CN101215860B

CN101215860B - 大出力磁流变阻尼器

Info

Publication number: CN101215860B
Application number: CN200710060652A
Authority: CN
Inventors: 张路; 丁阳; 李忠献
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: CN101215860A

Abstract

本发明公开了大出力磁流变阻尼器，它在主缸缸筒上连接有上、下两个主缸端盖，所述的主缸活塞杆通过设置在所述的主缸端盖上的密封圈插在所述的主缸钢筒内，它还包括通过上、下通道与所述的主缸缸筒相连通的副缸内筒、套在所述的副缸内筒外的副缸外筒、多个交替地套于副缸活塞杆上的副缸活塞盘、永磁片，所述的副缸活塞杆通过副缸端盖插在所述的副缸内筒内，在所述的副缸内筒上开有凹槽并在凹槽处缠绕有励磁线圈。该阻尼器在阻尼通道全长不变的情况下极大的提高了有效长度所占比例，基本实现了全通道有效，最大出力较同尺寸传统剪切阀式磁流变阻尼器提高一倍以上；同时具备极佳的防沉降性能及故障安全性能。

Description

大出力磁流变阻尼器

技术领域

本发明涉及磁流变阻尼器件，所提出的一种大出力磁流变阻尼器是一种性能良好的耗能减振装置，可普遍适用于高层建筑结构、大跨度空间建筑结构、桥梁结构以及其他土木工程结构的减振控制中。

背景技术

磁流变液是由细小的软磁性颗粒分散于磁导率较低的载液中形成的剪切屈服强度可随外加磁场变化而具有可控流变特性的悬浮液体；在磁场作用下，磁流变液可在毫秒级时间内实现由牛顿流体到Bingham半固态的可逆变化，撤去磁场后，又可以恢复原态。采用磁流变液制作的磁流变阻尼器具有出力大、体积小、响应快、结构简单、阻尼力连续可调、易于与计算机结合实现智能化控制等优点。传统剪切阀式磁流变阻尼器的基本原理是利用励磁线圈产生的磁场改变阻尼间通道处磁流变液的剪切屈服强度，从而引起阻尼器出力的变化。传统的剪切阀式磁流变阻尼器的活塞上由于需要缠绕线圈，因而活塞与缸筒间的阻尼通道分为有效长度和无效长度两部分，活塞端部与缸筒间的阻尼通道属于有效长度，而励磁线圈与缸筒间的阻尼通道成为无效长度。依据剪切阀式磁流变阻尼器的磁场分布特点，阻尼器工作时磁通仅会流经阻尼通道的有效长度部分，而无效长度部分由于没有磁通经过，该处磁流变液不会产生剪切屈服强度，所以，按照Bingham平板模型，阻尼器的最大出力与阻尼通道有效长度成正比，与无效长度无关。由此可见，为了提高阻尼器的最大出力，当阻尼通道长度一定时，应当尽量减小线圈挖槽所占据的无效长度，从而提高有效长度在阻尼通道总长中所占的比例，最理想的结果就是阻尼通道全长均为有效长度。但是，由于线圈自身直径及匝数的限制，线圈挖槽宽度(即无效长度)不可能无限制的减小，通常会占阻尼通道总长的一半以上，阻尼器最大出力也会因此损失一半以上。同时，传统磁流变阻尼器在零电流状态下阻尼通道处磁感应强度为零，因而当其在该状态下用于结构的被动控制时出力过小，控制效果并不理想，即故障安全(fail-safe)性能不佳。而且，传统剪切阀式磁流变阻尼器非工作状态下磁流变液长期处于零磁场状态，会出现沉降现象，阻尼器性能受到一定影响。CN200410068853.5公开了一种逆变型磁流变阻尼器，CN200610014402.2公开了一种多级装配式防沉降磁流变阻尼器，上述二专利通过在阻尼器磁路结构中增设永磁体，能够提高零电流状态阻尼器出力，并缓解了磁流变液的沉降现象。但是逆变型磁流变阻尼器需要利用辅助间隙形成复合磁路，磁路结构比较复杂，实际制作有一定难度，而多级装配式防沉降磁流变阻尼器无法对永磁体进行有效退磁，阻尼器最小出力过大，阻尼力可调范围过低，且两类阻尼器的阻尼通道均有很高比例的无效长度部分，阻尼器最大出力受到较大影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在阻尼通道全长不变的情况下极大的提高了有效长度所占比例，基本实现了全通道有效，最大出力较同尺寸传统剪切阀式磁流变阻尼器提高一倍以上；同时具备极佳的防沉降性能及故障安全性能的大出力磁流变阻尼器。

本发明的大出力磁流变阻尼器，它包括主缸缸筒、套在主缸活塞杆上的主缸活塞盘、在所述的主缸缸筒上连接有上、下两个主缸端盖，所述的主缸活塞杆通过设置在所述的主缸端盖上的密封圈插在所述的主缸钢筒内，它还包括通过上、下通道与所述的主缸缸筒相连通的副缸内筒、套在所述的副缸内筒外的副缸外筒、多个交替地套于副缸活塞杆上的副缸活塞盘、永磁片，并且处于中间位置的副缸活塞盘为两两设置，所述的副缸活塞杆通过副缸端盖插在所述的副缸内筒内以使所述的副缸活塞与所述的副缸内筒之间的间隙成为阻尼通道，在所述的两端的副缸活塞盘上安装有不锈钢阻磁盘，在所述的副缸内筒上开有凹槽并在凹槽处缠绕有励磁线圈。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、所述大出力磁流变阻尼器在阻尼通道全长一定的情况下极大的提高了有效长度所占比例，基本实现了全通道有效，最大出力较同尺寸传统剪切阀式磁流变阻尼器提高一倍以上；

2、由于所述阻尼器在非工作状态下阻尼通道处始终保持一定的磁感应强度，因而可以有效地防止磁流变液的沉降，确保阻尼器的实时有效性。

3、由于永磁片的作用，阻尼器在失去能源供应的状态下提供最大出力，依然能够提供较好的被动控制效果，因而所述阻尼器具备优良的故障安全(fail-safe)性能。

4、主缸和副缸采用模块化安装，副缸是通用部件，而主缸根据实际工程的需要有多种规格可供选用，通过改变主缸活塞的有效面积组装不同出力规格的型号，即无需对磁路进行重新设计便可得到多种出力规格的阻尼器，便于阻尼器的实际生产与使用。

5、所述大出力磁流变阻尼器采用了一种新型复合磁路结构，极大的简化了永磁体与励磁线圈共同作用的复合磁路结构，有利于简化阻尼器的设计与制作。

附图说明

图1(a)是大出力磁流变阻尼器整体结构示意图；

图1(b)是大出力磁流变阻尼器主缸和副缸安装示意图；

图2是大出力磁流变阻尼器副缸单节段局部结构示意图；

图3(a)是大出力磁流变阻尼器零电流状态复合磁路结构示意图；

图3(b)是大出力磁流变阻尼器最大电流状态复合磁路结构示意图；

图4是零电流、最大电流两个状态下永磁片工作点移动示意图；

图5(a)是永磁片立体结构示意图；

图5(b)是永磁片充磁方向示意图；

图6(a)是大出力磁流变阻尼器零电流状态磁力线分布示意图；

图6(b)是大出力磁流变阻尼器最大正向电流状态磁力线分布示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。

所述的大出力磁流变阻尼器，它包括主缸缸筒1、副缸外筒2、副缸内筒3、主缸活塞杆4、副缸活塞杆5、主缸活塞盘6、副缸活塞盘7、永磁片8、阻尼通道9、主缸端盖10、副缸端盖11、磁流变液12、励磁线圈13、不锈钢阻磁盘14、密封圈15、底盖16、通道17、螺栓18、支座19和耳环20。主缸活塞盘6套于主缸活塞杆4后组成主缸活塞，主缸端盖10与主缸缸筒1密封固定，主缸活塞放入主缸缸筒1后，主缸活塞杆4通过密封圈15插入两侧主缸端盖10。主缸活塞盘6与两侧主缸端盖10之间的空腔内注入磁流变液12，主缸活塞杆4一端以及底盖16上安装耳环20，以便于阻尼器实际安装。各节段副缸活塞盘7与永磁片8依次套于副缸活塞杆5后组成副缸活塞，并且处于中间位置的副缸活塞盘7为两两设置在所述的副缸活塞杆5上，不锈钢阻磁盘14安装于副缸活塞两端，用以固定副缸活塞部件并防止漏磁现象。副缸端盖11与副缸内筒2密封固定，副缸活塞杆5通过副缸端盖11插入副缸内筒3，副缸活塞杆5与副缸端盖11密封固定，副缸活塞盘7与副缸内筒3之间的间隙成为阻尼通道9。所述的副缸内筒3上开有凹槽并在凹槽处缠绕有励磁线圈13，副缸外筒2套于副缸内筒3之上。主缸与副缸通过支座19用螺栓18固定，磁流变夜12在两缸之间通过通道17连通。

图3为大出力磁流变阻尼器复合磁路结构示意图。从图3(a)可以看出，在零电流状态下，永磁片8单独工作，产生的磁通流经阻尼通道9后在副缸内筒3和副缸外筒2处分为两条支路Φ₁和Φ₂，两支路分别经过副缸内筒3和副缸外筒2后在阻尼通道9处重新会合，之后共同流回永磁片8。由于永磁片8的厚度极小，几乎不会影响阻尼通道的有效长度，因而磁通在流经阻尼通道9时沿阻尼通道9全长分布较为均匀，仅在阻尼通道9中心处小部分区域出现少量集中，基本实现阻尼通道9全长度有效。此时，在永磁片8磁动势作用下，阻尼通道9处的磁流变液12沿阻尼通道9全长均能达到磁饱和状态，阻尼器达到最大出力。从图3(b)可以看出，在最大电流状态下，一方面励磁线圈13激发的磁通在副缸内筒3和副缸外筒2之间形成局部回路，另一方面励磁线圈13对永磁片8产生退磁作用，使其工作点沿退磁曲线下移，如图4所示，直至绝大部分阻尼通道9区域的磁感应强度降低为零。此时，整条阻尼通道9仅在中心处剩余少量磁通，库伦阻尼力降为最低，阻尼器达到最小出力。

图4是零电流I₀、最大电流I_max两个状态下永磁片8工作点移动示意图。图中B_r为永磁环剩磁，H₀为矫顽力。永磁片8在零电流、最大电流两个状态下的工作点会发生移动，励磁线圈13施加电流时永磁片8工作点会沿退磁曲线下移，作用效果减弱，切断电源后永磁片8工作点会沿退磁曲线回复，作用效果恢复。故所述的永磁片8在阻尼器工作时需经历反复退磁-回复作用，因而永磁片8需采用铷铁硼类永磁体制作，该类永磁体具备理想的线性退磁特性，退磁曲线上任意一点的回复曲线与退磁曲线基本重合，在反复外加磁场的作用下不会发生永久退磁作用。

图5(a)是永磁片立体结构示意图，图5(b)是永磁片充磁方向示意图，从图中可以看出，根据安装方式及磁路走向，所述的永磁片8沿轴向充磁，且永磁片8轴向厚度仅为数毫米，优选的为1-5mm，一方面尽量降低永磁片8厚度对阻尼通道9有效长度的影响，确保阻尼通道9的全长度有效；另一方面，由于铷铁硼类永磁体矫顽力H_c很高，且励磁线圈13的匝数及最大电流有限，因而只有低厚度永磁片8才能确保励磁线圈13能够对其进行充分退磁。

图6是大出力磁流变阻尼器零电流状态及最大电流状态磁力线分布示意图。从图6(a)可以看出，在零电流状态下，阻尼器磁力线走向清晰，阻尼通道处9的磁感应强度沿阻尼通道9全长分布较为均匀，基本实现阻尼通道全长度有效，且各点的磁感应强度均保持在0.5T以上，能够确保磁流变液12达到饱和，阻尼器达到最大出力。从图6(b)可以看出，在最大电流状态下，由于励磁线圈13对永磁片8的退磁作用，磁通仅沿励磁线圈13四周的副缸内筒3和副缸外筒2形成局部回路，阻尼通道9区域的磁感应强度基本抵消，仅在阻尼通道9中心部分有少量残余，库伦阻尼力降为最低，阻尼器达到最小出力。

所述的大出力磁流变阻尼器的主缸和副缸采用模块化安装，副缸是通用部件，而主缸根据实际工程的需要有多种规格可供选用，通过改变主缸活塞的有效面积组装不同出力规格的型号，而无需对阻尼器磁路进行重新设计。

所述的大出力磁流变阻尼器，采用旁通阀结构即通过通道使主、副缸筒相连通。采用旁通阀结构后，一方面阻尼通道9可在副缸内沿包括活塞行程在内的阻尼器全长布置，从而极大地增加了阻尼通道9的有效长度，提高了所述阻尼器的最大出力；另一方面，本发明基于自身磁路原理，将励磁线圈13缠绕在副缸内筒3上，因而不允许活塞与缸筒的相对运动，采用旁通阀结构便能有效解决这个问题。

所述的大出力磁流变阻尼器，副缸活塞采用多节段活塞设计。依据Bingham平板模型，采用旁通阀结构后，所述阻尼器的最大出力主要取决于主缸活塞有效面积和副缸阻尼通道9有效长度。因此，副缸外形宜选取较大的长细比，借此延长副缸中阻尼通道9的有效长度，从而提升阻尼器最大出力。

所述的永磁片，选用铷铁硼类永磁体制作。铷铁硼类永磁体剩磁B_r比较高，矫顽力H_c很高，且具备理想的线性退磁特性，退磁曲线上任意一点的回复曲线与退磁曲线基本重合，在反复外加磁场的作用下不会发生永久退磁作用。由于所述的大出力磁流变阻尼器在工作状态下需要通过励磁线圈13对永磁片8进行往复退磁回复作用，因而铷铁硼类永磁体的线形退磁特性对于实现所述阻尼器的设计构想具有重要意义。

所述的副缸缸筒由副缸外筒2和副缸内筒3组合而成，副缸内筒3表面开挖矩形凹槽，用以缠绕励磁线圈13，副缸外筒2套于副缸内筒3之上。

所述的主缸缸筒1、主缸活塞杆4、主缸活塞盘6、主缸端盖10、副缸端盖11和底盖16，采用机械强度高且成本低的45号钢制作；所述的副缸外筒2、副缸内筒3和副缸活塞盘7采用高相对磁导率的电工软铁制作；所述的副缸活塞杆5及不锈钢阻磁盘14依据磁路原理采用不导磁类不锈钢制作。

Claims

1.大出力磁流变阻尼器，它包括主缸缸筒、套在主缸活塞杆上的主缸活塞盘、在所述的主缸缸筒上连接有上、下两个主缸端盖，所述的主缸活塞杆通过设置在所述的主缸端盖上的密封圈插在所述的主缸缸筒内，其特征在于：它还包括通过上、下通道与所述的主缸缸筒相连通的副缸内筒、套在所述的副缸内筒外的副缸外筒、多个交替地套于副缸活塞杆上的副缸活塞盘、永磁片，并且处于两端副缸活塞盘之间的中间位置的副缸活塞盘为两两设置，所述的副缸活塞杆通过副缸端盖插在所述的副缸内筒内以使所述的副缸活塞盘与所述的副缸内筒之间的间隙成为阻尼通道，在两端的副缸活塞盘上安装有不锈钢阻磁盘，在所述的副缸内筒上开有凹槽并在凹槽处缠绕有励磁线圈。

2.根据权利要求1所述的大出力磁流变阻尼器，其特征在于：所述的永磁片为沿轴向充磁的铷铁硼类永磁体，其轴向厚度为1-5mm。