CN101589245A - 振动能量吸收设备 - Google Patents

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Abstract

一种振动能量吸收设备(1)，该设备包括：往复构件(2)，该往复构件可在H方向上相对于原点位置(O)在正向和负向最大位移位置(D±最大)之间往复运动；阻尼力产生装置(3)，该装置用于相对于往复构件(2)在H方向上的往复运动产生阻尼力(R)；以及控制装置(4)，其用于控制阻尼力产生装置(3)，以使阻尼力产生装置(3)在往复构件(2)在H方向上的往复运动中的往复构件(2)在H方向上从正向和负向最大位移位置(D±最大)向原点位置(O)的相应运动中产生固定的阻尼力(R)，而在往复构件(2)在H方向上的前述运动之后的往复构件(2)在H方向上从原点位置(O)到正向和负向最大位移位置(D±最大)的相应运动中基本上不产生阻尼力(R)。

Description

振动能量吸收设备
技术领域
本发明涉及振动能量吸收设备，该设备用于吸收振动能量以尽量迅速地衰减发生在结构或基座隔开的结构中的振动，所述结构包括诸如公寓之类的多层住宅、办公楼、独立式住宅、桥梁等，本发明还涉及具有这样的设备的结构。
背景技术
作为这种类型的振动能量吸收设备(阻尼器)，已知有粘性阻尼器、摩擦阻尼器、铅阻尼器、钢筋阻尼器等。这样的振动能量吸收设备与诸如用于将结构回复到初始位置的弹簧装置一起应用到结构上。
专利文献1：JP-A-2003-287079
非专利文献1：Nakata、Iemura和Igarashi的：《原尺寸连接结构的添加伪负刚度型半主动式振动控制试验“Pseudo-Negative Stiffness Added TypeSemi-Active Vibration Control Experiment of Full-Scale Connected Structures”》，2001年10月的日本土木工程协会(Japan Society of Civil Engineers)第56界JSCE年会论文集第162-163页。
非专利文献2：Ienaga、Igarashi和Suzuki的：《将MR阻尼器应用于半主动式伪负刚度控制的实时混合试验(“Real-time Hybrid Test on Application ofMR Dampers to Semi-Active Pseudo-Negative Stiffness Control”)》，日本地震工程协会(Japan Association for Earthquake Engineering)2003年会论文集第268-269页。
发明内容
所要解决的技术问题
附带地说，如果将诸如粘性阻尼器、摩擦阻尼器等的振动能量吸收设备与弹簧装置一起应用于例如基底隔开的结构的结构，则除了弹簧装置的恢复力之外，在振动过程中振动能量吸收设备的阻力也会附加到结构上，因而结构受到很大的力。结果，就不可避免地要将接受振动能量吸收设备的阻力和弹簧装置的恢复力的部分的刚度做得很大。
鉴于上述方面已设计出本发明，本发明的目的在于提供一种振动能量吸收设备，该设备不需要将接受阻力和恢复装置的恢复力的结构部分的刚度做得很大，本发明的目的还在于提供一种具有该设备的结构。
解决技术问题的手段
一种根据本发明的振动能量吸收设备包括：往复构件，该往复构件可相对于原点位置在正向和负向最大位移位置之间往复运动；阻尼力产生装置，该阻尼力产生装置用于相对于往复构件的往复运动产生阻尼力；以及控制装置，该控制装置用于控制阻尼力产生装置，以使阻尼力产生装置在往复构件的往复运动中的往复构件从正向和负向最大位移位置向原点位置的相应运动中产生阻尼力，而在往复构件从原点位置向正向和负向最大位移位置的相应运动中基本上不产生阻尼力。
根据本发明的振动能量吸收设备，布置成这样：控制装置致使阻尼力产生装置在往复构件在H方向上的往复运动中的往复构件从正向和负向最大位移位置向原点位置的相应运动中产生阻尼力，而致使阻尼力产生装置在往复构件在从原点位置向正向和负向最大位移位置的相应运动中基本上不产生阻尼力。因此，即便通过将往复构件连接到结构而将振动能量吸收设备安装至该结构以控制其振动，在结构由于地震或类似原因而产生的振动中，在从原点位置向正向和负向最大位移位置的相应运动中，也不会在结构上与往复构件连接的那个部分上产生基于振动能量吸收设备的阻尼力的力。结果，该部分的刚度无需做得非常大。此外，在结构由于地震或类似原因而产生的振动中，在从正向和负向最大位移位置向原点位置的相应运动中，并置的原点回复装置的回复力与振动能量吸收设备的阻尼力彼此抵消，这也使得无需将基底隔开的结构上与往复构件连接的那个部分的刚度做得很大。
在本发明中，往复构件的正向和负向最大位移位置根据结构振动的量值而变化，在结构振动大的情况下变大，相反地，在结构振动小的情况下变小并与结构振动的阻尼作用一起变小。
本发明的控制装置可以适于控制阻尼力产生装置，以在往复构件的往复运动这的往复构件从正向和负向最大位移位置向原点位置的相应运动中产生基本上固定的非零阻尼力。或者，本发明的控制装置可以适于控制阻尼力产生装置，以在往复构件的往复运动中的往复运动从正向和负向最大位移位置向原点位置的相应运动中产生逐渐减小的阻尼力。
如果阻尼力产生装置利用粘性阻力、粘弹性阻力、摩擦阻力或弹塑性阻力或者诸如其组合，则该阻尼产生装置就满足要求了。
本发明的控制装置可以通过使用孔口通道，单向阀以及用于控制由孔口通道、单向阀等形成的流体回路的连通的控制阀来构成。
在一较佳的实施例中，往复构件可包括活塞和连接至活塞的活塞杆。此外，阻尼力产生装置可包括：缸体，该缸体可往复运动地容纳活塞，活塞杆穿过该缸体；控制阻尼阀，该控制阻尼阀在其一个端口与缸体内由活塞分隔的一个腔室连通，而在另一端口与缸体内由活塞分隔的另一腔室连通；以及容纳在缸体内的流体。此外，控制装置可适于基于活塞的往复运动对控制阻尼阀进行控制，以在活塞在往复运动中的从正向和负向最大位移位置向原点位置的相应运动中通过流体流过控制阻尼阀来产生阻尼力，而在运动之后的从原点位置向正向和负向最大位移位置的相应运动中基本上不通过流体流过控制阻尼阀来产生阻尼力。在这种情况下，控制装置可具有用于检测活塞的往复运动的检测装置，并可适于基于检测装置对控制阻尼阀进行控制。
在检测活塞的往复运动的情况下，检测装置可适于检测活塞的往复运动自身，但也可以适于检测诸如活塞杆的往复运动或活塞杆所连接的结构的振动。
作为流体，可例举硅基流体作为较佳的实例，但该流体也可以是另一流体，诸如液体，例如除了硅基流体之外的油。
根据本发明的结构连接至根据上述任一方面的振动能量吸收设备，以由往复构件接受结构的振动。这里，结构可以通过层状橡胶、滑动构件、辊子构件或类似装置来实现基底隔开，在这种情况下，可将结构连接到用于在振动之后将结构回复到其初始位置的回复装置。这样的回复装置可具有插设在结构与安装结构的地面之间的弹性装置，该弹性装置可具有层状橡胶支座和螺旋弹簧中的至少一个。
本发明的优点
根据本发明，可以提供一种振动能量吸收设备，它使得无需将结构接受阻力、恢复装置的恢复力的那个部分的刚度做得很大，并且，还可以提供一种具有该设备的结构。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的说明图；
图2是在结构中使用图1所示实施例的一个实施例的说明图；
图3是说明图2所示实施例的工作情况的图；
图4是说明图2所示实施例的工作情况的图；
图5是说明图2所示实施例的工作情况的图；
图6是说明图2所示实施例的工作情况的图；以及
图7是说明图2所示实施例的工作情况的图。
具体实施方式
下面将参照图中所示的较佳实施例更加详细地描述本发明及其实施方式。应予注意的是，本发明并不局限于这些实施例。
在图1中，根据本实施例的振动能量吸收设备1包括：往复构件2，其可在H方向上相对于原点位置O(图1、4及6中所示的位置)在正向和负向最大位移位置D±最大(图3和5中所示的位置)之间往复运动；阻尼力产生装置3，其用于相对于往复构件2在H方向上的往复运动产生阻尼力R；以及控制装置4，其用于控制阻尼力产生装置3，以使其在往复构件2在H方向上的往复运动中的往复构件2在H方向上从正向和负向最大位移位置D±最大至原点位置O的相应运动中产生固定的阻尼力R，而在往复构件2在H方向上的前述运动之后的往复构件2在H方向上从原点位置O到正向和负向最大位移位置D±最大的相应运动中基本上不产生阻尼力R，即产生基本上为零的阻尼力R。
往复构件2包括活塞5、固定连接于活塞5的活塞杆6以及固定于活塞杆6的一个端部的安装部分7。
阻尼力产生装置3包括：缸体10，其在H方向上可往复运动地容纳活塞5，并且活塞杆6穿过其；控制阻尼阀15，其在其一个端口12处与缸体10内由活塞5分隔的一个腔室11连通，并在其另一端口14处与缸体10内由活塞5分隔的另一腔室13连通；以及容纳在缸体10中的流体16，例如硅油。
控制阻尼阀15具有孔口通道，从端口12供应硅油16并被引向端口14的硅油16或者从端口14供应并被引向端口12的硅油穿过该孔口通道，且该孔口通道的直径适于被控制。控制阻尼阀15适于通过在硅油16流过这样的孔口通道时所引起的流阻来产生阻尼力R。
控制装置4包括检测装置21和控制单元22，检测装置用于检测活塞5在H方向上的往复运动，控制单元具有微型计算机和类似装置，用于基于从检测装置21检测到的结果对控制阻尼阀15的孔口通道的直径进行控制。
检测装置21具有用于分别检测活塞5的位置的三个检测器23、24及25，它们通过在H方向上布置来设置。检测器23设置在H方向上缸体10的基本上中央的位置处；检测器24设置在H方向上活塞5沿H1方向基本上最大可动位置处；以及检测器25设置在H方向上活塞5沿与H1方向相反的H2方向的最大可动位置处。可以使用诸如磁性传感器之类的非接触型传感器来作为这样的检测器23、24及25。
控制单元22适于对检测器23、24及25的检测结果进行诸如加、减、微分、积分等的处理，以确定活塞5到达正向和负向最大位移位置D±最大、活塞5到达原点位置O以及活塞5的运动方向。
控制装置4适于基于活塞5在H方向上的往复运动，即在本实施例中基于检测装置21的检测结果来对控制阻尼阀15进行控制，以在活塞5在H方向上往复运动时在从正向和负向最大位移位置D±最大到原点位置O的相应运动中通过硅油16流过控制阻尼阀15的孔口通道来产生预定的阻尼力R，而在前述运动之后从原点位置O到正向和负向最大位移位置D±最大的相应运动中基本上不通过硅油16流过控制阻尼阀15的孔口通道来产生阻尼力R。
如图2所示，这样使用上述振动能力吸收装置1：经由安装部分7将活塞杆6连接到基底隔开的结构33上，经由辊子32将该结构安装在包括一基础的地面31上，以可相对于地面31在H方向上移动，从而接受结构33在H方向上的振动，而缸体10则固定于地面31。
用于将结构33回复到其初始位置的回复装置具有由插设在结构33与结构33所安装的地面31之间的螺旋弹簧35构成的弹性装置。具有弹性模量K的螺旋弹簧35由于地震而在结构33在H方向上的振动中被压缩或拉伸，并适于在地震已平息时在结构33自身的恢复力的作用下将结构33回复到其振动之前初始位置(对应于原点位置O)。实现往复构件2的活塞杆6借助于于安装部分7与结构33侧的联接，以使如图1所示，活塞5基本上定位在缸体10在H方向上的中央，即在原点位置O，处于由螺旋弹簧35使结构33返回到其初始位置并设置成静止不动且在结构33中不发生振动的状态。
在这种状态下，接受来自检测装置21的表示活塞5位于原点位置O(D＝0)的检测结果的控制单元22对控制阻尼阀15进行控制，以使控制阻尼阀15的孔口通道的直径最大，即，即便当硅油16流过控制阻尼阀15的孔口通道，也基本上不产生阻尼力R(R＝0)。当结构33由于地震而在H方向上振动，并且活塞3首先通过活塞杆6在H方向上沿H1方向运动时，如图3所示，在腔室11侧的硅油16通过控制阻尼阀15的孔口通道流入腔室13侧。因此，在活塞5沿H1方向从基本上中央的位置(原点位置O，D＝0)沿H1方向运动向正向最大位移位置(D＝D+max)时，阻尼力产生装置3产生零反作用力(阻力)R，其由图7中的直线41表示并基于控制阻尼阀15的径向最大化的孔口通道，并且阻尼产生装置3将该力施加在活塞杆6上。
此外，当活塞5在沿H1方向运动到正向最大位移位置(D＝D+max)之后开始在H方向上沿与H1方向相反的H2方向运动时，如图3所示，接受来自检测装置22的检测结构的控制单元22确定活塞5已到达沿H1方向的正向最大位移位置(D＝D+max)并开始在H方向上沿与H1方向相反的H2方向运动。此时，控制单元22立即对控制阻尼阀15进行控制，以使控制阻尼阀15的孔口通道的直径变小，以籍此在硅油16流过控制阻尼阀15的孔口通道时产生固定的阻尼力R。当活塞5在该状态下沿H2方向运动时，在腔室13侧上的硅油16此时通过控制阻尼阀15的孔口通道流入腔室11侧。结果，在活塞5沿H2方向从正向最大位移位置(D＝D+max)向基本上中央的位置(原点位置O，D＝0)沿H2方向的运动中，阻尼力产生装置3产生固定的反作用力(阻力)R，其由图7中的曲线42表示并基于控制阻尼阀15的减小的孔口通道，并且阻尼产生装置3将该力施加在活塞杆6上。
此外，在活塞5从正向最大位移位置(D＝D+max)沿H2方向运动之后，如图3所示，当活塞5到达基本上中央的位置(原点位置O，D＝0)时，如图4所示，接受来自检测装置21的检测结果的控制单元22确定活塞5已到达基本上中央的位置(D＝0)。此时，控制单元22立即对控制阻尼阀15进行控制，以使控制阻尼阀的孔口通道的直径最大，即，即便在硅油16流过控制阻尼阀15的孔口通道时，也基本上不产生阻尼力R(R＝0)。
当活塞5从缸体10的基本上中央的位置(D＝0)连续地沿H2方向进一步运动时，在活塞5从基本上中央的位置(D＝0)沿H2方向的运动中，阻尼力产生装置3产生零反作用力(阻力)R，其由图7中的直线43表示并基于控制阻尼阀15的具有最大地扩大的直径的孔口通道，并且阻尼力产生装置将该力施加在活塞杆6上。
在活塞5沿H2方向到达负向最大位移位置(D＝D-max)之后，当活塞5开始再次在H方向上沿与H2方向相反的H1方向运动时，如图5所示，由于从如图4所示的基本上中央的位置(D＝0)沿H2方向的运动，接受来自检测装置21的检测结果的控制单元22确定活塞5已沿H2方向到达负向最大位移位置(D＝D-max)并开始在H方向上沿与H2方向相反的H1方向运动。此时，控制单元22立即对控制阻尼阀15进行控制，以使控制阻尼阀15的孔口通道的直径变小，以籍此在硅油16流过控制阻尼阀15的孔口通道时产生固定的阻尼力R。当活塞5在该状态下沿H1方向运动时，在腔室11侧上的硅油16通过控制阻尼阀15的孔口通道再次流入腔室13侧。结果，在活塞5沿H1方向从负向最大位移位置(D＝D-max)向基本上中央的位置(原点位置O，D＝0)沿H1方向的运动中，阻尼力产生装置3产生固定的反作用力(阻力)R，其由图7中的曲线44表示并基于控制阻尼阀15的减小的孔口通道，并且阻尼产生装置3将该力施加在活塞杆6上。
此外，在活塞5从负向最大位移位置(D＝D-max)沿H1方向运动之后，如图5所示，当活塞5到达基本上中央的位置(原点位置O，D＝0)时，如图6所示，接受来自检测装置21的检测结果的控制单元22确定活塞5已到达基本上中央的位置(D＝0)。此时，控制单元22立即对控制阻尼阀15进行控制，以使控制阻尼阀的孔口通道的直径最大，即，即便在硅油16流过控制阻尼阀15的孔口通道时，也基本上不产生阻尼力R(R＝0)。因此，在活塞5沿H1方向从基本上中央的位置(原点位置O，D＝0)沿H1方向运动向正向最大位移位置(D＝D+max)时，阻尼力产生装置3再次产生零反作用力(阻力)R，其由图7中的直线41表示，并且阻尼产生装置3将该力施加活塞杆6上。
之后，在活塞5沿H1方向再次运动到正向最大位移位置(D＝D+max)之后，只要活塞5沿H2方向和H1方向振动，就重复上述操作。因此，振动能量吸收设备1将由图7所示的直线41、曲线42、直线43以及曲线44所表示的阻尼循环构成的阻尼力R(阻力R)施加在活塞杆6上，而因此来衰减结构33由于地震而产生的在H方向上的振动。这样，在振动能量吸收设备1中，随着结构33由于地震而产生的在H方向上的振动幅度和速度的减小，由直线41、曲线42、直线43以及曲线44表示的阻尼循环变小，并且将由该阻尼循环表示的阻尼作用施加到结构33由于地震而产生的在H方向上的振动上。当结构33的振动平息时，螺旋弹簧35的恢复力将结构33设置在初始位置。
附带地说，在结构33相对于活塞5在H方向上的相应位置D而振动的过程中，将诸如图7中的恢复力直线45所表示的螺旋弹簧35的恢复力R和振动能量吸收设备1的阻尼力R(阻力R)加载在结构33上。不过，由于振动能量吸收设备1在位置D相对于结构33的移位处具有所谓的负刚度，所以加载在结构33上的、振动能量吸收设备1的阻尼力R和螺旋弹簧的恢复力R的合力变得相对小，从而承受该合力的结构33的刚度无需做得特别大。
也就是说，根据振动能量吸收设备1，布置成这样：控制装置4致使阻尼力产生装置3在往复构件2在H方向上的往复运动中的其从正向和负向最大位移位置D＝D±max向原点位置O的相应运动中产生固定的阻尼力，而致使阻尼力产生装置3在往复构件2在从原点位置O向正向和负向最大位移位置D＝D±max的相应运动中基本上不产生阻尼力。因此，即便通过将往复构件2连接到结构33而将振动能量吸收设备1安装至该结构33以控制其振动，在结构33由于地震或类似原因而产生的振动中，在从原点位置O向正向和负向最大位移位置D＝D±max的相应运动中，也不会在结构33上与往复构件2连接的那个部分上产生基于振动能量吸收设备1的阻尼力的力。结果，该部分的刚度无需做得非常大。此外，在结构33由于地震或类似原因而产生的振动中，在从正向和负向最大位移位置D＝D±max向原点位置O的相应运动中，并置的螺旋弹簧35的恢复力与振动能量吸收设备1的阻尼力彼此抵消，这也使得无需将结构33上与往复构件2连接的那个部分的刚度做得很大。
上述情况是通过辊子32而基底隔开的结构33的情况。然而，在一可替代的情况中，结构33可以通过经由滑动构件或类似装置来安装在地面31上以可相对于地面31在H方向上移动从而实现基底隔开。再一可替代的情况是，该结构可以通过层状橡胶支座来实现基底隔开，在该结构中可以省去螺旋弹簧35，并且用作弹性装置的层状橡胶支座可设有回复功能。此外，该结构可以是基底不隔开的结构，其中可以不是专门地独立于结构地设置回复装置，并且该结构自身可以设有回复功能。此外，可以布置成这样：可为通过调节控制阻尼阀15的通道阻力而基底隔开的结构、或为基底不隔开的结构获得诸如图7中的直线41、曲线52、直线43以及曲线54所表示的优化阻尼循环。应予注意的是，图7所示的曲线是用于说明的基础曲线，实践中，曲线42和直线43不通过原点(＝0)地连接，并且曲线44和直线41也是同样的情况。
此外，尽管控制装置4控制阻尼力产生装置3的控制阻尼阀15，以在从正向和负向最大位移位置D＝D±max向原点位置将控制阻尼阀15的孔口通道直径设定成固定的减小直径，但控制装置4也可以替代地将阻尼力产生装置3的控制阻尼阀15控制成：在往复构件2在H方向上的往复运动中的从正向和负向最大位移位置D＝D±max向原点位置O的相应运动中逐渐地减小控制阻尼阀15的孔口通道直径，以是阻尼力产生对3产生逐渐减小的阻尼力R。此外，控制装置4和阻尼力产生装置3可以由即便在停电时也能工作的机械装置来构成，而无需诸如检测器23、24和25、控制单元22以及控制阻尼阀15之类的电动部件。

Claims (9)

1.一种振动能量吸收设备，所述设备包括：
往复构件，所述往复构件可相对于原点位置在正向和负向最大位移位置之间往复运动；
阻尼力产生装置，所述阻尼力产生装置用于相对于所述往复构件的往复运动产生阻尼力；以及
控制装置，所述控制装置用于控制所述阻尼力产生装置，以使所述阻尼力产生装置在所述往复构件的往复运动中的所述往复构件从所述正向和负向最大位移位置向所述原点位置的相应运动中产生阻尼力，而使所述阻尼力产生装置在所述往复构件从所述原点位置向所述正向和负向最大位移位置的相应运动中基本上不产生阻尼力。
2.如权利要求1所述的振动能量吸收设备，其特征在于，所述控制装置适于控制所述阻尼力产生装置，以使所述阻尼力产生装置在所述往复构件的往复运动中的所述往复构件从所述正向和负向最大位移位置向所述原点位置的相应运动中产生基本上固定的阻尼力。
3.如权利要求1所述的振动能量吸收设备，其特征在于，所述控制装置适于控制所述阻尼力产生装置，以使所述阻尼力产生装置在所述往复构件的往复运动中的所述往复构件从所述正向和负向最大位移位置向所述原点位置的相应运动中产生逐渐减小的阻尼力。
4.如权利要求1至3中任一项所述振动能量吸收设备，其特征在于，所述往复构件包括活塞和连接至所述活塞的活塞杆，
其中，所述阻尼力产生装置包括：缸体，所述缸体可往复运动地容纳所述活塞，所述活塞杆穿过所述缸体；控制阻尼阀，所述控制阻尼阀在其一个端口与所述缸体内由所述活塞分隔的一个腔室连通，而在其另一端口与所述缸体内由所述活塞分隔的另一腔室连通；以及容纳在所述缸体内的流体；并且
其中，所述控制装置适于基于所述活塞的往复运动对所述控制阻尼阀进行控制，以在所述活塞在往复运动中的从所述正向和负向最大位移位置向所述原点位置的相应运动中通过流体流过所述控制阻尼阀来产生阻尼力，而在所述运动之后的从所述原点位置向所述正向和负向最大位移位置的相应运动中基本上不通过所述流体流过所述控制阻尼阀来产生阻尼力。
5.如权利要求4所述振动能量吸收设备，其特征在于，所述控制装置具有用于检测所述活塞的往复运动的检测装置，并适于基于所述检测装置来对所述控制阻尼阀进行控制。
6.一种结构，所述结构连接至如权利要求1至5中任一项所述的振动能量吸收设备，以通过所述往复构件来接受所述结构的振动。
7.如权利要求6所述的结构，其特征在于，所述结构是基底隔开的结构，它连接至用于在振动之后将所述结构回复到其初始位置的回复装置。
8.如权利要求7所述的结构，其特征在于，所述回复装置具有插设在所述结构与所述结构所安装的地面之间的弹性装置。
9.如权利要求8所述的结构，其特征在于，所述弹性结构具有层状橡胶支座和螺旋弹簧中的至少一个。
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