专利名称：能量吸收和力限制摩擦联结器的制作方法
能量吸收和力限制摩擦联结器本发明涉及用于通过被动地将动能转换成热量来吸收不需要的动 能的、以及用于通过以预定栽荷滑动来限制力的联结装置。更特别地， 本发明涉及用于保护例如建筑物的结构的被动能量耗散装置，以便减 少地震期间的损坏。定义"残余张力，，在本发明中，残余张力是一种由拉伸类变形的结果 而产生的力，在制造时拉伸变形在装置内产生，并且主要依靠所涉及 的材料的弹性和相关特性不确定地保持。"残余压力"在本发明中，残余压力是一种由压缩类变形的结果 而产生的力，在制造时压缩变形在装置内产生，并且主要依靠所涉及 的材料的弹性和相关特性不确定地保持。"胡克(Hookean)材料"在本文中，钢是作为弹塑性材料描述 的。胡克定律是一种近似，其规定材料体的变形量(应变)与引起变 形的力(应力)线性相关，或者f二kx。钢呈现直到一上限线的形胡克 区域(其中位移和力是线性并且可逆相关的)，超过该上限，进入本发 明中使用的韧性(塑性)区，同时更多的变形产生破裂。参见附图3。
背景技术：
人造结构如建筑物、桥或其它竖立在具有风险的发生地震的地点 的结构可以包括防止在"重大"地震期间由地面运动的结果而产生的损 坏的装置，该"重大"地震表示对建筑物造成结构损坏的地震。任何地 震都是有限的，虽然不可预见的持续时间和振幅与相对不可预见数量 的要释放的抑制能量有关。假定不可预见性，包括防止过度运动的装 置(实质上是弹性类型的)有时可能不足以防止损坏，但是至少可以 减少风险。在没有适于耗散能量的专用装置的情况下，结构的一些部 分呈现非弹性性能，并且在某种程度上可以进行衰减运动，但是这经常是以这些结构部件的永久损坏或失效为代价的。另一种方式是通过专用装置将塑性引入结构中。典型的如由内部 栽荷、设计风载荷以及热膨胀或收缩引起的力不足以启动装置，以抵 抗但仍然允许运动。通常这种装置在不发生非弹性变形的情况下抵抗 小于给定阈值的力，并且在超过阈值时以吸收能量、抑制由该力引起 的运动并且限制传递到其它结构部件上的力的方式变形。一种抵抗但是允许暴露于地震产生的摇动的结构的有限运动的装 置应当提供对结构中可能谐振(任何模式)的衰减。这是所希望的， 这是因为谐振运动会夸大振动的初始幅度，并且会导致结构的破裂。希望设计一种抵抗但是允许可控运动的装置，以便将传送到任何 单独元件上的力限制成小于会造成该元件失效的大小。该装置还应当 设计成，限制传递到任何单独元件的力，并且还限制结构中的加速度。先前已经描述了用于衰减建筑物中相对于底层的运动的被动能量吸收系统。在Earthquake Spectra vol 9，no.3 ( 1993年8月，地震工程 研究所，加利福尼亚)中，Aiken I D等人的36页评论描述了七种不 同的被动能量耗散系统三种是库伦摩擦系统； 一种是"Fluor-Daniel" (Inc)能量耗散限制器，其具有带有止停件的滑动摩擦限制器的形式； 还有一种使用ADAS (附加的衰减和刚度)钢元件的系统； 一种使用 粘弹性剪切阻尼器的系统；以及一种使用镍-钛合金形状记忆装置的系 统。例如Kemeny在美国专利5560162中描述的滑动摩擦阻尼器使用 地震制动器，其包括经由与轴摩擦啮合的分离抓紧块进行轴颈连接的 轴。该抓紧块具有衬套，该衬套和轴之间的摩擦可以通过调整由该抓 紧块产生的夹紧力来调整。由螺栓产生的夹紧力将该抓紧块的两半部 拉在一起，因而在该轴上产生主要单轴的夹紧动作。该解决方案工作 良好，但是可能不必要地复杂和/或昂贵，并且该装置的校准可能困难 且不可靠。而且，如果由设计工程师规定特定摩擦，则使用时可以允 许改变该装置的场地可调整性，因而该阻尼器的特性在规格之外。或以任何形式的暗示，现有技术以任何权限形成的普通常识的 一部分。 目的本发明的目的是提供一种用于通过被动地将动能转换成热量来吸 收结构中两点的不需要的动能的联结装置，或者至少提供一种有用的 选择。本发明的其它目的从下面仅通过举例给出的描述是显而易见的。发明内容在第一个广泛的方面，本发明提供一种能量吸收和力限制摩擦联 结装置，用于减少由例如地震的事件在包括建筑物的人工结构内产生 运动而引起的损坏，其中，所述装置具有第一元件，所述第一元件从 所述装置延伸并且在一端端接第 一连接装置，以用于紧固在第 一结构元件上；以及第二元件，所述第二元件从所述装置延伸并且在一端端 接第一连接装置，以用于紧固在第二结构元件上；在所述装置内提供 摩擦区域；所述摩擦区域由所述第一元件的能够摩擦的部分和所述第 二元件的能够摩擦的部分占据，相对于所述第一元件，所述第二元件 能够经受在所述摩擦区域上一距离的摩擦、滑动运动；以及其中，通 过将至少部分地由具有弹性(胡克)和韧性特性的材料组成的夹紧装 置包括在所述摩擦区域周围来保证所述摩擦区域的摩擦，以便以摩擦 接触将所述元件夹紧在一起。优选地，所述夹紧装置能够通过如下方式由残余张力被预加栽， 即，通过强加足够进入所述夹紧装置的韧性范围并且促使在所述夹紧 装置内出现屈服的力，以便在使用中，在所述第一和第二连接装置之 间施加的具有至少可预期大小的力会造成一距离的摩擦、滑动运动， 并且在所述摩擦区域，在所述装置内使动能转换成热量。在第 一相关方面，本发明提供一种能量吸收和力限制摩擦联结装 置，其中该夹紧装置包括能够保持该第 一和第二元件摩擦接触的最大 注入的张力；该张力在该装置的制造时被注入到该夹紧装置内，并且 在制造时通过使具有弹塑性特性的材料变形到至少屈服点而最大化。在相关方面，本发明提供一种能量吸收和力限制摩擦联结装置， 其中，所述摩擦区域包括摩擦增强材料，所述摩擦增强材料连接到一个元件上，并且能够沿另一个元件的一部分滑动。在一个选择中，连接在一个元件的摩擦增强材料具有空心圆柱体 的形式，并且以径向张力的状态存在，同时在侧面平行的轴周围强制 伸展，并且与该侧面平行的轴摩擦接触，所述侧面平行的轴形成另一 个元件的能够摩擦的部分。在另一个选择中，连接在一个元件的摩擦增强材料被强制封闭在 另一个元件内，并且在径向压力的状态下与另一个元件摩擦接触地存在；所述另一个元件的能够摩擦的部分包括封闭所述摩擦增强材料的 细长的侧面平行的腔。在另 一个选择中，所述摩擦增强材料是与所述夹紧装置相同的(例 如，作为强铜合金的磷青铜)。在另一个相关方面，本发明提供一种能量吸收和力限制摩擦联结 装置，其中，所述摩擦区域包括各自由金属组成的并列的摩擦表面。优选地，第一摩擦表面由金属组成，所述金属选自包括铜和铜合 金的范围。还优选地，第二摩擦表面由钢组成。可选地，在制造时包4舌润滑剂，所述润滑剂选自包括石墨和电镀 铅的范围。在第二较宽方面，本发明提供一种制造如在该部分前述的能量吸 收和力限制摩擦联结装置的方法，其中，在装配过程期间，至少在所述装置的夹紧装置的弹性部分内注入残余张力；在该过程期间，经由 尺寸不足的空间或孔迫使包括所述第 一元件的能够摩擦的部分的选定 轴经过所述第二元件的能够摩擦的部分；轴的尺寸选定成，在装配过 程期间施加到所述夹紧装置的力足够超过所述夹紧装置的屈服强度， 以便使所述装置的所述夹紧装置的至少 一部分进入韧性范围，从而所 述夹紧装置内存在的最大张力随着时间将始终如一地施加于所述摩擦 区域。优选地，将在制造期间施加于所述夹紧装置的力的大小记录为在 使用期间适用于该装置的描述特性。更加特别地，所述方法包括至少一个预选具有特定力特性的部件的步骤，并且包括下面的步骤(a) 当装配选定的部件时应用下面的^^式 滑动力(N) =2.n.L.7r.t.Fy其中L-所述摩擦增强材料的长度(假定是环带)； ^1=所述摩擦增强材料相对于另一个元件的能够摩擦的部分的摩 擦系数；t-所述环带的厚度；F^所述环带的屈服应力；r产所述环带的摩擦表面的半径(b) 将如此选定的部件放置在压力机内，以及(c) 将所述部件压在一起。在相关的方面，该方法还提供用于旋转相对运动中的等价公式。其中...(具有相同的变量)^走转扭矩二2.7T.rf.n丄.t.Fy在第三个广泛的方面，本发明提供一种过载释放联结器，其中该 联结器能够在没有损失的情况下传递扭矩，只要将该扭矩保持在对应 于滑动摩擦开始的水平以下，因此该过载释放联结器将开始以热量的 形式耗散至少一些扭矩。优选实施方式本发明进一步的方面应当在所有其新颖的方面来考虑，并且从下 面通过对本发明可能的实施方式的举例给出的描述将变得显而易见。 在此提供的本发明的描述完全是通过举例给出的，并且无论如何不能 理解成对本发明的范围或程度的限制。贯穿说明书，除非正文需要，否则词语"包括"及其变型的使用应 当理解成暗示包括规定的整体或步骤或者整体或步骤的组合，但是不 排除规定的整体或步骤或者整体或步骤的组合。
附图1和2:该图表示在装配时，如何将残余张力注入根据本发明的动能吸收和作用力限制联结器中。附图3:典型的弹塑性材料的应力与应变曲线图，以便识别在参 照本发明的所附说明书中论述的特性。附图4:基于附图1和2的动能吸收和作用力限制连接装置的透 视截面图。附图5:附图4的"里面翻到外面"型式的截面透视图。附图6:另一个具有双层摩擦元件和密封件的动能吸收和作用力 限制连接装置的截面透视图。附图7:意图用作为旋转轴的紧急释放型联结器的动能吸收和作 用力限制连接装置的截面图。附图8:另一个动能吸收和作用力限制连接装置的截面透视图。 可以将摩擦部分认为是螺栓上的轴环。具有防止在任一方向上的过度 运动的止停件。附图9:另一个动能吸收和作用力限制连接装置的截面透视图； 该连接装置是适于嵌入适当加强的混凝土中的插入件。附图10:另一个动能吸收和作用力限制连接装置的截面透视图； 该连接装置是适于连接到钢筋上的插入件。附图11:表示通过根据本发明的装置(附图4)将动能转换成热 量的作用力(X轴)与位移(Y轴)的曲线图。附图12 (12a和12b):该图表示在地震时，具有摆动和变形趋势 的竖直结构是如何通过在梁和柱之间放置的本发明来减振的。附图13:实施附图12b的钢梁概念的图示。附图14:该图表示在地震时，具有在其地基上摇动的竖直结构是 如何通过本发明(例如，附图9的例子)来减振的。附图15(15a和15b):该图表示具有在刚性支柱上有意设置的滑 轨的竖直结构的摇摆运动是如何通过本发明来减振的。执行本发明的最佳模式本发明的最终形式有时称做"KEA"装置。例1.主要是滑动运动附图1、 2和4表示概念形式上的该装置，其包括两个部件可以在管300内滑动的杆100，为了说明，该管包括部分200;适于展示相对于该杆的摩擦的"摩擦块"。该装置使用实质上内摩擦来阻止该两个部件沿该杆的轴线或围绕该杆的轴线的相对运动。静摩擦和滑动摩擦都是适用的。应当注意到，如果该杆的尺寸沿其长度改变，则所获得的滑动摩擦的大小不恒定。大约500分之一的直径公差是相当合适的。本发明意欲安装成，采用每一端伸出的传统的连接装置将结构的一个元件连接到另一个元件，其中如果施加于该装置的力足够大，则在该装置内出现相对运动；并且由于内置摩擦产生热量。当 一个零件相对于另 一个零件滑动时，在各零件之间的摩擦量是所需的模式下，需要使用故意施加和受控的力使该两个物体彼此压紧。 该力可以由现有的力如重力、可替换地使用螺钉、杠杆或其它放大现 有的力的机器引起，或者在一些情况下，该力由(例如)磁引力、或 者通过弹簧施加的张力或压力引起。在本发明中，在所依靠的摩擦界面或表面上的力是由"残余张力" (或残余压力)引起的，其是前述屈服力的所需结果，该力施加于该装 置的一个或多个部件上，该装置部件在此通常称作为制造时的"夹紧装 置"。在张力或压力下，其由所涉及的部件的弹塑性特性(特别地)不 确定地保持。钢是所涉及的部件的优选材料。在建造期间，设计成过紧地不当配合的两个部件优选地通过足够 大的力装配(压)在一起，该力足以超过胡克定律曲线的弹性区，并 且最后使得一个或多个部件发生屈服(经常具有可视、永久的变形)， 但优选未达到这样的程度，即以任何方式例如通过破裂来损害该部件 的强度。附图1表示装配之前的轴100和摩擦产生环200。有意使该 孔的直径小于该轴的直径。装配包括将有意过小的环200压在该轴的 锥形部分101上，如箭头201所示，并且压在该轴的主体上(或者， 当然，相反地，将该锥形轴压在该环内)。由于在施加作用力期间采用 了这样大的轴向力，所以摩擦元件200在整体上发生膨胀。该摩擦元 件本身或围绕该摩擦元件的夹紧装置(套管或圆筒300)在通过该过大尺寸的轴所需的力的作用下发生弹性变形。通过残余张力有效地增强该环200和轴IOO之间的接触压力区域，该接触压力区域是存在静 摩擦和滑动摩擦的区域。在附图2中，该环必须伸展以安装在该轴上， 该环现在包括趋向于朝向其初始尺寸恢复其直径的张力(箭头202, 残余张力)。在制造期间，将该轴的锥形末端IOI压入开口 302,并且 通过摩擦元件200中的孔203,然后将其留在适当位置。附图l、 2和4的例子不是实现本发明的唯一可能的方式。例如， 附图5表示环200A，该环通过进入相对尺寸不足的密封管100而发生 变形，该密封管在进口具有锥体301A，以便该环内的残余压力设法相 对于管100的内侧扩张该环，由此增强接触区域的摩擦。将该环保持 在圆周槽口301A内。本发明的实践形式(附图4-9)设计成，该残余 张力具有增强摩擦块200表面的摩擦效应的效果。作为该环(或者外 支撑件如空心管截面300的伸长部分301 -附图4 )伸展出其弹性界限 的结果，在产生摩擦的表面施加的张力202大到可以方便地施加在被 动装置中，而不会产生力的某些形式的机械放大。附图3表示弹塑性材料如钢的传统的应力(Y) /应变(X)或力 (Y) /位移(X)曲线图310。该应力或力(垂直轴)表示附图2中环 状部件200中的张力202，而应变或位移与装配期间造成的变形量有 关。该曲线的从曲线图原点311至312的陡峭上升部分是弹性范围； 从312至313的部分是韧性范围，在该范围出现韧性的、屈服变形， 超过313，可以预期材料的破裂。注意到，已经屈服的物质随后的松 弛会横跨另一个线性曲线，现在朝向如线315-316所示的右側偏移， 并且在预先存在的几何形状下获得的残余力将相对受限。因此，应当 监视和控制如腐蚀或未经许可的重复使用的影响。建立在根据本发明 的装置中的不当配合的程度(如同在附图4的形式)在该曲线图的带 314周围会造成例如4%的延伸变形。曲线在屈服区域(312-313)中 的近似水平斜坡对实际程度的不当配合给予有用的公差。如果该装配 的相应步骤不能超过屈服强度(即不能通过点312)，则该摩擦表面上 施加的力(a)较小，并且(b)较小能够预见或连贯，尽管所得到的装置确实保留了一些效用。在该情况下，该曲线的可适用部分是相对 竖直的。在该情况下，残余张力非常取决于装配期间使用的实际力。 本发明优选进入所用的弹塑性材料的韧性范围，以便产生可靠大小的 残余张力。如果本发明的型式构造成，装置的至少一个部件变形的弹 性极限在制造期间不会超出，则这种装置具有减少的效用，这是由于 不能获得该夹紧装置内最大量的残余张力或压缩力，并且由于将很难 确定实际注入的力的大小。将上面的概念如下在附图4中实践元件100 (可选地为空心轴 或实心杆)在一端具有锥形末端101，在另一端(在此未示出)具有 适当的连接装置，该元件包括该装置的一个滑动部件；而另一个滑动 部件由具有开口 302和扩张区域301的管状(空心)元件300构成， 如果施加足够引起运动的力，该另一个滑动元件产生相对于该第一部 件的摩擦，在该扩张区域内部，在200和IOO之间的摩擦产生区域， 摩擦元件200被紧密地保持在轴100上。通过传统的措施抑制该摩擦 元件200上下移动，该传统的措施例如是限制已经变形的区域301的 尺寸，或(如图5)使用保持槽口 301A,或者(如图6)使用具有在 包含摩擦元件200之后焊接到轴/管300上的限制开口 302的成形圆筒 303，在此由摩擦层20构成的合成物位于轴环或套管301内(同样， 在此未表示第二部件的连接装置)。通常在装配过程之后检验变形是连贯的，并且由此没有出现破裂， 这是因为其会削弱径向力的最终量。经受非弹性变形的部件是摩擦材 料，以及优选为钢的外带或衬套，这是由于该材料具有良好的特性； 优于一些摩擦材料的特性。假设该摩擦材料本身具有适当的特性，其 可以在没有第二带或村套的情况下使用。例如， 一些类型的磷青铜具 有适当的特性。在实践中，在制造过程完成之后， 一个以上的部件会 经受张力，尽管可能仅一个部件显示变形。这些部件包括(a)摩擦元 件200和/或(b)容纳的扩张的外壁301，和/或(c)该摩擦元件内的 轴100。可以将摩擦元件200有意削弱，以便其不会显著地对夹紧力 起作用。在该情况下，外衬套301接收所有的变形力，并且随后其内的残余张力将摩擦元件紧密地封闭在轴100的周围，从而将所有的力施加在该摩擦表面，其在将被动能量转换成热量期间是必须克服的。因此，在装置通过"类似库仑摩擦(Coulomb-like friction )，，将动 能被动地转换成热量时，至少近似地由(a)尺寸和(b)材料确定本 发明所得到的特性，只要至少超过屈服强度，并且存在一些可见的变 形，以便在装配之后保持固有的张力。在所施加的力较小时，本发明 在其本身没有经历一个部件相对于另一个部件的运动的情况下传递 力。如果该力足够大或变得足够大以能够克服静摩擦，则出现相对运 动；同时大量的能量转换成热量。如果该力开始改变方向，如可能在 地震波的情况下，则静摩擦又变成主要的，直到该力已经改变方向， 并且再次超过静摩擦的极限。力相对于位移的图将提供闭环形式的矩 形滞后曲线(参见附图11)。该阻尼器的所期望的特征是具有由该图 封闭的较大面积，部分地通过材料的适当选择，以及部分地通过物理 设计。在附图11中，类似于本发明附图4的型式、并且使用弹壳黄铜 相对于钢的摩擦组合的装置的试验，是通过在上右角施加的增加的负 (矢量)力开始的。在施加负作用力时，直到迹线进入朝向左侧移动的 其水平阶段时，才看到少量的位移，但是该力的大小没有实际的变化。 在该期间，存在滑动摩擦，并且将该力转换成与由该迹线封闭的面积 成比例的热量(类似库仑摩擦)。当该力在左下方反向时，静摩擦再次 变成主要的，直到施加的力再次超过静摩擦，并且该迹线实质上平行 地向右移动。该迹线形成环路，这是因为当在正与负方向之间循环施 加力时，静摩擦和滑动摩擦依次存在。如果过度的地震产生过热，则 该装置将接近熔点，停止施加摩擦效应，并且会容许该结构在保护下 更自由地移动。因此使用中的设计应当保证该装置中具有足够的热质 量以防止过热。类似装置的试验具有磷青铜摩擦装置，其表现更加减 少的收缩环路效应。例2.主要是旋转运动我们现在考虑本发明在限制可以沿旋转轴施加的扭矩数量时使用 的型式。在该应用中，本发明用作过载释放联结器。该例以与前面的例子相同的 一般方式制造，再次使用在装配程序时 一个元件经过另一 个元件施压的原理，使用有意不当配合的部件，其在本发明内造成变 形。结果，在该装置内构造夹紧装置，该夹紧装置通过张力(或在一 些型式中的压力)预加载，其具有将两个元件紧密地夹在一起的效果， 但是如果相对于另一个元件施加在一个元件上的扭矩超过预定的界限 时，仍然允许出现滑动摩擦。实际上，可以以相同的方式使用、制造和通过残余张力或压力预加载相同的装置(如图4或5中表示的)，仅 使用选定的旋转兼容的联结器来进行改变。附图7是简化形式的截面， 并且实际装置例如可以更短。旋转轴线是点划线701。在每一端(702 和703 )设置花键联结器。其它部件如在别处所标记的。其它适当的 联结器在本领域中是已知的，例如可以通过紧密接触在轴上平面上的螺钉而保持的键槽、齿轮或滑轮。该制造过程优选检验在应当涉及 至少一些变形(但是可以不考虑屈服区域)的强制装配步骤之后，该 扭矩限制装置确实为第一元件(100)和第二元件(300，以便该装置 可靠地运转)保持了合理同心的旋转轴701。该类型的装置可以用于 吸收旋转和平移两个方向上的意外运动。该转换函数如下在任一方 向上，该输出跟随输入，旋转对旋转，除非超过最大可传递的扭矩， 于是输出降低，并且输入功率和输出功率之间的差异转换成热量。本 发明具有下面的优点在至少一种形式中，其是紧凑的，并且具有预 先确定和合理恒定的特性。通常，具有相对小的热容量的紧凑形式不 应当在可能要将大量的功率转换成热量的应用中使用，并且应当为紧 急使用保留。应用包括所有类型的车辆、割草机、农业和运土机器、运输机、 破碎机、撕碎机、用于艇的推动驱动装置、食物搅拌器、打印和其它 机器，以及门和闸门操作装置，还可以具有大量其它相关的应用。制造这种类型的可旋转的联结器的方法可以在预选择具有特定扭 矩特性的部件时使用下面简化的公式旋转扭矩-2.7trfH丄.t.Fy其中L-摩擦增强材料的长度(假设是环带形的)；u1=摩擦增强材料相对于另一个元件的能够摩擦的部分的摩擦系数；t =环带的厚度；F严环带的屈服应力；r产环带摩擦表面的半径。在选择之后，将部件压在一起，优选同时监视所用的力(如在别 处所述的)，以便可以以预校准形式提供单独的装置。 例3. —些应用附图8表示双向型式的"Kea"装置，其可以穿过竖直梁(由垫圏 802、 802A封闭)，并且其中心轴100A-100可以在两端通过螺母801、 801A的螺紋连接到例如水平梁上。该螺母801、 801A还可以用作止 停件。附图9和lO表示两种型式的适于与钢筋混凝土一起使用的"Kea" 装置，其中例如其用于减少在顶部建造的结构的摇动。附图9的型式 由扩大的钟形地基900制成，该地基用于抵抗来自固化的混凝土的拉 动，特别是在如果平行但是位于该表面之下的钢筋条穿过孔901的情 况下。附图10的型式更适于由其管状末端1000焊接(1002)到坚固 的条1001上，并且该型式不需要位于大量的混凝土内。附图12 (如12a)表示框架结构1200以及在地震时看到的运动类 型(虛线)，而附图12b表示更详细的实例安装，其中可以将"Kea，，装 置(1201)放置在刚性竖直梁1202和刚性水平梁1203之间。附图13 是根据附图12b安装的"Kea"装置的实际正视图。附图14表示刚性块 结构1401在地震时是如何在刚性地基1402上摇摆的，尽管这种运动 可以使用"Kea"装置900来阻止(如附图9的装置)。附图15a表示结 构1500，该结构使用与滑动支柱组合的刚性三角形支柱1501，以及在 每一层支撑水平梁1203的滑动轴承1502，附图15b表示在地震时如 何可以4吏用"Kea"装置1201来减振侧向运动。摩擦产生材料在地震事件之前并且直到运动开始，产生摩擦的质量或表面在所有时间在尺寸上都应当是稳定的，以便该装置保持其最初的校准特性。 可能在几年内蠕变或流动的可能性可以排除具有塑料或合成基底或铅 的可流动的摩擦材料。目前，将铜和包括铜的不同合金如黄铜、弹壳黄铜、青铜、硅铜、磷青铜和炮铜进行组合试验；其通常相对于钢表 面工作。该摩擦装置可以相对较厚，以便在制造期间提高强度以及在 长时间使用期间获得更大的恒定特性，或者可以相对较薄(下至几毫 米或更少)，或许仅足够在一个地震事件中使用，以便减少成本。在附 图6中所画的摩擦元件200的仅一个部分和可能仅仅薄层201可以由 具有主要摩擦特性的材料制成，而剩余部分可以例如是钢。可以设想 润滑装置的可选方式。润滑剂可以包括基于石墨的润滑剂，使用类似 黄铜的摩擦装置，或者通过一层电镀铅覆盖该杆，益处可以是在操作 期间具有更均匀的摩擦行为或者更少的噪声。腐蚀防护是额外的益处。 包含不同的相接触的金属的装置具有呈现高的腐蚀率的可能性。如果 腐蚀侵蚀包括一个元件的钢轴或管，则在该装置的操作期间可能会刮 掉侵蚀的材料，从而导致该轴或管的有效直径会变小。因为已经屈服 的物质的随后的松弛(参照附图3)横穿另一个线性曲线，现在朝向 右侧偏移，如线315-316所示，在先前的几何形状下设置的残余力将 不会恢复，因而希望防止根据本发明的装置的侵蚀。本发明人建议密 封开口 302 (参见附图4),以便在制造时通过(例如)两罐环氧树脂 混合物排除氧，并且建议在地震已经使每个开口 (用作警示器)断裂 之后重新密封单元。可替换地，可以在每个单元内安装O形环密封件 (例如在附图6中以部分601表示)，以便在不注意的情况下重复使用， 或者可以简单地将该单元保持在实质上干燥的大气中。 选择和制造过程我们假定已经在一定程度上解决了构造建筑物的设计，其中在特 定的位置之间使用根据本发明的装置，并且根据本发明的装置将各自 具有首先克服静摩擦的特定力需要，然后具有在动摩擦期间的特定力， 它们理想地相等。设计工程师将能够发布根据本发明的装置的规格。典型地，制造者按照下面的顺序进行，首先采用下面的近似公式，以便选择相对于阈值力(或扭矩)具有适当的特性的部件，在该阈值 力，动能吸收和作用力限制连接装置将开始滑动。滑动力-2.Jl丄.7T.t.Fy可替换地，(用于旋转的相对运动)旋转扭矩-2.7T.rf丄.ji.t.Fy其中L-摩擦增强材料(假定是环带)的长度； ^1=摩擦增强材料相对于另一个元件的能够摩擦的部分的摩擦系数；t-环带的厚度； F^环带的屈服应力；以及 r产环带的摩擦表面的半径。在一些润滑剂实施方式中，润滑剂优选是石墨润滑剂，可以在该 环带和轴之间设置。在该实施方式中，上面公式中的变量ji表示在有 润滑剂的情况下，摩擦装置材料相对于伸长的元件的摩擦系数。该公 式指定具有能够根据需要执行的尺寸的组件。在此表示的公式是近似 的。例如，其不尝试定位平均残余张力的半径，尽管这种增强可以在 文献中得到。制造本发明人在实验中使用的基本部件(轴和管)符合公知的ISO标 准"H9公差，，或者50mm偏差在0.64内，并且可以保存有现货或者根 据需要获得。这种公差状况不是关键的，尽管更相符的成形物品当然 会提供力和热量之间更恒定的关系。采用这些装置的初始步骤可能是 基于工程师对施加力期间如地震期间结构性能的理解、由工程师根据 几何形状以及开始滑动摩擦所需的力来对定制组的KEA装置制定规 范。其次，调用上面给出的近似公式，以便计算部件的特定尺寸，给 定的已知材料特性，并且将选定的或定尺寸的部件带到装配区域。最 后，如在该部分前述的，由部件装配(加压)装置，优选地，每个装 置受到质量控制，包括(a)唯一标识，(b)装配期间特性的测量，以 及(c)记录每个装置上的、或伴随每个装置的这些特性(所需的装配力)。在意外破裂的情况下，当然还要使用可视监视。还可以应用如前 所述的抗侵蚀处理如密封。然后，将完成的、特征化的装置托运到建 筑工地。应当注意到，本发明不提供场地调整、缺少拆卸、尺寸恢复 和重新装配。这可能包括优点，这是由于该装置不能被改变超过设计 工程师的控制。描述每个单独的装置所需的装配力的数据可以从供给执行加压操 作的水力活塞的水力线成比例地获得，或者可以在装入压力机的力传 感器的绝对项中直接获得。可以将这种数据连同日期、变量、批号和 序号 一起打印到耐用的标签上，以便提供高度质量控制和跟踪能力。变型虽然很方便地将具有圆形横截面形式的轴IOO和该装置的其它部件提供为轴或管形式，并且其特别容易在车床上机械加工，但是当然 也可以使用其它轮廓如方形截面，在一些情况下，这在使用期间提供 阻止部件相互旋转的益处。由于需要较长的使用寿命，因而在一些环境下，可以考虑使侵蚀最小化的额外步骤。如果轴100的直径随着时间的侵蚀有效地减少， 可以期望该装置沿另一路径松弛回到变形的弹性区域(参见附图3)， 从而导致减少的力相关特性。选择适当的材料仅仅是一个步骤。如图 4的实施方式的孔302上的易碎密封件可以用于从内部排除氧。杆1的锥形末端101需要机械加工步骤。可以仅在制造时提供该 锥形-作为耐用的孔加宽类型的轴终端，其能够压入非常小的孔中以 加宽，并且在加压之后随后恢复以便重新使用。为此，其可以由优选 硬的、但非脆性的材料制成。本发明可以以"螺丝扣"的形式提供-其中 一 端的安装螺紋与另一 端的安装螺紋相比是反螺紋。事件之后，在安装时，"KEA，，发明可以 变得以不同的延伸量安装在所存在的部件上，如果不调整，这将造成 非结构元件的可感觉到的变形。还设想该动能吸收和作用力限制连接装置具有其它用途，例如码 头碰垫(wharf fenders )、车辆冲击屏障等。工业应用和优点"KEA"装置比现有的等价装置便宜，部分地因为简单的结构、容 易制造，以及非铁或昂贵的材料的减小的消耗。该装置可以通过采用不比制造在建筑中使用的基于螺栓的联动装 置时使用的装置更复杂的技术制造。该轴的锥形开端用于在制造期间 将较宽部引入该装置，其可以是由耐磨材料制成的可再利用的部件。廉价允许使用更多的"KEAs"，或者在主要事件之后替换它们中的 一些或全部(如果可接近)。包括有残余张力或压力对例如处理特性的问题没有影响。对"KEA"发明单独提供预校准和测试，并且在制造之后不能对 "KEA"发明调整，以便设计工程师可以确信包括该"KEA"发明的结 构的动态特性在规格内是可预知的并且将保持可预知。"KEA"发明在添加地震阻力时不需要对结构的设计进行重大改 变。该装置可以包括在现有的部件中。在前述描述中，对具有已知等价物的本发明的特定部件或整体进 行了参考，然后在此将这种等价物合并，好像其是单独阐述的。虽然 通过举例并且参照其可能的实施方式描述了本发明，但是应当理解， 在不脱离由附加的权利要求提供的本发明的精神或范围的情况下，可 以对其进行修改或改进。
权利要求
1. 一种能量吸收和力限制摩擦联结装置，用于减少由例如地震的事件在包括建筑物的人工结构内产生运动而引起的损坏，其特征在于a)所述装置具有第一元件，所述第一元件从所述装置延伸并且在一端端接第一连接装置，以用于紧固在第一结构元件上；以及第二元件，所述第二元件从所述装置延伸并且在一端端接第一连接装置，以用于紧固在第二结构元件上；在所述装置内提供摩擦区域；所述摩擦区域由所述第一元件的能够摩擦的部分和所述第二元件的能够摩擦的部分占据，相对于所述第一元件，所述第二元件能够经受在所述摩擦区域上一距离的摩擦、滑动运动；以及其中，通过将至少部分地由具有弹性(胡克)和韧性特性的材料组成的夹紧装置包括在所述摩擦区域周围来保证所述摩擦区域的摩擦，以便以摩擦接触将所述元件夹紧在一起。
2. 如权利要求1所述的能量吸收和力限制摩擦联结装置，其特征 在于，所述夹紧装置能够通过如下方式由残余张力被预加载，即，通 过强加足够进入所述夹紧装置的韧性范围并且促使在所述夹紧装置内 出现屈服的力，以便在使用中，在所述第一和第二连接装置之间施加 的具有至少可预期大小的力会造成一距离的摩擦、滑动运动，并且在 所述摩擦区域，在所述装置内使动能转换成热量。
3. 如权利要求2所述的能量吸收和力限制摩擦联结装置，其特征 在于，所述摩擦区域包括摩擦增强材料，所述摩擦增强材料连接到一 个元件上，并且能够沿另一个元件的一部分滑动。
4. 如权利要求3所述的能量吸收和力限制摩擦联结装置，其特征 在于，连接在一个元件的摩擦增强材料具有空心圆柱体的形式，并且 以径向张力的状态存在，同时在侧面平行的轴周围强制伸展，并且与 该侧面平行的轴摩擦接触，所述侧面平行的轴形成另一个元件的能够 摩擦的部分。
5. 如权利要求3所述的能量吸收和力限制摩擦联结装置，其特征在于，连接在一个元件的摩擦增强材料被强制封闭在另 一个元件内，并且在径向压力的状态下与另一个元件摩擦接触地存在；所述另一个 元件的能够摩擦的部分包括封闭所述摩擦增强材料的细长的侧面平行 的腔。
6. 如权利要求4或5所述的能量吸收和力限制摩擦联结装置，其 特征在于，所述摩擦增强材料是与所述夹紧装置相同的部件。
7. 如权利要求4或5所述的能量吸收和力限制摩擦联结装置，其 特征在于，所述摩擦区域包括各自由金属组成的并列的摩擦表面。
8. 如权利要求7所述的能量吸收和力限制摩擦联结装置，其特征 在于，第一摩擦表面由金属组成，所述金属选自包括铜和铜合金的范 围。
9. 如权利要求7所示的能量吸收和力限制摩擦联结装置，其特征 在于，第二摩擦表面由钢组成。
10. 如权利要求7所述的能量吸收和力限制摩擦联结装置，其特 征在于，在制造时包括润滑剂，所述润滑剂选自包括石墨和电镀铅的 范围。
11. 一种制造如权利要求1所述的能量吸收和力限制摩擦联结装 置的方法，其特征在于，在装配过程期间，至少在所述装置的夹紧装 置的弹性部分内注入残佘张力；在该过程期间，经由尺寸不足的空间 或孔迫使包括所述第一元件的能够摩擦的部分的选定轴经过所述第二 元件的能够摩擦的部分；轴的尺寸选定成，在装配过程期间施加到所 述夹紧装置的力足够超过所述夹紧装置的屈服强度，以便使所述装置 的所述夹紧装置的至少 一部分进入韧性范围，从而所述夹紧装置内存 在的最大张力随着时间将始终如一地施加于所述摩擦区域。
12. —种制造如权利要求10所述的能量吸收和力限制摩擦联结装 置的方法，其特征在于，将在制造期间施加于所述夹紧装置的力的大 小记录为在使用期间适用于该装置的描述特性。
13. —种制造如权利要求10或11所述的主要适于线性运动的能 量吸收和力限制摩擦联结装置的方法，其特征在于，所述方法包括至少一个预选具有特定力特性的部件的步骤，并且包括下面的步骤(a) 当装配选定的部件时应用下面的公式 滑动力(N) =2.juL7r.t.Fy其中L-所述摩擦增强材料的长度mm (假定是环带)； H-所述摩擦增强材料相对于另一个元件的能够摩擦的部分的摩 擦系数；t-所述环带的厚度(mm); F严所述环带的屈服应力(Mpa); r产所述环带的摩擦表面的半径(mm);(b) 将如此选定的部件放置在压力机内，以及(c) 将所述部件压在一起。
14. 一种制造如权利要求13所述的但是主要适用于旋转运动的能 量吸收和力限制摩擦联结装置的方法，其特征在于，所述方法包括预 选定具有特定力特性的部件，并且包括以下步骤(a )当装配选定的部件时应用下面的公式具有特定的扭矩特性 》走转扭矩-2.7i.rf.fi.L.t.Fy其中L-摩擦增强材料的长度(假定是环带形状)； 4=所述摩擦增强材料相对于另一个元件的能够摩擦的部分的摩 擦系数；t-所述环带的厚度； F^所述环带的屈服应力； r产所述环带的摩擦表面的半径；(b) 将如此选定的部件放置在压力机中，以及(c) 将所述部件压在一起。
15. —种如权利要求14所述制造的并且主要适用于旋转运动的能 量吸收和力限制摩擦联结装置，其特征在于，所述联结装置在所述装 置的每一个端部提供有一个共轴的联结设备，所述联结装置会可靠地 将轴向旋转从一端联结到另一端，除非在一个共轴的联结设备和另一 个共轴联结设备之间施加的相对扭矩超过预定的界限。
全文摘要
在例如地震区域的建筑物的结构内的选定点之间可连接有具有动能吸收特性的装置。当在地震期间一个可连接的部件相对于另一个移动时，在将该装置的一个部件相对于另一个部件柔顺地压入适当位置时，通过在制造时在内部注入的张力来保证摩擦。在使用时，如果在其部件之间施加的力大于或等于滑动摩擦开始的预定力的力，在该装置提供减振力。
文档编号F16F7/09GK101238265SQ200680018104
公开日2008年8月6日 申请日期2006年5月24日 优先权日2005年5月24日
发明者史蒂文·克雷格·卡西迪, 杰弗里·约翰·汤普森 申请人:杰弗里·约翰·汤普森;史蒂文·克雷格·卡西迪