CN106978933A - 一种基于旋转激励作动器的主动质量阻尼装置 - Google Patents

一种基于旋转激励作动器的主动质量阻尼装置 Download PDF

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李芦钰
张宇
郭源博
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Abstract

本发明提供一种基于旋转激励作动器的主动质量阻尼装置，包括：基座、两个偏心质量块、两个轻质量连杆和两个驱动电机；一个偏心质量块、一根轻质量连杆和一个驱动电机组成一个振动控制单元，偏心质量块通过轻质量连杆与驱动电机输出端连接，驱动电机采用旋转伺服电机作为装置中的旋转激励作动器；两个振动控制单元轴对称固定于基座上；两个轻质量连杆长度相同，两个偏心质量块由各自的驱动电机驱动做相向同步旋转运动；采用上述技术方案的本发明两个偏心质量块在电机的驱动下做“相向同步旋转运动”，偏心质量块通过长度相同的轻质量杆连接到电机轴上，并以相同的速度在两个平行平面内相向转动，两个偏心质量块转过角度始终保持一致。

Description

一种基于旋转激励作动器的主动质量阻尼装置
技术领域
本发明涉及结构工程领域，尤其涉及用于土木结构振动控制的主动质量阻尼装置。
背景技术
土木工程结构在使用过程中不可避免地经受各种各样的荷载作用，其中包括静荷载和动荷载，动荷载如地震、风等；对于海洋工程结构还要经受风、浪、流联合激励的作用，以及冬季的海冰作用。这些动荷载对结构的作用都会引起结构的振动，严重时将使结构发生破坏。例如，结构在地震作用下，结构某些部位的地震反应(加速度、位移等)过大，将使主体承重结构严重破坏、甚至倒塌，或者虽然主体结构未破坏，但装饰装修等非结构构件损坏而导致结构无法继续使用，从而造成严重的损失，甚至是人员伤亡。
对于土木工程结构，在结构中恰当地安装振动控制系统能够有效地减小结构的动力反应，减轻结构构件的破坏或损伤，达到经济性、安全性与可靠性的合理平衡。其中，主动质量阻尼器(Active Mass Damper,AMD)以其良好的控制效果、低廉的控制代价在众多的主动控制手段中脱颖而出。例如，对于海洋平台结构，有研究表明，采用主动振动控制使平台结构动应力幅值减小15％，则可使结构寿命延长两倍以上，同时还会使海洋平台的检测和维护费用大幅度降低，具有重要的实际意义。
现有的AMD控制系统绝大多数采用液压系统或者伺服电机马达作为出力装置，惯性质量块在出力装置作用下沿直线运动。其中，液压系统构造复杂、需要空间大、经过电液能量转换后能源利用效率降低，需要定期换油、维护成本高，运行时噪声大，有时由于密封不严而漏油、污染环境等等，这些问题在一定程度上限制了液压驱动AMD控制系统的应用；而伺服电机驱动的直线AMD装置由于需要借助于机械传动部件(如齿轮、或丝杠、或皮带)等中间环节，存在诸如响应慢、控制精度低等问题。这些问题都限制了AMD装置在实际建筑结构中的应用。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于旋转激励作动器的主动质量阻尼装置。
注：不同于传统的直线AMD装置，本发明所提出的新型AMD装置中惯性质量块在电机的驱动下做旋转运动，因而称之为基于旋转激励作动器的AMD装置(Active Mass Damperwith Rotational Actuator，以下简称为R-AMD)。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于旋转激励作动器的主动质量阻尼装置，包括：
基座、两个偏心质量块、两个轻质量连杆和两个旋转驱动电机；
基座为轴对称结构体；
一个偏心质量块、一根轻质量连杆和一个驱动电机组成一个振动控制单元，偏心质量块通过轻质量连杆与驱动电机输出端连接；
其中，两个震动单元轴对称固定于基座上；两个轻质量连杆长度相同，偏心质量块质量相同；两个偏心质量块在各自的驱动电机驱动下做相向同步旋转运动，两个偏心质量块在电机的驱动下做“相向同步旋转运动”，即两个偏心质量块以相同的速度在两个平行平面内相向转动，两个偏心质量块转过角度始终保持一致；因此，整个装置控制合力的输出方向为两偏心轮质心夹角的中心线上。
综上，本发明旋转运动的引入使得系统不需要对惯性质量的运动进行限位处理，工程实现更加简便。可用于抑制风、地震等载荷引起的楼宇、桥梁等土木工程结构物振动。通过抑制结构物的振动响应，在保障结构系统安全的同时，还可有效提高居住与使用人员的舒适感；同时，与传统的直线AMD装置相比，本发明具有如下优点：
1、在液压驱动的传统直线AMD系统，液压控制系统不但构成复杂，而且运行过程中需要很大的能量供给；本发明采用旋转电机控制系统进行驱动，系统具有“构成简便、功耗低、效率高”的优势；同时，由于电机可四象限运行(工作在发电制动状态)，结构振动的能量可以部分回收再利用。
2、惯性质量块做旋转运动，在旋转时不会受到行程的限制，不需要为其设置限位装置；
3、惯性质量块可以不借助于机械传动部件，如齿轮、丝杠等中间部件，直接由电机带动旋转(直接驱动)，可以有效减少摩擦耗能、提高系统的效率、响应速度和控制精度。
4、旋转电机伺服系统占用空间小、成本低，容易维护，便于采用多套R-AMD装置协同工作，可有效抑制复杂工程结构的风激响应或者地震响应，提高控制系统效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明整体结构立体示意图。
图2为图本发明的侧视示意图。
图3为本发明控制结构平移震动的结构示意图。
图4为采用两套本发明装置的桥梁节段装配示意图。
图5为采用两套本发明装置的桥梁节段旋转振动示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示的一种基于旋转激励作动器的主动质量阻尼装置，包括：
基座1、两个偏心质量块2、两个轻质量连杆3和两个旋转驱动电机；
基座1为轴对称结构体(可为框架结构也可以为实体结构)；
一个偏心质量块2、一根轻质量连杆3和一个驱动电机组成一个振动控制单元，偏心质量块2通过轻质量连杆3与驱动电机输出端连接；
其中，两个震动单元轴对称固定于基座1上；两个轻质量连杆3长度相同，偏心质量块2质量相同；两个偏心质量块2在各自的驱动电机驱动下做相向同步旋转运动，即以相同的速度在两个平行平面内相向转动，两个偏心质量块转过角度始终保持一致；
两个偏心质量块在电机的驱动下做旋转运动，偏心质量块在平行平面内反向转动。每个偏心质量大小为mc，偏心惯性质量块在伺服电机输出的转矩作用下在水平面内转动，转动半径均为rc，惯性质量关于质心转动惯量为Jc，两个偏心质量块转过角度一致保持一致。根据控制需求，两个偏心质量块可以匀速旋转也可以变速旋转。
因为两个偏心质量块是相向转动(且速度相同)，整个装置控制力的输出方向为两惯性块夹角的中心线上，而在垂直于中心线的方向上的力则可完全抵消掉，合力为零。通过控制调整偏心质量块的初始位置，可以对装置的控制力方向进行调整。
对于本发明有两种实施方案：
实施方案一，参见附图3，本实施方案中，采用一套本发明配置到被控结构中，按照之前的分析，此时控制力的方向由两个偏心质量块的初始位置决定，控制力的大小为
式(1)中各参数为：mc为偏心质量大小，rc为转动半径，ω为旋转角速度，为偏心质量初始相位，t为时间。
本发明(R-AMD装置)安装位置接近楼宇顶部时，控制效果更好。
实施方案二，参见图4和图5，本实施方案中，采用两套本发明(R-AMD装置)配合使用，两套本发明(R-AMD装置)中偏心质量块初始位移不同，相差了θ0，如图5所示，在全局坐标下，两套本发明(R-AMD装置)的四个偏心质量块转过的角度为 这样两套本发明(R-AMD装置)的控制力Fc1和Fc2方向不同，从而会产生转矩Mc，其大小为
其中，α为桥梁节段转过的角度，b为半桥宽，VR为两套本发明(R-AMD装置，且下文分别命名为R-AMD1和R-AMD2)偏心质量块旋转半径的比值。此外，图5中其他变量物理意义为：v为风速，rl为R-AMD1偏心质量旋转半径，rr为R-AMD2旋转半径，cα为桥体旋转阻尼系数，kα为刚度系数。
通过调节θ0和VR可以调节R-AMD产生的控制转矩的大小，利用该转矩可以控制结构的旋转振动，例如电视塔、楼宇绕垂向中心轴的旋转振动，以及如图4、5所示的风载荷引起的桥梁节段绕甲板中心的旋转振动。
对于更复杂的土木结构系统，可以采用多套R-AMD系统协调控制，配合适当的算法，实现对“风振、地震”响应的有效控制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种基于旋转激励作动器的主动质量阻尼装置，其特征在于，包括：
基座(1)、两个偏心质量块(2)、两个轻质量连杆(3)和两个旋转驱动电机；
所述基座(1)为轴对称结构体；
一个偏心质量块(2)、一根轻质量连杆(3)和一个驱动电机组成一个振动控制单元，偏心质量块(2)通过轻质量连杆(3)与驱动电机输出端连接；
其中，两个振动控制单元轴对称固定于基座(1)上；两个轻质量连杆(3)长度相同，偏心质量块(2)质量相同；
两个偏心质量块(2)在各自的驱动电机驱动下做相向同步旋转运动，即以相同的速度在两个平行平面内相向转动，两个偏心质量块转过角度始终保持一致。
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