CN101761146A - 永磁式电涡流调谐质量阻尼器 - Google Patents
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Abstract
一种永磁式电涡流调谐质量阻尼器，包括钢制导磁底板(10)，该底板(10)两端各有端板(3)，特征在于，还包括两端分别安装在对应端板(3)上的圆轴(4)和套装在所述圆轴(4)上并可在该圆轴(4)上滑动的直线轴承座(5)，所述轴承座(5)下部接有质量块(6)，质量块(6)的两端分别经螺旋弹簧(7)与相对应的端板(3)相连；所述质量块(6)下部接有永磁铁(13)，该永磁铁(13)下方设有铜板(12)，所述铜板(12)经垫块(11)与底板(10)相连。本发明通过特殊设计的电涡流阻尼方式实现了阻尼器的阻尼在较大范围的可调性，实现了系统刚度与阻尼的完全分离，取消了机械摩擦耗能和应力集中元件，从而避免了常见的TMD损坏失效。
Description
技术领域
本发明涉及到一种采用电涡流作为阻尼元件的调谐质量阻尼器，具体适用于桥梁刚性吊杆的风振控制与输电塔等高耸结构的振动控制。
背景技术
近年来我国建设的大跨度拱桥和钢桁架拱桥，大量应用了细长直立杆件作为刚性吊杆和桁架直杆，开口杆件的常见截面型式为H型，闭口箱式杆件的常见截面型式为矩形。近几年，我国设计和建造的大型钢拱桥中，至少有两座发生了严重的吊杆风致振动，并且造成了较大的病害，导致吊杆翼板因扭转而开裂。
输电塔在强风、地震和冰灾等自然灾害作用极易发生大幅振动和倒塌破坏。我国正在建设的1000kV特高压输电塔具有跨距大、分裂导线数多等特点，输电塔平均高度100m以上，下横担的伸臂可达50m。这类大伸臂输电塔的风致动力响应特别是在斜风下及断线冲击作用下的扭转振动十分显著。
相对传统的结构措施，结构振动控制可以更加有效地减轻结构在风、地震、车辆等动力作用下的反应和损伤积累，有效地提高结构的抗振能力和抗灾性能，是结构抗振减振和防灾减灾的有效方法和技术。结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。被动控制不需要外界提供能量，而依靠结构构件之间，结构与辅助系统之间相互作用消耗能量，从而达到减振的目的。主动控制是在有外加能源供给情况下，控制装置按某种控制规律对结构施加主动控制力。半主动控制以被动控制为依托，以较小的能量对控制状态进行切换，来获得较好的控制效果。混合控制是以不同的控制方法相结合，充分发挥各自的优点，使主动控制通过较小的控制力就可以有效地减小结构的振动。
目前在土木工程得到广泛应用的仍是可靠性最高的被动控制，主要形式有基础隔震，吸能减振及耗能减振。其中吸能减振又分为调谐质量阻尼器与液体阻尼器等。本专利研究调谐质量阻尼器(TMD)，它由质量块，弹性元件(用来调谐频率)，阻尼元件(用来耗散结构振动能量)组成。TMD已广泛应用于土木工程结构中，如最早的应用(1971年，澳大利亚悉尼Centerpoint塔的风振控制)与比较有名的我国台湾101大厦的风振与地震响应控制，其质量块重达730吨。研究表明，对于设定的质量比(即TMD子结构的质量与主结构质量的比值)，基于定义的优化准则(一般是主结构的某种响应最小化或附加模态阻尼比的最大化)，TMD存在一个最优的频率比(当质量比在1％左右时，频率比一般接近于1)和最优的阻尼比。频率的调整较易实现，主要通过弹性元件如弹簧或摆等实现。阻尼的设置和调整则相对较难，尤其是在TMD加工好后。目前小型TMD的阻尼元件一般采用橡胶，大型TMD则采用油阻尼器等。但是橡胶材料存在老化，和刚度与阻尼不易分离的缺点，粘滞阻尼器存在漏油和不易养护等问题，也具有一定的刚度，并且二者都难以实现阻尼的后期调节，从而严重影响TMD的制造成本和减振效果，增加后期维护的难度与成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有TMD技术存在的阻尼不易调节问题，提供一种永磁式电涡流调谐质量阻尼器，使该系统的刚度与阻尼完全分离，阻尼由电涡流耗能产生，能够灵活地进行调节，并具有较大的可调范围；采用摩擦力极小的直线滚珠轴承悬挂质量，降低机械摩擦，TMD的结构摩擦阻尼小于1％，以提高电涡流调节阻尼比的范围；不仅阻尼比可以在1％～20％大范围内方便地调节，并且提高了TMD灵敏度、可靠性与使用寿命。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，所述永磁式电涡流调谐质量阻尼器包括钢制导磁底板，该导磁底板两端各有端板，其特征在于，还包括两端分别安装在对应端板上的圆轴和套装在所述圆轴上并可在该圆轴上滑动的直线轴承座，所述轴承座下部接有质量块，质量块的两端分别经螺旋弹簧与相对应的端板相连；所述质量块下部接有永磁铁，该永磁铁下方设有铜板，所述铜板经垫块与导磁底板相连。
以下对本发明做出进一步说明。
参见图1，所述永磁式电涡流调谐质量阻尼器包括钢制导磁底板(10)，该导磁底板(10)两端各有端板(3)，其特征在于，还包括两端分别安装在对应端板(3)上的圆轴(4)和套装在所述圆轴(4)上并可在该圆轴(4)上滑动的直线轴承座(5)，所述轴承座(5)下部接有质量块(6)，质量块(6)的两端分别经螺旋弹簧(7)与相对应的端板(3)相连；所述质量块(6)下部接有永磁铁(13)，该永磁铁(13)下方设有铜板(12)，所述铜板(12)经垫块(11)与导磁底板(10)相连。
所述轴承座(5)可以为2-4个(参见图1)，永磁铁(13)至少是两个。
上述结构中，所述永磁式电涡流调谐质量阻尼器的质量块运动通过直线滚珠轴承导向，保持运动平稳的同时，降低了摩擦力，连接在质量块上的永磁铁随质量块运动时，会在固定到底板的铜板中产生抑制质量块相对运动的电涡流，并消耗能量，形成较大的电磁阻尼，并且可以通过调节铜板与永磁铁的间隙来方便地调节TMD的电涡流阻尼大小。
针对我国某桥的矩形刚性吊杆和正在建设的1000kV某特高压输电塔分别设计试制了本发明的永磁式电涡流调谐质量阻尼器。自由振动和振动台强迫振动试验表明：当不加铜板，即没有电涡流形成时，TMD的阻尼比在1％以下；加设铜板后，通过改变铜板下垫板的厚度，TMD的阻尼比最高可超过20％；同等条件下，永磁铁离铜板越近，铜板周围的磁场也就越强，从而产生更大的电涡流，TMD的阻尼比也就随之提高。
本发明作为一种新型TMD，适用于桥梁刚性吊杆的风振控制与输电塔等高耸结构的振动控制，它同现有技术相比的优点有：
1、本发明的永磁式电涡流调谐质量阻尼器的质量块通过摩擦力极小的直线滚珠轴承导向运动，既保证了质量块做精确的直线运动，同时使TMD的结构阻尼降到1％以下，为电涡流调节阻尼提供了极低的下限值；
2、本发明的永磁式电涡流调谐质量阻尼器可以通过调节垫块的厚度，改变永磁铁与铜板的间距，很容易地实现阻尼参数的调节；
3、本发明的永磁式电涡流调谐质量阻尼器实现了刚度与阻尼的完全分离，阻尼力与质量块的运动速度成精确的线性关系，调节阻尼比对所述TMD的频率无任何干扰。
4、本发明的永磁式电涡流调谐质量阻尼器采用永磁铁来提供形成电涡流所需的磁场，无需外界能源，就可实现较大的阻尼比，特别是用于户外结构如桥梁与输电塔等，可避免由于不方便或不能保证可靠供电而给阻尼器使用造成的障碍；
5、本发明的永磁式电涡流调谐质量阻尼器不依靠机械摩擦耗能，没有悬臂梁等应力集中元件，也不存在密封等问题，直线滚珠轴承和轴均采用标准件，因此可靠性和寿命将大大高于其它TMD装置。
6、本发明的永磁式电涡流调谐质量阻尼器与主结构连接方便，只需将阻尼器的底板或端板与主结构固定即可。
附图说明
图1是本发明一种实施例的结构示意图。
在图中：
1、2-螺母， 3-端板， 4-圆轴，
5-直线轴承座， 6-质量块， 7-圆柱拉伸弹簧，
8、9-螺钉， 10-导磁底板， 11-垫板，
12-铜板， 13-永磁铁。
具体实施方式
一种永磁式电涡流调谐质量阻尼器，如图1所示，包括导磁底板10，该导磁底板10两端各有端板3；并且，还包括两端分别安装在对应端板3上的圆轴4和套装在所述圆轴4上并可在该圆轴4上滑动的直线轴承座5，所述轴承座5下部接有质量块6，质量块6的两侧分别经螺旋弹簧7与相对应的端板3相连；所述质量块6下部接有永磁铁13，该永磁铁13下方设有铜板12，所述铜板12经垫块11与导磁底板10相连。
所述轴承座(5)为2-4个(参见图1)，永磁铁13至少为两个。
所述直线轴承座5为直线滚珠轴承，所述弹簧7采用螺旋拉伸弹簧。
当与所述永磁式电涡流调谐质量阻尼器相连的主结构发生振动时，质量块6通过直线滚珠轴承5导向运动，质量块6带动与之相连的两块永磁铁13同时运动，从而会在固定到底板10上的铜板12中产生抑制质量块6相对运动的电涡流，形成TMD耗能所需的阻尼，并且可以通过调节铜板12下面的垫块11厚度来改变铜板12与永磁铁13的间隙，实现TMD电涡流阻尼大小的调节。
Claims (3)
1.一种永磁式电涡流调谐质量阻尼器，包括钢制导磁底板(10)，该导磁底板(10)两端各有端板(3)，其特征在于，还包括两端分别安装在对应端板(3)上的圆轴(4)和套装在所述圆轴(4)上并可在该圆轴(4)上滑动的直线轴承座(5)，所述轴承座(5)下部接有质量块(6)，质量块(6)的两端分别经螺旋弹簧(7)与相对应的端板(3)相连；所述质量块(6)下部接有永磁铁(13)，该永磁铁(13)下方设有铜板(12)，所述铜板(12)经垫块(11)与导磁底板(10)相连。
2.根据权利要求1所述的永磁式电涡流调谐质量阻尼器，其特征是，所述轴承座(5)为2-4个。
3.根据权利要求1所述的永磁式电涡流调谐质量阻尼器，其特征是，所述永磁铁(13)至少为两个。
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