CN103572857B - 一种电磁调谐质量阻尼器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种电磁调谐质量阻尼器及其设计方法属于土木工程消能减振领域。质量块设置在工字型支座的上方，两者间通过若干根弹簧连接；永磁铁的阴极和阳极分别固定于工字型支座的两个翼缘外侧；两根齿条分别与质量块的两侧固结，并分别与各自所在一侧的双层平齿轮的内轮相啮合，若干个单层齿轮相互串联并与双层平齿轮的外轮啮合；双层平齿轮和单层齿轮通过轴承连接到工字型支座的腹板区域；线圈与单层齿轮之间固结，位于永磁铁的两磁极之间，且线圈与能量采集电路相连。通过传动装置将质量块振动转化为电磁元件中的转子转动，通过电磁原件提供的电磁阻尼取代现有调谐质量阻尼器中的粘滞性液体阻尼器，克服了现有调谐质量阻尼器寿命短，稳定性不足的缺点。

Description

一种电磁调谐质量阻尼器及其设计方法

技术领域

本发明属于土木工程结构减震技术领域，特别涉及一种电磁调谐质量阻尼器及其设计方法，用于桥梁工程中或高层结构中。

背景技术

桥梁属于大型、复杂结构。它的静动力特性,包括空间内力计算、稳定、振动、风和地震响应等问题,如果在桥梁的设计当中解决不好,将带来很大的危害。近年来，桥梁的振动问题备受关注：如在既有铁路桥梁基础上进行列车提速带来的过度振动、城市轨道高架桥振动带来的城市噪声污染、大跨度桥梁桥塔和拉索的风致振动等问题。

桥梁振动控制方法有主动控制和被动控制之分,由于主动控制中有许多问题尚未解决,所以目前的结构工程中一般采用被动控制。被动控制的手段包括：改变结构质量、改变结构阻尼、改变结构刚度或输入外力。但由于桥梁强度、变形条件、行车条件的限制,改变桥梁质量、刚度或外力未必总是可能的。调谐质量减振器（TMD）是解决这一难题的方法之一,无需附加太多质量即可增加结构阻尼。TMD是1909年由Frahm发明的一种吸振器,它具有经济、方便，抑制窄带振动效果显著的优点.几十年来在机械、土木、航空航天、船舶、化工工程等众多领域获得了广泛应用。其原理是把TMD(包括质量块、并联的弹簧和阻尼器)连接到主结构上，当结构在外激励作用下产生振动时，带动TMD子系统一起振动。TMD子系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上，对结构的震动产生控制作用。从能量的角度来说，TMD子系统振幅远大于结构，因此由激励荷载输入的能量绝大部分由TMD消耗，输入主体结构的能量减小，从而抑制主结构的振动。它用于桥梁结构的优势在于可以耗散桥梁的振动能量而不需与大地连接。

TMD中的阻尼器是其中的关键部件，目前多采用粘滞性液体阻尼器。粘滞性液体阻尼器制作工艺成熟，应用广泛，具有一定的稳定性。但针对建筑用TMD的长使用寿命，粘滞性液体阻尼器也存在着一些无法回避的弊端。首先，粘滞性液体阻尼器容易发生液体泄漏，使用寿命较短，需要较高的维护频率和维护成本；其次，TMD在安装过程和使用过程中都需要对阻尼进行进一步调节，粘滞性液体阻尼器的调节较为麻烦且可调整的区间较小；再次，粘滞性液体阻尼器由于构造方面的要求，工艺相对复杂，成本也较高。粘滞性液体阻尼器的以上弊病在一定程度上也即是现有TMD的弊病，限制了TMD的推广和应用。

因此，开发一种新型TMD，使其在现有TMD的功能定位下克服现有TMD的缺点，提高使用稳定性、延长使用寿命、方便阻尼调节，简化制作工艺和成本，无疑将拥有广阔的市场前景，同时也有利于绿色建筑的推广和实现。

发明内容

本发明提出了一种电磁调谐质量阻尼器，通过传动装置将质量块振动转化为电磁元件中的转子转动，通过电磁原件提供的电磁阻尼取代现有调谐质量阻尼器中的粘滞性液体阻尼器，克服了现有调谐质量阻尼器使用寿命短，稳定性不足的缺点。通过调节外电路的负载电阻，可以方便调节电磁阻尼的大小，且调节范围较粘滞阻尼器更大。所形成的电磁回路还可以通过转换电路对超级电容进行充电，作为外接负载的可持续性电源。

本发明采用的技术方案为：

该阻尼器由工字型支座、质量块、弹簧、传动系统、永磁铁、线圈以及能量采集电路组成。所述质量块设置在工字型支座的上方，两者间通过若干根弹簧连接；永磁铁的阴极和阳极分别固定于工字型支座的两个翼缘外侧；所述传动系统对称设置在工字型支座的两侧，由齿条、轴承、大直径的双层平齿轮和若干个小直径的单层齿轮组成；其中，两根齿条分别与质量块的两侧固结，并分别与各自所在一侧的双层平齿轮的内轮相啮合，若干个单层齿轮相互串联并与双层平齿轮的外轮啮合；两侧的双层平齿轮和单层齿轮通过轴承连接到工字型支座的腹板区域；所述线圈与单层齿轮之间固结，位于永磁铁的两磁极之间，随齿轮转动，且线圈与能量采集电路相连。

所述能量采集电路由一个可变电阻、一个普通电容、一个电感指示开关、四个二极管、一个超级电容和外接用电器构成。

所述每套传动系统中，单层齿轮为4个，按每侧两个分居双层平齿轮的两侧。

该电磁调谐质量阻尼器通过C字型钢板安装于桥梁底板的正下方，C字型钢板的下翼缘与工字型支座铆接，上翼缘铆接于桥梁底板。

本发明还提供了所述电磁调谐质量阻尼器的设计方法，可以根据各种工况和需求分别对阻尼器的各个参数进行精确设计，保证其减振性能，力学性能和稳定性能符合使用要求。

该设计方法分为以下步骤：

（a）根据实际工程需要首先确定电磁调谐质量阻尼器的质量块（1）的质量m，以及使用该阻尼器的结构的总质量M；质量比μ=m/M，取值范围为2%-3%；根据上述取值制备质量块（1）及工字型支座（3）；

（b）基于步骤(a)确定的m，根据公式确定弹簧的刚度系数，制备弹簧（2）；其中，f_struc是结构的一阶频率，通过结构计算或有限元分析给出，f_TMD是电磁调谐质量阻尼器的一阶频率，根据公式f_TMD=f_struc/(1+μ)确定，ω是电磁调谐质量阻尼器相应的一阶圆频率；

（c）根据公式确定阻尼器的理论阻值，其中

（d）根据步骤（c）得到的阻尼器的理论阻值C，设计线圈（8），并确定单个线圈的匝数n、面积S、磁感应平均强度B，各参数满足以下关系式：

$C=\frac{1569n^2{B}^2{S}^2{r_1}^2}{\mathrm{\πR}{r_2}^2{r_3}^2},$

其中，R是外接电路的总电阻；r₁是双层平齿轮外圈半径；r₂是双层平齿轮内圈半径；r₃是单层齿轮的半径；

（e）根据以上所有参数，制作相应的各个构件；

（f）安装完成后根据实际工程的具体情况调节外接电路中可变电阻的大小，以此改变电磁阻尼的大小，同时对电磁调谐质量阻尼器进行调频。

本发明金属阻尼器具有如下优点：

（1）使用寿命长，稳定性高。本发明克服了现有调谐阻尼器中粘滞性阻尼器稳定性差容易发生渗漏的弊端，不需要进行频繁的检修和维护，提高了调谐阻尼器的使用寿命和稳定性，从而降低了成本，提升了其实际工程应用价值。

（2）阻尼器阻尼值域更广，调节范围更大。受限于制作工艺等因素，普通调谐质量阻尼器的阻尼范围较单一，且一旦安装完成后，后期调节的余地较小。本发明对线圈和传动系统中的各个参数可以进行任意设计，所能设计出的阻尼器阻尼值范围非常广，且安装以后，针对实际工程中的具体情况，可以通过调整能量收集电路中的可变阻尼器进行调节。

（3）俘能发电，绿色环保。电磁部分的设计一方面可以带来电磁阻尼，取代粘滞阻尼器，另一方面电磁线圈通过能量采集电路将机械能转化为电能，可以对外部用电器进行供电，节约能源，符合可持续发展战略。

（4）效率高，产能强。通过传动系统的三级调节，将调谐质量阻尼器低速率，小位移的运动特点转化为适用于电磁发电的高转速运动，可以大幅提升电磁阻尼和发电效率，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为电磁调谐质量阻尼器的主视图。

图2为电磁调谐质量阻尼器的侧视图。

图3为图1的A-A剖面图。

图4为电磁调谐质量阻尼器的俯视图。

图5为图1的B-B剖面图。

图6为电磁调谐质量阻尼器在桥梁上的安装示意图。

图7为电磁调谐质量阻尼器的侧视图的能量采集电路示意图。

图中标号：

1-质量块；2-弹簧；3-工字型支座；4-齿条；5-双层平齿轮；6-单层齿轮；7-永磁铁；8-线圈；9-轴承；10-桥梁底板；11-C字型钢板。

具体实施方式

本发明提供了一种电磁调谐质量阻尼器及其设计方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1-5所示的电磁调谐质量阻尼器，包括质量块1，弹簧2、工字型支座3、齿条4、双层平齿轮5、单层齿轮6、永磁铁7、线圈8、轴承9以及能量采集电路。

质量块1设置在工字型支座3的上方，两者间通过若干根弹簧2连接；永磁铁7的阴极和阳极分别固定于工字型支座3的两个翼缘外侧；所述传动系统对称设置在工字型支座3的两侧，由齿条4、轴承、大直径的双层平齿轮5和若干个小直径的单层齿轮6组成；其中，两根竖直布置的齿条4分别与质量块1的两侧固结，并分别与各自所在一侧的双层平齿轮5的内轮相啮合，若干个单层齿轮6相互串联并与双层平齿轮5的外轮啮合，双层平齿轮5的两侧各设置两个单层齿轮；两侧的双层平齿轮5和单层齿轮6通过轴承9连接到工字型支座3的腹板区域；所述线圈8与单层齿轮6之间固结，位于永磁铁7的两磁极之间，随齿轮转动，且线圈8与能量采集电路相连。通过传动系统，质量块1的小幅度竖向运动被转换为线圈8的高速转动，通过切割磁感线提供电磁阻尼并对外发电。

如图7所示，所述能量采集电路由一个可变电阻、一个普通电容、一个电感指示开关、四个二极管、一个超级电容和外接用电器构成。安装完成后，通过调整可变电阻，可以方便调节整个调谐质量阻尼器的阻尼大小。

使用前，先按照如下设计方法对本阻尼器进行结构设计，具体为以下步骤：

（a）根据实际工程需要首先确定电磁调谐质量阻尼器的质量块1的质量m，以及使用该阻尼器的结构的总质量M；质量比μ=m/M，取值范围为2%-3%；根据上述取值制备质量块1及工字型支座3；

（b）基于步骤(a)确定的m，根据公式确定弹簧的刚度系数，制备弹簧2；其中，f_struc是结构的一阶频率，通过结构计算或有限元分析给出，f_TMD是电磁调谐质量阻尼器的一阶频率，根据公式f_TMD=f_struc/(1+μ)确定，ω是电磁调谐质量阻尼器相应的一阶圆频率；

（c）根据公式确定阻尼器的理论阻值，其中

（d）根据步骤（c）得到的阻尼器的理论阻值C，设计线圈8，并确定单个线圈的匝数n、面积S、磁感应平均强度B，各参数满足以下关系式：

$C=\frac{1569n^2{B}^2{S}^2{r_1}^2}{\mathrm{\πR}{r_2}^2{r_3}^2},$

其中，R是外接电路的总电阻；r₁是双层平齿轮外圈半径；r₂是双层平齿轮内圈半径；r₃是单层齿轮的半径；

（e）根据以上所有参数，制作相应的各个构件；

安装时，可以将该电磁调谐质量阻尼器安装于建筑物顶端或桥梁底板中央。以桥梁消能减振为例，如图6所示，该电磁调谐质量阻尼器通过C字型钢板11安装于桥梁底板10的正下方，C字型钢板11的下翼缘与工字型支座铆接，上翼缘铆接于桥梁底板。

本例中只有一个质量块，工字型支座两侧的传动系统仅各有一个大直径的双层平齿轮和一个小直径的单层齿轮。实际应用中，可以布置多个质量块和多个传动系统，也可以将一个质量块与多个传动系统相连。每个传动系统中，双层平齿轮和单层齿轮的数量可以视要求而定，本例中一个双层齿轮四个小齿轮的布置只是其中一种方案，在此不一一做单独说明，只要基于本发明的技术原理，都在本发明的保护范畴中。

Claims (3)

1.一种电磁调谐质量阻尼器，由工字型支座(3)、质量块(1)、弹簧(2)、传动系统、永磁铁(7)、线圈(8)以及能量采集电路组成，其特征在于，所述质量块(1)设置在工字型支座(3)的上方，两者间通过若干根弹簧(2)连接；永磁铁(7)的阴极和阳极分别固定于工字型支座(3)的两个翼缘外侧；所述传动系统对称设置在工字型支座(3)的两侧，由齿条(4)、轴承、大直径的双层平齿轮(5)和若干个小直径的单层齿轮(6)组成；其中，两根齿条(4)分别与质量块(1)的两侧固结，并分别与各自所在一侧的双层平齿轮(5)的内轮相啮合，若干个单层齿轮(6)相互串联并与双层平齿轮(5)的外轮啮合；两侧的双层平齿轮(5)和单层齿轮(6)通过轴承(9)连接到工字型支座(3)的腹板区域；所述线圈(8)与单层齿轮(6)之间固结，位于永磁铁(7)的两磁极之间，随齿轮转动，且线圈(8)与能量采集电路相连。

2.根据权利要求1所述的电磁调谐质量阻尼器，其特征在于，所述传动系统中，单层齿轮(6)为4个，按每侧两个分居双层平齿轮(5)的两侧。

3.一种权利要求1所述电磁调谐质量阻尼器的设计方法，其特征在于，分为以下步骤：

(a)根据实际工程需要首先确定电磁调谐质量阻尼器的质量块(1)的质量m，以及使用该阻尼器的结构的总质量M；质量比μ＝m/M，取值范围为2％-3％；根据上述取值制备质量块(1)及工字型支座(3)；

(b)基于步骤(a)确定的m，根据公式确定弹簧的刚度系数，制备弹簧(2)；其中，f_struc是结构的一阶频率，通过结构计算或有限元分析给出，f_TMD是电磁调谐质量阻尼器的一阶频率，根据公式f_TMD＝f_struc/(1+μ)确定，ω是电磁调谐质量阻尼器相应的一阶圆频率；

(c)根据公式确定阻尼器的理论阻值，其中

(d)根据步骤(c)得到的阻尼器的理论阻值C，设计线圈(8)，并确定单个线圈的匝数n、面积S、磁感应平均强度B，各参数满足以下关系式：

$C=\frac{1569n^2{B}^2{S}^2{r}_1^2}{{\mathrm{\πRr}}_2^2{r}_3^2},$

其中，R是外接电路的总电阻；r₁是双层平齿轮外圈半径；r₂是双层平齿轮内圈半径；r₃是单层齿轮的半径；

(e)根据以上所有参数，制作相应的各个构件。