CN103938751A - 自供电式半主动调谐质量阻尼器 - Google Patents

自供电式半主动调谐质量阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自供电式半主动调谐质量阻尼器。本发明包括质量块；在质量块的垂直下方设有竖直弹簧以及磁流变液阻尼器和直线转换旋转机构；竖直弹簧以及磁流变液阻尼器和直线转换旋转机构的上端与质量块连接，竖直弹簧以及磁流变液阻尼器的下端固定于被控结构上，直线转换旋转机构的下端则与发电机装置连接；发电机装置的输出端分别与整流器和控制器模块连接；整流器的输出端与蓄电池连接，蓄电池的输出端与功率稳定器连接，功率稳定器的输入端与控制器模块的输出端连接，功率稳定器的输出端与磁流变液阻尼器连接。本发明能实现自供电和阻尼力实时可调，具有发电效率高、阻尼单元耗电少、结构简单、减振控制性能好的特点。

Description

自供电式半主动调谐质量阻尼器
技术领域
本发明属于工程结构减振技术领域，涉及一种主要用于高层建筑或大跨桥梁、海洋平台等土木结构振动控制的调谐质量阻尼器，具体涉及一种无需外部能源供应的自供电式半主动调谐质量阻尼器。
背景技术
土木工程结构在强风、地震、波浪等外部激励下，容易产生大幅振动，影响结构的安全和舒适性，为了减轻或抑制结构由于动力荷载所引起的响应，迄今国内外学者研究并开发了众多结构振动控制技术。其中基于耗能吸能减振的调谐阻尼器得以应用，最常用的有调谐质量阻尼器（TMD）、调谐液体阻尼器（TLD）、调谐液柱阻尼器（TLCD）等，简单且有效的结构振动装置当属调谐质量阻尼器（TMD）。为了增加调谐质量阻尼器对工程结构的减振效果，众多研究者从调谐质量阻尼器调频与阻尼方面已开展了研究。一方面研究是从需要外部提供电能的调谐、调阻或同时调谐调阻。如专利号ZL200810159389.9，自适应变频调谐质量阻尼减振装置及其自适应变频方法的专利，由弹性构件和小质量块组成特定固有频率的小弹簧质量系统，通过并联或串联方式连接的变刚度驱动系统，实现多个频率的对被控制结构的振动控制；美国专利US006098969，带连续可调刚度的结构振动阻尼器的专利，通过伺服马达调节四个弹簧的角度，实现频率可调的调谐质量阻尼器；专利号ZL201110324243.7，变刚度变阻尼调谐质量阻尼器的专利，通过步进电机调悬臂弹簧的长度调节调谐质量阻尼器的频率，通过调节磁流变阻尼器的电流改变调谐质量阻尼器的阻尼比,实现刚度与阻尼连续可调，实现竖向及横向振动控制。另一方面研究是无需外部电能的调阻。如专利号ZL02145115.X，发电机耗能可调谐质量阻尼器的专利，采用发电机作阻尼器的TMD装置，发电机通过齿轮齿条啮合,连接到TMD的质量,使质量在振动时带动发电机发电耗能形成阻尼，改变外接的负载电阻可以方便地改变阻尼系数；专利号ZL201110443539.0，一种可调阻尼蓄能式调谐质量阻尼器的专利，当阻尼器吸收主结构振动能量导致惯性质量的往复运动过程中，由永磁铁发电原理的线圈产生感应电动势，形成电磁阻尼抑制永磁铁的运动，调节装置中的可调电阻，改变电磁阻尼的大小，使结构的阻尼比达到最优阻尼比，并利用蓄能电池回收多余能量，通过LED预警指示灯对行人及车辆提供预警指示。从上述文献分析，当外部能源无法保证时，必然降低调谐质量阻尼器的减振性能；另外无需外部电能的阻尼调节，仅是一种最优被动的调节，当需要阻尼实时优化时，均无法对调谐质量阻尼器的阻尼大小实时调节。
发明内容
本发明的目的在于针对现有调谐质量阻尼器存在的缺陷，提供一种无需外部能源供应的自供电式半主动调谐质量阻尼器，它利用结构自身振动的机械能转化为电能和阻尼力可调阻尼单元两大特点，实现自供电和阻尼力实时可调，该阻尼器具有发电效率高、阻尼单元耗电少、结构简单、减振控制性能好的特点。
本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该自供电式半主动调谐质量阻尼器，用于抑制高层建筑或大跨桥梁、海洋平台等土木结构的振动，它包括一个质量块；在所述质量块的垂直下方设有一根以上的竖直弹簧以及磁流变液阻尼器和直线转换旋转机构；所述竖直弹簧以及磁流变液阻尼器和直线转换旋转机构的上端与质量块连接，竖直弹簧以及磁流变液阻尼器的下端固定于被控结构上，直线转换旋转机构的下端则与发电机装置连接；所述发电机装置的机身固定，其旋转齿轮与直线转换旋转机构连接，其输出端通过导线分别与整流器和控制器模块连接；整流器的输出端通过导线与蓄电池连接，蓄电池的输出端通过导线与功率稳定器连接，功率稳定器的输入端与所述控制器模块的输出端连接，功率稳定器的输出端通过导线与所述磁流变液阻尼器连接。
具体地说，实际投入使用时，根据具体需要可以选用质量块的材料，采用水箱或者钢材等，并根据被控结构的模态质量，来选择质量块的重量。
所述弹簧，根据具体需要可选用2根、3根和4根等数量。根据被控结构和质量块的重量，可通过选择不同弹簧刚度来调节阻尼器的固有频率。
所述磁流变液阻尼器，根据具体需要可选用直线型磁流变液阻尼器或者旋转型磁流变液阻尼器。
所述直线转换旋转机构，根据具体需要可选用齿轮齿条机构或者滚珠丝杆机构，从而可以把质量块的低频直线振动转变为高速旋转运动。
所述发电机装置，根据具体需要可选用直线永磁式发电机或者旋转永磁式发电机。
本发明利用被控结构振动时质量块上下运动的机械能，通过发电机装置转化为电能，并作为控制器模块、稳压电流器和磁流变液阻尼器的电能供应；根据发电机电压信号反馈，由控制器模块的控制算法，实现磁流变液阻尼器的阻尼实时连续可调，进而实现调谐质量阻尼器的半主动控制；本发明的阻尼器具有减振性能优，自适应调节的无需外部电能供应的特点。
综上所述，本发明的自供电式半主动调谐质量阻尼器与现有调谐质量阻尼器相比，因加入了能量回收装置和磁流变液阻尼器，具有如下优点：
（1）本发明的自供电式半主动调谐质量阻尼器工作原理清晰，减振效果好。
（2）利用了齿轮齿条或滚珠丝杆的直线转换旋转机构，使低频直线振动转变为高速旋转运动，增加了振动机械能转化为电能的工作效率。
（3）增加机械能电能转化的发电机装置，保障了当地震或强风时，振动控制所需能源无法保证时，实现了该阻尼器无需外部电能供应的半主动控制。
（4）利用了磁流变液阻尼器阻尼大小智能可调的特点，通过调节电流大小，来提供阻尼力的大小，方便地代替了传统的粘性阻尼器，在工程应用上易于实现半主动控制特性，最终使结构减振达到最优效果。
附图说明
图1是本发明实施例的原理结构示意图；
图2是本发明实施例实时监测控制系统的半主动控制原理流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，本发明的自供电式半主动调谐质量阻尼器可用于高层建筑、大跨桥梁及海洋平台等结构振动控制，若安装于大跨桥梁的箱形主梁中，质量块2下垂直方向竖直弹簧1的下端可直接锚于箱梁下底板，竖直弹簧1根据主梁结构振动频率，调节阻尼器的固有频率；在质量块2的下方分别安装磁流变液阻尼器3和直线转换旋转机构4；磁流变液阻尼器3上端与质量块2连接，下端可直接锚于箱梁下底板，当导线15给磁流变液阻尼器3提供不同的电压时，调整阻尼力的大小；直线转换旋转机构4上端与质量块2连接，下端与发电机装置5连接；发电机装置5的旋转齿轮与直线转换旋转机构4连接，发电机装置5机身可直接锚于箱梁下底板；质量块2在上下运动时，直线转换旋转机构4也随质量块2上下运动，引起发电机装置5的旋转齿轮作旋转运动，发电机装置5发电，即把质量块2的振动机械能转化为电能；发电机装置5所发电能通过导线10经整流器6，把三相交流电整流为直流电，再由导线12把电能储存于蓄电池9；同时，控制器模块7由导线11测量发电机装置5产生的电压，电压能够实时反馈质量块2的运动位移和速度，依据控制器模块7中的调谐质量阻尼器实时半主动最优阻尼控制算法（如Bang-Bang、神经网络等控制算法）发送磁流变液阻尼器3的电压指令信号，电压指令信号通过信号线13由功率稳定器8执行，功率稳定器8的电源通过导线14由蓄电池9提供。当调谐质量阻尼器用于抑制箱形梁竖向振动时，发电机装置5把主梁的振动机械能转化为电能，磁流变液阻尼器3在功率稳定器8的执行下，实时调节调谐质量阻尼器所需的最优阻尼，从而使调谐质量阻尼器对主梁的减振性能达到最优，整个系统在减振半主动控制执行过程中，是无需外部能源的自供电式调谐质量阻尼器。
上述质量块2在上下运动时，通过发电机装置5，把系统的机械能转化电能，为控制器模块7和功率稳定器8提供电能。
上述磁流变液阻尼器3，在电压反馈质量块运动位移和速度的情况下，经控制器模块7的半主动控制算法，能够保证实时提供调谐质量阻尼器系统最优阻尼，提高系统减振性能。
参见图2，是本发明实施例实时监测控制系统的半主动控制原理流程框图。其工作原理是：当主结构受到干扰运动时，带动本发明的调谐质量阻尼器一起振动，调谐质量阻尼器相对运动产生的惯性力反作用到结构上。主结构的振动能量被转移到附加TMD，并激起TMD产生比主结构大得多的振幅。主结构的振动机械能分为两部分，一部分机械能由发电机装置转化为电能储存于蓄电池中备用，另一部分由磁流变液阻尼器的阻尼力加以耗散。当外部激励发生变化时，发电机装置电压反馈出系统的运动位移和速度响应，经控制器模块的半主动控制算法，通过稳压电流器即功率稳定器，调节磁流变液阻尼器的电压，实时改变调谐质量阻尼器的阻尼比，提高系统的减振效率，保证系统最佳减振效果。

Claims (5)

1.一种自供电式半主动调谐质量阻尼器，用于抑制高层建筑或大跨桥梁、海洋平台等土木结构的振动，它包括一个质量块；其特征在于：在所述质量块的垂直下方设有一根以上的竖直弹簧以及磁流变液阻尼器和直线转换旋转机构；所述竖直弹簧以及磁流变液阻尼器和直线转换旋转机构的上端与质量块连接，竖直弹簧以及磁流变液阻尼器的下端固定于被控结构上，直线转换旋转机构的下端则与发电机装置连接；所述发电机装置的机身固定，其旋转齿轮与直线转换旋转机构连接，其输出端通过导线分别与整流器和控制器模块连接；整流器的输出端通过导线与蓄电池连接，蓄电池的输出端通过导线与功率稳定器连接，功率稳定器的输入端与所述控制器模块的输出端连接，功率稳定器的输出端通过导线与所述磁流变液阻尼器连接。
2.根据权利要求1所述自供电式半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述质量块采用水箱或钢材。
3.根据权利要求1所述自供电式半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述磁流变液阻尼器是直线型磁流变液阻尼器或者旋转型磁流变液阻尼器。
4.根据权利要求1所述自供电式半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述直线转换旋转机构包括齿轮齿条机构或者滚珠丝杆机构。
5.根据权利要求1所述自供电式半主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述发电机装置包括直线永磁式发电机或者旋转永磁式发电机。
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