2.2　土木工程用液体黏滞阻尼器的内部构造

目前，在土木工程领域内被普遍采用的流体阻尼器基本属于射流型，这类液体阻尼器所需设计的部分相对来说不是很多。然而，这些需要设计的部分通常变数很大，在某些情况下设计变得复杂而有难度。

图2-6为单出杆型阻尼器（Damper with a Accumulator），从图中不难理解，通过活塞的往复运动，液体流过活塞头上的小孔从而提供阻尼力。

图2-7为另一种最近被广泛应用的流体阻尼器——双出杆型阻尼器（Run Through Piston Rod），由于取消了内部储能器，这种阻尼器的稳定性和可靠性有所提高。

黏滞阻尼器是一种加工精确、各部件巧妙配合的机械产品。下面重点介绍阻尼器内部主要部件的作用，以便读者能够对这类阻尼器有进一步的认识。

2.2.1　流体孔、阀门和油库

1.小孔和阀门

小孔用于控制通过活塞头的流体压力。小孔可由经过机械加工的复杂通道制成，也可采用钻孔，利用弹簧压力球、提升阀或卷筒等制成。如需制作速度指数小于2的阻尼器出力，则需要相对复杂的设计。实际上，如果仅是钻一个简单的符合伯努利（Bernoulli）方程的圆孔，阻尼器出力则被限制在只与速度平方成比例的条件下。

由于速度平方阻尼在用于消耗地震能量时受到限制，此时就需要设计更加坚固、复杂的孔隙。一种办法是通过流液控制的系统过程并获得专利技术的一系列准确定型的通道控制，依据这些通道的形状及面积可使速度指数在0.2～1.0范围内变动，而不需要在小孔内设置任何活动的部件。

采用油腔内置活塞——流体型阻尼器作为抵抗冲击和振动吸能的装置，其内部结构主要分为两类：一类是装置内提供流体回路，活塞杆、活塞头的位置变化不影响装置输出，也就是在土木工程领域所采用的阻尼装置（Damper）；另一类不提供流体回路，构造较为简单，活塞杆位置变化会影响装置的输出，可称为缓冲器（Buffer）或液体弹簧（Liquid Spring）。但是上述两类所采用的流体孔隙在原理上是相同的。目前采用的液压阻尼器内部结构主要可分为以下四种：

（1）计量管型（Metering Tube）——采用活塞杆以及间隔排列的流液通道，如图2-8所示。

（2）计量杆型（Metering Pin）——采用与计量管型类似的结构，只是孔隙连续变化，如图2-9所示。

上述两种流孔的输出力形式为

以上两种结构类型的阻尼器需要针对设定好的振动形式进行设计。

（3）预压反应阀型（Pressure Responsive Valve，PRV）——预压反应阀由预压弹簧阀门阻塞的小孔所组成，通过孔隙的流量借助阀门和它的预压弹簧来计量控制，可同时采用多个弹簧预压阀芯，如图2-10所示。

（4）射流型（Fluidic）——第二类非伯努利型小孔是采用射流型方法，提供与PRV形式类似的控制流。射流型控制小孔没有可动的部件，而是采用一系列特殊形状的通道通过流体速度来改变流特性。射流控制小孔，装置出力可随流体速度的非平方幂指数变化，如式（2-2）所示。其内部构造如图2-11所示。

F=Cv0.2～2.0　　（2-2）

第3种和第4种结构仅与速度有关，而与相对位置无关。所以，只有这两种对消耗任意激励振动才有效。而如果需要获得速度指数更小的（α<0.2）阻尼出力形式，则只能采用压力感应阀型的小孔结构。阀门在长期工作下的耐久性不强是压力阀型阻尼器的主要缺陷，其极易发生故障，20世纪80年代以后一些阻尼器生产厂家将用在其他领域的双出杆阻尼器引用到结构工程中，取消了油库，其耐久性得到一定提高。

阻尼器内设置阀门（或称为调压阀、溢流阀、感应阀）的主要作用在于：

第一，在油腔和油库之间设置阀门，用于控制油库和主油腔流液的方向。

第二，在阻尼器活塞内部设置阀门，用于根据活塞的运动方向控制流液的流向，同时改变流体通过的面积。

需要注意的是，任何压力感应阀型阻尼器（图2-10）的应用都不得不面临全尺寸试验的要求，这些试验往往要测试能预期到的在实际应用过程中阻尼器所能达到的最大速度及频率，而有时设计吨位过大试验设备往往不能满足要求。

采用缩尺模型或仅进行一般性的试验是不能作为性能验证试验的。这是因为液压阀是不能进行比例缩尺的，缩尺后孔隙流通过阀门和阀门弹簧的力仍会以与其相关的一些参数按照平方的关系变化，而同时小球的重量、提升阀和滑阀会按照相关参数的三次幂指数变化。因此，当小孔较大时，由于一侧阀门的关闭而使其相对于其他阀门来说变得沉重，这样阻尼器在脉冲输入下的性能以及其频率反应范围将退化。为了维持阻尼器特定的性能，每个阻尼器的阀门不得不单独设计，不能缩尺。

2.油库

油阻尼器内设置油库，油库也称为蓄能器（Accumulator）或储油箱等，其作用主要在于：

（1）在单出杆（阻尼器活塞杆仅一端支撑，另一端活塞头滑动）的阻尼器内部，活塞杆所占油室的体积比例在运动中要保持平衡，必须通过设置油库来调节油腔内油量的变化，以便及时补给或收回；而双活塞杆型在活塞内运动时容积不发生变化，所以一般不需要设置。

（2）油库设置显然增大了油腔内油的体积，这有利于装置向外界耗散更多的热量。

（3）一些不能做到封闭严密、不漏油的厂家用油库来补充漏油。

可见，设置油库至少对于单出杆阻尼器是必要的。

当然，这种设置油库的单出杆阻尼器并不是一无是处，设置油库可以耗散更多的热量，在美国最近生产的功率较大的斜拉索和TMD阻尼器上都起到很好的作用。外挂油库的阻尼器如图2-12所示。

2.2.2　液体介质

在土木工程领域中应用的阻尼器，要求内部液体介质具有抗火、无毒以及温度稳定性，且性能不会随时间而退化，目前仅有硅基系列的液体可以满足这种要求。典型的硅基液体燃点超过650°F，完全无毒，是人类目前所知的温度稳定性最好的液体。普通机油对温度的敏感性很强，这类介质用在阻尼器上使阻尼器对时间和温度的稳定性都变得很差。随着硅油及密封材料研究的成功，液体硅油被成功应用于液体弹簧和阻尼器中。由于硅油需经过蒸馏，这种液体完全均匀，不会因为时间过长而产生沉淀，目前这种液体也用于护手霜及护肤产品中。

阻尼器内使用的硅油和硅胶作为两种化工原料，在化学品公司很容易就可以买到。它们一种是粉色胶泥状物质，一种是无色透明黏滞性液体。

胶泥不能在提供阻尼时很好地传递热量，而流体介质则不同。被加热的流体通过小孔与未被加热的流体相混合，从而使热量有效分散。胶泥过热后其化学性能开始发生破坏，变成类似泥浆之类的物质，不再耗损能量。在这种情况下，由于内部胶泥被破坏，采用胶泥的阻尼器或缓冲器在发生位移时则不能提供出力。此外，胶泥存在的另一个问题是，随着使用时间的延长，其性能易失效，变为部分固体部分和液体部分分离的混合物。

硅油完全是一种液体，而胶泥则属于硅胶与液体的混合物。与硅油相比，胶泥很容易密封。在没有掌握并解决密封问题的情况下，一些生产厂家很容易采用胶泥作为内部介质来解决阻尼器的漏油问题。20世纪50年代开始，Taylor公司最先把硅胶用于减震装置中，同时申报了专利。60年代，他们发现这种材料的温度稳定性能极差，无法达到液体弹簧和阻尼器在不同温度下高精度的要求。目前在美国，只有参数要求不高且仅作为一次性减震装置的缓冲器中仍沿用这种材料作为填充物。

在研制阻尼器初期，还有人希望采用普通机油作为介质，但普通机油对温度的敏感性很强，若将其用在阻尼器上，会使阻尼器对时间和温度的稳定性变得很差。随着硅油及密封材料的成功研制，液体弹簧和液体阻尼器中采用液体硅油早已在工程界成为共识，这种硅胶的“阻尼器”也就随之退出了国际阻尼器的舞台。

2.2.3　其他主要部件

1.活塞杆

经高度抛光在密封圈及密封导圈中滑动的活塞杆，一侧是阻尼器的固定耳板，另一侧连接着活塞头。总体来说，活塞杆必须承担所有的阻尼力和由加上密封圈的接触面提供的摩擦力。由于活塞杆一般相对来说比较纤细，且必须承担轴向荷载，所以活塞杆通常由高强度钢材制成。由于活塞杆表面的任何锈蚀及腐蚀都会引起密封系统的破坏，所以一般采用不锈钢材料来制作活塞杆，有时不锈钢表面必须镀铬来协调及保证密封材料的正常工作。

此外，活塞杆在设计时应进行应变控制，而不是应力控制，因为在阻尼器压缩过程中活塞杆的弹性变形会引起黏合或密封泄漏。如果阻尼器的位移超过300mm，则应考虑活塞杆所受到的弯距的影响。如行程过长，应采用钢管导向套（Guide Sleeve），以免活塞杆受到过大的弯距。美国Arrowhead医疗中心使用的基础隔震阻尼器就采用了这种导向套的结构。

2.油缸

阻尼器的油缸内含有液体介质，且必须保证阻尼器在工作中所带来的油腔内压力。油缸通常由无缝钢管制成，油缸上的任何焊接或浇铸都会引起阻尼器的疲劳破坏及在应力作用下产生裂缝。缸体一般要求按照罕遇地震作用下油腔内部产生压强的1.5倍进行设计。在设计压强作用下不应出现屈服、破坏以及裂缝等现象。

3.密封圈

液体阻尼器所使用的密封系统必须具有长时间服役期（不应低于50年），并且无周期性的变形。密封系统的材料必须是适用于阻尼器的液体，且需经过仔细挑选以满足这种服役期的要求。由于结构上采用的阻尼器通常在很长一段时间内并不经常使用，这就要求密封系统必须表现出长时间的黏性，不允许出现液体的缓慢遗漏。大多数阻尼器在活塞杆接触面上采用动态密封，在端部盖板或密封件固定器处采用静态密封。对于静态密封，传统的橡胶O形圈就可以做到。活塞杆处的动态密封由高强度的结构聚合物制成，以减少由于长时间不使用造成的密封收缩及变黏。动态密封的材料包括特富龙7号（Teflon7）、稳定尼龙和乙酰基树脂族系材料。动态密封由不会老化、退化的结构高聚物经冷塑加工制成。如采用传统的橡胶作为阻尼器内的动态密封，则需要定期更换。

4.活塞头

活塞头安装在活塞杆上，有效地将油缸分为两个腔体。活塞头控制液体通过其内部小孔从而产生阻尼压强。活塞头通常非常接近油缸内壁，有时会在活塞头与油缸内壁设置密封圈。活塞头是整个阻尼器部件中要求加工精度最高、技术含量最高的一部分。

图2-13是Taylor公司生产的两种较为典型的活塞头截面图。活塞头所设置的小孔采用前文提到的射流孔的形式，这种纯粹通过改变油液流动速度和方向来获得不同速度指数的活塞头构造形式十分巧妙，是Taylor公司的专利产品。这种构造已经完全摆脱了阻尼器内的易损零件——阀门，不但延长了阻尼器的寿命，也大大降低了阻尼器的造价。