CN105221622A - 可变旋转等效惯性质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种可变旋转等效惯性质量阻尼器，包括，主要耗能元件、平动/转动转换装置、变速装置、次要耗能元件、转动质量、控制芯片与电路等。通过平动/转动转换装置，将阻尼器两端的相对平动转化为传动轴的高速转动；通过变速装置与次要耗能构件，控制传动比即等效惯性质量；实时调节主、次要耗能元件以达到所需等效粘滞阻尼值。本发明可以在一定范围内，实时调节阻尼器等效惯性质量和粘滞阻尼至所需最优值；同时实现部分振动能量的收割和储存，以提供部分控制电路及工作状态指示装置所需电能。本发明经初步分析可以提供数倍于传统油阻尼器的模态阻尼比，可以应用于（但不限于）建筑、桥梁、桥索、车辆振动控制等，具有较好的工程应用前景。

Description

可变旋转等效惯性质量阻尼器

技术领域

本发明涉及一种可变旋转等效惯性质量阻尼器，属于工程结构消能减振技术领域。

背景技术

当结构体系受到外界动力荷载激励时，传统结构体系通过非线性变形和损伤来消耗输入能量；带有阻尼器等消能减震装置的结构体系可以通过阻尼器消耗一部分输入能量，而阻尼器的耗能大小与其两端的相对位移/速度成正相关。但是传统阻尼器，由于具有一定的正刚度，会在一定程度上阻止阻尼器两端的相对位移/速度。与此同时，有研究指出半主动控制阻尼器的优势来源于其控制算法可以实现拟负刚度；由于在现实中实现真正的负刚度具有一定困难；本发明通过滚珠螺母/螺杆将阻尼器两端平动转化成转动质量的高速转动，获得较大转动惯性质量从而得到等效负刚度。同时通过两个半主动阻尼器及其控制电路可以实现根据结构状态，实时调整阻尼器参数至最优值。保证了该型阻尼器数倍于传统油阻尼器的耗能能力和良好的鲁棒性；可以有效地减小主体结构在受激励时的损伤并减少修复难度，具有现实重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变旋转等效惯性质量阻尼器：通过滚珠螺母/螺杆将阻尼器两端平动转化成转动质量的高速旋转，获得较大的转动惯性质量，从而得到明显的等效负刚度；通过引入传动变速装置和控制算法程序，根据结构状态实时调节转动质量转速，控制等效惯性质量的大小，从而控制负刚度的大小；利用高速转动剪切MR液体消耗输入能，通过调节磁场强度调节MR液体的粘滞系数，改变MR液体的耗能能力；以上半主动控制方案可以实现根据结构状态，实时调整阻尼器参数（即：等效惯性质量、等效粘滞系数）至最优值，保证了该型阻尼器数倍于传统油阻尼器的耗能能力和良好的鲁棒性。本发明采用模块式设计，传动概念清晰，传力路径简洁，模块之间功能分区清楚，制造工艺成熟，性价比高。

本发明提出的可变旋转等效惯性质量阻尼器，包括主要耗能元件、行星齿轮组变速装置、次要耗能元件、转动质量、控制电路、工作状态电路、平动/转动转换装置、左套筒和右套筒，其中：

平动/转动转换装置包括螺杆、滚珠螺母和止推轴承；

左套筒内装行星齿轮组变速装置、次要耗能元件及筒状转动质量；筒状转动质量采用滚轴固定于左套筒内筒与左套筒外筒之间，其靠近右端部分内做有齿痕，左套筒内筒内设置次要耗能元件、行星齿轮组变速装置，并与螺杆共轴；止推轴承位于螺杆左侧与左套筒相接；

右套筒内装载滚珠螺母、主要耗能元件、控制芯片及电路、工作状态电路；螺杆一端穿过左套筒内的行星齿轮组变速装置连接止推轴承，另一端穿过右套筒内的腔体连接活塞；右套筒右端腔体内填充MR液体；

所述行星齿轮组变速装置由行星齿轮轴、行星齿轮、太阳齿轮和齿圈构成，所述齿圈由筒状转动质量右端内侧齿痕构成；行星齿轮轴位于次要耗能元件中，左端通过滚轴固定于左套筒内筒内侧，右端固定于三个行星齿轮上，其上绕有电磁阻尼器线圈；行星齿轮轴与螺杆、太阳齿轮共轴；太阳齿轮固定于螺杆上，连接行星齿轮；三个行星齿轮分别连接太阳齿轮和齿圈；行星齿轮可在太阳齿轮的带动下旋转，从而带动行星齿轮轴及其上电磁阻尼器线圈旋转，进而带动筒状转动质量旋转；

所述次要耗能元件为电磁阻尼器，包括永磁体、电磁阻尼器线圈及电刷，永磁体固定于左套筒内筒内侧，电磁阻尼器线圈缠绕于行星齿轮轴上，电刷固定于左套筒内侧，与行星齿轮轴保持接触，并通过导线接入控制电路A；当行星齿轮轴旋转时，其上电磁阻尼器线圈切割磁感线，产生电磁阻尼力时；同时产生电流，通过控制电路A存储进电池，起到振动能量收割器的作用；通过控制电路A中的可变电阻调节电磁阻尼器阻尼力的大小，控制行星齿轮轴的转速，从而控制三个行星齿轮的齿速比，进而控制筒状转动质量的旋转速度。

本发明中，所述主要耗能元件包括活塞、防渗漏装置及MR液体；活塞两面装有十字翼缘，十字翼缘中间及与其相交的活塞面上开有孔洞，磁场强度控制线圈缠绕在活塞十字形翼缘孔洞的两端；在平动及转动时，均可对MR液体形成有效剪切；孔洞处上下两端缠有的磁场强度控制线圈构成控制电路B一部分，在通电情况下产生磁场，改变周围MR液体粘滞特性。

本发明中，控制电路主要包括：与电磁阻尼器连接的控制电路A（转速控制电路）及与MR阻尼器相连接的控制电路B（MR控制电路）；控制电路A、控制电路B分别通过软管内的导线与工作状态电路、电池相连接。

本发明中，控制电路A包括传感器、外部信号接收端口、稳压装置、集成于电路板中的可变电阻及控制芯片，控制芯片的输入端分别连接传感器和外部信号接收端口，输出端连接可变电阻的输入端，可变电阻的输出端连接电磁阻尼器线圈，电磁阻尼器线圈的输出端连接稳压装置，稳压装置的输出端连接充电电池。控制电路A可以根据转速传感器及外部信号接收端口传递的系统情况，通过芯片上集成的算法，调节可变电阻电阻值的大小，控制行星齿轮轴的转速。

本发明中，控制电路B包括磁场强度控制线圈、电流调节装置和控制芯片，电流调节装置的输入端连接控制芯片，输出端连接磁场强度控制线圈。

本发明中，工作状态电路包括充电电池、液晶显示屏和工作状态指示芯片，所述工作状态指示芯片的输出端连接控制芯片，控制芯片输出端连接液晶显示屏，液晶显示屏与充电电池连接。

本发明的阻尼器工作时，通过滚珠螺母将左套筒和右套筒的相对平动，转换成滚珠螺杆、变速装置和活塞的高速转动；同时，变速装置带动转动质量旋转，产生可调等效惯性质量。

与一般技术的阻尼器相比，本发明的优点是：

1)可以实现拟负刚度，从而提供更高的附加阻尼比；

2)在外界激励用于下，可以根据结构实时状况调节阻尼器参数（等效惯性质量和等效粘滞系数）的大小至最优取值；

3)可以收割部分振动输入能并转化为电池储能，为控制电路提供部分电源，延长电池使用时间；

4)本发明采用模块式设计，传动概念清晰，模块之间功能分区清楚，制造工艺成熟，适用于多种类型结构、性价比高。

附图说明

图1是本发明可变旋转等效惯性质量阻尼器剖面大样图；

图2是本发明电磁阻尼器剖面大样图；

图3是本发明可变旋转等效惯性质量阻尼器变速装置大样图；

图4是本发明可变旋转等效惯性质量阻尼器活塞大样图；

图5是本发明可变旋转等效惯性质量阻尼器控制电路及工作状态电路连接简图；

图6是本发明可变旋转等效惯性质量阻尼器控制电路控制逻辑简图；

图7是阻尼器力－位移曲线。

图中标号：1为筒状转动质量，2为永磁体，3为电磁阻尼器线圈，4为止推轴承，5为行星齿轮轴，6为滚轴，7为活塞，8为左套筒，9为螺杆，10为滚珠螺母，11为行星齿轮，12为太阳齿轮，13为齿圈，14为磁场强度控制线圈，15为液晶显示屏，16为外部信号接收端口，17为MR液体，18为活塞十字翼缘，19为活塞翼缘孔洞，20为左套筒内筒，21为电刷，22为导线软管，23为控制电路电路板，24为工作状态电路及电池，25为右套筒，26为控制舱。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：

如图1-4所示，本发明为一种可变旋转等效惯性质量阻尼器，包括主要耗能元件、平动/转动转换装置、行星齿轮组变速装置、次要耗能元件、筒状转动质量1、控制电路、工作状态电路、左套筒8、右套筒25组成。所述，平动/转动转换装置包括螺杆9、滚珠螺母10和止推轴承4；

左套筒8内装行星齿轮组变速装置、次要耗能元件及筒状转动质量1；筒状转动质量1采用滚轴6固定于左套筒内筒20与左套筒外筒8之间，其靠近右端部分内做有齿痕13，左套筒内筒内设置次要耗能元件、行星齿轮组变速装置，并与螺杆共轴；止推轴承位于螺杆左侧与左套筒相接；

右套筒25内装载滚珠螺母10、主要耗能元件、控制电路、工作状态电路；螺杆9一端穿过左套筒8内的行星齿轮组变速装置连接止推轴承4，另一端穿过右套筒25内的腔体连接活塞7；右套筒25右端腔体内填充MR液体；

行星齿轮组变速装置由行星齿轮轴5、行星齿轮11、太阳齿轮12和齿圈13构成，所述齿圈13由筒状转动质量1右端内侧齿痕构成；行星齿轮轴5位于次要耗能元件中，左端通过滚轴6固定于左套筒内筒20内侧，右端固定于三个行星齿轮11上，其上绕有电磁阻尼器线圈3；行星齿轮轴5与螺杆9、太阳齿轮12共轴；太阳齿轮12固定于螺杆9上，连接行星齿轮11；三个行星齿轮11分别连接太阳齿轮12和齿圈13；

次要耗能元件为图示电磁阻尼器，包括永磁体2、电磁阻尼器线圈3及电刷21，永磁体2固定于左套筒内筒20内侧，电磁阻尼器线圈3缠绕于行星齿轮轴5上，电刷21固定于左套筒内侧20，与行星齿轮轴保持接触，并通过导线接入控制电路A；主要耗能元件如图示，包括活塞7、防渗漏装置及MR液体；活塞两面装有十字翼缘18，十字翼缘中间及与其相交的活塞面上开有孔洞19，磁场强度控制线圈14缠绕在活塞翼缘孔洞19两端；

图5-6所示为控制电路及工作状态电路连接简图及控制电路主要控制逻辑图。图5简要表明了控制电路及工作状态电路各组件的连接关系，即，控制电路A由控制芯片、可变电阻、电磁阻尼器线圈、稳压装置及充电电池组成回路；控制电路B由控制芯片、电流调节装置、磁场强度控制线圈及充电电池组成；工作状态电路由控制芯片、工作状态指示芯片、液晶显示屏及充电电池组成；传感器、外部信号接收端口与控制芯片相连。

图6简要表明了控制电路控制逻辑，即，当阻尼器两端的平动通过平动/转动转化装置转化为转动轴、变速装置及惯性质量的转动；控制电路A根据外部信号接收端口传递的结构与激励信息，由控制芯片内嵌算法计算出目标等效转动质量和目标等效粘滞系数，从而计算出目标转速；同时，通过控制可变电阻值，改变行星齿轮转速，从而改变惯性质量转速，并通过反馈控制保证惯性质量转速达到目标转速。控制电路B中的控制芯片，通过控制电路A中的电阻和电流值计算出次要耗能构件提供的等效粘滞系数及传感器获得的阻尼器信息计算出的阻尼器提供的总等效粘滞系数，根据目标等效粘滞系数计算出主要耗能元件所需的目标粘滞系数及目标电流、目标磁场强度，进而改变MR液体粘滞系数；并通过反馈控制保证其达到目标粘滞系数。

本装置为拟负刚度阻尼器，其在简谐荷载作用下滞回环表现为负刚度如图7；其负刚度大小及滞回圈饱满程度可以通过控制电路A（转速控制电路）、控制电路B（MR控制电路）进行调节。

以上是本发明的典型是实例，本发明的实施不限于此。

Claims (5)

1.可变旋转等效惯性质量阻尼器，包括主要耗能元件、行星齿轮组变速装置、次要耗能元件、转动质量、控制电路Ａ、工作状态电路、平动/转动转换装置、左套筒和右套筒，其特征在于：

平动/转动转换装置包括螺杆、滚珠螺母和止推轴承；

左套筒内装行星齿轮组载变速装置、次要耗能元件及筒状转动质量；筒状转动质量采用滚轴固定于左套筒内筒与左套筒外筒之间，其靠近右端部分内做有齿痕，左套筒内筒内设置次要耗能元件、行星齿轮组变速装置，并与螺杆共轴；止推轴承位于螺杆左侧与左套筒相接；

右套筒内装载滚珠螺母、主要耗能元件、控制电路Ａ、工作状态电路；螺杆一端穿过左套筒内的行星齿轮组变速装置连接止推轴承，另一端穿过右套筒内的腔体连接活塞；右套筒右端腔体内填充MR液体；

所述行星齿轮组变速装置由行星齿轮轴、行星齿轮、太阳齿轮和齿圈构成，所述齿圈由筒状转动质量右端内侧齿痕构成；行星齿轮轴位于次要耗能元件中，左端通过滚轴固定于左套筒内筒内侧，右端固定于三个行星齿轮上，其上绕有电磁阻尼器线圈；行星齿轮轴与螺杆、太阳齿轮共轴；太阳齿轮固定于螺杆上，连接行星齿轮；三个行星齿轮分别连接太阳齿轮和齿圈；行星齿轮可在太阳齿轮的带动下旋转，从而带动行星齿轮轴及其上电磁阻尼器线圈旋转，进而带动筒状转动质量旋转；

所述次要耗能元件为电磁阻尼器，包括永磁体、电磁阻尼器线圈及电刷，永磁体固定于左套筒内筒内侧，电磁阻尼器线圈缠绕于行星齿轮轴上，电刷固定于左套筒内侧，与行星齿轮轴保持接触，并通过导线接入控制电路A；当行星齿轮轴旋转时，其上电磁阻尼器线圈切割磁感线，产生电磁阻尼力时；同时产生电流，通过控制电路A存储进电池，起到振动能量收割器的作用；通过控制电路A中的可变电阻调节电磁阻尼器阻尼力的大小，控制行星齿轮轴的转速，从而控制三个行星齿轮的齿速比，进而控制筒状转动质量的旋转速度。

2.根据权利要求１所述的可变旋转等效惯性质量阻尼器，其特征在于所述主要耗能元件包括活塞、防渗漏装置及MR液体；活塞两面装有十字翼缘，十字翼缘中间及与其相交的活塞面上开有孔洞，磁场强度控制电磁阻尼器线圈缠绕在活塞的十字形翼的孔洞两端；在平动及转动时，均可对MR液体形成有效剪切；孔洞处上下两端缠有的磁场强度控制线圈构成控制电路B一部分，在通电情况下产生磁场，改变周围MR液体粘滞特性。

3.根据权利要求１所述的可变旋转等效惯性质量阻尼器，其特征在于控制电路A包括传感器、外部信号接收端口、稳压装置、集成于电路板中的可变电阻及控制芯片，控制芯片的输入端分别连接传感器和外部信号接收端口，输出端连接可变电阻的输入端，可变电阻的输出端连接电磁阻尼器线圈，电磁阻尼器线圈的输出端连接稳压装置，稳压装置的输出端连接充电电池，控制电路A可根据转速传感器及外部信号接收端口传递的系统情况，通过芯片上集成的算法，调节可变电阻电阻值的大小，控制行星齿轮轴的转速。

4.根据权利要求2所述的可变旋转等效惯性质量阻尼器，其特征在于控制电路B包括磁场强度控制线圈、电流调节装置和控制芯片，电流调节装置的输入端连接控制芯片，输出端连接磁场强度控制线圈。

5.根据权利要求１所述的可变旋转等效惯性质量阻尼器，其特征在于工作状态电路包括充电电池、液晶显示屏和工作状态指示芯片，所述工作状态指示芯片的输出端分别连接控制芯片，输出端连接液晶显示屏，液晶显示屏连接充电电池。