CN102312407A

CN102312407A - 基于压电自集能的斜拉索磁流变减振装置

Info

Publication number: CN102312407A
Application number: CN201110179927A
Authority: CN
Inventors: 关新春; 黄永虎; 李惠
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2012-01-11

Abstract

基于压电自集能的斜拉索磁流变减振装置，涉及桥梁斜拉索的减振装置，为了解决现有的基于传感器及控制电源的斜拉索磁流变减振装置存在结构复杂、多个装置增加了不可靠因素的问题；它包括连接在斜拉索与桥体之间的磁流变阻尼器，且磁流变阻尼器与斜拉索垂直连接，它还包括压电发电装置，压电发电装置邻近磁流变阻尼器设置，且连接在斜拉索与桥体之间，压电发电装置与斜拉索垂直连接，压电发电装置的电流输出端连接在磁流变阻尼器的电流输入端，用于桥梁斜拉索减振。

Description

基于压电自集能的斜拉索磁流变减振装置

技术领域

本发明涉及桥梁斜拉索的减振装置。

背景技术

随着预应力技术、高强新材料技术和计算机技术的发展，美观经济的大跨径斜拉桥在国内外跨海、跨湖、跨江桥梁工程中得到广泛的应用，诸如欧非直布罗陀海峡、美亚白令海峡等洲际跨海工程，成为一种广泛采用的形式。拉索是斜拉桥的主要受力部件，桥面的大部分荷载通过它传递到塔柱。由于质量轻、阻尼小、柔性大，它极易在风雨等外界作用下产生振动。法国布罗道纳大桥、荷兰伊雷斯缪斯(Erasmus)大桥、英国塞文河第二大桥、日本的东神户大桥、中国上海的南浦及湖南岳阳洞庭湖大桥都发生过严重拉索振动现象。拉索振动引起锚固端疲劳破坏，还容易破坏拉索端部的保护层。这些振动不仅造成端部破坏使得拉索及桥梁的使用寿命大大缩短，影响整个桥梁的安全，也给过往的行人、司机的心理带来不舒适感和对桥梁安全性的怀疑。在整个斜拉桥造价中，拉索的造价占约25％～30％，更换成本也很高，如德国更换Kohlbrand桥的88根拉索，花费几百万美元。更换拉索将会造成大桥营运的中断，间接经济损失和社会影响力也是巨大的。美国、日本、欧洲各国及中国相继对斜拉索的振动控制进行立项调查研究，并取得了较好的成绩。

目前，斜拉索振动控制的有效方法主要有：气动减振法和辅助索法等被动控制措施、主动控制和电/磁流变阻尼器半主动控制。

磁流变阻尼器是基于磁流变液的磁流变效应而制作的。阻尼器中液体(磁流变液)主要由非导磁性液体(如水或油)和均匀分散于其中的高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒(如羟基铁粉)组成。在外加磁场作用下，磁流变液流动特性会发生显著的变化(粘度增大、屈服应力增加)，表现为类固体特性；磁场作用撤除时，其性能又迅速恢复为良好的流动性，如图4、图5所示。

磁流变阻尼器，因其阻尼力可调范围大、出力大、低功耗需求、反应迅速等特点，在半主动控制中表现出很大的优势。在半主动控制中，需要通过传感器采集速度或位移信号，按照主动控制算法计算确定最优控制力，根据磁流变阻尼器结构参数，反算电流并由控制电源施加，使得阻尼器的控制力尽可能接近主动最优控制力。阻尼器实际工作原理，如图3所示：阻尼器在各电流(I₀～I_max)作用下的出力为速度的一次函数，如图3中各条平行直线，在工作中，通过计算并由控制电源施加的电流可使得阻尼力在不同的平行直线上取值，从而尽可能接近主动最优控制力，达到控制效果。

现有的基于传感器及控制电源的斜拉索磁流变减振装置存在的问题是：在工作周期内，电源及传感器需不定期检查更换，增加了不必要的人力和物力消耗，且装置的整体使用寿命也因此缩短；在控制中，需要根据传感器采集的速度、位移的大小和方向，由运算器控制算法判定最优控制力进而得到控制电流的大小，最终由控制电源输出控制，结构复杂，多个装置增加了不可靠因素。

发明内容

本发明是为了解决现有的基于传感器及控制电源的斜拉索磁流变减振装置存在结构复杂、多个装置增加了不可靠因素的问题，提出一种基于压电自集能的斜拉索磁流变减振装置。

基于压电自集能的斜拉索磁流变减振装置，它包括连接在斜拉索与桥体之间的磁流变阻尼器，且磁流变阻尼器与斜拉索垂直连接，它还包括压电发电装置，压电发电装置邻近磁流变阻尼器设置，且连接在斜拉索与桥体之间，压电发电装置与斜拉索垂直连接，压电发电装置的电流输出端连接在磁流变阻尼器的电流输入端。

基于压电自集能的斜拉索磁流变减振装置，它包括连接在斜拉索与桥体之间的磁流变阻尼器，它还包括压电发电装置，磁流变阻尼器的首端垂直连接在斜拉索上，磁流变阻尼器的尾端连接在压电发电装置的首端，压电发电装置的尾端与桥体连接，压电发电装置的电流输出端连接在磁流变阻尼器的电流输入端。

两种斜拉索磁流变减振装置的对比：

为充分利用磁流变阻尼器，达到更好的控制效果，本发明利用压电发电技术为磁流变阻尼器供电。压电材料耐久性好，能量密度高，可以保证阻尼器安全持久供电需要；相比于基于传感器及控制电源的斜拉索磁流变减振装置，基于压电自集能的斜拉索磁流变减振装置不需用传感器和控制电源等部件即可工作，结构相对简单，具有更高的可靠性；压电发电装置将斜拉索振动中的振动能转化为电能，既能保证为阻尼器供电，也充分利用了振动能量，实现以振制振。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，图2为本发明的具体实施方式二的结构示意图，图3为磁流变阻尼器工作原理示意图，图4为本发明的未加磁场的磁流变示意图，图5为本发明的加磁场的磁流变示意图，图6为本发明的压电堆(Piezoelectric stack)发电装置的结构示意图，图7为本发明的悬臂梁发电装置的结构示意图，图8为本发明的悬臂梁发电装置的阵列示意图，图9为本发明的剪切型压电发电装置的结构示意图，图10为本发明的压电堆结构及剪切型压电发电装置的阵列结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括连接在斜拉索与桥体之间的磁流变阻尼器1，且磁流变阻尼器1与斜拉索垂直连接，它还包括压电发电装置2，压电发电装置2邻近磁流变阻尼器1设置，且连接在斜拉索与桥体之间，压电发电装置2与斜拉索垂直连接，压电发电装置2的电流输出端连接在磁流变阻尼器1的电流输入端。

压电发电装置2与磁流变阻尼器1连接在斜拉索与桥体之间，斜拉索的振动引起发电装置两端斜拉索与桥体之间的相对位移，对发电装置两端施加作用力而产生电能，并供给磁流变阻尼器1，使磁流变阻尼器1产生阻尼力，从而在自身活塞杆与缸体的相对运动中耗散能量，并提供阻尼比。

智能阻尼器，如磁流变阻尼器1，可提供较大范围内可调的阻尼量，以其出力大、低功耗需求、反应迅速等特点，表现出很大的优势；为充分利用磁流变阻尼器1，达到更好的控制效果，本发明利用压电发电技术为磁流变阻尼器1供电，压电材料耐久性好，能量密度高，具有更高的安全系数；压电发电装置2将风振中的振动能转化为电能，既能保证为磁流变阻尼器1供电，也充分利用了风振能量，实现以振制振；压电发电装置2在风振中，可以根据施加在装置上的力的大小和快慢，产生不同大小的电流或者电压，即“大振大电流，小振小电流”，而磁流变阻尼器在风振中提供的阻尼力也要满足“大振大出力，小振小出力”的要求，通过合理参数的调整搭配，可以实现传感与供能二合一于压电供电装置，整套磁流变控制装置可以根据风振的大小，自适应调节阻尼器出力大小，摒除了传感器和外加控制电源造成不可预知的干扰和低可靠性，实现了整套控制系统的自适应性和智能化。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式包括连接在斜拉索与桥体之间的磁流变阻尼器1，它还包括压电发电装置2，磁流变阻尼器1的首端垂直连接在斜拉索上，磁流变阻尼器1的尾端连接在压电发电装置2的首端，压电发电装置2的尾端与桥体连接，压电发电装置2的电流输出端连接在磁流变阻尼器1的电流输入端。

具体实施方式三：结合图6、图10说明本实施方式，本实施方式的压电发电装置2采用压电堆结构。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

压电堆结构采用压电片材3与电极4交替隔层布置，原理是利用压电材料的d33模式，当结构两端施加外力时，引起压电片材的变形而产生电压。由于单层结构发电量低，故采用多层压电片材及电极混合叠加而构成压电堆结构，且在实际中采用压电堆的阵列，使发电量大幅度提高。

具体实施方式四：结合图7、图8说明本实施方式，本实施方式与实施方式三不同的是压电发电装置2采用悬臂梁结构。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

悬臂梁结构中，在基体6两侧，均布置压电薄膜与电极隔层铺设的多层薄膜结构8，当斜拉索振动时，激振片5推动基体6使得压电悬臂梁结构产生初始位移，这一变形及随后质量块7产生的自由振荡，引起了悬臂体表面覆盖的薄膜结构8产生电能。由于单个悬臂梁结构发电量不足以供给磁流变阻尼器，故在实际中采用悬臂梁结构阵列结构，如图6所示，可增大发电量。

具体实施方式五：结合图9、图10说明本实施方式，本实施方式与实施方式三不同的是压电发电装置2采用剪切型压电发电结构。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

压电装置组成与压电堆结构相同，只是受力方式为剪切力，且在实际应用中，亦采用阵列结构。

Claims

1.基于压电自集能的斜拉索磁流变减振装置，它包括连接在斜拉索与桥体之间的磁流变阻尼器(1)，且磁流变阻尼器(1)与斜拉索垂直连接，其特征是它还包括压电发电装置(2)，压电发电装置(2)邻近磁流变阻尼器(1)设置，且连接在斜拉索与桥体之间，压电发电装置(2)与斜拉索垂直连接，压电发电装置(2)的电流输出端连接在磁流变阻尼器(1)的电流输入端。

2.根据权利要求1所述基于压电自集能的斜拉索磁流变减振装置，其特征在于压电发电装置(2)采用压电堆结构。

3.根据权利要求1所述基于压电自集能的斜拉索磁流变减振装置，其特征在于压电发电装置(2)采用悬臂梁结构。

4.根据权利要求1或2所述基于压电自集能的斜拉索磁流变减振装置，其特征在于压电发电装置(2)采用剪切型压电发电结构。

5.基于压电自集能的斜拉索磁流变减振装置，它包括连接在斜拉索与桥体之间的磁流变阻尼器(1)，其特征是它还包括压电发电装置(2)，磁流变阻尼器(1)的首端垂直连接在斜拉索上，磁流变阻尼器(1)的尾端连接在压电发电装置(2)的首端，压电发电装置(2)的尾端与桥体连接，压电发电装置(2)的电流输出端连接在磁流变阻尼器(1)的电流输入端。