一种半主动型隔震支座及隔震系统

1.本发明属于震动控制技术领域，具体涉及一种半主动型隔震支座及隔震系统。


背景技术：

2.大跨度体育场馆屋盖形状复杂，具有重量轻、柔性大、阻尼低等特点。然而，在遭遇大风或地震水平荷载时，屋盖可能会承受较大的拉力和剪切力，导致变形不协调、位移过大，以及应力集中等现象；这些现象可能会引起屋盖的撕裂或破裂，进而影响结构的稳定性和安全性。同时，动力机械设备在运行时会产生震动，这些震动荷载也会通过支座传递到基础上，从而引起周围结构或设备的震动，并且产生噪声。显然，对于精密电子设备而言，这些外界的震动可能会对设备的精度产生影响，同时也会降低设备的使用寿命。如今，采用隔震支座减小或者消除外界因素和内部因素对结构自身的影响是一项行之有效的措施，这在如中国专利公告号为“cn115387493a”的名称为“一种微孔聚氨酯弹性体与钢板叠层隔震支座及其制作方法”以及中国专利公告号为“cn108487049a”的名称为“一种隔震支座”中均有所描述。很显然，通过上述结构可知，目前的隔震支座主要以“被动”隔震为主，即利用支座的弹性变形和滞回运动耗能来耗散震动能量，存在反应时间滞后和震动响应不可控等缺点，已经不能满足实际工程的需要。因此，亟待解决。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种半主动型隔震支座，其在具备被动隔震功能的同时，亦具备主动隔震效果，从而实现了反应时间的灵敏化和震动响应的可控化，最终实现对震动的减震和控制目的。
4.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
5.一种半主动型隔震支座，其特征在于：包括第一耗能部以及位于第一耗能部上方的第二耗能部，两耗能部均包括下支座板以及通过弧形导面配合在下支座板处的上支座板，第一耗能部的上支座板与第二耗能部的下支座板形成一体件，其中：
6.下支座板的上板面处回转配合有转轴，转轴轴身处设置有斜齿轮段，上支座板的下板面处固定有弓形斜齿轮，该弓形斜齿轮的直径与弧形导面直径一致，且弓形斜齿轮轴线与转轴轴线相互垂直的同时又平行于弧形导面的轴线；转轴的回转动力由位于转轴轴端的主动动力源和弓形斜齿轮择一给予；两耗能部的转轴轴线彼此垂直。
7.优选的，所述下支座板和上支座板外形均呈槽长方向同向的方槽状且彼此槽口相对；下支座板的两侧槽壁沿铅垂方向内凹并形成所述的弧形导面，上支座板的两侧槽壁处沿铅垂方向凸设有配合端，该弧形导面与配合端形成滑动导向配合；下支座板的槽端布置封板，转轴轴线平行下支座板长度方向，并贯穿封板后与主动动力源间形成动力配合。
8.优选的，所述弧形导面处布置外翻边，从而使得弧形导面的横截面外形呈“7”字状，配合端处设置内翻边并由外而内的卡入弧形导面处。
9.优选的，所述下支座板的槽腔内设置有用于两点支撑转轴的卡扣底座，卡扣底座
上布置半圆形卡扣，从而通过卡扣底座与半圆形卡扣的卡接配合形成可供转轴轴身穿过的安装座；一个卡扣底座与一个半圆形卡扣配合构成一组支撑组件，支撑组件为两组且分别布置于斜齿轮段的两端处。
10.优选的，所述弧形导面的两端布置有用于限制上支座板的滑动动作幅度的限位凸起。
11.优选的，还包括第三耗能部；所述第三耗能部包括固定于第二耗能部的上支座板的上表面处的球铰外壳以及球形铰接于球铰外壳内的球头，球头处径向延伸有用于固定上部结构的连接杆；沿铅垂方向，球头与球铰外壳之间依序布置有球面聚四氟乙烯板和高温硫化橡胶体。
12.优选的，所述高温硫化橡胶体内嵌设有钢丝网。
13.优选的，主动动力源为电机，该半主动型隔震支座还包括带有电池的储电组件；当转轴的回转动力来自于弓形斜齿轮时，主动动力源通过磁生电的方式将电能储存至电池内；电池为主动动力源提供工作动力。
14.优选的，隔震系统，该隔震系统应用所述的一种半主动型隔震支座，其特征在于：将各半主动型隔震支座分布式的安装于上部结构和下部结构之间，各半主动型隔震支座均配备有一个控制器，从而控制相应半主动型隔震支座内的主动动力源产生主动动作；各半主动型隔震支座上还配备有采集传感器，采集传感器采集半主动型隔震支座的当前位置及状态并与控制器间进行网络通信，使得每个半主动型隔震支座可以根据自己的当前位置和周围支座的当前状态来确定自己的动作状态，实现分布式的控制目的。
15.本发明的有益效果在于：
16.与传统的被动控制型隔震支座不同，本发明采用了主动控制与被动控制共存的设计思路；工作时，本发明以被动控制为主，当结构动力反应开始越限时，方才开始切换为主动控制方式，从而实现了反应时间的灵敏化和震动响应的可控化操作目的。更具体而言，工作时，由于转轴与弓形斜齿轮的斜齿啮合，既实现了正转驱动效果，又可实现反转工作目的。在被动控制时，上支座板主动施力给下支座板齿转轴，并通过弧形导面来保证减震和控制效果，此时弓形斜齿轮可以看成主动源。而在主动控制时，通过主动动力源的加入，实现了下支座板处转轴主动施力给上支座板的操作目的，从而主动在本发明工作过程中实时调节自身的阻尼和刚度，以保证减震和控制效果，成效显著。
17.至此可知，本发明整体性好、稳定性高，且制造工艺简单、安装操作方便，通过实时变换动作模式来调节自身的阻尼和刚度，可有效实现对震动的减震和控制目的。
附图说明
18.图1和图2为本发明的立体结构示意图；
19.图3为第一耗能部或第二耗能部的配合状态图；
20.图4为弓形斜齿轮与转轴的配合状态示意图；
21.图5为上支座板的立体结构示意图；
22.图6为球铰第三耗能部的立体结构爆炸图。
23.本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
24.a-第一耗能部；b-第二耗能部；c-第三耗能部；
25.10-下支座板；11-弧形导面；11a-外翻边；12-限位凸起；
26.20-上支座板；21-配合端；21a-内翻边；22-弓形斜齿轮；
27.31-转轴；32-主动动力源；33-卡扣底座；34-半圆形卡扣；35-斜齿轮段；
28.41-球铰外壳；42-球头；43-连接杆；44-球面聚四氟乙烯板；45-高温硫化橡胶体。
具体实施方式
29.为便于理解，此处结合图1-6，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
30.与传统的被动隔震支座不同，本发明兼具主动控制功能，可通过控制器实时调节自身的阻尼和刚度，从而实现对震动的减震和控制，整体性好，稳定性高，且制造工艺简单、安装操作方便。
31.为实现上述目的，本发明提供如下具体实施例：
32.如图1-3所示，本发明的实施例包括互相连接且错位90度的第一耗能部a以及位于第一耗能部a上方的第二耗能部b，第二耗能部b上方还设置第三耗能部c。工作时，如图3所示，第一耗能部a的底面固定于下部结构上，第三耗能部c的顶部固定于上部结构处，从而形成支撑构造。
33.设计时，第一耗能部a与第二耗能部b结构完全相同，区别仅在于彼此错位90度。更具体而言：如图3-4所示，第一耗能部a及第二耗能部b均由上支座板10、下支座板20、弓形斜齿轮22、转轴31、半圆形卡扣34、卡扣底座33、限位凸起12以及作为主动动力源32的电机等组成。实际装配时，如图5所示的，弓形斜齿轮22位于槽板状的上支座板10的槽底处，弓形斜齿轮22与上支座板10的槽底间通过焊接连为一体。卡扣底座33位于槽板状的下支座板20的槽底处，卡扣底座33与下支座板20通过焊接连为一体；同时，通过半圆形卡扣34与卡扣底座33间形成类似轴承座的安置在结构，从而如图4所示的将转轴31安装于下支座板20处。此外，下支座板20的槽口处的封板上设有电机，下支座板20与电机通过螺栓相连；之后，电机方才与转轴31相连，而转轴31中段处设有斜齿轮段35。
34.安装时，上支座板10和下支座板20如图1-3所示的槽口相对。上支座板10的两槽壁向下凸出并内扣形成带有内翻边21a的配合端21，下支座板20的两槽壁处下凹并外翻形成带有外翻边11a的弧形导面11。通过如图他5所示的配合端21与如图4所示的弧形导面11的咬合及滑动配合，实现上支座板10和下支座板20的相对滑动功能。同时，弓形斜齿轮22和斜齿轮段35相互啮合，可为上支座板10和下支座板20的或主动或被动的相对滑动提供动力来源。
35.当上支座板10和下支座板20被动滑动时，也即本发明处于被动控制状态时，此时当支座结构动力反应较小，第一耗能部a和第二耗能部b件处各支座板的相对滑动，会带动转轴31动作并切割电机处磁力线；运用磁生电的原理，电机可将由外界荷载产生机械能转化为电能，并储存在储电组件的电池中，用于为后续主动控制模式提供工作动力。
36.当然，为提升本发明的动作可靠性，如图3-4所示的，下支座板20的槽壁的两端均设有限位凸起12，用于限制上支座板10与下支座板20的最大相对位移。
37.在上述结构的基础上，如图1-2及图6所示，本发明的第三耗能部c为球铰结构，包括球铰外壳41、高温硫化橡胶体45、球面聚四氟乙烯板44以及连有钢柱或者说是连接杆43
的球头42。装配时，球铰外壳41无底，并位于第二耗能部b上方，两者通过焊接连接。如图6所示，球头42位于球铰外壳41内部，球铰外壳41与球头42之间依序设有球面聚四氟乙烯板44和高温硫化橡胶体45，高温硫化橡胶体45内嵌钢丝网。
38.第三耗能部c的存在，可以使本发明的底部和上部结构装配后及工作时，尽可能保持平行或者特定角度，防止在本发明处产生应力集中现象，并达到隔震效果。同时，本发明在第三耗能部c中设置的高温硫化橡胶体45，目的也在于通过高温硫化橡胶体45的变形来消耗竖向荷载。至此，本发明的交叉布置第一耗能部a和第二耗能部b，可以抵消来自任意方向的水平荷载，再配合球铰结构的高温硫化橡胶体45形成三级耗能组件，可使本发明具有三向抗震的特点。
39.进一步的，本发明还可以采用分布式控制模式，也即每个半主动型隔震支座都配备一个控制器，这些控制器通过一个网络进行通信，例如以太网、无线网络等。这样每个半主动型隔震支座配备的采集传感器可以根据自己的位置和周围支座的状态来确定自己应该如何主动运动。这种方法的好处是可以实现高度分布式的控制，不需要集中式的控制器，从而提高了系统的可靠性和鲁棒性，使用非常灵活方便。
40.至此，本发明的整体优势如下：
41.1)当整个结构承受较小时的水平荷载时，由于第一耗能部a和第二耗能部b运动的方向相互垂直；由平面向量可知，本发明可以在实现平面内向任意方向移动，通过第一耗能部a和第二耗能部b在移动时存在的高差，可将动能转化为势能，以起到被动减震和被动控制的目的。
42.2)当整个结构承受较大时的水平荷载时，根据本发明的用途及隔震要求，电机采取不同的运行工况。
43.工况一：解决上部结构的位移过大问题，此时可单独控制位移较大区域的电机向外界荷载方向的相反方向运行，减小上部结构位移。
44.工况二：解决共振问题，控制电机向具有转动趋势的相反方向施加动力，改变本发明的刚性和阻尼，进而改变结构共振特性。
45.工况三：解决上部结构的不均匀受力或者上下颠簸问题，此时控制所有第一耗能部a的电机同步运行、所有第二耗能部b的电机同步运行，通过这种方式能保证所有支座顶部，也即连接杆43的顶部的相对位移为零，从而使上部结构达到隔振的效果。
46.3)在整个结构承受竖向荷载时，本发明中的球铰结构里的高温硫化橡胶体45可以通过剪切变形来吸收和耗散一部分竖向冲击。同时，第一耗能部a和第二耗能部b的工作状态可以改变荷载方向，并向特定方向做滞回运动以消耗能量，这使得本发明在竖向方向上也能具有良好的隔震效果。
47.当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
48.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包
含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
49.本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

技术特征：
1.一种半主动型隔震支座，其特征在于：包括第一耗能部(a)以及位于第一耗能部(a)上方的第二耗能部(b)，两耗能部均包括下支座板(10)以及通过弧形导面(11)配合在下支座板(10)处的上支座板(20)，第一耗能部(a)的上支座板(20)与第二耗能部(b)的下支座板(10)形成一体件，其中：下支座板(10)的上板面处回转配合有转轴(31)，转轴(31)轴身处设置有斜齿轮段(35)，上支座板(20)的下板面处固定有弓形斜齿轮(22)，该弓形斜齿轮(22)的直径与弧形导面(11)直径一致，且弓形斜齿轮(22)轴线与转轴(31)轴线相互垂直的同时又平行于弧形导面(11)的轴线；转轴(31)的回转动力由位于转轴(31)轴端的主动动力源(32)和弓形斜齿轮(22)择一给予；两耗能部的转轴(31)轴线彼此垂直。2.根据权利要求1所述的一种半主动型隔震支座，其特征在于：所述下支座板(10)和上支座板(20)外形均呈槽长方向同向的方槽状且彼此槽口相对；下支座板(10)的两侧槽壁沿铅垂方向内凹并形成所述的弧形导面(11)，上支座板(20)的两侧槽壁处沿铅垂方向凸设有配合端(21)，该弧形导面(11)与配合端(21)形成滑动导向配合；下支座板(10)的槽端布置封板，转轴(31)轴线平行下支座板(10)长度方向，并贯穿封板后与主动动力源(32)间形成动力配合。3.根据权利要求2所述的一种半主动型隔震支座，其特征在于：所述弧形导面(11)处布置外翻边(11a)，从而使得弧形导面(11)的横截面外形呈“7”字状，配合端(21)处设置内翻边(21a)并由外而内的卡入弧形导面(11)处。4.根据权利要求2所述的一种半主动型隔震支座，其特征在于：所述下支座板(10)的槽腔内设置有用于两点支撑转轴(31)的卡扣底座(33)，卡扣底座(33)上布置半圆形卡扣(34)，从而通过卡扣底座(33)与半圆形卡扣(34)的卡接配合形成可供转轴(31)轴身穿过的安装座；一个卡扣底座(33)与一个半圆形卡扣(34)配合构成一组支撑组件，支撑组件为两组且分别布置于斜齿轮段(35)的两端处。5.根据权利要求2或3或4所述的一种半主动型隔震支座，其特征在于：所述弧形导面(11)的两端布置有用于限制上支座板(20)的滑动动作幅度的限位凸起(12)。6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种半主动型隔震支座，其特征在于：还包括第三耗能部(c)；所述第三耗能部(c)包括固定于第二耗能部(b)的上支座板(20)的上表面处的球铰外壳(41)以及球形铰接于球铰外壳(41)内的球头(42)，球头(42)处径向延伸有用于固定上部结构的连接杆(43)；沿铅垂方向，球头(42)与球铰外壳(41)之间依序布置有球面聚四氟乙烯板(44)和高温硫化橡胶体(45)。7.根据权利要求6所述的一种半主动型隔震支座，其特征在于：所述高温硫化橡胶体(45)内嵌设有钢丝网。8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种半主动型隔震支座，其特征在于：主动动力源(32)为电机，该半主动型隔震支座还包括带有电池的储电组件；当转轴(31)的回转动力来自于弓形斜齿轮(22)时，主动动力源(32)通过磁生电的方式将电能储存至电池内；电池为主动动力源(32)提供工作动力。9.隔震系统，该隔震系统应用如权利要求1所述的一种半主动型隔震支座，其特征在于：将各半主动型隔震支座分布式的安装于上部结构和下部结构之间，各半主动型隔震支座均配备有一个控制器，从而控制相应半主动型隔震支座内的主动动力源(32)产生主动动
作；各半主动型隔震支座上还配备有采集传感器，采集传感器采集半主动型隔震支座的当前位置及状态并与控制器间进行网络通信，使得每个半主动型隔震支座可以根据自己的当前位置和周围支座的当前状态来确定自己的动作状态，实现分布式的控制目的。

技术总结
本发明属于震动控制技术领域，具体涉及一种半主动型隔震支座及隔震系统。本发明包括第一耗能部以及第二耗能部，两耗能部均包括下支座板以及通过弧形导面配合在下支座板处的上支座板，第一耗能部的上支座板与第二耗能部的下支座板形成一体件，下支座板的上板面处回转配合有转轴，转轴轴身处设置有斜齿轮段，上支座板的下板面处固定有弓形斜齿轮，该弓形斜齿轮的直径与弧形导面直径一致；转轴的回转动力由位于转轴轴端的主动动力源和弓形斜齿轮择一给予；两耗能部的转轴轴线彼此垂直。本发明在具备被动隔震功能的同时，亦具备主动隔震效果，从而实现了反应时间的灵敏化和震动响应的可控化，最终实现对震动的减震和控制目的。最终实现对震动的减震和控制目的。最终实现对震动的减震和控制目的。


技术研发人员：杨首瑜 王静峰 独世军 王修帅 王启培 刘用
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/9