是有效剪切面积，S=2πxdx；
v 是旋转作用盘上任意一点的切向速度，v=ωx；
d 为剪切间隙；
α 为阻尼指数。

由此可得旋转粘滞阻尼器的阻尼力相关公式

式中：F（x）为阻尼腔内旋转作用盘上任一点产生的阻尼力；
∑M 为阻尼力对轴心产生的力矩；
FR为输出阻尼力。

联立（2）、（3）和（4）式，得出阻尼力输出公式为

式中：V 为齿轮条外圈切向速度，V=ωR；
α 的取值在0.2～1.0 之间。

旋转粘滞阻尼器实物图如图2 所示。阻尼器加载系统如图3 所示，由动力加载系统1、力传感器2和位移计3 组成。该动力加载系统额定输出功率为400 W，额定转矩1.27 N.m，额定频率200 Hz，额定转速3 000 rpm。动力系统产生扭矩带动轴的旋转使上部结构做径向运动，进而带动旋转粘滞阻尼器转动，记录系统的出力和上部结构对应的位移，得到旋转粘滞阻尼器在各种工况中的实际耗能。

图2 新型旋转粘滞阻尼器

图3 阻尼器加载系统

2.1 频率相关性试验及结果分析

本试验采用正弦方式进行加载，采取位移控制方式，初步对不同位移幅值和不同的加载频率进行试验，每种工况进行5 个循环。加载工况如表1 所示。

表1 频率相关性试验加载方案

试验所得的滞回曲线和理论滞回曲线如图4 所示。由于旋转粘滞阻尼器为速度型相关阻尼器，为了更好地表达出该款阻尼器在不同工况下的力学性能，将旋转粘滞阻尼器3 种位移幅值（20、50 和70 mm）换算成加载速率进行对比分析，研究其性能的变化情况，结果如表2 所示。

图4 旋转粘滞阻尼器在不同工况下的力-位移曲线

从图4 和表2 可知，当加载频率一定时，随着位移幅值的增大，旋转粘滞阻尼器的耗能能力增大较为明显，阻尼器的最大输出力也在上升，当位移幅值一定时，频率增大时，阻尼器的输出力也在增大，最高达到225.37 N，滞回曲线围成的面积也随着增大，说明耗能也在逐渐增加。最大输出力随着加载最大速率的增大而增大，说明阻尼力的大小与速度成正相关。在加载频率不变时，每循环耗能量随着位移的增加而增加，最大值达到45.40 kN.mm。而有效刚度随着位移增大而减小，最低值接近于0，因为粘滞阻尼器理论上是无刚度的，说明随着速度的增大，齿轮接触、位移计不平行等外界因素引起的有效刚度将被平衡掉，表现出旋转粘滞阻尼器无刚度的特性。有效阻尼随着位移和速度的增大而变小，这是由于位移和速度增大时，阻尼液因为剪切作用出现浓度变稀的现象，有效阻尼因此变小。试验所得的滞回曲线与理论的滞回曲线相似程度较高，验证了旋转粘滞阻尼器的理论公式的正确性。

表2 不同工况下旋转粘滞阻尼器的力学参数

在这过程中，先让结构在不加旋转粘滞阻尼器的工况下空载运行，得到其自身摩擦力25 N，在进行数据处理的阶段除去结构本身存在的摩擦阻力得到实际输出阻尼力，对该工况的数据进行拟合得到旋转粘滞阻尼器的最大阻尼力-速度曲线方程的表达式（6），回归曲线和理论曲线见图5 所示。

图5 阻尼力-速度回归曲线

式中：F 为实际输出阻尼力；
V 为最大速率。

由上式和图5 可知，旋转粘滞阻尼器的阻尼指数位于0.2～1.0 之间，回归线的R 平方值为0.830 3，拟合程度较高，且与理论曲线重合度较高。因此所拟合曲线较为理想，验证了理论曲线公式的正确性。

2.2 疲劳试验及结果分析

本试验采用正弦激励法，对阻尼器进行频率为f1的位移加载，考虑长期作用下是以风振控制为主，输入位移为u=10 mm，加载频率f1=0.7 Hz，每做3 000 个循环收集一次数据，共收集20 次，通过测定不同位移幅值在60 000 次加载前后滞回曲线围成面积的变化（即耗能能力的衰减）来判断其在疲劳试验前后性能的变化情况。每收集一次数据通过红外线测温仪测温计对阻尼器进行一次测温，探究其温度对阻尼器性能的影响。在整个试验过程中，测量值与当时室内温度一致，说明阻尼器做疲劳试验时不会因为温度升高引起阻尼器性能的改变，导致试验结果出现误差。加载方案采用对各位移幅值均为0.7 Hz 的加载频率，60 000 的循环次数。以加载频率0.7 Hz 为例，试验所得的滞回曲线如图5 所示。

图5 阻尼器位移-荷载滞回曲线图

由图5 可知，在加载60 000 次后滞回曲线围成的面积仅小幅度减小，说明旋转粘滞阻尼器的性能相对比较稳定。当阻尼器从开始加载到加载60 000 次后，滞回曲线所围成的面积减少，说明其耗能能力有些许的下降，减震效果性能有所减弱，这是因为在这个过程中阻尼器随着循环载荷的作用，阻尼液会由稠变稀，导致阻尼力下降。加载频率不变时，随着加载位移的增加，滞回曲线围成的面积逐渐增大，耗能逐渐增多，当加载位移达到50 mm 时，阻尼力的峰值逐渐趋近200 N，说明该款旋转阻尼器的阻尼力在200 N 时趋于稳定。

疲劳循环作用下，阻尼器耗能衰减率如表3 所示。由表3 可以直观地看到，当加载频率不变时，随着位移幅值的加大，最大速率也在增大，每个循环所耗能的能力也在加大。在疲劳荷载作用下，各工况的阻尼器的耗能能力都有所衰减，位移幅值在50 mm、速率140 mm/s 时衰减率最大，达到49.36 %。在28～140 mm/s 时，随着速度的增大，衰减率在不停地增大，而在140 mm/s 后，随着速度的增大，呈现出衰减率下降的趋势，因此在实际使用改旋转粘滞阻尼器时，要对速度140 mm/s 左右时的位移加以控制，在保证阻尼器正常发挥耗能减震作用的同时，进而保护结构本身。阻尼器最大速率-衰减率曲线如图6所示。

表3 疲劳循环下阻尼器的耗能衰减率

图6 阻尼器最大速率—衰减率曲线

为探究新型旋转粘滞阻尼器的力学性能，通过对试件进行频率相关性试验和疲劳试验，得到如下结论：

（1）在频率相关性试验中，随着位移幅值的增大，旋转粘滞阻尼器的耗能能力明显增大，阻尼器的最大输出力也在增大，有着较好的耗能能力。有效刚度阻尼随着位移的增大而减小，逐渐趋近于0，验证了粘滞阻尼器的无刚度特性。

（2）在疲劳试验中，在疲劳荷载的作用下，阻尼器的滞回曲线面积有所减少，耗能能力有些许下降，但围成面积并未大幅减小，阻尼力在200 N 时趋于稳定，说明阻尼器的力学性能较为稳定。

（3）循环荷载作用下，位移幅值在50 mm、速率140 mm/s 时，旋转粘滞阻尼器的耗能衰减率最大，达到49.36 %，因此要对速度140 mm/s 左右时的位移加以控制。

（4）本文设计的新型旋转粘滞阻尼器对比现有的阻尼器，不仅占用空间体积较小、很好地解决了阻尼液密封性问题，而且通过试验验证了其耗能效果较好，性能稳定，有着广阔的应用前景。

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