2.4　液体黏滞阻尼器的设计

阻尼器的设计是一个十分复杂的过程，大致上可以分为阻尼器的强度计算、阻尼器的热量计算、流体动力学计算以及对比经验数据这四个主要过程。（1）强度设计：阻尼器内部所有部件均应进行强度设计，各部件（包括活塞杆、油缸以及护套）在设计额定阻尼力基础上同时考虑一定安全储备；通常情况下安全系数应考虑取2.0～2.5，应保证在此安全储备下拉力和压力下各部件不应有任何屈服、变形。（2）受热计算分析：按照单位时间内阻尼器的能量耗散进行阻尼器的热量计算，同时考虑动力密封件的设置。（3）流体动力学计算：确保所有参数达到设计曲线要求。（4）对比经验数据：设计阻尼器同时参照丰富的数据平台，确保精度。此外，每种新参数的阻尼器其生产过程都是边生产、边试验的过程，除了控制质量的材料试验，成品的质量检测、部分组件（如活塞、密封件）的检测也都是必不可少的。

阻尼器由于所处的环境不同，其单位时间所耗散的热量有很大差别，这也是阻尼器设计的前提。有的阻尼器设计是由其强度来控制的，如普通用于土木工程领域的抗震阻尼器，在设计荷载的基础上，考虑足够的安全储备后，通过强度确定阻尼器各部分零部件的尺寸；另一方面是阻尼器单位时间内需消耗的能量很大，阻尼器需要足够的内部腔体和外部尺寸来实现能量转换，在这类设计中功率起到决定作用，是控制因素。

明确黏滞阻尼器的工作和运行状态是进行合理的耗能减震设计过程的基础，这也与设计者的初衷及目的有关。黏滞阻尼器的工作状态主要分为两种，即日常的运营状态以及遇到突发事件所处的状态。如何量化和采用合理的设计标准是准确进行黏滞阻尼器设计的关键所在。下面介绍阻尼器内部的工作压强、其能量耗散形式、热效应以及服役期限等。

2.4.1　阻尼器内部的工作压强

阻尼器的工作压强影响阻尼器的尺寸和内部部件的材料性能，这些因素相应地也会影响整个项目的造价。目前来看，当抗震用阻尼器内部工作压强在5000～8000psi（34～55MPa）之间时，其价格最为经济。

对于抗风用阻尼器来说，需要考虑阻尼器在风雨条件下连续工作几个小时，并连续不间断地消耗振动产生的能量。大多数情况下，抗风阻尼器的工作压强不应大于2000psi（13.8MPa），否则阻尼器内部流液和动态密封将会因过热而失效。

相对于航空及军事领域采用的阻尼器而言，抗震及抗风阻尼器的内部工作压强设计较为保守。当对价格不是十分敏感时（相对于最小尺寸和重量），非商业的、高性能阻尼器的内部工作压强可达到30000～50000psi（207～345MPa）。航空及军事用阻尼器产品在设计上比较类似，通常采用价格很高的内部材料，如特殊镇静钢，其屈服强度超过200000psi（1380MPa）。

2.4.2　黏滞阻尼器的能量耗散形式

如设计合理，液体阻尼器能够按照特定的性能在一定范围内消减瞬态及稳态输入，以保证阻尼器在使用过程中不会出现屈服、遗漏或过热现象。

1.瞬时输入

按照阻尼器的极限使用要求，大型阻尼器能够比较容易设计成用于消减频率范围在0～2000Hz的瞬态输入。当用于地震装置时，由于地震反应谱输入范围一般最多不超过10Hz，对于振动系统的传统机械设计，控制系统应可以承受具有10倍以上的最大频率输入，所以对于地震用阻尼器装置的使用频率范围在0～100Hz是足够的。

图2-19所示为Taylor公司100kips阻尼器对于地震输入反应的测试曲线，结果显示阻尼器可以轻易跟踪所输入的信号。这项测试受测试设备能力的限制，并且阻尼器本身也相对较小。阻尼器供应商的预检验要求每个厂家提供已经制造的阻尼力在50～100kips（222.5～445kN）之间的瞬态反应输出测试结果，同样也要求提供已经发表的关于设置多个小尺寸阻尼器（1～10kips，4.45～44.5kN）的缩尺建筑结构在振动台测试的测试结果。

2.稳态输入：振动和风

非地震区结构采用的液体阻尼器通常用于减小脉动风下的结构反应。其他地区采用的阻尼器装置用于减小可测试到或能感到的振动。这些振动可能源于结构的内部或外部的各种输入，也可能源于汽车、飞机或工业设备等振动源。结构内部需要衰减的振动包括由结构内部的机械设备或屋内人的共振运动（如跳舞等）所产生的振动。如前所述，液体阻尼器用于消减频率输入在0～2000Hz范围的振动，也可用于抑制振幅为0.001in（0.0254mm）的小幅振动。这类阻尼器提供商的预检验要求与地震装置的要求相同。

2.4.3　热效应

热效应是被许多阻尼器生产厂家所忽视的问题。为了防止阻尼器内部部件在使用时过热，对阻尼器内部的温度反应进行设计计算是十分必要的。大多数情况下，由于温度过高，阻尼器内的动态密封装置会出现变软或熔化变形并最终发生泄漏而造成阻尼器破坏。如经计算发现阻尼器在使用中可能会产生温度过高的现象，通常的处理办法是加大阻尼器的外部尺寸来保证阻尼器在使用过程中温度升高时内部部件足够安全。

如热力学中所述，热的传导散热包括三种形式：热传导、对流和辐射。在一次热传导过程中，必有三者其一起主导作用。液体阻尼器对所耗损的能量主要有下面几种传导方式：对于地震和其他短周期内的振动，以热传导为主；对于风及稳态振动等长周期振动，以热传导及对流两种形式为主。

采用何种热传输方式对于阻尼器外形尺寸的确定非常重要。如果对所需消耗的热量设计不合理，阻尼器就会失效。如在一次重型火炮后座力缓冲阻尼器的竞标中，其中一位竞标者在阻尼器内采用的是复杂的降温散热装置。很明显，该公司的工程师认为大炮所采用的阻尼器通过连续稳态的传导及对流（Conduction and Convection）散热，所以采用了冷却散热片。另一位竞争者对这类装置很了解，设计了相同尺寸的阻尼器，但是采用了厚重的、实心钢管。原因很简单，大炮在连续发射过程中武器的缸体急剧升温，实际发射过程可能在不到15s内连续发射15～100次。在实际测试过程中，带降温散热片的阻尼器仅循环1000次后密封圈就被熔化了，而不带散热片的阻尼器在设计中考虑到实际应用时热量的传导散热是最为关键的，而热量的传导散热在发射过程这么短的时间内很难完成，所以这类装置对短时间内热量消耗的作用不大，以至于最终不带散热片的阻尼器完好无损。

对地震及其他短周期内的振动来说，阻尼器必须耗损所有可耗损的能量，并通过能量耗损的热传导过程把能量传给阻尼器内的流液及缸体。由于散热过程很短，阻尼器的其他部位如端部盖板、活塞杆和固定支座等则不会用于散热，且在这么短的时间内也无法通过阻尼器周围的空气完成热传递的过程。一般阻尼器生产厂商会控制在最大地震过程中阻尼器温度不超过100°F（40℃）。这个温度是测量阻尼器缸体外部直径处在瞬态反应发生时活塞头中间轴线的最初位置而得到的。一般对于大多数具有厚重结构的液体阻尼器来说，在瞬时输入完几分钟之后才能达到峰值温度。如果生产厂家在活塞头上设置密封圈，则表面允许的温度可能显著低于控制温度。这时由于能量的耗损仅发生在阻尼器的小孔处，在阻尼器内某一点形成了局部热源，这种局部热源不能将热量传导至能承受更高温度而不会有任何问题的阻尼器金属部分或液体部分。位于热源处的密封装置则完全不同，当绝对温度超过一定限值后，如300°F（150℃），密封圈通常会变软。

当用于风或其他稳态振动时，阻尼器的热传递方式则完全不同于其用于短时间内瞬态振动时的热传递方式。这是因为对于大多数风雨振动或稳态振动来说，持续时间一般会在几个小时以上，阻尼器会连续循环多次。而试验表明，在连续循环输入下阻尼器的发热温度在两个小时内便会达到稳定，之后大部分的热量将传递给阻尼器周围的空气。有时，对流的空气会把阻尼器的热量传递给结构内部的空气，而工程师会为阻尼器提供必要的空气导管用于散热，更为理想的是提供外部空气驱动装置。风阻尼器的传热温度计算相对来说比较复杂，阻尼器制造商必须给出一定的风运动数据资料从而确定阻尼器的大小。总体而言，与地震用阻尼器对于温度升高的要求类似，厂家要求对用于稳态反应的阻尼器，其周围温度也不要超过控制温度。

目前，在地震区所采用的阻尼器同样要用于抗风。几乎所有的项目，当阻尼器很大时，阻尼器的几何尺寸由大震的情况控制，风的输入相对次之。其中一个原因是用于地震时所需的附加阻尼比通常远大于用于抗风的情况。附加阻尼比会给居住者带来更为舒适的感觉，也会消减每个阻尼器所消耗的功率。不难理解，脉动风作用下结构会产生共振或拟共振的运动，如结构共振放大系数，阻尼比。

如果阻尼比加倍，放大系数降低幅度为4倍。放大系数直接与阻尼器所能允许的风功率成正比，随着阻尼比的增加，阻尼器需要消耗的功率得以很快消散。

2.4.4　循环和服役寿命

如果阻尼器的设计及制造合理，也就是说，如果生产商所选定的密封技术适当，阻尼器的密封能够完全达到干密封状态（Dry Sealed），不会产生任何遗漏，实际上并不需要提出定期服役或更换期。在阻尼器生产早期，大多数生产商使用液压钢密封所使用的密封件，大多数液压系统采用动密封，在静态和动态过程中允许有遗漏出现，这也符合整个液压系统的技术要求。若阻尼器作为一个被动元件，使用情况则完全不同。阻尼器生产商往往采用干密封件来阻止阻尼器在服役期可能产生的任何遗漏。一些没有生产和设计经验的厂家可能采用常规的商用液压密封，一般这些阻尼器都附带油液水准观察孔或附带油库以便补油；如果阻尼器生产商在质保手册中要求定期更换油液，甚至要求更换密封件，便可以判定他们所使用的密封技术如何了。

由于活塞杆前后运动密封件耐久性降低，阻尼器内动密封的种类限制了阻尼器的工作或服役寿命。总的来说，密封件的寿命可以通过活塞杆在阻尼器服役期内往复移动的总距离来大体确定。目前，密封件的设计技术可以给一个经过优良设计制造的阻尼器提供至少50/75年的服役期，在此期间不需要任何定期维护。

2.4.5　液体黏滞阻尼器的设计参数形成

与其他产品有所区别的是：对于每个特定工程，制造商应根据流体阻尼器的特定要求进行相应的设计调整。这些参数包括：（1）最大输出力；（2）最小安全系数；（3）从中位计算的可用阻尼器冲程；（4）阻尼系数；（5）速度指数；（6）工作环境温度；（7）最大风功率输入（如果要求）；（8）阻尼器连续工作的时间（如果要求）；（9）阻尼器的尺寸要求。

最大输出力为在最大地震动输入下得到的结果。安全系数以最大输出力或最大速度为基础，如1.5倍安全系数表示阻尼器达到1.5倍最大输出力或最大速度时不会屈服损坏。根据阻尼器速度指数的取值不同，1.5倍安全系数相对于最终输出力来说有所区别。对于V2型阻尼器，提高22％的阻尼器最大速度就能使输出力提高1.5倍；对于V0.3型阻尼器，几乎400％的最大速度才能使输出力提高1.5倍。在我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中则明确指出：极限速度应不小于最大速度的1.2倍，美国FEMA（Federal Emergency Management Agency）要求1.3倍，HITEC测试做了2倍的最大速度。阻尼器安全系数应明确其具体含义。对于静力载荷和动力载荷所采用的测试以及对应的测试意义完全不同。