CN103603917B - 一种磁流变悬吊质量摆阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种磁流变悬吊质量摆阻尼器，属于土木工程的振动控制领域。磁流变悬吊质量摆阻尼器实现半主动控制的悬吊质量摆阻尼器。本发明包括磁流变摆轴体系、刚性吊杆和配重块等。在吊杆转动的轴承内部设计了一种封闭的磁流变装置，将转动轴封闭在磁流变液环境中，在轴承上设置叶片，通过控制电源来控制磁流变液的状态，以达到叶片阻力可调的目的。适用于土木工程结构的柔性结构和高层结构，突破了以往质量摆体系摆轴摆动角度和速度不可控的局限。土木结构体型庞大，其所用的调谐质量摆阻尼器质量庞大，若要对质量摆装置实现半主动控制需要很高的功率。磁流变体系耗电小，出力大，本发明仅通过小量的电流，即可实现对调谐质量摆阻尼器进行半主动控制。

Description

一种磁流变悬吊质量摆阻尼器

技术领域：

本发明属于土木工程的振动控制领域，具体的说，是通过改变摆轴的磁流变体系状态来控制摆动的角速度和摆动角度，从而达到调节控制力的半主动控制阻尼器。

背景技术：

传统土木工程结构的抗震抗风设计是通过提高结构自身的能力来耗散地震能量。然而，对于比较严重的自然灾害，如强震台风等，这种方法既不经济，也无法满足对安全的要求，达不到预期效果。结构振动控制是结构抗风抗震的有效方法，近三十年来，在理论研究和工程应用方面取得了丰硕成果。悬吊质量摆体系是一种应用于柔性结构和高层结构的有效减振措施，且设计安装简单方便、造价低，是一种实用性好的控制装置。将悬吊质量摆悬吊在结构上，通过质量摆的周期与结构周期相近，给出了与结构运动相反的惯性力来达到减震效果。研究表明，在最优的控制参数下，悬吊质量摆体系能减少主体受控结构风振或地震反应达50%以上，因此，在输电塔体系、电视塔、高层建筑中有广泛的应用前景。

传统的悬吊质量摆阻尼器主要由配重块、吊杆（吊线）组成。对于传统的质量摆体系，存在如下问题：（1）一般的悬吊质量摆的摆动角度在一定的范围内，才能起到控制效果。然而若地震或风振较大，吊杆（吊线）摆动角度较大，又会影响结构的减振效果，甚至起到相反的作用。（2）传统的质量摆，不能根据具体的外部激励和结构特性实时调节控制力，达到最优控制效果。

发明内容

为了解决悬吊质量摆阻尼器存在的上述问题，本发明在摆轴内部设计磁流变体系，通过摆轴的叶片在磁流变体系内阻力的变化来控制刚性质量摆的摆动角度和摆动速度。本发明的技术方案如下：

一种磁流变悬吊质量摆阻尼器，由托架、吊杆、配重块、磁流变摆轴和承杆组成；配重块用螺栓固定，分两侧对称挂在吊杆的下端；吊杆的上端通过轴承套固定在磁流变摆轴的轴承外圈上；磁流变摆轴安装在水平承杆的中间，水平承杆的两端分别固定在托架上；水平承杆不可以绕轴转动。

磁流变摆轴包括轴承内圈、轴承外圈、滚珠、励磁线圈和橡胶密封垫；轴承滚珠位于轴承内圈和轴承外圈之间的滚珠槽内；滚珠槽位于轴承的中间段；轴承内圈的两端外径缩小；在轴承内圈外径缩小处沿圆周固定若干个内圈叶片；在轴承外圈的内侧两端与内圈叶片对应处，也固定若干个外圈叶片；内圈叶片和外圈叶片之间不接触；两个环形橡胶密封垫内径粘接固定在轴承内圈两个端点上，外径与轴承外圈的内径尺寸相符，且紧贴轴承外圈的内壁，使得轴承内圈和轴承外圈之间形成封闭空间；橡胶密封垫外侧上下对称位置设有两个凹槽，用来放置励磁线圈；两个励磁线圈用连接导线以圆形连接；密封环境的内部注满磁流变液；轴承内圈固定在水平承杆的中间位置。

轴承套与轴承外圈之间可用平键固定。

轴承内圈与承杆间可用平键来固定。

橡胶密封垫可外盖一挡片，与轴承内圈以螺丝扣的形式连接。

内圈叶片可以预铸在轴承内圈上。

外圈叶片可以预铸在轴承外圈上。

本发明具有如下的优点：

（1）本发明提供的阻尼器可实时调节控制力，悬吊质量摆所出的控制力与摆动的角速度相关，通过改变磁流变液的流动性和粘度，就可以控制摆动的角速度，达到调节控制力的目的。对于不同程度结构和外部激励，根据结构信息的实时反馈和响应控制算法来调节控制力，达到最优的控制效果。

（2）本发明的控制力变化的响应快，且功耗小。磁场强度改变后，磁流变液的流变过程是瞬间完成的，故摆轴摆动的阻尼力也是瞬间改变的，控制力变化的响应快。此外，本发明功耗小，使用低电压的外接电路或外接电池即可达到控制效果。

（3）本发明的部件较少，制作和安装过程简单，因此成本不高，且维护方便，能有效提高结构的抗震抗风性能，具有广阔的市场推广和应用前景。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明的侧立面图。

图3是磁流变轴承内部构造图。

图4是图2的AA剖视图。

图5是密封圈外侧构造图。

图中：1托架，2吊杆，3配重块，4磁流变摆轴，5挡片，6承杆，7橡胶密封垫，8励磁线圈，9轴承内圈，10轴承外圈，11内圈叶片，12磁流变液，13滚珠，14螺栓，15平键，16连接导线，17轴承套，18凹槽，19电源线，20外圈叶片，21滚珠槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明：

一种磁流变悬吊质量摆阻尼器，由托架1、吊杆2、配重块3、磁流变摆轴4和承杆6组成；其特征在于：配重块3用螺栓14固定，分两侧对称挂在吊杆2的下端；吊杆2的上端通过轴承套17固定在磁流变摆轴4的轴承外圈10上；磁流变摆轴4安装在水平承杆6的中间，水平承杆6的两端分别固定在托架1上；水平承杆6不可以绕轴转动。

磁流变摆轴4包括轴承内圈9、轴承外圈10、滚珠13、励磁线圈8和橡胶密封垫7；轴承滚珠13位于轴承内圈9和轴承外圈10之间的滚珠槽21内；滚珠槽21位于轴承的中间段；轴承内圈9的两端外径缩小；在轴承内圈9外径缩小处沿圆周固定若干个内圈叶片11；在轴承外圈10的内侧两端与内圈叶片11对应处，也固定若干个外圈叶片20；内圈叶片11和外圈叶片20之间不接触；两个环形橡胶密封垫7内径粘接固定在轴承内圈9两个端点上，外径与轴承外圈10的内径尺寸相符，且紧贴轴承外圈10的内壁，使得轴承内圈9和轴承外圈10之间形成封闭空间；橡胶密封垫7外侧上下对称位置设有两个凹槽18，用来放置励磁线圈8；两个励磁线圈8用连接导线16以圆形连接；密封环境的内部注满磁流变液；轴承内圈9固定在水平承杆6的中间位置。

轴承套17与轴承外圈10之间用平键15固定。

轴承内圈9与承杆6间也用平键15来固定。

橡胶密封垫7外盖一挡片，与轴承内圈9以螺丝扣的形式连接。

内圈叶片11可以预铸在轴承内圈9上。

外圈叶片20可以预铸在轴承外圈10上。

本发明的安装过程如下：将预制好的磁流变摆轴4套接在承杆6上，并将吊杆2套在磁流变摆轴4上。将承杆6固定在托架1上，并将托架1固定在结构顶端。最后，根据结构的具体要求选择适当质量的配重块3，用螺栓14分两侧对称固定在吊杆2上。

发生地震或风振时，质量摆由于惯性的作用，给结构施加相反方向的控制力。当地震或风振过大时，为了避免摆动角度过大而影响减振效果，根据结构的反馈信息和相应的控制算法，将外部电流施加在励磁线圈8上，形成适当强度的电磁场来控制磁流变液12的粘度和流动性，调节摆动的阻尼力和摆动的角速度，达到调节控制力的效果。也可根据结构的反馈结果，将磁场强度增大到一定程度，使磁流变摆轴12不能转动，达到控制摆动幅度的目的。

Claims (6)

1.一种磁流变悬吊质量摆阻尼器，由托架(1)、吊杆(2)、配重块(3)、磁流变摆轴(4)和承杆(6)组成；其特征在于：配重块(3)用螺栓(14)固定，分两侧对称挂在吊杆(2)的下端；吊杆(2)的上端通过轴承套(17)固定在磁流变摆轴(4)的轴承外圈(10)上；磁流变摆轴(4)安装在承杆(6)的中间，承杆(6)的两端分别固定在托架(1)上；承杆(6)不可以绕轴转动；

磁流变摆轴(4)包括轴承内圈(9)、轴承外圈(10)、滚珠(13)、励磁线圈(8)和橡胶密封垫(7)；滚珠(13)位于轴承内圈(9)和轴承外圈(10)之间的滚珠槽(21)内；滚珠槽(21)位于轴承的中间段；轴承内圈(9)的两端外径缩小；在轴承内圈(9)外径缩小处沿圆周固定若干个内圈叶片(11)；在轴承外圈(10)的内侧两端与内圈叶片(11)对应处，也固定若干个外圈叶片(20)；内圈叶片(11)和外圈叶片(20)之间不接触；两个环形橡胶密封垫(7)内径粘接固定在轴承内圈(9)两个端点上，外径与轴承外圈(10)的内径尺寸相符，且紧贴轴承外圈(10)的内壁，使得轴承内圈(9)和轴承外圈(10)之间形成封闭空间；橡胶密封垫(7)外侧上下对称位置设有两个凹槽(18)，用来放置励磁线圈(8)；两个励磁线圈(8)用连接导线(16)以圆形连接；密封环境的内部注满磁流变液；轴承内圈(9)固定在承杆(6)的中间位置。

2.根据权利要求1所述的一种磁流变悬吊质量摆阻尼器，其特征在于轴承套(17)与轴承外圈(10)之间用平键(15)固定。

3.根据权利要求1所述的一种磁流变悬吊质量摆阻尼器，其特征在于轴承内圈(9)与承杆(6)间也用平键(15)来固定。

4.根据权利要求1所述的一种磁流变悬吊质量摆阻尼器，其特征在于橡胶密封垫(7)可外盖一挡片，与轴承内圈(9)以螺丝扣的形式连接。

5.根据权利要求1所述的一种磁流变悬吊质量摆阻尼器，其特征在于内圈叶片(11)可以预铸在轴承内圈(9)上。

6.根据权利要求1所述的一种磁流变悬吊质量摆阻尼器，其特征在于外圈叶片(20)可以预铸在轴承外圈(10)上。