CN107022955A - 表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置及设计方法 - Google Patents

表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于工程结构振动控制技术领域，具体涉及一种表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置及设计方法，装置包括阻尼装置和传动机构，传动机构用于连接斜拉索和阻尼装置，设计方法包括：确定斜拉索振动基频；确定表观质量旋转式电磁阻尼器的安装位置；计算表观质量旋转式电磁阻尼器的阻尼参数；计算表观质量旋转式电磁阻尼器的刚度参数。本发明利用滚珠丝杠有效放大了旋转式电磁阻尼器的转速，提高了阻尼器的等效阻尼系数，提升了电磁阻尼器的耗能效率；安装在电磁阻尼器转轴上的惯性飞轮带来的表观质量效应，通过滚珠丝杠机构得到放大，为斜拉索减振系统提供了被动负刚度控制特性，有效提升了斜拉索的减振效果。

Description

表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置及设计方法
技术领域
本发明属于工程结构振动控制技术领域，具体涉及一种表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置及设计方法。
背景技术
斜拉桥拉索极易发生大幅的风振、风雨振和参数振动。斜拉索减振主要有气动措施、结构措施与机械阻尼措施三大类。相对气动与结构措施，机械阻尼措施属于一种更为广谱的斜拉索减振措施，实际工程应用最为广泛。根据阻尼器内部耗能材料，斜拉索常用减振阻尼器可分为：高阻尼橡胶减振器、粘性剪切型阻尼器、油阻尼器、磁流变(MR)阻尼器及磁力阻尼器等。内置高阻尼橡胶阻尼器对拉索阻尼比的提高极为有限；粘性剪切型阻尼器存在阻尼特性易受温度的影响及尺寸较大等缺点；外置式油阻尼器或MR阻尼器存在耐久性问题，如漏液或沉淀；磁力阻尼器目前仅试验性地用于日本天建寺桥，其主要原理是利用磁石与吸着板的吸着或分离实现拉索不同振型能量之间的转化。
被动阻尼器对斜拉索的振动控制，由于强烈受阻尼器安装高度的限制，且无法同时对拉索多阶模态实现最优控制，因此减振效果往往受限。近年来，以MR阻尼器代表的拉索半主动控制技术逐渐兴起。相关研究与工程实践已证实了MR阻尼器半主动控制的减振效果，但系统相对复杂，需要安装包括传感器、控制器在内的一套控制系统，且需要外界提供稳定的电源供给，在一定程度上制约了工程推广应用。
综上，虽然现有阻尼器减振措施在一定程度上解决了既有斜拉索振动问题，但也依然存在以下问题：(1)受斜拉索阻尼器安装位置的限制，超长斜拉索减振面临附加模态阻尼比不足的挑战与困难；(2)现有常规阻尼器内置硅油或磁流变液体，长期工作存在漏油失效破坏与性能退化的可能；(3)减振效果更好的斜拉索半主动控制系统过于复杂，难以在实际工程得到推广应用。
发明内容
本发明针对现有阻尼器减振措施，虽然在一定程度上解决了既有斜拉索振动问题，但依然存在(1)受斜拉索阻尼器安装位置的限制，超长斜拉索减振面临附加模态阻尼比不足的挑战与困难；(2)现有常规阻尼器内置硅油或磁流变液体，长期工作存在漏油失效破坏与性能退化的可能；(3)减振效果更好的斜拉索半主动控制系统过于复杂，难以在实际工程得到推广应用等问题，提出一种表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置及设计方法。
本发明的技术方案是：一种表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置，包括阻尼装置和传动机构，传动机构用于连接斜拉索和阻尼装置，所述传动机构包括传力杆和滚珠丝杠，传力杆的一端固定安装有夹具，传力杆的另一端同轴连接有滚珠螺母，滚珠螺母内套装有滚珠丝杠，滚珠丝杠通过推力轴承固定安装在固定架上；所述阻尼装置包括旋转式电磁阻尼器，滚珠丝杠的一端通过联轴器与旋转式电磁阻尼器的转轴的一端连接，旋转式电磁阻尼器转轴的另一端安装有飞轮。
所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置，所述滚珠螺母上平行安装有滑块，滑块套装在与滚珠螺母平行设置的直线导轨上。
所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置，所述旋转式电磁阻尼器负载有能够连续调节电阻的滑动变阻器。
所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置，所述传力杆与滚珠螺母固定的一端的端面上开设有盲孔，盲孔的直径大于滚珠丝杠的直径。
一种表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置的设计方法，具体设计步骤包括：
确定斜拉索振动基频；
确定表观质量旋转式电磁阻尼器的安装位置；
计算表观质量旋转式电磁阻尼器的阻尼参数；
计算表观质量旋转式电磁阻尼器的刚度参数。
所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置的设计方法，所述确定斜拉索振动基频具体包括：根据公式计算斜拉索第1阶振动圆频率ω1，其中m0、L与T分别表示斜拉索每延米质量、长度与索力；或者采用环境振动法直接实测得到ω1。
所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置的设计方法，所述确定表观质量旋转式电磁阻尼器的安装位置具体为：利用xd/L的值来确定旋转式电磁阻尼器的安装位置，xd/L宜在2ξc～5％之间取值，其中xd表示阻尼器安装夹具中心距斜拉索锚固端的斜拉索长度，ξc表示抑制斜拉索振动所需的目标模态阻尼比。
所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置的设计方法，所述设计表观质量旋转式电磁阻尼器的阻尼参数组件具体包括：令表观质量旋转式电磁阻尼器等效阻尼系数与斜拉索第1阶模态减振最优粘滞阻尼系数相等，完成表观质量旋转式电磁阻尼器的阻尼参数组件设计，其中ke、Ra与RL分别表示电磁阻尼器电动势常数、内阻与负载电阻，Ld表示滚珠丝杠导程。
所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置的设计方法，所述设计表观质量旋转式电磁阻尼器的刚度参数组件具体包括：令表观质量电磁阻尼器飞轮产生的负刚度系数与斜拉索第1阶模态减振最优负刚度系数kopt＝-0.97T/xd相等，完成表观质量电磁阻尼器的刚度参数组件设计，其中J表示飞轮的转动惯量。
本发明的有益效果是：本发明的滚珠丝杠机构有效放大了旋转式电磁阻尼器的转速，提高了阻尼器的等效阻尼系数，从而提升了电磁阻尼器的耗能效率；安装在电磁阻尼器转轴上的惯性飞轮带来的表观质量效应，通过滚珠丝杠机构得到放大，为斜拉索减振系统提供了被动负刚度控制特性，有效提升了斜拉索的减振效果，突破了斜拉索被动控制减振效果严重受限于安装高度的瓶颈；表观质量电磁阻尼器减振装置的刚度系数与阻尼系数均具有可调性；斜拉索减振装置全部由金属材料制作，具有较高的耐久性，可实现与斜拉索同寿命；本发明的斜拉索减振装置的设计方法，实现了斜拉索减振系统的阻尼与刚度参数最优化设计，通过最优负刚度系数和阻尼系数设计，可以成倍提高拉索的模态阻尼比。
附图说明
图1为本发明表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置安装示意图；
图2为本发明表观质量电磁阻尼器构造示意图；
图中，1为传力杆，2为斜拉索，3为滑块，4为滚珠螺母，5为直线导轨，6为滚珠丝杠，7为推力轴承，8为联轴器，9为旋转式电磁阻尼器，10为飞轮，11为斜拉索锚固端，12为夹具，13为固定架。
具体实施方式
实施例1：结合图1-图2，一种表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置，包括阻尼装置和传动机构，传动机构用于连接斜拉索和阻尼装置，传动机构包括传力杆和滚珠丝杠，传力杆的一端固定安装有夹具，夹具有两个半环组成，两个半环通过螺栓固定连接，传力杆的另一端同轴连接有滚珠螺母，滚珠螺母内套装有滚珠丝杠，滚珠丝杠通过推力轴承固定安装在固定架上。
阻尼装置包括旋转式电磁阻尼器，滚珠丝杠的一端通过联轴器与旋转式电磁阻尼器转轴的一端连接，旋转式电磁阻尼器转轴的另一端安装有飞轮。滚珠螺母上平行安装有滑块，滑块套装在与滚珠螺母平行设置的直线导轨上。旋转式电磁阻尼器负载有能够连续调节电阻的滑动变阻器，滑动变阻器采用导线与旋转式电磁阻尼器连接。传力杆与滚珠螺母固定的一端的端面上开设有盲孔，盲孔的直径大于滚珠丝杠的直径。
该装置工作过程如下：当斜拉索发生面内振动时，传力杆将夹具处斜拉索的振动位移传递到滚珠螺母，继而驱动滚珠丝杠、电磁阻尼器转轴以及飞轮同步旋转运动，通过电磁阻尼器能量消耗抑制斜拉索振动。
一种表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置的设计方法，具体设计步骤包括：确定斜拉索振动基频，具体包括：根据公式计算斜拉索第1阶振动圆频率ω1，其中m0、L与T分别表示斜拉索每延米质量、长度与索力；或者采用环境振动法直接实测得到ω1。确定表观质量旋转式电磁阻尼器的安装位置，具体包括：利用xd/L的值来确定旋转式电磁阻尼器的安装位置，xd/L宜在2ξc～5％之间取值，其中xd表示阻尼器安装夹具中心距斜拉索锚固端的斜拉索长度，ξc表示抑制斜拉索振动所需的目标模态阻尼比。
设计表观质量旋转式电磁阻尼器的阻尼参数组件，具体包括：令表观质量旋转式电磁阻尼器等效阻尼系数与斜拉索第1阶模态减振最优粘滞阻尼系数相等，完成表观质量旋转式电磁阻尼器的阻尼参数组件设计，其中ke、Ra与RL分别表示电磁阻尼器电动势常数、内阻与负载电阻，Ld表示滚珠丝杠导程。
设计表观质量旋转式电磁阻尼器的刚度参数组件，具体包括：令表观质量电磁阻尼器飞轮产生的负刚度系数与斜拉索第1阶模态减振最优负刚度系数kopt＝-0.97T/xd相等，完成表观质量电磁阻尼器的刚度参数组件设计，其中J表示飞轮的转动惯量。
进一步的：模型斜拉索减振设计：针对一根11.4m长的模型斜拉索，依照本发明的方案进行斜拉索减振设计，则模型斜拉索与设计得到的表观质量电磁阻尼器相关参数见表1。
表1模型斜拉索与表观质量电磁阻尼器设计参数
模型斜拉索减振试验：完成表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置的安装与调试工作后，采用人工激振的方式(激振点设在远离阻尼器安装侧的斜拉索4分点处)先使模型斜拉索产生以1阶面内振动模态为主的大幅振动，然后瞬间去除激励，让斜拉索做自由衰减振动，测试斜拉索跨中位置的加速度振动信号。
模型斜拉索减振试验结果：表2给出了各工况模型斜拉索第一阶面内振动模态阻尼比测试结果，其中附加阻尼比为相应工况的模态阻尼比实测值扣除斜拉索固有阻尼比所得。可见，本发明专利提出的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置，减振效果(附加模态阻尼比)相对传统最优粘滞阻尼器(表2中的普通电磁阻尼器)提升了3.39倍。
表2不同工况模型斜拉索的最优阻尼比(％)

Claims (9)

1.一种表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置，包括阻尼装置和传动机构，传动机构用于连接斜拉索和阻尼装置，其特征在于：所述传动机构包括传力杆和滚珠丝杠，传力杆的一端固定安装有夹具，传力杆的另一端同轴连接有滚珠螺母，滚珠螺母内套装有滚珠丝杠，滚珠丝杠通过推力轴承固定安装在固定架上；所述阻尼装置包括旋转式电磁阻尼器，滚珠丝杠的一端通过联轴器与旋转式电磁阻尼器的转轴的一端连接，旋转式电磁阻尼器转轴的另一端安装有飞轮。
2.根据权利要求1所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置，其特征在于：所述滚珠螺母上平行安装有滑块，滑块套装在与滚珠螺母平行设置的直线导轨上。
3.根据权利要求1所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置，其特征在于：所述旋转式电磁阻尼器负载有能够连续调节电阻的滑动变阻器。
4.根据权利要求1所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置，其特征在于：所述传力杆与滚珠螺母固定的一端的端面上开设有盲孔，盲孔的直径大于滚珠丝杠的直径。
5.一种表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置的设计方法，其特征在于：具体设计步骤包括：
确定斜拉索振动基频；
确定表观质量旋转式电磁阻尼器的安装位置；
计算表观质量旋转式电磁阻尼器的阻尼参数；
计算表观质量旋转式电磁阻尼器的刚度参数。
6.根据权利要求5所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置的设计方法，其特征在于：所述确定斜拉索振动基频具体包括：根据公式计算斜拉索第1阶振动圆频率ω1，其中m0、L与T分别表示斜拉索每延米质量、长度与索力；或者采用环境振动法直接实测得到ω1。
7.根据权利要求5所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置的设计方法，其特征在于：所述确定表观质量旋转式电磁阻尼器的安装位置具体为：利用xd/L的值来确定旋转式电磁阻尼器的安装位置，xd/L在2ξc～5％之间取值，其中xd表示阻尼器安装夹具中心距斜拉索锚固端的斜拉索长度，ξc表示抑制斜拉索振动所需的目标模态阻尼比。
8.根据权利要求5所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置的设计方法，其特征在于：所述设计表观质量旋转式电磁阻尼器的阻尼参数组件具体包括：令表观质量旋转式电磁阻尼器等效阻尼系数与斜拉索第1阶模态减振最优粘滞阻尼系数相等，完成表观质量旋转式电磁阻尼器的阻尼参数组件设计，其中ke、Ra与RL分别表示电磁阻尼器电动势常数、内阻与负载电阻，Ld表示滚珠丝杠导程。
9.根据权利要求5所述的表观质量旋转式电磁阻尼器斜拉索减振装置的设计方法，其特征在于：所述设计表观质量旋转式电磁阻尼器的刚度参数组件具体包括：令表观质量电磁阻尼器飞轮产生的负刚度系数与斜拉索第1阶模态减振最优负刚度系数kopt＝-0.97T/xd相等，完成表观质量电磁阻尼器的刚度参数组件设计，其中J表示飞轮的转动惯量。
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