CN107130511A - 一种磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置及阻尼调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置及阻尼调节方法，涉及桥梁减振装置领域，包括上连接杆，上连接杆一端设有第一铁芯，第一铁芯上绕有第一线圈；与所述上连接杆相对设置的下连接杆，下连接杆一端设有第二铁芯，第二铁芯与第一铁芯相对设置，所述第二铁芯上绕有第二线圈；连接板，所述连接板设在桥面上与所述下连接杆相连；固设于连接板上的位移传感器，其通过一拉线与第一铁芯相连，位移传感器可用于监测第一铁芯的位移量。本发明的磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置去掉了复杂的活塞油缸结构，结构简单，制造方便，同时没有机械磨耗，提高了装置的耐久性和使用寿命。

Description

一种磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置及阻尼调节方法

技术领域

本发明涉及桥梁减振装置领域，具体涉及一种磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置及阻尼调节方法。

背景技术

在大跨度桥梁方案比选中，斜拉桥优势明显数量占显著优势。大跨度斜拉桥的拉索由于其具有大柔度、小质量和小阻尼等特点，在风和交通荷载的激励下，极易引起影响桥梁健康和安全的振动，有的振幅甚至达到1m。斜拉索的振动会引起疲劳损伤，导致拉索端部结构破坏，极大缩短拉索本身的疲劳寿命，最终影响桥梁安全。因此，桥梁斜拉索普遍安装阻尼装置进行减振。

当前大多数桥梁的斜拉索的减振装置为粘性剪切阻尼器、杠杆质量阻尼器等被动式阻尼装置，被动式阻尼装置不需要外部能源，比较好实施，应用较广，但主要缺点是阻尼特性是固定的，控制效果不如主动控制。

近年来，主动控制阻尼装置得到了一定的发展和应用。目前投入应用的主动控制阻尼装置主要是磁流变阻尼装置，其结构与液压活塞油缸类的阻尼器机械结构基本一致，区别在于用磁流变液取代普通阻尼器中粘度固定的阻尼液体，磁流变液在磁场的作用下会改变粘度，以此改变阻尼力。智能主动控制阻尼装置可以采用最优的控制算法，实时提供最佳的控制力，迅速达到减振降噪效果。

但现有的磁流变阻尼器仍存在以下缺点：

1、现有磁流变阻尼器中仍需应用液压活塞油缸，该装置结构复杂，其制造安装需要进行精密机械加工，成本较高；

2、现有磁流变阻尼器中仍需应用液压活塞油缸，使用时其内部构件间存在较大的机械磨耗，影响装置的耐久性及使用寿命；

3、现有磁流变阻尼器尽管可以由改变阻尼达到主动控制，但受设备的制约存在一定响应延迟，并不能实时精准给予最合适的阻尼力。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置及阻尼调节方法，省略了现有磁流变阻尼装置中复杂的活塞油缸结构，消除了机械磨耗，提高了装置的耐久性和使用寿命。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置，包括：

上连接杆，所述上连接杆一端设有第一铁芯，所述第一铁芯上绕有第一线圈；与所述上连接杆相对设置的下连接杆，所述下连接杆一端设有第二铁芯，所述第二铁芯与所述第一铁芯相对设置，所述第二铁芯上绕有第二线圈；连接板，所述连接板设在桥面上，所述连接板与所述下连接杆相连；固设于所述连接板上的位移传感器，其通过一拉线与所述第一铁芯相连，所述位移传感器用于监测所述第一铁芯的位移量；固设于所述连接板上，与所述第一线圈、第二线圈和位移传感器均电连接的控制器，所述控制器包括用于控制所述第一线圈和第二线圈中电流的电流控制器和用于接收监测信号的信号反馈器。

在上述技术方案的基础上，所述第一铁芯和第二铁芯形状及大小均相同，所述第一线圈和第二线圈缠绕密度和匝数均相同。

在上述技术方案的基础上，还包括保护罩(10)，所述保护罩(10)一端固定于所述上连接杆(3)上，另一端固定在所述连接板(7)上，所述第一铁芯(4)、第二铁芯(5)和位移传感器(9)设于所述保护罩(10)内部。

在上述技术方案的基础上，所述保护罩可在所述上连接杆方向上伸缩。

在上述技术方案的基础上，所述保护罩包括皱褶部，所述皱褶部可在所述保护罩拉伸时展开，在所述保护罩收缩时折叠。

在上述技术方案的基础上，所述控制器与太阳能电源电连接。

本发明还提供一种使用如上所述磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置的阻尼调节方法，包括以下步骤：

S1、位移传感器实时监测第一铁芯的振动位移变化量ΔL，并传输至信号反馈器；

S2、信号反馈器将位移传感器传输的结果计算分析后向电流控制器发送电流控制指令；

S3、电流控制器得到指令后向第一线圈和第二线圈传输电流。

在上述技术方案的基础上，在步骤S2中，信号反馈器发送的电流控制指令中传输电流I大小计算方法为：

其中，N为第一线圈和第二线圈的线圈匝数，μ₀为真空磁导率，F为需要阻尼装置提供的最佳阻尼力，α为阻尼装置结构决定的阻尼调节系数，μ_r为第一铁芯和第二铁芯的相对磁导率。

在上述技术方案的基础上，当所述第一铁芯和第二铁芯为正方体时，阻尼调节系数α计算方法为：

其中，L＝L₀+ΔL，L₀为第一铁芯和第二铁芯的初始间距，ΔL为第一铁芯的实时振动位移变化量，L为第一铁芯和第二铁芯的实时间距，a表示第一铁芯和第二铁芯横截面的边长。

在上述技术方案的基础上，当ΔL为正时，控制电流方向使得第一铁芯和第二铁芯之间相互吸引；当ΔL为负时，控制电流方向使得第一铁芯和第二铁芯之间相互排斥。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置相比现有磁流变阻尼装置，去掉了复杂的活塞油缸结构，以两个简单的方形铁芯为载体，通过在方形铁芯上绕通电线圈来使得两个方形铁块之间产生排斥或吸引的磁力得到阻尼，结构简单，制造方便，同时没有机械磨耗，提高了装置的耐久性和使用寿命。

(2)本发明通过电磁线圈以铁块为载体直接提供阻尼力，力的响应比现有的磁流变阻尼装置更迅速、更精确，达到结构减振的时间更短，控制效果更佳。

附图说明

图1为本发明实施例中磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置的结构示意图。

图中：1-斜拉索，2-索夹，3-上连接杆，4-第一铁芯，5-第二铁芯，6-下连接杆，7-桥面连接板，8-控制器，9-拉线位移传感器，10-保护罩，11-第一线圈，12-第二线圈，13-电流控制器，14-信号反馈器。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置，包括：上连接杆3，所述上连接杆3一端设有第一铁芯4，所述第一铁芯4上绕有第一线圈11；与所述上连接杆3相对设置的下连接杆6，所述下连接杆6一端设有第二铁芯5，所述第二铁芯5与所述第一铁芯4相对设置，所述第二铁芯5上绕有第二线圈12；连接板7，所述连接板7设在桥面上，所述连接板7与所述下连接杆6相连；固设于所述连接板7上的位移传感器9，其通过一拉线与所述第一铁芯4相连，所述位移传感器9用于监测所述第一铁芯4的位移量；固设于所述连接板7上，与所述第一线圈11、第二线圈12和位移传感器9均电连接的控制器8，所述控制器8包括用于控制所述第一线圈11和第二线圈12中电流的电流控制器13和用于接收监测信号的信号反馈器14。

设置阻尼装置时，可将第一铁芯4和第二铁芯5形状及大小均设为相同，横截面均设置为正方形，将第一线圈11和第二线圈12的缠绕密度和匝数设置为均相同。这种设计可使得以第一铁芯4和第二铁芯5为磁芯的电磁铁的磁导率相同，在通电时其产生位移相同平均，利于阻尼的传导和减振的精确控制。同时，上连接杆3和下连接杆6均由非导磁材料制成，防止通电进行控制时对需精细控制的磁场产生影响。

还可在本发明磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置中设置保护罩10，保护罩10一端固定于上连接杆3上，另一端固定在所述连接板7上，将所述第一铁芯4、第二铁芯5和位移传感器9包覆在内。保护罩10的设置一方面将磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置的主要部件与外界隔开，避免了外界因素影响本发明磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置中阻尼控制的精确度；另一方面，保护罩10将上连接杆3和连接板7连为一体，便于装置中阻尼的传递。

保护罩10可在上连接杆3方向上自由伸缩，保证在装置中通电、第一铁芯4和第二铁芯5由于磁力作用发生相对位移时，不会因保护罩10无法伸展造成额外受力，影响控制精度。

一种本发明实施例中的保护罩10结构包括皱褶部，皱褶部可在所述保护罩10拉伸时展开，在所述保护罩收缩时折叠，从而达到受到上连接杆3方向力时，保护罩10可在上连接杆3方向上自由伸缩的效果。

本发明的磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置在实际应用时，可将控制器8与大桥上的太阳能电源电连接，通过太阳能供电，其技术成熟、应用范围广。同时由于大跨斜拉索桥梁一般都有路灯及景观照明、智能健康监测系统、箱梁除湿防腐系统、应急电源、依托大桥过江过河的供电网线等，这种连接设置无需额外铺设装置，简便易实施。

本发明实施例还提供一种使用如前所述磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置的阻尼调节方法，包括以下步骤：

S1、位移传感器9实时监测第一铁芯4的振动位移变化量ΔL，并传输至信号反馈器14；

S2、信号反馈器14将位移传感器9传输的结果计算分析后向电流控制器13发送电流控制指令；

S3、电流控制器13得到指令后向第一线圈11和第二线圈12传输电流。

在步骤S2中，信号反馈器14发送的电流控制指令中传输电流I大小通过如下公式计算：

其中，N为第一线圈11和第二线圈12的线圈匝数，μ₀为真空磁导率，F为需要阻尼装置提供的最佳阻尼力，α为阻尼装置结构决定的阻尼调节系数，μ_r为第一铁芯4和第二铁芯5的相对磁导率。

阻尼调节系数α通过如下公式计算：

L＝L₀+ΔL

其中，L₀为第一铁芯4和第二铁芯5的初始间距，L为第一铁芯4和第二铁芯5的实时间距，a表示第一铁芯4和第二铁芯5横截面的边长。

当ΔL为正时，可控制电流方向使得第一铁芯4和第二铁芯5相互吸引；当ΔL为负时，控制电流方向使得第一铁芯4和第二铁芯5相互排斥。

本发明在结构上与现有磁流变阻尼装置结构有本质区别，去掉了复杂的活塞油缸结构，以两个简单的方形铁块为载体，通过在方形铁块上绕通电线圈来使得两个方形铁块成为电磁铁，并使它们之间产生排斥或吸引的磁力得到阻尼。本发明结构非常简单，成本远低于要求精密机加工的活塞油缸；该结构是非接触式受力，没有机械磨耗，而且省去了油缸复杂的液体密封，装置的耐久性和长期寿命方面要超过活塞油缸。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置，其特征在于，包括：

上连接杆(3)，所述上连接杆(3)一端设有第一铁芯(4)，所述第一铁芯(4)上绕有第一线圈(11)；

与所述上连接杆(3)相对设置的下连接杆(6)，所述下连接杆(6)一端设有第二铁芯(5)，所述第二铁芯(5)与所述第一铁芯(4)相对设置，所述第二铁芯(5)上绕有第二线圈(12)；

连接板(7)，所述连接板(7)设在桥面上，所述连接板(7)与所述下连接杆(6)相连；

固设于所述连接板(7)上的位移传感器(9)，其通过一拉线与所述第一铁芯(4)相连，所述位移传感器(9)用于监测所述第一铁芯(4)的位移量；

固设于所述连接板(7)上，与所述第一线圈(11)、第二线圈(12)和位移传感器(9)均电连接的控制器(8)，所述控制器(8)包括用于控制所述第一线圈(11)和第二线圈(12)中电流的电流控制器(13)和用于接收监测信号的信号反馈器(14)。

2.如权利要求1所述的磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置，其特征在于：所述第一铁芯(4)和第二铁芯(5)形状及大小均相同，所述第一线圈(11)和第二线圈(12)缠绕密度和匝数均相同。

3.如权利要求1所述的磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置，其特征在于：还包括保护罩(10)，所述保护罩(10)一端固定于所述上连接杆(3)上，另一端固定在所述连接板(7)上，所述第一铁芯(4)、第二铁芯(5)和位移传感器(9)设于所述保护罩(10)内部。

4.如权利要求3所述的磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置，其特征在于：所述保护罩(10)可在所述上连接杆(3)方向上伸缩。

5.如权利要求4所述的磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置，其特征在于：所述保护罩(10)包括皱褶部，所述皱褶部可在所述保护罩(10)拉伸时展开，在所述保护罩收缩时折叠。

6.如权利要求1所述的磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置，其特征在于：所述控制器(8)与太阳能电源电连接。

7.一种使用如权利要求1所述磁浮式智能控制斜拉索阻尼装置的阻尼调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、位移传感器(9)实时监测第一铁芯(4)的振动位移变化量ΔL，并传输至信号反馈器(14)；

S2、信号反馈器(14)将位移传感器(9)传输的结果计算分析后向电流控制器(13)发送电流控制指令；

S3、电流控制器(13)得到指令后向第一线圈(11)和第二线圈(12)传输电流。

8.如权利要求7所述的阻尼调节方法，其特征在于：

在步骤S2中，信号反馈器(14)发送的电流控制指令中传输电流I大小计算方法为：

<mrow> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msqrt> <mrow> <mi>F</mi> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> </msqrt> <mrow> <mi>N</mi> <msqrt> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;alpha;&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> </msqrt> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，N为第一线圈(11)和第二线圈(12)的线圈匝数，μ₀为真空磁导率，F为需要阻尼装置提供的最佳阻尼力，α为阻尼装置结构决定的阻尼调节系数，μ_r为第一铁芯(4)和第二铁芯(5)的相对磁导率。

9.如权利要求8所述的阻尼调节方法，其特征在于：当所述第一铁芯(4)和第二铁芯(5)为正方体时，阻尼调节系数α计算方法为：

<mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow> </msqrt> </mfrac> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow> </mfrac> </msqrt> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>

其中，L＝L₀+ΔL，L₀为第一铁芯(4)和第二铁芯(5)的初始间距，ΔL为第一铁芯(4)的实时振动位移变化量，L为第一铁芯(4)和第二铁芯(5)的实时间距，a表示第一铁芯(4)和第二铁芯(5)横截面的边长。

10.如权利要求9所述的阻尼调节方法，其特征在于：当ΔL为正时，控制电流方向使得第一铁芯(4)和第二铁芯(5)之间相互吸引；当ΔL为负时，控制电流方向使得第一铁芯(4)和第二铁芯(5)之间相互排斥。