CN102889331B - 阀控恒磁磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阀控恒磁磁流变阻尼器，属于磁流变阻尼器技术领域。阀控恒磁磁流变阻尼器由缸体，活塞、活塞杆、旁通管和电液比例伺服阀构成，活塞由环形永磁铁、2个导磁环、环形隔磁体和2个隔磁环组成，活塞在缸体的腔体内，活塞杆两端分别从缸体两端面板中心圆孔伸出，活塞与缸体的腔体壁之间有磁流变液流动间隙，串接了电液比例伺服阀的旁通管两端分别与左腔和右腔连通，磁流变液充满缸体的腔体、磁流变液流动间隙和旁通管；磁流变液流动间隙中的磁流变液在恒定磁场作用下成为一种具有一定剪切屈服强度的黏塑性体，阻碍磁流变液正常流动。本发明不需要控制电源和计算机复杂的控制算法等即可工作，结构简单，具有更高的可靠性。

Description

阀控恒磁磁流变阻尼器

技术领域

本发明属于磁流变阻尼器技术领域，特别涉及一种阀控恒磁磁流变阻尼器。

背景技术

振动是一种常见的物理现象，随着科技的不断进步，在建筑结构、交通、机械等领域出现的振动问题引起人们的日益关注。为了有效克服和避免各种不利的振动，国内外学者先后提出了被动式、主动式和半主动式等振动控制系统。半主动控制是目前结构振动控制领域性价比最高、最具应用前景的控制技术，它将主动控制的思想和被动控制策略完美结合，在实施控制的同时节约了控制能源，并同时达到接近主动控制的效果，而且控制过程稳定可靠。

近年来以磁流变液为代表的新型智能材料的应用为半主动控制技术的发展注入了新的活力。磁流变液主要是由非导磁性液体和均匀分散于其中的高磁导率、低磁滞性的微小磁性颗粒组成，为了保证其悬浮稳定性，通常还包括适量的外加剂。在磁场作用下，磁流变液可在瞬间内（10毫秒左右）由流动性能良好的牛顿粘滞流体变为半固体，且这种变化连续、可控、可逆。1948年，美国工程师Rabinow首先发现了这种磁流变效应，并据此设计了磁流变离合器。磁流变阻尼器具备出力大，响应迅速，阻尼力连续可调，结构形式简单，适应范围广泛等诸多优势，研制至今，被公认为是最具发展前景的半主动控制装置之一。

现有基于磁流变阻尼器的半主动控制需要通过传感器采集加速度、速度及位移信号，将这些信号整形、滤波后传输至计算机，计算机是整个控制系统的核心部分，根据采集到的响应信息按照一定的控制算法计算确定最优控制力，根据磁流变阻尼器的结构参数，反算电流并由控制电源施加，使得阻尼器的出力尽可能接近主动最优控制力。现有基于磁流变阻尼器的土木工程结构减振控制存在以下问题：（1）在工作周期内，由电源提供磁场，地震作用下一旦电源损坏，阻尼器将变成仅具有很小出力能力的被动控制装置工作，基于磁流变阻尼器的智能半主动控制将无法实现。且电源需不定期检查更换，增加了不必要的人力和物力消耗，装置的整体寿命也因此缩短；（2）在控制中，需要根据传感器采集加速度、速度、位移的大小和方向，由计算机运算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，因其结构复杂而增加了装置的不可靠性。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于为了解决现有的基于控制电源和计算机控制算法的磁流变阻尼器，因其结构复杂而增加的不可靠性的问题，提供一种阀控恒磁磁流变阻尼器，其特征在于，阀控恒磁磁流变阻尼器由缸体1，活塞2、活塞杆7、旁通管10和电液比例伺服阀11构成，所述缸体1的腔体为圆柱形，左右两端分别由缸体左端面板和缸体右端面板密封，圆柱形的活塞2和活塞杆7同轴，活塞2固接在活塞杆7的中部，活塞2和活塞杆7与缸体1的腔体同轴，活塞2在缸体1的腔体内，活塞杆7的左右两端分别从缸体左端面板和缸体右端面板的中心圆孔伸出，在缸体左端面板和缸体右端面板的中心圆孔中，用密封环12将活塞杆7与缸体1密封，活塞杆7通过置于缸体左端面板和缸体右端面板的中心圆孔中的轴承13与缸体1构成轴向滑动连接，活塞2的圆柱面与缸体1的腔体壁的圆柱面之间有磁流变液流动间隙9，活塞2将缸体1的腔体分为左腔和右腔，旁通管10的左端与缸体1的左腔连通，旁通管10的右端与缸体1的右腔连通，电液比例伺服阀11串接在旁通管10中，磁流变液8充满缸体1的左腔和右腔以及磁流变液流动间隙9和旁通管10；

所述活塞2由环形永磁铁3、2个导磁环4、环形隔磁体5和2个隔磁环6组成，环形永磁铁3的内径、导磁环4的内径和隔磁环6的内径都与活塞杆7的外径相等，导磁环4的一端为平面，另一端有一个圆形凹面，所述导磁环4另一端的圆形凹面的直径和环形永磁铁3的外径相等，环形隔磁体5的内径与环形永磁铁3外径相等，导磁环4的外径、隔磁环6的外径和环形隔磁体5的外径相等，环形永磁铁3同轴固接在活塞杆7上，环形隔磁体5同轴固接在环形永磁铁3的中部，2个导磁环4凹面相对在环形永磁铁3左右两侧与活塞杆7同轴固接，一个隔磁环6在左边的导磁环4的左侧与活塞杆7同轴固接，另一个隔磁环6在右边的导磁环4的右侧与活塞杆7同轴固接，环形永磁铁3与两侧的导磁环4之间无间隙，环形永磁铁3与环形隔磁体5之间无间隙，环形隔磁体5与两侧的导磁环4之间无间隙，隔磁环6与导磁环4之间无间隙，环形永磁铁3在磁流变液流动间隙9中产生恒定磁场；所述电液比例伺服阀11的控制信号输入端与控制器14的控制信号输出端连接；

所述缸体1和导磁环4的材料为高导磁材料电工纯铁DT4或45号碳素钢；

所述环形隔磁体5、隔磁环6和活塞杆7的材料为极低导磁材料304系列不锈钢；

所述磁流变液流动间隙9大小为1～2mm；

所述环形永磁铁3在磁流变液流动间隙9中产生恒定磁场的磁场强度不低于0.5T。

本发明的阀控恒磁磁流变阻尼器不需要控制电源和计算机复杂的控制算法等即可工作，结构相对简单，具有更高的可靠性，阀控恒磁磁流变阻尼器的实现过程如下：应用时，分别将阻尼器的活塞杆7和缸体1连接在受控结构的两个不同构件上，在地震或风等外界荷载作用下结构产生振动，阻尼器中的活塞杆7和缸体1就会在结构的带动下产生相对运动。在阻尼器中由环形永磁铁3提供给磁流变液8恒定磁场，磁流变液8中的磁性颗粒在恒定磁场作用下沿磁场方向呈链状或链束状排列，在磁流变液流动间隙9中形成粒子链，阻碍磁流变液8的正常流动，使磁流变液流动间隙9中流体成为一种具有一定剪切屈服强度的黏塑性体。控制器14根据采集到的受控结构在外荷载作用下的响应信息，依据事先设计好的控制律进行运算，输出控制指令给电液比例伺服阀11，控制电液比例伺服阀11的阀门开启或关闭，进而控制阻尼器的出力大小。当控制器14输出指令控制电液比例伺服阀11开启阀门时，阻尼器处于OFF状态，磁流变液8在活塞的作用下，由缸体1的左腔（或右腔）通过旁通管10和电液比例伺服阀11流入缸体1的右腔（或左腔），此时阻尼器的工作模式为剪切模式，阻尼器出力较小，为小出力状态；当控制器14输出指令控制电液比例伺服阀11关闭阀门时，阻尼器处于ON状态，磁流变液8在活塞的作用下，由缸体1的左腔（或右腔）通过磁流变液流动间隙流入缸体1的右腔（或左腔），此时阻尼器的工作模式为剪切阀式组合模式，阻尼器出力较大，为大出力状态。即：该阻尼器中磁流变液流动间隙9中磁流变液8受到的由环形永磁铁3提供的磁场强度一定，因此磁流变液8的剪切屈服强度也一定，控制器14接收采集到的受控结构在外荷载作用下的响应信息，根据一定的控制律进行计算，输出指令给电液比例伺服阀11，电液比例伺服阀11进而开启或关闭，相应阻尼器处于OFF或ON状态，阻尼器的工作模式为剪切模式或剪切阀式组合模式，输出阻尼力为小阻尼力或大阻尼力。

本发明的有益效果为，阀控恒磁磁流变阻尼器与基于计算机及控制电源的磁流变阻尼器相比，有以下优点：

1. 本发明利用永磁体提供恒定磁场，不需要额外配置控制电源，结构简单，避免了供电线圈产热的问题；且避免了地震作用下由于供电电源损坏而导致磁流变阻尼器无法正常工作的情况，提高了设备的安全性；

2. 本发明利用电液比例伺服阀改变磁流变液的流动方向，进而改变阻尼器出力大小，与传统的由供电线圈控制磁场大小的做法相比，阻尼器性能稳定，构造简单；

3. 本发明由控制器根据采集到的受控结构在外荷载作用下的响应信息，根据一定的控制律控制电液比例伺服阀的开启和关闭，省去了控制系统中计算机及复杂的控制算法，降低半主动控制系统在设备及安装与维护方面的成本造价，基于本发明阻尼器的半主动控制系统在实际应用中更易于实施。

附图说明

图1为阀控恒磁磁流变阻尼器实施例结构示意图；

图2为阀控恒磁磁流变阻尼器的闭合工作磁回路示意图。

图中，1--缸体，2--活塞，3--环形永磁铁，4--导磁环，5--环形隔磁体，6--隔磁环，7--活塞杆，8--磁流变液，9--磁流变液流动间隙，10--旁通管，11--电液比例伺服阀，12--密封环，13--轴承，14--控制器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

图1为阀控恒磁磁流变阻尼器实施例结构示意图，阀控恒磁磁流变阻尼器由缸体1，活塞2、活塞杆7、旁通管10和电液比例伺服阀11构成。缸体1的腔体为圆柱形，左右两端分别由缸体左端面板和缸体右端面板密封。圆柱形的活塞2和活塞杆7同轴，活塞2固接在活塞杆7的中部，活塞2和活塞杆7与缸体1的腔体同轴，活塞2在缸体1的腔体内。活塞杆7的左右两端分别从缸体左端面板和缸体右端面板的中心圆孔伸出，在缸体左端面板和缸体右端面板的中心圆孔中，用密封环12将活塞杆7与缸体1密封，活塞杆7通过置于缸体左端面板和缸体右端面板的中心圆孔中的轴承13与缸体1构成轴向滑动连接。活塞2的圆柱面与缸体1的腔体壁的圆柱面之间有磁流变液流动间隙9，磁流变液流动间隙9大小为2mm。活塞2将缸体1的腔体分为左腔和右腔，旁通管10的左端与缸体1的左腔连通，旁通管10的右端与缸体1的右腔连通，电液比例伺服阀11串接在旁通管10中。磁流变液8充满缸体1的左腔和右腔以及磁流变液流动间隙9和旁通管10；

活塞2由环形永磁铁3、2个导磁环4、环形隔磁体5和2个隔磁环6组成。环形永磁铁3的内径、导磁环4的内径和隔磁环6的内径都与活塞杆7的外径相等。导磁环4的一端为平面，另一端有一个圆形凹面，所述导磁环4另一端的圆形凹面的直径和环形永磁铁3的外径相等。环形隔磁体5的内径与环形永磁铁3外径相等，导磁环4的外径、隔磁环6的外径和环形隔磁体5的外径相等。环形永磁铁3同轴固接在活塞杆7上，环形隔磁体5同轴固接在环形永磁铁3的中部，2个导磁环4凹面相对在环形永磁铁3左右两侧与活塞杆7同轴固接，一个隔磁环6在左边的导磁环4的左侧与活塞杆7同轴固接，另一个隔磁环6在右边的导磁环4的右侧与活塞杆7同轴固接。环形永磁铁3与两侧的导磁环4之间无间隙，环形永磁铁3与环形隔磁体5之间无间隙，环形隔磁体5与两侧的导磁环4之间无间隙，隔磁环6与导磁环4之间无间隙。所述电液比例伺服阀11的控制信号输入端与控制器14的控制信号输出端连接。

本实施例中，缸体1和导磁环4的材料为高导磁材料45号碳素钢，环形隔磁体5、隔磁环6和活塞杆7的材料为极低导磁材料304系列不锈钢。

图2为阀控恒磁磁流变阻尼器的闭合工作磁回路示意图，环形永磁铁3产生的磁场在活塞2两端的隔磁环6和中间的环形隔磁体5作用下，闭合工作磁回路在缸体1的腔体中限制在磁流变液流动间隙9内，在磁流变液流动间隙9内形成恒定磁场。本实施例中，磁流变液流动间隙9内恒定磁场的磁场强度为0.8T。在磁流变液流动间隙9中的磁流变液8中的磁性颗粒在恒定磁场作用下沿磁场方向呈链状或链束状排列，在磁流变液流动间隙9中形成粒子链，使磁流变液流动间隙9中磁流变液8流体成为一种具有一定剪切屈服强度的黏塑性体，阻碍磁流变液8的正常流动。

本发明应用时，分别将阻尼器的活塞杆7和缸体1连接在受控结构的两个不同构件上，在地震或风等外界荷载作用下结构产生振动，阻尼器中的活塞杆7和缸体1就会在结构的带动下产生相对运动。控制器14根据采集到的受控结构在外荷载作用下的响应信息，依据事先设计好的控制律进行运算，输出控制指令给电液比例伺服阀11，电液比例伺服阀11的阀门开启或关闭，进而控制阻尼器的出力大小。当控制器14输出指令控制电液比例伺服阀11开启阀门时，阻尼器处于OFF状态，磁流变液8在活塞的作用下，由缸体1的左腔（或右腔）通过旁通管10和电液比例伺服阀11流入主缸的右腔（或左腔），此时阻尼器的工作模式为剪切模式，阻尼器出力较小，为小出力状态；当控制器14输出指令控制电液比例伺服阀11关闭阀门时，阻尼器处于ON状态，磁流变液8在活塞2的作用下，由缸体1的左腔（或右腔）通过磁流变液流动间隙9流入缸体1的右腔（或左腔），由于磁流变液流动间隙9中磁流变液8流体在恒定磁场的作用下，成为一种具有一定剪切屈服强度的黏塑性体，对左腔和右腔中的磁流变液8流体的流动形成阻力，此时阻尼器的工作模式为剪切阀式组合模式，阻尼器出力较大，为大出力状态。即：该阻尼器中磁流变液流动间隙9中磁流变液8受到的由环形永磁铁3提供的磁场强度一定，因此磁流变液8的剪切屈服强度也一定，控制器14接收采集到的受控结构在外荷载作用下的响应信息，根据一定的控制律进行计算，输出指令给电液比例伺服阀11，电液比例伺服阀11进而开启或关闭，相应阻尼器处于OFF或ON状态，阻尼器的工作模式为剪切模式或剪切阀式组合模式，输出阻尼力为小阻尼力或大阻尼力。

本发明适用于土木工程结构风振和地震反应控制中应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种阀控恒磁磁流变阻尼器，其特征在于，阀控恒磁磁流变阻尼器包括缸体（1），活塞（2）、活塞杆（7）、旁通管（10）和电液比例伺服阀（11），所述缸体（1）的腔体为圆柱形，左右两端分别由缸体左端面板和缸体右端面板密封，圆柱形的活塞（2）和活塞杆（7）同轴，活塞（2）固接在活塞杆（7）的中部，活塞（2）和活塞杆（7）与缸体（1）的腔体同轴，活塞（2）在缸体（1）的腔体内，活塞杆（7）的左右两端分别从缸体左端面板和缸体右端面板的中心圆孔伸出，在缸体左端面板和缸体右端面板的中心圆孔中，用密封环（12）将活塞杆（7）与缸体（1）密封，活塞杆（7）通过置于缸体左端面板和缸体右端面板的中心圆孔中的轴承（13）与缸体（1）构成轴向滑动连接，活塞（2）的圆柱面与缸体（1）的腔体壁的圆柱面之间有磁流变液流动间隙（9），活塞（2）将缸体（1）的腔体分为左腔和右腔，旁通管（10）的左端与缸体（1）的左腔连通，旁通管（10）的右端与缸体（1）的右腔连通，电液比例伺服阀（11）串接在旁通管（10）中，磁流变液（8）充满缸体（1）的左腔和右腔以及磁流变液流动间隙（9）和旁通管（10）；

所述活塞（2）由环形永磁铁（3）、2个导磁环（4）、环形隔磁体（5）和2个隔磁环（6）组成，环形永磁铁（3）的内径、导磁环（4）的内径和隔磁环（6）的内径都与活塞杆（7）的外径相等，导磁环（4）的一端为平面，另一端有一个圆形凹面，所述导磁环（4）另一端的圆形凹面的直径和环形永磁铁（3）的外径相等，环形隔磁体（5）的内径与环形永磁铁（3）外径相等，导磁环（4）的外径、隔磁环（6）的外径和环形隔磁体（5）的外径相等，环形永磁铁（3）同轴固接在活塞杆（7）上，环形隔磁体（5）同轴固接在环形永磁铁（3）的中部，2个导磁环（4）凹面相对在环形永磁铁（3）左右两侧与活塞杆（7）同轴固接，一个隔磁环（6）在左边的导磁环（4）的左侧与活塞杆（7）同轴固接，另一个隔磁环（6）在右边的导磁环（4）的右侧与活塞杆（7）同轴固接，环形永磁铁（3）与两侧的导磁环（4）之间无间隙，环形永磁铁（3）与环形隔磁体（5）之间无间隙，环形隔磁体（5）与两侧的导磁环（4）之间无间隙，隔磁环（6）与导磁环（4）之间无间隙，环形永磁铁（3）在磁流变液流动间隙（9）中产生恒定磁场；所述电液比例伺服阀（11）的控制信号输入端与控制器（14）的控制信号输出端连接。

2.根据权利要求1所述的阀控恒磁磁流变阻尼器，其特征在于，所述缸体（1）和导磁环（4）的材料为高导磁材料电工纯铁DT4或45号碳素钢。

3.根据权利要求1所述的阀控恒磁磁流变阻尼器，其特征在于，所述环形隔磁体（5）、隔磁环（6）和活塞杆（7）的材料为极低导磁材料304系列不锈钢。

4.根据权利要求1所述的阀控恒磁磁流变阻尼器，其特征在于，所述磁流变液流动间隙（9）大小为1～2mm。

5.根据权利要求1所述的阀控恒磁磁流变阻尼器，其特征在于，所述环形永磁铁（3）在磁流变液流动间隙（9）中形成的磁场强度不低于0.5T。

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