筒式自感知摩擦阻尼器

本发明涉及土木工程防灾减灾，尤其涉及一种筒式自感知摩擦阻尼器。

背景技术：

1、摩擦纳米发电机(teng)是基于机械界面摩擦起电与静电感应耦合效应的纳米能源技术，能够实现将低频的机械能转化为电能。随着teng的应用和发展，其具有集成化程度高，自供能，不需维护，环境影响小等优点。而现有的建筑物结构健康监测中传感器系统的占地空间大，维护困难，系统复杂问题突出，故设计了一种摩擦纳米发电机与摩擦阻尼器一体化集成的结构传感器。

2、摩擦纳米发电机共有四种不同发电模式：水平滑动模式，垂直接触-分离模式，单电极模式以及独立层模式。摩擦阻尼器的作用主要是利用摩擦耗散结构的振动能量，故本发明选择单电极模式进行设计探究。在阻尼器工作过程中会产生较大摩擦力，通常情况下强摩擦力会影响发电性能，这便要求集成的摩擦纳米发电机需要在强摩擦力下进行电能转化。

3、现有的自感知摩擦阻尼器基于水平滑动模式进行构件设计，其在强摩擦力工作环境下会发生电荷泄露，从而导致电信号的丢失和减弱，无法满足实际工作要求。而改进其发电性能，增强其耗能能力对推动阻尼器的应用有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于改进现有的自感知摩擦阻尼器发电原理及摩擦耗能形式，使其具有更加稳定和清晰的电信号输出，增大其摩擦面积，提升摩擦耗能能力，提出一种筒式自感知摩擦阻尼器，可实现健康监测与减振一体化集成功能。

2、本发明的技术方案如下：一种筒式自感知摩擦阻尼器，从外到内分为外套筒摩擦起电组、内栓杆摩擦起电组；

3、所述外套筒摩擦起电组从外至内依次为限位外套筒1、外绝缘层8和摩擦起电正极层9，三者依次连接；限位外套筒1一端连接套筒连接板6；

4、所述内栓杆摩擦起电组从外至内依次为摩擦起电负极层10、内绝缘层15和内栓杆2，三者依次连接；内栓杆2一端连接栓杆连接板4，另一端为凸出的限位盘7，所述限位盘7位于限位外套筒1内；摩擦起电负极层10与限位盘7间为绝缘垫11；内栓杆2侧面上设有限位槽3，限位外套筒1另一端于限位槽3上移动；摩擦起电正极层9与摩擦起电负极层10二者接触；

5、摩擦起电正极层9连接正极导线12，内栓杆2或限位外套筒1连接接地导线14，正极导线12与接地导线14连接电信号采集器13。

6、所述限位外套筒1的连接侧采用预压力限位螺栓5连接，用于向限位外套筒1施加压力。

7、所述套筒连接板6及栓杆连接板4分别连接在结构中因荷载而产生相对变形的两个位置。

8、所述限位外套筒1、内栓杆2和限位盘7均为金属材料，内栓杆2或限位外套筒1须接地。

9、所述摩擦起电正极层9的材质为钢、镍、铜、硫、黄铜、银或复合导电材料。

10、所述摩擦起电负极层10的材质为聚酯、聚异丁烯、聚氨酯、柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、氯丁橡胶、自然橡胶、聚丙烯腈、腈涤纶、聚碳酸双酚、聚3,3-双(氯甲基)丁氧环、聚偏乙氯二烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚四氟乙烯。

11、所述限位盘7的材质为钢、铜、镍、铬、钛、钨或金属合金。

12、所述绝缘垫11的材质为柔性绝缘材料。

13、本发明为达到增强阻尼器耗能，改进感知能力，将现有自感知摩擦阻尼器耗能方式与起电原理进行改进，使用筒式摩擦的耗能方式。将限位外套筒1设置为两片式螺栓组装方式，其内侧设置为金属起电导体，内栓杆2外侧为耐磨且电极性较大的材料，同时，从内栓杆2引出接地导线14。在金属起电导体与限位外套筒1之间、内栓杆2与耐磨极性材料之间设置绝缘层，从金属起电导体引出正极导线12。在正极导线12与接地导线14之间连接电信号采集器13。当摩擦阻尼器在产生相对摩擦而耗能的过程中，摩擦面的相对接触面积减小，导致金属平面内的感应电荷减少，金属板电势减小，在地面与金属极板电势差的驱使下，从接地导线14引入电荷，从而实现了电荷流动。两个摩擦面间的电压差与其相对位移直接相关，从而可通过电信号的采集监测相对位移与速度。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、(1)本发明完成了对现有自感知阻尼器的耗能方式进行改进，摩擦滑动方式为筒式，增大了单位体积的摩擦面积，提高了耗能能力；

16、(2)本发明改变了发电原理，发电模式由水平滑动模式变为了单电极模式，简化电荷转移路径；同时，增加绝缘层与绝缘垫层，防止了电荷泄露。更好的实现了监测与减振功能的一体化，工程实用性更好，具有广阔的市场应用前景。

技术特征：

1.一种筒式自感知摩擦阻尼器，其特征在于，所述筒式自感知摩擦阻尼器从外到内分为外套筒摩擦起电组、内栓杆摩擦起电组；

2.根据权利要求1所述的筒式自感知摩擦阻尼器，其特征在于，所述限位外套筒(1)的连接侧采用预压力限位螺栓(5)连接，用于向限位外套筒(1)施加压力。

3.根据权利要求1或2所述的筒式自感知摩擦阻尼器，其特征在于，所述套筒连接板(6)及栓杆连接板(4)分别连接在结构中因荷载而产生相对变形的两个位置。

4.根据权利要求3所述的筒式自感知摩擦阻尼器，其特征在于，所述限位外套筒(1)、内栓杆(2)和限位盘(7)均为金属材料，内栓杆(2)或限位外套筒(1)接地。

5.根据权利要求4所述的筒式自感知摩擦阻尼器，其特征在于，所述摩擦起电正极层(9)的材质为钢、铝、镍、铜、硫、银或复合导电材料。

6.根据权利要求5所述的筒式自感知摩擦阻尼器，其特征在于，所述摩擦起电负极层(10)的材质为聚酯、聚异丁烯、聚氨酯、柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、氯丁橡胶、自然橡胶、聚丙烯腈、腈涤纶、聚碳酸双酚、聚3,3-双(氯甲基)丁氧环、聚偏乙氯二烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚四氟乙烯。

7.根据权利要求6所述的筒式自感知摩擦阻尼器，其特征在于，所述限位盘(7)的材质为钢、铝、铜、镍、铬、钛、钨或金属合金。

8.根据权利要求7所述的筒式自感知摩擦阻尼器，其特征在于，所述绝缘垫(11)的材质为柔性绝缘材料。

技术总结
本发明属于土木工程防灾减灾技术领域，公开了一种筒式自感知摩擦阻尼器，该筒式自感知摩擦阻尼器从外到内分为外套筒摩擦起电组和内栓杆摩擦起电组；外套筒摩擦起电组与内栓杆摩擦起电组内均设有绝缘层。外套筒摩擦起电组从外至内依次为限位外套筒、外绝缘层、摩擦起电正极层；内栓杆摩擦起电组从外至内依次为摩擦起电负极层、内绝缘层、内栓杆。针对现有自感知阻尼器，增加了接地路线与绝缘层，优化了现有自感知阻尼器的起电原理，减少了电荷的泄露，实现了电信号的抗干扰和强度增大。本发明实现了自感知摩擦阻尼器的自感知能力增强，耗能面积增大，耗能能力提高，抗干扰性能增强，更加适合设计和施工。

技术研发人员：马宁,董旭峰,张世超
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21