CN103291803A - 一种阻尼力可控型粘滞阻尼器及其智能监测与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻尼力可控型的粘滞阻尼器及其智能监测与控制系统，该阻尼器包括缸体、活塞和活塞杆，其中缸体内部被分隔为主缸和副缸，主缸内充有由聚乙二醇和纳米量级二氧化硅粒子共同组成的阻尼介质，并且二氧化硅粒子悬浮分散在呈流体状态的聚乙二醇中；活塞设置在主缸内部并可沿其轴向方向来回移动，由此带动与之相连的活塞杆一同移动；活塞杆的一端贯穿开设在活塞上的阻尼孔，另外一端伸入至副缸中。本发明还公开了相应的智能监测与控制系统。通过本发明，能够实现对阻尼器阻尼力的有效控制，并获得对阻尼器运行状态的实时检测及反馈调整，从而达到对工程结构安全的更好保护。

Description

一种阻尼力可控型粘滞阻尼器及其智能监测与控制系统

技术领域

本发明属于结构减震技术领域，更具体地，涉及一种阻尼力可控型粘滞阻尼器及其智能监测与控制系统。

背景技术

阻尼器是以一种提供运动阻力来实现耗减运动能量的装置。从二十世纪七十年代后，阻尼技术开始逐步用于建筑、桥梁、铁路等结构工程中，并获得了迅猛的发展。目前，阻尼器主要分为弹簧阻尼器、液压阻尼器、旋转阻尼器、粘滞阻尼器等，其中粘滞阻尼器的工作原理是根据流体运动，特别是流体经过节流孔时会产生粘滞阻力的效应而制成的阻尼器。由于其具备自身刚度不定、抗侯性好、既可降低结构应力也能降低反应位移等优点，因此广泛应用于高层建筑、桥梁、建筑结构抗震改造、工业管道设备抗振以及军工等领域。

粘滞阻尼器的基本公式为F=CVa，其中F表示阻尼力，C是阻尼系数，V表示活塞运动的速度，a是速度指数。从公式可以看出，粘滞阻尼器属于速度型阻尼器，其速度指数直接影响到阻尼器的耗能性能。对于粘滞阻尼器的阻尼耗能材料而言，目前通常使用的主要包括硅胶和硅油等类型。硅胶虽然具备较好的粘温性、防潮绝电，压缩变形小，但存在温度稳定等性能较差的缺陷；硅油由于具备良好的耐热、耐氧化和耐低温性能，同时不易挥发、耐压缩力大，表明张力小，化学性稳定，因此目前在业界作为主流的粘滞耗能材料。

然而，现有技术中的粘滞阻尼器的工作速度都是是预先设计的，一旦结构工程的振动大于粘滞阻尼器的设计值，就可能造成阻尼器的损坏并对工程结构的安全性造成很大影响；此外，当粘滞阻尼器安装到结构工程上之后，工程结构的振动受力及所产生位移的状况不能被有效监测，从而无法对工程结构的振动状态进行及时、有效的监控和相应控制。相应地，在相关领域中存在着对上述类型阻尼器的构造及其配套使用方式作出进一步改进的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提出一种阻尼力可控型的粘滞阻尼器及其智能监测与控制系统，其中通过对阻尼耗能材料的构成及关键性能参数的改进，能够实现对阻尼器阻尼力的有效控制；此外通过设计相关的监测与控制系统，可以对阻尼器运行状态实现实时、智能检测及调整控制，从而达到对工程结构安全的更好保护。

按照本发明的一个方面，提供了一种阻尼力可控型的粘滞阻尼器，该阻尼器包括缸体、活塞和活塞杆，其特征在于：

缸体内部被分隔为主缸和副缸，其中主缸内充有由聚乙二醇和纳米量级二氧化硅粒子共同组成的阻尼介质，并且二氧化硅粒子悬浮分散在呈流体状态的聚乙二醇中；

所述活塞设置在主缸内部并可沿其轴向方向来回移动，由此带动与之相连的活塞杆一同移动；所述活塞杆的一端贯穿开设在活塞上的阻尼孔，另外一端伸入至副缸中。

通过以上构思，当此粘滞阻尼器工作时，活塞会在主缸和副缸内来回运动，并且阻尼介质经过阻尼孔时会产生粘滞阻力，由此起到抗震减阻的效果。此外，由于选择由聚乙二醇和悬浮其中的纳米二氧化硅粒子来组成阻尼材料，流动性较强的聚乙二醇与坚硬的二氧化硅粒子结合之后，二氧化硅微粒会融合到聚乙二醇中并构成较好的匹配，形成一种与速度相关性很强的阻尼耗能材料：当这种材料的运动速度较缓慢时，硬质粒子能够到处运动，并使阻尼材料整体呈现为液体；而当运动速度加快时，硬质粒子相互碰撞并阻碍彼此的运动，由此从整体上看阻尼材料变得韧性提高，并逐步从液相转换为固相。相应地，该阻尼器可以在低速时材料粒子互不干扰，并以正常模式起到阻尼耗能作用；而一旦阻尼器受到冲击或发生快速运动时，材料粒子之间发生碰撞并转换为固相，由此产生较大的阻尼力并以新的模式起到耗能作用。

作为进一步优选地，对于聚乙二醇和纳米量级二氧化硅粒子而言，两者之间按照25:1～34:1的体积比进行配料。

较多的对比测试表明，当聚乙二醇的比例过大时，很难实现阻尼材料由液态向固态的转变，阻尼力不易可控；而当二氧化硅粒子的组成比例过大时，在低温下可能导致二氧化硅粒子的沉淀，不能起到阻尼力可控的作用；通过对按照本发明的聚合物基阻尼材料的配料比进行以上限定，这样所获得的阻尼材料能够在低速和高速的情况下都较好地执行耗能作用，并具备温度承受范围广、压缩变形小、阻尼性能高、阻尼力可控等优点。。

作为进一步优选地，所述聚乙二醇为分子量为4000～6000的聚乙二醇并呈现粘稠状，所述二氧化硅粒子的平均颗粒尺寸为100～150纳米。

由于采用具备以上分子量特性的聚乙二醇与上述平均颗粒尺寸的二氧化硅粒子来构成阻力材料，一方面，该类型的聚乙二醇可以承受很广的温度范围、并且粘滞效应较好；另一方面，上述颗粒尺寸范围的二氧化硅粒子能够均匀分布在聚乙二醇中，并在阻尼器受到冲击时适于相互碰撞作用，并加快阻尼材料相态转换的过程。

作为进一步优选地，所述阻尼介质的运动粘度被设定为10万cSt～200万cSt、也即0.1m²/s～2m²/s的数值范围。

作为进一步优选地，所述阻尼介质的粘温系数范围为0.67～0.75。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的阻尼器监测与控制系统，该系统包括检测单元、数据采集单元、模数转换单元、光电转换器、通信光纤和中央控制单元，其特征在于：

所述检测单元包括设置在阻尼器上的位移传感器、速度传感器和拉压力传感器，它们分别用于对阻尼器相对于自身连接点的相对位移量、相对于自身连接点的相对运动速度信号以及对应于该速度信号的阻尼力进行实时检测并获得检测结果；

所述数据采集单元用于对所获得的检测结果执行模拟信号采集，所采集的模拟信号依次经过模数转换单元和光电转换器处理后，经由通信光纤传输至中央处理单元；

所述中央处理单元将所接收的光信号转换为数字信号并予以显示，由此对阻尼器的运行状态进行实时监控；此外，该中央处理单元可根据需要来调整阻尼器的相对运动速度信号，该速度调整信号转换为光信号后经由通信光纤返回，然后依次经过光电转换器和模数转换单元处理后反馈给阻尼器，由此实现对阻尼器的相应控制。

通过以上构思，按照本发明的监测与控制系统能够实现对阻尼器的远距离自动采集包括位移量、速度信号以及阻尼力在内的关键数据，并利用光纤技术予以传输，由此可避免数据信号的衰减与失真，保证了对阻尼器运行状态的实时、精确检测；此外，为了充分发挥按照本发明的阻尼器阻尼力可控制的特点，保证在地震或飓风等情况下仍然正常地发挥作用，设在远程的中央控制单元能够根据具体情况来对阻尼器的速度信号予以调整，相应使得阻尼器按照速度控制值来提高阻尼力，从而实现对阻尼器安全性的有效控制，避免了阻尼器及其工程结构在恶劣环境下的损坏。

作为进一步优选地，所述位移传感器为电磁式位移传感器，所述速度传感器为磁电式速度传感器，所述拉压力传感器为压电式拉压力传感器。

作为进一步优选地，当中央处理单元监控到阻尼器的相对运动速度信号超过其设计指标的控制值时，则将其相对运动速度锁定为控制值。

总体而言，按照本发明的阻尼力可控型粘滞阻尼器及其监测与控制系统与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对粘滞阻尼器的结构、构成及其相关参数进行改进，能够实现在对阻尼力的可控制性，而且在特定速度下其阻尼力可保持相对恒定，因此减震防护效果更好、适用面更广；

2、通过对阻尼器设计基于光纤远距离传输的智能监测与控制系统，可以显示对阻尼器运行状态的实时、精确检测；此外，还能够根据应对情况来对阻尼器的速度信号快速予以调整，由此实现对阻尼器安全性的有效控制，避免了阻尼器及其工程结构在恶劣环境下的损坏。

附图说明

图1是按照本发明的阻尼力可控性粘滞阻尼器的整体结构示意图；

图2是按照本发明的阻尼器监测与控制系统的整体结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-主缸  2-副缸  3-活塞杆  4-活塞  5-阻尼介质  6-阻尼孔  12-数据采集单元  13-模数转换单元  14-光电转换器  15-通信光纤  16-中央控制单元  111-位移传感器  112-速度传感器  113-拉压力传感器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术中各类粘滞阻尼器的工作速度固定，一旦结构工程的振动大于粘滞阻尼器的设计值，就可能造成阻尼器的损坏并对工程结构的安全性造成很大影响的问题，本发明期望对此类粘滞阻尼器作出相应改进，以实现对阻尼器阻尼力的有效控制。

图1是按照本发明的阻尼力可控性粘滞阻尼器的整体结构示意图。锐图1中所示，按照本发明的阻尼力可控性粘滞阻尼器主要包括缸体、活塞和活塞杆等，其中缸体内部被分隔为譬如呈左右分布的主缸1和副缸2，主缸1内充有由聚乙二醇和纳米量级二氧化硅粒子共同组成的阻尼介质5，并且二氧化硅粒子悬浮分散在呈流体状态的聚乙二醇中。活塞4设置在主缸1的内部并可沿其轴向方向来回移动，由此带动与之相连的活塞杆3一同移动。活塞杆3的一端贯穿开设在活塞4上的阻尼孔6，另外一端伸入至副缸2中。此外，还可以在各个间隙或孔出设置密封元件，以提高整体装置的密封性能。

当按照本发明的阻尼力可控型粘滞阻尼器工作时，活塞会在主缸和副缸内来回运动，并且阻尼介质经过阻尼孔时会产生粘滞阻力，由此起到抗震减阻的效果。尤其是，由于选择由聚乙二醇和悬浮其中的纳米二氧化硅粒子来组成阻尼材料，流动性较强的聚乙二醇与坚硬的二氧化硅粒子结合之后，二氧化硅微粒会融合到聚乙二醇中并构成较好的匹配，形成一种与速度相关性很强的阻尼耗能材料：当这种材料的运动速度较缓慢时，硬质粒子能够到处运动，并使阻尼材料整体呈现为液体；而当运动速度加快时，硬质粒子相互碰撞并阻碍彼此的运动，由此从整体上看阻尼材料变得韧性提高，并逐步从液相转换为固相。相应地，该阻尼器可以在低速时材料粒子互不干扰，并以正常模式起到阻尼耗能作用；而一旦阻尼器受到冲击或发生快速运动时，材料粒子之间发生碰撞并转换为固相，由此产生较大的阻尼力并以新的模式起到耗能作用。换而言之，按照本发明所构建的阻尼器可以在低速时材料粒子互不干扰，并主要以流体状态起到阻尼耗能作用；而一旦阻尼器受到冲击或发生快速运动时，材料粒子之间发生碰撞并转换为固相或接近固相，由此产生较大的阻尼力来起到耗能作用。相应地，可以有效实现在对阻尼力的可控制性，而且在特定速度下其阻尼力可保持相对恒定。

按照本发明的一个优选实施粒，选择由聚乙二醇和纳米量级的二氧化硅粒子来共同组成阻尼耗能材料，其中二氧化硅粒子悬浮分散在呈流体状态的聚乙二醇中，两者之间按照25:1～34:1的体积比进行配料。之所以对配料比作出上述限定，是因为较多的对比测试表明，当聚乙二醇的比例过大时，很难实现阻尼材料由液态向固态的转变，阻尼力不易可控；而当二氧化硅粒子的组成比例过大时，在低温下可能导致二氧化硅粒子的沉淀，不能起到阻尼力可控的作用；通过对按照本发明的聚合物基阻尼材料的配料比进行以上限定，这样所获得的阻尼材料能够在低速和高速的情况下都较好地执行耗能作用，并具备温度承受范围广、压缩变形小、阻尼性能高、阻尼力可控等优点。

在另外一个优选实施例中，所述聚乙二醇为分子量为4000～6000的聚乙二醇并呈现粘稠状，所述二氧化硅粒子的平均颗粒尺寸为100～150纳米。此外，对于粘滞阻尼材料的主要特征参数例如粘度、粘温性和压缩性等，经过测试表明，按照本发明的阻尼材料的运动粘度也即粘度与其密度之间的比值被设定为10万cSt～200万cSt的数值范围，粘温系数根据分子量的大小优选设定为0.67～0.75的范围。此外，可以选择通过高速喷射的填充工艺来使得二氧化硅离子悬浮分散在聚乙二醇中，其中主要工艺参数包括喷射流量和喷射速度。由于采用高速喷射的填充工艺来制备按照本发明的阻尼材料，这样既可使纳米二氧化硅粒子更为均匀地分散到聚乙二醇，而且能有效保持悬浮，并具备易加工、便于质量控制的优点。

本发明的另外一个主要改进之处在于阻尼器的远程监测与控制系统。如图1中所示，按照本发明的阻尼器监测与控制系统包括检测单元、数据采集单元12、模数转换单元13、光电转换器14、通信光纤15和中央控制单元16。具体而言，监测单元包括设置在阻尼器上的位移传感器111、速度传感器112和拉压力传感器113，其中位移传感器111譬如为电磁式传感器，用于对阻尼器相对于自身连接点（固定安装点）的相对位移进行检测；速度传感器112用于对阻尼器相对于自身连接点的相对速度进行检测，而拉压力传感器113譬如呈压电式传感器，用于检测阻尼器对应于该速度信号的阻尼力。

当检测单元完成对阻尼器的以上参数检测后，数据采集单元12（例如，sbRIO-9601型）对这些检测信号进行模拟信号高速采集，并通过模数转换单元13（例如，NI9215转换卡）将模拟信号转换为数字信号，再通过光电转换器14将数字信号转换为光信号。该光信号经由通信光纤15远距离传输到中央控制单元16，并再次通过光电转换器将光信号转换成数字信号，并显示在监控计算机上，由此实现对阻尼器的运行状态的实时监控。

当遭遇地震或飓风等恶劣情况时，还可以通过中央处理单元16来调整阻尼器的速度控制值，以避免阻尼器的运行速度过大并造成连接部位的损坏。在具体运用时，还可以通过将阻尼器相对速度的采集检测数据与速度控制值以一定时间间隔进行对比，一旦速度监测数据超过控制值，中央处理单元16则发出指令，通过光电转换器将速度指令转换成光信号，并经由光纤传输到现场；该光信号再次通过光电转换器转换成数字信号，并通过模数转换单元转换成模拟信号，然后使得阻尼器以速度控制值执行运动，相应实现了对阻尼器安全性的控制。

按照本发明的阻尼器监测与控制系统可以实时地监测包括上述阻尼力可控型阻尼器在内的各类粘滞阻尼器的位移、阻尼力与速度，对整个结构状态进行连续的、实时的、在线的健康状态监测和评估，对结构的安全性作出实时、准确的评价。同时在地震与飓风来临时可以控制阻尼器的运行速度从而控制器最大阻尼力，保证阻尼器构件的安全。相应地，极大地延拓传统人工监测-控制内容，实现预测维修，提高养护维修的管理水平，保障桥梁和大型建筑结构的可靠性、安全性和耐久性，避免潜在的灾难性事件发生。

为了实现前述对阻尼器的监测与控制，还可以开发出相应的监测控制软件，并安装在中央控制单元的计算机上。例如，可以通过软件来完成信号采集、存储、回放和分析等功能，在控制方面可以自主设置速度控制值。信号可无间断连续采集存储，存储数据可回放、分析。使用表格形式设置数据采集通道，通道可以分组，可批量更改通道设置。使用数据库管理传感器参数，一次校正和参数录入，多次使用，无须重复输入传感器参数。自动分配测量通道的数据采集物理通道。自动关联测量通道与传感器。分级查错，逐步引导用户使用正确的设置，信号分析和显示界面可以完全自定义。此外，针对不同的应用和个人爱好，用户可以自由地定义界面的组合和外观、信号处理与分析类型、显示格式、算法参数等。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种阻尼力可控型的粘滞阻尼器，该阻尼器包括缸体、活塞和活塞杆，其特征在于：

缸体内部被分隔为主缸（1）和副缸（2），其中主缸（1）内充有由聚乙二醇和纳米量级二氧化硅粒子共同组成的阻尼介质（5），并且二氧化硅粒子悬浮分散在呈流体状态的聚乙二醇中；

所述活塞（4）设置在主缸内部并可沿其轴向方向来回移动，由此带动与之相连的活塞杆（3）一同移动；所述活塞杆（3）的一端贯穿开设在活塞（4）上的阻尼孔（6），另外一端伸入至副缸（2）中。

2.如权利要求1所述的粘滞阻尼器，其特征在于，对于聚乙二醇和纳米量级二氧化硅粒子而言，两者之间按照25:1～34:1的体积比进行配料。

3.如权利要求1或2所述的粘滞阻尼器，其特征在于，所述聚乙二醇为分子量为4000～6000的聚乙二醇并呈现粘稠状，所述二氧化硅粒子的平均颗粒尺寸为100～150纳米。

4.如权利要求1-3任意一项所述的粘滞阻尼器，其特征在于，所述阻尼介质的运动粘度被设定为0.1m²/s～2m²/s的范围。

5.如权利要求1-4任意一项所述的粘滞阻尼器，其特征在于，所述阻尼介质的粘温系数根据材料分子量的大小处于0.67～0.75范围内。

6.一种用于对如权利要求1-5任意一项所述的阻尼器执行智能监测与控制的系统，该系统包括检测单元、数据采集单元（12）、模数转换单元（13）、光电转换器（14）、通信光纤（15）和中央控制单元（16），其特征在于：

所述检测单元包括设置在阻尼器上的位移传感器（111）、速度传感器（112）和拉压力传感器（113），它们分别用于对阻尼器相对于自身连接点的相对位移量、相对于自身连接点的相对运动速度信号以及对应于该速度信号的阻尼力进行实时检测并获得检测结果；

所述数据采集单元（12）用于对所获得的检测结果执行模拟信号采集，所采集的模拟信号依次经过模数转换单元（13）和光电转换器（14）处理后，经由通信光纤（15）传输至中央处理单元（16）；

所述中央处理单元（16）将所接收的光信号转换为数字信号并予以显示，由此对阻尼器的运行状态进行实时监控；此外，该中央处理单元（16）可根据需要来调整阻尼器的相对运动速度信号，该速度调整信号转换为光信号后经由通信光纤返回，然后依次经过光电转换器（14）和模数转换单元（13）处理后反馈给阻尼器，由此实现对阻尼器的相应控制。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述位移传感器（111）为电磁式位移传感器，所述速度传感器（112）为磁电式速度传感器，所述拉压力传感器（113）为压电式拉压力传感器。

8.如权利要求6或7所述的系统，其特征在于，当中央处理单元（16）监控到阻尼器的相对运动速度信号超过其设计指标的控制值时，则将其相对运动速度锁定为控制值。

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