第2章　液体黏滞阻尼器简介

2.1　液体阻尼器的发展历史

液体阻尼器的发展可以追溯到20世纪初。为了满足大型武器装备发展的需求，液体阻尼器以及其他工程设备得以迅速设计制造并成功获得实践应用。早期的液体阻尼设备一般通过黏滞效应进行工作，黏滞效应主要由阻尼器内部叶片或钢板与内部介质之间的剪切作用产生，如图2-1所示。

这类装置由于内部板与流体之间孔穴的存在，根据其介质黏度的不同，最大剪切强度通常在0.06～0.1N/mm2之间，按照这种黏滞效应原理制造的阻尼器尺寸较大、经济性较差。此外，由于液体黏度受温度影响十分明显，造成这类阻尼器输出力在温度下的稳定性较差。例如：目前的成品硅油，温度从20℃升到50℃时，其黏度相应下降50％。利用上述原理，在当今的土木工程领域，仍然在实际工程中采用的类似产品有GERB生产的阻尼锅以及日本的阻尼墙等，如图2-2所示，和现代Taylor公司的阻尼器相比最大的不同是没有高内压。

在19世纪后期，为了耗损大型加农炮的后座力，一些阻尼装置被应用到火炮领域。早期的火炮通常采用非常粗糙的方式对后座力进行控制，其耗能特性极不规律，很难适应装备的快速发展。只有那些可靠的、功能完备的阻尼装置，才能适应高功率的快速连续发射。经过深入的试验研究，法国军队在他们的75mm、M1897型大炮中采用了一种独特的流体阻尼装置。这种流体阻尼器设计采用惰性流体，强迫油液以高速（高于200m/s）通过小孔，从而产生高阻尼力。装置的输出力不会因内部油液的黏度以及温度而产生显著变化。这种阻尼器可以稳定地耗损大炮发射所产生的后座力，在发射结束后提供恢复力将大炮恢复到初始位置。而且这类阻尼器的输出力可以通过设计而被精确控制，能够批量生产。在1900年～1945年期间，这项技术和产品在许多国家的军事方面得到广泛应用，但鉴于保密性，这项技术在当时并未向外界公布。其特点如下：

一是，双向输出阻尼，通过采用偏压阀在拉、压双向获得不同输出力；

二是，连续变化输出，采用连续变化锥形销小孔；

三是，自适应阻尼，如：根据武器倾斜角度，阻尼力相应进行变化，采用扇形齿轮驱动旋转通过油腔截面的锥形销，控制流液流量。

在第二次世界大战中，随着雷达以及其他电子设备的出现，这些技术被用于减小这些设备对外界振动冲击的影响。在冷战期间，巡航导弹成为重要的军事手段，流体阻尼器被用于保护导弹以抵御一些传统武器以及核武器所产生的冲击波。在武器爆轰附近地面的瞬时冲击速度能达到3～12m/s，幅值可达2000mm，加速度能达到1000g。对一些大型结构而言，为了消减所受到的瞬时冲击，需要非常高的阻尼力，流体阻尼器成为解决这些问题的最佳方式。

1.液体阻尼器发展里程碑事件

在液体阻尼器的研制过程中，具有里程碑意义的事件有：

（1）1897年，高性能液压阻尼器最早由法国军方研制，并成功获得应用。

（2）1925年，应用在汽车上的第一个滚动吸振器（如图2-3所示），由布法罗的Houdaille液压公司Ralph Peo研制。

（3）1935年，英国George Dowty研制出第一台液体弹簧阻尼器，由于价格过高未能批量生产。

（4）1949年，Delco采用具有安全阀的双腔阻尼器控制汽车振动。活塞杆上部固定以利于采用重力辅助粗糙的橡胶密封。

（5）1952年，Wales-Strippit公司的PTaylor制造出第一个液体弹簧阻尼器，应用于印刷设备上。在1955年P Taylor成立了Taylor Devices公司。

（6）1956年，首次在结构中采用液压阻尼器，采用Taylor Devices公司的液体弹簧阻尼器应用到chance-vought F8型飞机上。

（7）1970年，Taylor Devices公司液体阻尼系统申请专利，可提供具有液压线性阻尼器，如图2-4所示。

（8）1985年，Taylor Devices公司研制出具有金属柔性密封的高压无摩擦阻尼器，应用于航天设施，如图2-5所示。

2.Taylor公司的相关介绍

随着20世纪80年代末冷战的结束，许多用于防卫设施的技术可以出售用于民用。Taylor公司Taylor Devices从1955年开始作为供应商向美国政府出售阻尼器和缓冲器装置，并与位于布法罗的美国纽约州立大学（SUNYAB）共同研究且将这些装置用于建筑和桥梁上以提高其抗震性能。美国纽约州立大学同时也是美国多学科地震工程研究中心的所在地。从1991年开始，该中心振动台上进行了缩尺结构模型试验，这是人们第一次真正意义上建立了结构保护的概念并付诸实施。发展至今，Taylor公司已经成为一家闻名世界的减震设备系统公司。

下面介绍一下Taylor公司的相关历史以供读者参阅。

（1）1963年，Taylor公司通过在减震和缓冲领域所进行的长时间的研究，推出了液体弹簧和液体阻尼器的产品。

（2）1963年，在二次Pontiac汽车的缓冲系统测试中安置了液体弹簧减震器，该交通工具在没有进行任何维护的情况下运行了24139.5km。

（3）1965年，通用汽车公司在Chevrolet Corvair车上装备了Taylor公司的液体弹簧减震器，进行主动减震吸能控制，该车运行了64372km，并且不需要任何的维护，达到了令人满意的测试结果。1966年，这辆汽车在通用汽车测试中被肯定，而且发现其操作较好。

（4）1967年，在宾夕法尼亚州NewCastle市中的城市公共汽车上装备了Taylor公司的液体弹簧减震器。1970年，当这些公共汽车报废的时候，减震器仍然处于正常工作状态。

（5）1970年，世界最大的卡车——具有350t载重能力的V’Con Mountain Mover装备了Taylor公司的液体弹簧减震器，具有每小时90km的速度，V’Con在当时被认为是速度最快的重采矿卡车，卡车行驶5000个小时之后报废的时候，减震装置没有破坏和漏油情况出现。

（6）1972年，Taylor公司的液体黏滞阻尼器被American Motors选用。1973年，Hornet and Matador选用了每小时8km的缓冲吸能装置，这是世界上第一辆使用液体黏滞阻尼器的汽车产品。

（7）1980年，Taylor公司被美国空军选定为MPS Based MX导弹的减震装置供应商。Taylor公司就液体黏滞阻尼器在减少整个导弹的大小和重量方面申请了专利。

（8）1986年，Taylor公司被美国空军选定为大型地面导弹减震系统的研究机构，并在90年代展开了大量试验研究。

（9）1991年，Taylor公司的大量隔震、吸能装置成功地被应用在沙漠风暴行动之中。最著名的是美国海军精确发射的致命战斧巡弋导弹，每个发射筒中都安置了8个Taylor公司的缓冲吸能装置，成功地保护了导弹的正常发射。

（10）1992年，在美国国家地震工程学研究中心进行了大量液体黏滞阻尼器设置在建筑结构和桥梁上承受地震荷载的试验。试验有力地证明了安置的阻尼器的性能十分优越，效果十分显著。其抗震能力可提高到300％～500％，无论钢结构或混凝土结构，阻尼器都能减少所受地震荷载下的结构反应内力和位移。

（11）1993年，在加州的San Bernardino县，新建的医疗中心的五栋建筑物选用了Taylor公司的液体黏滞阻尼器进行抗震，使用了超过180个液体黏滞阻尼器，每一个的阻尼力为1400kN，长度为1219mm。

（12）1994年，Taylor公司为美国军队提供了一个电子主动控制的隔震减震系统，用来保护THAAD地对空导弹的导航系统。

（13）1995年，在加州的萨克拉门托的太平洋贝尔北方网络中心，在这个27870m2的结构上安装了支撑形式的62个Taylor公司的液体黏滞阻尼器，在发生大地震时这些阻尼器将保证结构不会发生破坏。

（14）1997年，华盛顿州地区选择安装Taylor公司的液体黏滞阻尼器来保护西雅图新建西北太平洋棒球场开启式屋顶的三个区段，其独特的可缩回的屋顶设计需要超过9484kN的阻尼力，是通过8个阻尼器来提供的。阻尼器上设置了世界上唯一的阻尼器在线健康监测。

（15）2000年，在旧金山—奥克兰海湾西段悬索桥的抗震设计中，选用了96个Taylor公司的液体黏滞阻尼器。这种新式的抗震方式对1989年Loma Prieta地震损坏的桥梁作出了经济实用的抗震补强加固和抗震性能的升级。