第2章　液體黏滯阻尼器簡介

2.1　液體阻尼器的發展歷史

液體阻尼器的發展可以追溯到20世紀初。為了滿足大型武器裝備發展的需求，液體阻尼器以及其他工程設備得以迅速設計制造并成功獲得實踐應用。早期的液體阻尼設備一般通過黏滯效應進行工作，黏滯效應主要由阻尼器內部葉片或鋼板與內部介質之間的剪切作用產生，如圖2-1所示。

這類裝置由于內部板與流體之間孔穴的存在，根據其介質黏度的不同，最大剪切強度通常在0.06～0.1N/mm2之間，按照這種黏滯效應原理制造的阻尼器尺寸較大、經濟性較差。此外，由于液體黏度受溫度影響十分明顯，造成這類阻尼器輸出力在溫度下的穩定性較差。例如：目前的成品硅油，溫度從20℃升到50℃時，其黏度相應下降50％。利用上述原理，在當今的土木工程領域，仍然在實際工程中采用的類似產品有GERB生產的阻尼鍋以及日本的阻尼墻等，如圖2-2所示，和現代Taylor公司的阻尼器相比最大的不同是沒有高內壓。

在19世紀后期，為了耗損大型加農炮的后座力，一些阻尼裝置被應用到火炮領域。早期的火炮通常采用非常粗糙的方式對后座力進行控制，其耗能特性極不規律，很難適應裝備的快速發展。只有那些可靠的、功能完備的阻尼裝置，才能適應高功率的快速連續發射。經過深入的試驗研究，法國軍隊在他們的75mm、M1897型大炮中采用了一種獨特的流體阻尼裝置。這種流體阻尼器設計采用惰性流體，強迫油液以高速（高于200m/s）通過小孔，從而產生高阻尼力。裝置的輸出力不會因內部油液的黏度以及溫度而產生顯著變化。這種阻尼器可以穩定地耗損大炮發射所產生的后座力，在發射結束后提供恢復力將大炮恢復到初始位置。而且這類阻尼器的輸出力可以通過設計而被精確控制，能夠批量生產。在1900年～1945年期間，這項技術和產品在許多國家的軍事方面得到廣泛應用，但鑒于保密性，這項技術在當時并未向外界公布。其特點如下：

一是，雙向輸出阻尼，通過采用偏壓閥在拉、壓雙向獲得不同輸出力；

二是，連續變化輸出，采用連續變化錐形銷小孔；

三是，自適應阻尼，如：根據武器傾斜角度，阻尼力相應進行變化，采用扇形齒輪驅動旋轉通過油腔截面的錐形銷，控制流液流量。

在第二次世界大戰中，隨著雷達以及其他電子設備的出現，這些技術被用于減小這些設備對外界振動沖擊的影響。在冷戰期間，巡航導彈成為重要的軍事手段，流體阻尼器被用于保護導彈以抵御一些傳統武器以及核武器所產生的沖擊波。在武器爆轟附近地面的瞬時沖擊速度能達到3～12m/s，幅值可達2000mm，加速度能達到1000g。對一些大型結構而言，為了消減所受到的瞬時沖擊，需要非常高的阻尼力，流體阻尼器成為解決這些問題的最佳方式。

1.液體阻尼器發展里程碑事件

在液體阻尼器的研制過程中，具有里程碑意義的事件有：

（1）1897年，高性能液壓阻尼器最早由法國軍方研制，并成功獲得應用。

（2）1925年，應用在汽車上的第一個滾動吸振器（如圖2-3所示），由布法羅的Houdaille液壓公司Ralph Peo研制。

（3）1935年，英國George Dowty研制出第一臺液體彈簧阻尼器，由于價格過高未能批量生產。

（4）1949年，Delco采用具有安全閥的雙腔阻尼器控制汽車振動。活塞桿上部固定以利于采用重力輔助粗糙的橡膠密封。

（5）1952年，Wales-Strippit公司的PTaylor制造出第一個液體彈簧阻尼器，應用于印刷設備上。在1955年P Taylor成立了Taylor Devices公司。

（6）1956年，首次在結構中采用液壓阻尼器，采用Taylor Devices公司的液體彈簧阻尼器應用到chance-vought F8型飛機上。

（7）1970年，Taylor Devices公司液體阻尼系統申請專利，可提供具有液壓線性阻尼器，如圖2-4所示。

（8）1985年，Taylor Devices公司研制出具有金屬柔性密封的高壓無摩擦阻尼器，應用于航天設施，如圖2-5所示。

2.Taylor公司的相關介紹

隨著20世紀80年代末冷戰的結束，許多用于防衛設施的技術可以出售用于民用。Taylor公司Taylor Devices從1955年開始作為供應商向美國政府出售阻尼器和緩沖器裝置，并與位于布法羅的美國紐約州立大學（SUNYAB）共同研究且將這些裝置用于建筑和橋梁上以提高其抗震性能。美國紐約州立大學同時也是美國多學科地震工程研究中心的所在地。從1991年開始，該中心振動臺上進行了縮尺結構模型試驗，這是人們第一次真正意義上建立了結構保護的概念并付諸實施。發展至今，Taylor公司已經成為一家聞名世界的減震設備系統公司。

下面介紹一下Taylor公司的相關歷史以供讀者參閱。

（1）1963年，Taylor公司通過在減震和緩沖領域所進行的長時間的研究，推出了液體彈簧和液體阻尼器的產品。

（2）1963年，在二次Pontiac汽車的緩沖系統測試中安置了液體彈簧減震器，該交通工具在沒有進行任何維護的情況下運行了24139.5km。

（3）1965年，通用汽車公司在Chevrolet Corvair車上裝備了Taylor公司的液體彈簧減震器，進行主動減震吸能控制，該車運行了64372km，并且不需要任何的維護，達到了令人滿意的測試結果。1966年，這輛汽車在通用汽車測試中被肯定，而且發現其操作較好。

（4）1967年，在賓夕法尼亞州NewCastle市中的城市公共汽車上裝備了Taylor公司的液體彈簧減震器。1970年，當這些公共汽車報廢的時候，減震器仍然處于正常工作狀態。

（5）1970年，世界最大的卡車——具有350t載重能力的V’Con Mountain Mover裝備了Taylor公司的液體彈簧減震器，具有每小時90km的速度，V’Con在當時被認為是速度最快的重采礦卡車，卡車行駛5000個小時之后報廢的時候，減震裝置沒有破壞和漏油情況出現。

（6）1972年，Taylor公司的液體黏滯阻尼器被American Motors選用。1973年，Hornet and Matador選用了每小時8km的緩沖吸能裝置，這是世界上第一輛使用液體黏滯阻尼器的汽車產品。

（7）1980年，Taylor公司被美國空軍選定為MPS Based MX導彈的減震裝置供應商。Taylor公司就液體黏滯阻尼器在減少整個導彈的大小和重量方面申請了專利。

（8）1986年，Taylor公司被美國空軍選定為大型地面導彈減震系統的研究機構，并在90年代展開了大量試驗研究。

（9）1991年，Taylor公司的大量隔震、吸能裝置成功地被應用在沙漠風暴行動之中。最著名的是美國海軍精確發射的致命戰斧巡弋導彈，每個發射筒中都安置了8個Taylor公司的緩沖吸能裝置，成功地保護了導彈的正常發射。

（10）1992年，在美國國家地震工程學研究中心進行了大量液體黏滯阻尼器設置在建筑結構和橋梁上承受地震荷載的試驗。試驗有力地證明了安置的阻尼器的性能十分優越，效果十分顯著。其抗震能力可提高到300％～500％，無論鋼結構或混凝土結構，阻尼器都能減少所受地震荷載下的結構反應內力和位移。

（11）1993年，在加州的San Bernardino縣，新建的醫療中心的五棟建筑物選用了Taylor公司的液體黏滯阻尼器進行抗震，使用了超過180個液體黏滯阻尼器，每一個的阻尼力為1400kN，長度為1219mm。

（12）1994年，Taylor公司為美國軍隊提供了一個電子主動控制的隔震減震系統，用來保護THAAD地對空導彈的導航系統。

（13）1995年，在加州的薩克拉門托的太平洋貝爾北方網絡中心，在這個27870m2的結構上安裝了支撐形式的62個Taylor公司的液體黏滯阻尼器，在發生大地震時這些阻尼器將保證結構不會發生破壞。

（14）1997年，華盛頓州地區選擇安裝Taylor公司的液體黏滯阻尼器來保護西雅圖新建西北太平洋棒球場開啟式屋頂的三個區段，其獨特的可縮回的屋頂設計需要超過9484kN的阻尼力，是通過8個阻尼器來提供的。阻尼器上設置了世界上唯一的阻尼器在線健康監測。

（15）2000年，在舊金山—奧克蘭海灣西段懸索橋的抗震設計中，選用了96個Taylor公司的液體黏滯阻尼器。這種新式的抗震方式對1989年Loma Prieta地震損壞的橋梁作出了經濟實用的抗震補強加固和抗震性能的升級。