CN105064531A - 一种自复位磁流体阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自复位磁流体阻尼器，包括外管、内管、外管内套管、内管外套管、阻尼器活塞、磁流变液、永久磁铁、隔磁环、密封端板、左侧弹簧和右侧弹簧，所述外管的中间的内壁上向内设置有第一凸台，所述外管的两端向内设置有外管固定挡板，所述外管固定挡板为中间开有圆孔的圆形挡板，所述第一凸台与外管固定挡板之间的外管的内壁上固定设置外管内套管，所述外管内套管靠近第一凸台的一端设置有第二凸台。内部通过内外管及套管传力，组装简单，大大减少了焊接范围，避免了因焊接导致的钢材金相组织和机械性能发生变化及焊接残余应力，构件受力性能更加稳定。结构使用方便，具有更高的可靠性。

Description

一种自复位磁流体阻尼器

技术领域

本发明涉及磁流体阻尼器技术领域，具体涉及一种自复位磁流体阻尼器。

背景技术

地震是人类长期以来面临的一种重大自然灾害，造成大量人员伤亡以及建筑物的破坏或倒塌。当建筑物遭遇高于本地区设防烈度的强地震作用时，即使保持了结构的整体完整性，但由于变形过大、部分构件的严重破坏而需要大范围的加固修复，甚至只能推倒重建造成了巨大的浪费，影响了人们的正常生活。为此出现了一种新型的分灾控制体系—自恢复功能结构，不仅能够消耗地震传输给主结构的能量，实现分灾功能，控制结构局部失效模式的出现，而且震后能够很快的恢复其正常使用功能，帮助人们尽快恢复正常生活，如自复位摇摆墙结构体系及自恢复耗能支撑体系、自复位阻尼器等。

目前自复位构件主要有形状记忆合金自复位阻尼器、预应力钢筋的自恢复耗能支撑。形状记忆合金自复位阻尼器充分利用了形状记忆合金的超弹性性能，旗形滞回曲线饱满，减少甚至消除了残余变形，但是形状记忆合金的性能受温度影响，并且在变形后需要通过对形状记忆合金加热才能使其恢复到变形前的状态，升温可能会对阻尼器的其它组件产生不利影响；采用预应力钢筋的自恢复耗能支撑由于预应力钢筋弹性变形小的缺点，满足不了典型框架结构层间位移的需求。已有研究表明，当结构震后的残余变形角大于0.5％时，结构的维修成本便大于重建成本。在磁场的作用下,磁流变液可以在毫秒级的时间内由流动性良好的牛顿流体转变为高粘度、低流动性的Bingham粘塑性体,制成的磁流变阻尼器具有出力大、能耗低、响应快等优点，但传统的磁流体阻尼器没有复位能力，不能提供复位力，通常震后具有较大的残余变形；由于传统的磁流变阻尼器中磁流变流体的粘度低，在无外部能源的情况下，其阻尼力非常小，同时地震灾害对土木结构的破坏性较大，所以在地震中控制系统极有可能出现故障而使外部能源无法施加到阻尼器装置上使阻尼器的控制失效，现有大多数磁流变阻尼器工作时电流较大，线圈存在散热问题。

因此，需要提供一种自复位磁流体阻尼器，能够解决现有自复位形状记忆合金阻尼器性能受温度影响以及变形后需加热才能恢复到变形前状态的问题，以及预应力钢筋弹性变形小以及传统磁流变阻尼器震后残余变形大且需要外部能源输入的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自复位磁流体阻尼器，阻尼器活塞挤压磁流变液克服在永久磁场作用下“固化”的剪切屈服力提供阻尼力，受压的弹簧不仅可以作为复位材料提供恢复力而且叠加后的弹簧在工作时具有一定的耗能能力。弹簧变形后不需要采取任何措施即可恢复到变形前的状态，而且能够弥补预应力钢筋变形小的缺点。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种自复位磁流体阻尼器，包括外管、内管、外管内套管、内管外套管、阻尼器活塞、磁流变液、永久磁铁、隔磁环、密封端板、左侧弹簧和右侧弹簧，所述外管的中间的内壁上向内设置有第一凸台，所述外管的两端向内设置有外管固定挡板，所述外管固定挡板为中间开有圆孔的圆形挡板，所述第一凸台与外管固定挡板之间的外管的内壁上固定设置外管内套管，所述外管内套管靠近第一凸台的一端设置有第二凸台。

所述外管两端设置有与外管固定挡板相对应的内管固定挡板，所述内管固定挡板为圆环形挡板，所述内管的外壁上固定设置内管外套管，所述内管外套管的中间设置有第三凸台，所述第三凸台上中心对称设置有两个孔隙。

所述第三凸台外壁的中心处套设永久磁铁，所述永久磁铁外套设隔磁片，所述永久磁铁和隔磁片的左右两侧固定设置阻尼器活塞，所述阻尼器活塞卡设在孔隙内，所述阻尼器活塞的左右两侧固定设置密封端板，所述密封端板卡设在第一凸台和第二凸台之间，所述阻尼器活塞与密封端板之间的密封空间内填充磁流变液。

所述第三凸台与内管固定挡板之间的内管外套管的外壁上分别套设左侧弹簧和右侧弹簧，所述左侧弹簧和右侧弹簧的两端分别设置弹簧内侧挡板和弹簧外侧挡板，所述弹簧内侧挡板和弹簧外侧挡板套设在内管外套管的外壁上，所述弹簧内侧挡板卡设在第二凸台和第三凸台的外侧。弹簧内侧挡板和弹簧外侧挡板用来连接弹簧、挤压弹簧并传递内管和外管与弹簧之间的力。

优选地，所述内管的左端固定设置内管连接板，所述外管的右端固定设置外管连接板。内管连接板和外管连接板给左侧弹簧和右侧弹簧施加初始的压缩变形，从而使内管和外管形成一个整体。

优选地，所述阻尼器活塞与第一凸台之间1mm空隙。该空隙即为阻尼通道，空隙里的磁流变液在永久磁铁的作用下固化，在内管和外管发生相对移动时，阻尼器活塞挤压磁流变液通过阻尼通道产生阻尼力耗散能量。

优选地，所述外管固定挡板中间圆孔的直径大于内管固定挡板的圆环形外环直径。有益效果是确保内管和外管之间可以相对滑动。

优选地，所述左侧弹簧和右侧弹簧的外径小于外管内套管的内径，所述左侧弹簧和右侧弹簧的内径大于内管外套管的外径。以保证弹簧内侧挡板和弹簧外侧挡板可以相对滑动。

优选地，所述密封端板的内侧设置有密封磁铁。为了解决磁流变液密封问题，充分利用磁流变液的性质，在密封处设置密封磁铁，将缝隙里的磁流变液固化，减轻密封挡板承受的压力，提高密封性。

优选地，所述外管和内管的材质为45号钢。所述左侧弹簧和右侧弹簧的材质为60CrMnA。所述永久磁铁和密封磁铁为圆环状钕铁硼磁铁。所述外管内套管、内管外套管、弹簧内侧挡板、弹簧外侧挡板、阻尼器活塞、密封端板、内管连接板和外管连接板的材质是Q345钢。

本发明的有益效果如下：

本发明的一种自复位磁流体阻尼器由于采用了以上技术方案，内部通过内外管及套管传力，组装简单，大大减少了焊接范围，避免了因焊接导致的钢材金相组织和机械性能发生变化及焊接残余应力，构件受力性能更加稳定。结构使用方便，具有更高的可靠性。

与普通的阻尼器及运用形状记忆合金的自复位阻尼器、运用预应力钢筋的自恢复耗能支撑相比，具有以下有益效果：

(1)与普通阻尼器相比，自复位磁流体阻尼器不仅拥有普通阻尼器的耗能能力，且在卸载以后能恢复到初始状态，地震作用后减少甚至消除了结构的残余变形，同时磁流变液的耗能装置利用永久磁铁更容易产生较强磁场，不需要能源输入，没有线圈散热等问题，机构更简单、性能稳定、耐久性好、阻尼力大。

(2)与运用形状记忆合金的自复位阻尼器相比，形状记忆合金在变形后需要对其进行加热处理才能恢复到变形前的状态，而在弹簧的弹性变形范围内，地震作用后不需要采取任何措施即可恢复到变形前的状态，弹簧还具有缓冲地震的作用，从而减少了地震对非结构物的破坏，减少了经济损失。

(3)与运用预应力钢筋的自恢复耗能支撑相比，在弹性变形范围内，弹簧的变形能力远大于预应力钢筋的变形能力，能够满足典型框架结构层间位移的需求，从而增大构件的耗能能力。

(4)与运用其他耗能装置(摩擦耗能，屈服耗能)的自复位构件相比，此耗能装置的阻尼力由等效库仑阻尼力和粘滞阻尼力两部分组成，在相同弹簧预压(即不影响阻尼器复位能力)下，本发明有更强的耗能能力。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的一种自复位磁流体阻尼器的结构示意图。

图2示出本发明的一种自复位磁流体阻尼器的外管组合结构示意图。

图3示出本发明的一种自复位磁流体阻尼器的内管组合结构示意图。

图4示出本发明的一种自复位磁流体阻尼器的图1的A-A方向剖面示意图。

图5示出本发明的一种自复位磁流体阻尼器的图1的B-B方向剖面示意图。

图6示出本发明的一种自复位磁流体阻尼器的图1的C-C方向剖面示意图。

图7示出本发明的一种自复位磁流体阻尼器的图1的D-D方向剖面示意图。

图中各标记如下：1外管，101第一凸台，2内管，3外管内套管，301第二凸台，4内管外套管，401第三凸台，402孔隙，5阻尼器活塞，6磁流变液，7永久磁铁，8隔磁环，9密封端板，10弹簧内侧挡板，11弹簧外侧挡板，12外管固定挡板，13内管固定挡板，14内管连接板，15外管连接板，16左侧弹簧，17右侧弹簧。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1-图7所示，一种自复位磁流体阻尼器，包括外管1、内管2、外管内套管3、内管外套管4、阻尼器活塞5、磁流变液6、永久磁铁7、隔磁环8、密封端板9、左侧弹簧16和右侧弹簧17，所述外管1的中间的内壁上向内设置有第一凸台101，所述外管1的两端向内设置有外管固定挡板12，所述外管固定挡板12为中间开有圆孔的圆形挡板，所述第一凸台101与外管固定挡板12之间的外管1的内壁上固定设置外管内套管3，所述外管内套管3靠近第一凸台101的一端设置有第二凸台301。

所述外管2两端设置有与外管固定挡板12相对应的内管固定挡板13，所述外管固定挡板12中间圆孔的直径大于内管固定挡板13的圆环形外环直径。所述内管固定挡板13为圆环形挡板，所述内管2的外壁上固定设置内管外套管4，所述内管外套管4的中间设置有第三凸台401，所述第三凸台401上中心对称设置有两个孔隙402。

所述第三凸台401外壁的中心处套设永久磁铁7，所述永久磁铁7外套设隔磁片8，所述永久磁铁7和隔磁片8的左右两侧固定设置阻尼器活塞5，所述阻尼器活塞5卡设在孔隙402内，所述阻尼器活塞5与第一凸台101之间1mm空隙。所述阻尼器活塞5的左右两侧固定设置密封端板9，所述密封端板9卡设在第一凸台101和第二凸台301之间，所述阻尼器活塞5与密封端板9之间的密封空间内填充磁流变液6。所述密封端板9的内侧设置有密封磁铁。

所述第三凸台401与内管固定挡板13之间的内管外套管4的外壁上分别套设左侧弹簧16和右侧弹簧17，所述左侧弹簧16和右侧弹簧17的两端分别设置弹簧内侧挡板10和弹簧外侧挡板11，所述弹簧内侧挡板10和弹簧外侧挡板11套设在内管外套管4的外壁上，所述弹簧内侧挡板10卡设在第二凸台301和第三凸台401的外侧。所述左侧弹簧16和右侧弹簧17的外径小于外管内套管3的内径，所述左侧弹簧16和右侧弹簧17的内径大于内管外套管4的外径。

所述内管2的左端固定设置内管连接板14，所述外管1的右端固定设置外管连接板15。

所述外管1和内管2的材质为45号钢。所述左侧弹簧16和右侧弹簧17的材质为60CrMnA。所述永久磁铁7和密封磁铁为圆环状钕铁硼磁铁。所述外管内套管3、内管外套管4、弹簧内侧挡板10、弹簧外侧挡板11、密封端板9、阻尼器活塞5、内管连接板14和外管连接板15的材质是Q345钢。所述隔磁环8的材质是304系列不锈钢，即06Cr19Ni10。

本发明的自复位磁流体阻尼器的实现情况如下：应用时串联在建筑结构斜支撑上，将自复位磁流体阻尼器内管连接板14及外管连接板15分别铰接在建筑结构上下层之间。也可以安装在桥梁结构最大位移处，如梁的两端，梁墩之间，塔梁之间。控制结构纵向位移(相对位移)。在正常使用状态下，由左侧弹簧16和右侧弹簧17的预压力及因阻尼通道内磁流变液6固化产生的等效库仑阻尼力提供支持力。在地震荷载或大的振动作用下，自复位磁流体阻尼器两端受力超过初始预压力及等效库仑阻尼力时，内管2和外管1发生相对移动。当阻尼器两端受拉时，内管连接板14拉动内管2，内管2上的内管固定挡板13推动内管外套管4及弹簧内侧挡板10和弹簧外侧挡板11挤压左侧弹簧16和右侧弹簧17，同时在外管连接板15的拉动下，焊接在外管1的外管固定挡板12及外管内套管3的第二凸台301处阻挡弹簧内侧挡板10和弹簧外侧挡板11移动，使得左侧弹簧16和右侧弹簧17发生更大的压缩变形，对内管2和外管1产生更大的挤压力。当作用在自复位磁流体阻尼器两端的荷载减少时，左侧弹簧16和右侧弹簧17作用在内管2和外管1的挤压力发挥作用，提供恢复力，使得阻尼器恢复到变形前的状态。本发明的自复位磁流体阻尼器在地震作用下，内管2和外管1发生相对移动时，阻尼器耗散地震输入的能量，从而保护了结构的其它构件。

当本发明的一种自复位磁流体阻尼器受拉时，内管连接板14拉动内管2向左移动，从而内管2右侧的内管固定挡板13推动右侧弹簧17的弹簧外侧挡板11及内管外套管4同时向左移动，内管外套管4传力给左侧弹簧16的弹簧内侧挡板10，由此右侧弹簧17的弹簧外侧挡板11、左侧弹簧16的弹簧内侧挡板10同时向左移动压缩弹簧，同时外管1左侧的外管固定挡板12推动左侧弹簧16的弹簧外侧挡板11向右移动压缩弹簧，外管1的第一凸台101处通过密封端板9传力给外管内套管3，外管内套管3的第二凸台301推动右侧弹簧17的弹簧内侧端板10向右移动压缩弹簧；当卸载时，左侧弹簧16、右侧弹簧17同时挤压弹簧内侧挡板10和弹簧外侧挡板11，弹簧内侧挡板10和弹簧外侧挡板11挤压内管固定挡板13和外管固定挡板12及外管内套管3和内管外套管4(套管传力给内外管)使得自复位阻尼器在完全卸载时能够恢复到变形前的状态。在内管2和外管1相对滑动时，阻尼器活塞5挤压磁流变液6耗散外部输入的能量，从而达到耗散外部输入的能量以及地震后恢复到变形前状态的目的，并且减少了结构的残余变形。

当本发明的一种自复位磁流体阻尼器受压时，内管连接板14推动内管2向右移动，从而内管2左侧的内管固定挡板13推动左侧弹簧16的弹簧外侧挡板11及内管外套管4同时向右移动，内管外套管4传力给右侧弹簧17的弹簧内侧挡板10，由此左侧弹簧16的弹簧外侧挡板11、右侧弹簧17的弹簧内侧挡板10同时向右移动压缩弹簧，同时外管1右侧的外管固定挡板12推动右侧弹簧17的弹簧外侧挡板11向左移动压缩弹簧，外管1的第一凸台101处通过密封端板9传力给外管内套管3，外管内套管3的第二凸台301推动左侧弹簧16的弹簧内侧端板10向左移动压缩弹簧；当卸载时，左侧弹簧16、右侧弹簧17同时挤压弹簧内侧挡板10和弹簧外侧挡板11，弹簧内侧挡板10和弹簧外侧挡板11挤压内管固定挡板13和外管固定挡板12及外管内套管3和内管外套管4(套管传力给内外管)使得自复位阻尼器在完全卸载时能够恢复到变形前的状态。在内管2和外管1相对滑动时，阻尼器活塞5挤压磁流变液6耗散外部输入的能量，从而达到耗散外部输入的能量以及地震后恢复到变形前状态的目的，并且减少了结构的残余变形。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种自复位磁流体阻尼器，其特征在于：包括外管(1)、内管(2)、外管内套管(3)、内管外套管(4)、阻尼器活塞(5)、磁流变液(6)、永久磁铁(7)、隔磁环(8)、密封端板(9)、左侧弹簧(16)和右侧弹簧(17)，所述外管(1)的中间的内壁上向内设置有第一凸台(101)，所述外管(1)的两端向内设置有外管固定挡板(12)，所述外管固定挡板(12)为中间开有圆孔的圆形挡板，所述第一凸台(101)与外管固定挡板(12)之间的外管(1)的内壁上固定设置外管内套管(3)，所述外管内套管(3)靠近第一凸台(101)的一端设置有第二凸台(301)；

所述外管(2)两端设置有与外管固定挡板(12)相对应的内管固定挡板(13)，所述内管固定挡板(13)为圆环形挡板，所述内管(2)的外壁上固定设置内管外套管(4)，所述内管外套管(4)的中间设置有第三凸台(401)，所述第三凸台(401)上中心对称设置有两个孔隙(402)；

所述第三凸台(401)外壁的中心处套设永久磁铁(7)，所述永久磁铁(7)外套设隔磁片(8)，所述永久磁铁(7)和隔磁片(8)的左右两侧固定设置阻尼器活塞(5)，所述阻尼器活塞(5)卡设在孔隙(402)内，所述阻尼器活塞(5)的左右两侧固定设置密封端板(9)，所述密封端板(9)卡设在第一凸台(101)和第二凸台(301)之间，所述阻尼器活塞(5)与密封端板(9)之间的密封空间内填充磁流变液(6)；

所述第三凸台(401)与内管固定挡板(13)之间的内管外套管(4)的外壁上分别套设左侧弹簧(16)和右侧弹簧(17)，所述左侧弹簧(16)和右侧弹簧(17)的两端分别设置弹簧内侧挡板(10)和弹簧外侧挡板(11)，所述弹簧内侧挡板(10)和弹簧外侧挡板(11)套设在内管外套管(4)的外壁上，所述弹簧内侧挡板(10)卡设在第二凸台(301)和第三凸台(401)的外侧。

2.根据权利要求1所述的一种自复位磁流体阻尼器，其特征在于：所述内管(2)的左端固定设置内管连接板(14)，所述外管(1)的右端固定设置外管连接板(15)。

3.根据权利要求2所述的一种自复位磁流体阻尼器，其特征在于：所述阻尼器活塞(5)与第一凸台(101)之间1mm空隙。

4.根据权利要求3所述的一种自复位磁流体阻尼器，其特征在于：所述外管固定挡板(12)中间圆孔的直径大于内管固定挡板(13)的圆环形外环直径。

5.根据权利要求4所述的一种自复位磁流体阻尼器，其特征在于：所述左侧弹簧(16)和右侧弹簧(17)的外径小于外管内套管(3)的内径，所述左侧弹簧(16)和右侧弹簧(17)的内径大于内管外套管(4)的外径。

6.根据权利要求1所述的一种自复位磁流体阻尼器，其特征在于：所述密封端板(9)的内侧设置有密封磁铁。

7.根据权利要求1所述的一种自复位磁流体阻尼器，其特征在于：所述外管(1)和内管(2)的材质为45号钢。

8.根据权利要求1所述的一种自复位磁流体阻尼器，其特征在于：所述左侧弹簧(16)和右侧弹簧(17)的材质为60CrMnA。

9.根据权利要求1所述的一种自复位磁流体阻尼器，其特征在于：所述永久磁铁(7)和密封磁铁为圆环状钕铁硼磁铁。

10.根据权利要求2所述的一种自复位磁流体阻尼器，其特征在于：所述外管内套管(3)、内管外套管(4)、弹簧内侧挡板(10)、弹簧外侧挡板(11)、阻尼器活塞(5)、密封端板(9)、内管连接板(14)和外管连接板(15)的材质是Q345钢。