CN107654562B - 一种具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器，包括磁流变液阻尼器以及置于磁流变液阻尼器顶部和两侧的3个常闭式失效断电电磁阀增阻系统，电磁阀和磁流变液阻尼器采用法兰连接，通过电磁阀失电时推动阻力钢片控制磁流变液阻尼器的阻尼通道缩小，从而实现失电状态下大幅增大磁流变液阻尼器的被动阻尼力，以达到使其自转变为大吨位被动阻尼器的功能。本发明主要解决磁流变液阻尼器在失电时被动阻尼力过小的问题，弥补了失电状态下的可调库伦力的损失，以保证极端情况电源失效下仍能满足大型土木工程结构的被动阻尼力的要求，装置具有成本低、控制稳定、后期易于维护等优点。

Description

一种具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程振动控制和机械自动化领域，尤其涉及一种具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器。

背景技术

磁流变液阻尼器是一种智能化、高性能的半主动控制装置，该装置中的电磁场能将磁流变液在毫秒级的时间内由牛顿液态转化为具有一定抗剪强度的粘塑性状态，通过电流控制的磁场强度，来调节磁流变液的抗剪强度，从而实现结构的智能控制。由于磁流变液阻尼器构造简单、响应迅速、阻尼力大且连续可调等优点，因而非常适合应用于大型土木工程结构振动的控制。

磁流变液阻尼器的另一显著特点是在电源失效(如地震使电力设备破坏)的情况下仍能当被动阻尼器使用，然而，磁流变液阻尼器在失电时充当被动阻尼器所能提供的阻尼力是很小的，通常仅为总阻尼力的1/20～1/10，即500KN的磁流变液阻尼器失电后，仅有25KN～50KN的被动阻尼力，根本无法满足大型土木工程结构阻尼力的出力要求。

磁流变液阻尼器一般是根据出力需要来设计阻尼通道间隙(即阻尼通道宽度)，如若设计的通道间隙过小，通电时由于液体变为半固态，会造成磁流变液无法有效从阻尼通道通过造成阻尼器阻塞，无法正常工作，但过大的阻尼间隙又会造成总阻力较小，所以通常阻尼通道间隙设计为2mm，在阻尼通道间隙确定的情况下，磁流变液在阻尼通道的状态决定着阻尼力大小。当外部电源能正常供电时，磁流变液阻尼器能根据结构响应实时反馈调节电流强度进而调节磁流变液在阻尼通道内的状态，实现所需阻尼力的输出。然而，当外部电源遭到破坏(如地震)而丧失给磁流变液阻尼器供电能力时，磁流变液由半固体状态恢复到液体状态，磁流变液的抗剪强度降到最低，磁流变液阻尼器只能输出很小的被动阻尼力，对于大型土木工程结构，是无法满足出力要求的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器，能在失电状态下大幅增加磁流变液阻尼器的被动阻尼力，实现失电时阻尼器仍有较大被动阻尼力，增强大型土木工程结构的减振可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器，磁流变液阻尼器缸体的内部设置阻尼钢片，磁流变液阻尼器缸体的内壁上开设有缸体沟槽，缸体沟槽用于对阻尼钢片进行限位，磁流变液阻尼器缸体上缸体沟槽的位置设在磁流变液阻尼器活塞的正中间对应的缸体内壁一侧，缸体沟槽的深度等于阻尼钢片的宽度，阻尼钢片的宽度为阻尼通道宽度的2倍，阻尼钢片的中部固定有套筒，阻尼钢片通过套筒与电磁阀活塞固定连接，电磁阀包括固定铁芯、弹簧、动铁芯、电磁阀活塞、电磁阀电磁线圈、电源线，其中动铁芯内部中空，设置一个沿竖直方向的弹簧，弹簧的上端与固定铁芯的底部连接，弹簧的下端与动铁芯的底部连接，沿着固定铁芯和动铁芯的周向设置一个电磁阀电磁线圈，动铁芯的下部连接一个电磁阀活塞，电磁阀电磁线圈通过电源线与外部电源连接。

按上述技术方案，电磁阀活塞和套筒螺纹连接，电磁阀的底部设置电磁阀法兰盘，磁流变液阻尼器缸体的外表面设置磁流变液阻尼器法兰盘，电磁阀法兰盘和磁流变液阻尼器法兰盘通过螺栓固定连接。

按上述技术方案，阻尼钢片为圆弧形钢片，阻尼钢片共3个，每个阻尼钢片对应设置一个电磁阀，3个电磁阀均匀布设，互成120度。

按上述技术方案，电磁阀法兰盘、磁流变液阻尼器法兰盘上均开设有沟槽，电磁阀法兰盘和磁流变液阻尼器法兰盘上的沟槽中均放置一个橡胶密封圈。

按上述技术方案，阻尼通道宽度为2mm，阻尼钢片宽度为4mm。

本发明产生的有益效果是：本发明主要解决磁流变液阻尼器在失电时被动阻尼力过小的问题，弥补了失电状态下的可调库伦力的损失，以保证极端情况电源失效下仍能满足大型土木工程结构的被动阻尼力的要求，本发明磁流变液阻尼器具有成本低、控制稳定、后期易于维护等优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器的纵截面图；

图2为本发明实施例具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器的横截面图；

图3为电磁阀通电时阻尼钢片位置示意图；

图4为电磁阀失电时阻尼钢片位置示意图；

图5为电磁阀活塞与阻尼钢片上的套筒连接示意图；

图6为电磁阀截面详图；

图7为通交流电时电磁铁吸力的时程示意图；

图8为电磁阀分磁环磁通示意图；

图9为缸体的纵截面图；

附图中：1、固定铁芯，2、弹簧，3、动铁芯，4、电磁阀活塞，5、分磁环，6、电磁阀电磁线圈，7、电源线，8、橡胶密封圈，9、阻尼通道，10、缸体，11、阻尼器活塞，12、阻尼器电磁线圈，13、磁流变液，14、活塞杆，15、导向套，16、关节轴承，17、螺栓，18、阻尼钢片，20、电磁阀，21、缸体外壁，22、缸体内壁，23、套筒，24、沟槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器，磁流变液阻尼器缸体的内部设置阻尼钢片，磁流变液阻尼器缸体的内壁上开设有缸体沟槽，缸体沟槽用于对阻尼钢片进行限位，磁流变液阻尼器缸体上缸体沟槽的位置设在磁流变液阻尼器活塞的正中间对应的缸体内壁一侧，缸体沟槽的深度等于阻尼钢片的宽度，阻尼钢片的宽度为阻尼通道宽度的2倍，阻尼钢片的中部固定有套筒，阻尼钢片通过套筒与电磁阀活塞固定连接，电磁阀包括固定铁芯、弹簧、动铁芯、电磁阀活塞、电磁阀电磁线圈、电源线，其中动铁芯内部中空，设置一个沿竖直方向的弹簧，弹簧的上端与固定铁芯的底部连接，弹簧的下端与动铁芯的底部连接，沿着固定铁芯和动铁芯的周向设置一个电磁阀电磁线圈，动铁芯的下部连接一个电磁阀活塞，电磁阀电磁线圈通过电源线与外部电源连接。

进一步地，电磁阀活塞和套筒23螺纹连接，电磁阀的底部设置电磁阀法兰盘，磁流变液阻尼器缸体的外表面设置磁流变液阻尼器法兰盘，电磁阀法兰盘和磁流变液阻尼器法兰盘通过螺栓固定连接。

进一步地，阻尼钢片为圆弧形钢片，阻尼钢片共3个，每个阻尼钢片对应设置一个电磁阀，3个电磁阀均匀布设，互成120度。

进一步地，电磁阀法兰盘、磁流变液阻尼器法兰盘上均开设有沟槽，电磁阀法兰盘和磁流变液阻尼器法兰盘上的沟槽中均放置一个橡胶密封圈。

进一步地，阻尼通道宽度为2mm，阻尼钢片宽度为4mm。

电磁阀和磁流变液阻尼器法兰连接，由于电磁阀活塞运动方向四周也存在一定的阻尼通道间隙，为防止磁流变液流入到电磁阀内，在阻尼器法兰盘和电磁阀法兰盘上开设了沟槽，放置橡胶密封圈。3个电磁阀控制3块阻尼器钢片，可根据失电时所需的被动阻尼力，合理设计出阻尼钢片下压的量，即减小的阻尼通道，对于被动阻尼力要求不同的大型土木工程结构减振通用性强。

本发明的较佳实施例中，该套装置包括3个电磁阀20，电磁阀和磁流变液阻尼器法兰连接，阻尼钢片和套筒刚性连接，电磁阀活塞和套筒螺纹连接，当外部电力设备能正常供电时，电磁阀始终处于通电状态，电磁阀线圈产生磁场，动铁芯被电磁力吸入到上部，弹簧被压缩，阻尼钢片被提起，此时，阻尼钢片收缩到缸体的沟槽内，不影响磁流变液阻尼器的正常工作。当外部电源遭到破坏(如地震)而丧失给磁流变液阻尼器和电磁阀供电能力时，磁流变液阻尼器此时只能提供被动阻尼力，电磁阀的电磁力也消失，弹簧压缩时储蓄的弹性势能得到释放，从而推动电磁阀活塞及阻尼钢片的向下运动，减小阻尼通道，即增加了磁流变液阻尼器失电时的被动阻尼力。阻尼钢片为圆弧形钢片，电磁阀法兰盘、磁流变液阻尼器法兰盘以及磁流变液阻尼器缸体上均开设有沟槽，电磁阀法兰盘和磁流变液阻尼器法兰盘上的沟槽放置橡胶密封圈，磁流变液阻尼器缸体上的沟槽放置阻尼钢片。磁流变液阻尼器缸体上沟槽位置设在磁流变液阻尼器活塞的正中间对应的缸体处，沟槽深度等于阻尼钢片的宽度，阻尼钢片的宽度是指阻尼钢片外径与内径之差，即沿着径向的尺寸。

参见图1，磁流变液阻尼器包括阻尼通道9、缸体10、阻尼器活塞11、阻尼器电磁线圈12、磁流变液13、活塞杆14、导向套15以及关节轴承16。阻尼器活塞中设置阻尼器电磁线圈，阻尼器活塞设置在缸体中，缸体中其余处充满磁流变液，阻尼器活塞侧面设置活塞杆，活塞杆由导向套限位。

参见图6，电磁阀部分包括固定铁芯1、弹簧2、动铁芯3、电磁阀活塞4、分磁环5、电磁阀线圈6、电源线7、橡胶密封圈8。

本发明在原有磁流变液阻尼器附加电磁阀机械自动化装置，该机械自动化装置可以增大磁流变液阻尼器在失电时的被动阻尼力，弥补可调库伦力的损失，以解决大型土木工程结构阻尼力要求。

如图1，为本发明具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器纵截面图，展现了磁流变液阻尼器内部结构及电磁阀在磁流变液阻尼器所处的位置。电磁阀的位置在磁流变液阻尼器活塞的正中间对应的缸体上，这主要考虑到阻尼器活塞工作时来回的反复运动，若在靠近活塞边缘位置处对应的缸体位置安装电磁阀，可能导致阻尼钢片不能有效的调节阻尼通道，所以电磁阀的位置要求在阻尼器活塞的正中间对应的缸体处。

如图2，为电磁阀处阻尼器的横截面图，展现了3个电磁阀在磁流变液阻尼器横截面上的位置布置。一种具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器包括置于顶部和两侧的3个电磁阀和3个阻尼钢片，3个电磁阀互成120度，电磁阀与磁流变液阻尼器通过螺栓法兰连接，阻尼钢片位于缸体内壁22和缸体外壁21之间开设的沟槽24内，沟槽在缸体内壁这一侧。

如图5，为电磁阀活塞与阻尼钢片上的套筒连接示意图，展现了电磁阀活塞与阻尼钢片上的套筒的连接是如何实现的。阻尼钢片与套筒刚性连接，套筒内侧和电磁阀活塞外侧都有螺纹，套筒和电磁阀活塞通过螺纹连接，电磁阀活塞通过旋转拧紧到套筒底部。此外，图中阻尼钢片的宽度为4mm。

如图6，为电磁阀截面详图，展现了电磁阀的内部结构及工作原理。电磁阀是指外部电源开关经常性处于闭合状态，此时，电磁阀处于通电状态，电磁阀工作原理为：电磁阀内的动铁芯3被电磁力吸到上部的固定铁芯1上，弹簧2处于压缩状态，储蓄弹性势能，当在某些外界因素(如地震)导致失电时，电磁力消失，弹簧2的弹性势能释放，将与其连在一起的动铁芯3及电磁阀活塞4向下推。

如图7，为通交流时电磁吸力的时程示意图，展现了电磁阀的电磁吸力随时间的变化情况，用来说明电磁阀内为何需要设置分磁环。由于输入电磁阀的电流为交流电，所以电磁机构的吸力F具有脉动性，当其吸力由最大值减小到小于反作用力时，动铁芯将企图释放，但吸力很快又回升到大于反作用力，致使微微离开吸合位置又重新吸合到吸合位置上，这就导致了动铁芯会时不时振动和产生噪音，所以电磁阀中通常会有分磁环5(如图8)，分磁环环绕固定铁芯设置，分磁环5将固定铁芯1分成两部分，在分磁环中产生一感应电流，使得固定铁芯两部分的磁通φ₁和磁通φ₂之间产生一相位差，从而保证磁极的磁力不会同时降为零，因此，只要吸力的最小值大于弹簧反力的最大值，即可克服动铁芯振动和产生的噪音。

如图9，为缸体的纵截面图，展现了沟槽在缸体上开设的位置及其尺寸。沟槽宽度为5mm，深度为4mm，沟槽开设在缸体内壁一侧，由于沟槽尺寸与阻尼钢片尺寸是一一对应的，所以沟槽宽度等于阻尼钢片厚度，沟槽深度等于阻尼钢片宽度。磁流变液阻尼器在正常通电工作时，阻尼钢片会藏在缸体的沟槽里，不影响阻尼器的正常工作。

如图3、4，为电磁阀通电、失电时阻尼钢片位置示意图，展现了电磁阀通电、失电时的工作状态。电磁阀与磁流变液阻尼器由螺栓17法兰连接，图3为通电时弹簧2处于压缩状态，此时储蓄弹性势能，将阻尼钢片18提起，图4为失电时弹簧2处于伸长状态，释放了弹簧压缩时储蓄的弹性势能，将阻尼钢片18下压减小阻尼通道9，从右图可以看到下压后阻尼钢片并没有完全将阻尼通道闭合，下压量由出力的需求所决定的，因为被动阻尼力的大小与阻尼通道平方成反比，如阻尼通道由2mm减小到0.5mm，则被动控制力可以提高16倍，即500KN的磁流变液阻尼器失电后，其被动阻尼力由25KN～50KN增大到400KN～800KN，从而实现被动阻尼力的出力要求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器，其特征在于，磁流变液阻尼器缸体的内部设置阻尼钢片，磁流变液阻尼器缸体的内壁上开设有缸体沟槽，缸体沟槽用于对阻尼钢片进行限位，磁流变液阻尼器缸体上缸体沟槽的位置设在磁流变液阻尼器活塞的正中间对应的缸体内壁一侧，缸体沟槽的深度等于阻尼钢片的宽度，阻尼钢片的宽度为阻尼通道宽度的2倍，阻尼钢片的中部固定有套筒，阻尼钢片通过套筒与电磁阀活塞固定连接，电磁阀包括固定铁芯、弹簧、动铁芯、电磁阀活塞、电磁阀电磁线圈、电源线，其中动铁芯内部中空，设置一个沿竖直方向的弹簧，弹簧的上端与固定铁芯的底部连接，弹簧的下端与动铁芯的底部连接，沿着固定铁芯和动铁芯的周向设置一个电磁阀电磁线圈，动铁芯的下部连接一个电磁阀活塞，电磁阀电磁线圈通过电源线与外部电源连接。

2.根据权利要求1所述的具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器，其特征在于，电磁阀活塞和套筒螺纹连接，电磁阀的底部设置电磁阀法兰盘，磁流变液阻尼器缸体的外表面设置磁流变液阻尼器法兰盘，电磁阀法兰盘和磁流变液阻尼器法兰盘通过螺栓固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器，其特征在于，阻尼钢片为圆弧形钢片，阻尼钢片共3个，每个阻尼钢片对应设置一个电磁阀，3个电磁阀均匀布设，互成120度。

4.根据权利要求2所述的具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器，其特征在于，电磁阀法兰盘、磁流变液阻尼器法兰盘上均开设有沟槽，电磁阀法兰盘和磁流变液阻尼器法兰盘上的沟槽中均放置一个橡胶密封圈。

5.根据权利要求1或2所述的具有失电增阻功能的磁流变液阻尼器，其特征在于，阻尼通道宽度为2mm，阻尼钢片宽度为4mm。