CN108087483B - 一种磁流变阻尼器调谐质量升频馈能的方法及阻尼器 - Google Patents

一种磁流变阻尼器调谐质量升频馈能的方法及阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种磁流变阻尼器调谐质量升频馈能的方法及阻尼器，阻尼器主要包括活塞杆、活塞和缸体，活塞杆将主振动结构和活塞连接，活塞上设有感应线圈，缸体内充满磁流变弹性体，通过控制感应线圈上的电流，产生可控的电磁场，从而调节阻尼器的刚度和阻尼。使作为调谐质量的缸体产生反作用主振动结构的惯性力，来达到减小甚至消除主振动结构振动的目的。活塞杆的末端设有撞击头，缸体上固定有环状的弹性膜片，弹性膜片上设有压电材料薄片，当活塞杆相对缸体运动时，撞击头碰撞弹性膜片产生高频的自激振动，使得压电材料发生高频的拉升与压缩，实现振动能量的高效转化。本发明优点：1、能量靶向传递；2、结构紧凑可靠；3、馈能效率较高。

Description

一种磁流变阻尼器调谐质量升频馈能的方法及阻尼器
技术领域
本发明涉及一种工程结构振动控制技术，具体说就是一种调谐质量阻尼器。
背景技术
调谐质量阻尼器技术是一种成熟的结构被动控制技术，调谐质量阻尼器由质块，弹簧与阻尼系统组成。设计参数将其振动频率调整至主振动结构频率附近，改变结构共振特性，以达到减振作用，被广泛应用于控制高层结构及桥梁在地震、风振作用下的响应。这种被动控制技术实施简单，可靠性强，但其缺陷是调谐质量阻尼器不能根据结构特性、荷载特性的变化进行相应的调整，因而不能保证最佳的控制效果。磁流变阻尼器技术为变参数结构提供了新的模式，磁流变体阻尼器是一种以智能材料磁流变体为工作介质的半主动控制阻尼器，通过对输入电流或电压的控制，使其加载在磁流变体上的电磁场强度发生改变，进而可以在几十毫秒时间范围内使磁流变体的流变性能发生变化，从而能够提供可控阻尼和刚度。然而，现有大多数磁流变体装置需要电源来提供能量，这对于放置在恶劣环境或者埋于结构内部的结构而言，这是个很严重的制约条件。为解决此问题，有学者在阻尼器内部集成振动能量采集器，其原理是:利用环境的振动使感应线圈和磁体发生相对运动，通过电磁感应原理产生电能，给设备供电。
为实现较高的采集效率，振动型能量采集器的设计需要其共振频率与环境振源频率相匹配。然而，环境中的振动能以低频为主，而传统的振动能量采集器谐振频率高、工作频带窄，因而不能有效地采集环境中的振动能，在弱强度振动环境中，存在采集能效不高的问题，阻碍了该技术的大规模工程应用。
发明内容
本发明针对磁流变调谐质量阻尼器需要外部电源和低频环境下能量采集效率不高的不足，提出一种磁流变阻尼器调谐质量升频馈能的方法及阻尼器。
本发明的技术方案为：
一种磁流变阻尼器调谐质量升频馈能的方法，该阻尼器为附加在主振动结构上的减振子结构，当主振动结构受到外部载荷发生振动时，阻尼器随着主振动结构一起振动，通过适当调整阻尼器参数，使作为调谐质量的缸体产生反作用于主振动结构的惯性力，与加在主振动结构上的激振力相抵消，进而达到减小甚至消除主振动结构的振动的目的；相当于主振动结构的振动能量被转移到调谐质量上，使调谐质量达到与激振频率的共振，达到第一次升频；调谐质量上固定有环状的弹性膜片，当活塞杆相对缸体运动时，撞击头碰撞弹性膜片产生高频的自激振动，达到二次升频，使得附加在弹性膜片上压电材料发生高频的拉升与压缩，既实现主振动结构的减振又实现了振动能量的高效转化。
本发明进一步公开了一种实现所述方法的磁流变阻尼器，包括弹性膜片、压电材料薄片、磁流变弹性体、活塞、活塞杆、连接支座、上端盖、撞击头、缸壁、感应线圈和下端盖；缸体充满磁流变弹性体，活塞杆的两端伸出缸体；活塞杆的一端通过连接支座连接主振动结构，另一端设有撞击头；活塞杆上设置有活塞，在缸体内滑动，活塞设有环状凹槽，凹槽里缠绕感应线圈，感应线圈上接有导线；上端盖设有平行布置于撞击头上下两侧的环状弹性膜片，弹性膜片上径向分布有压电材料薄片，压电材料薄片上连接导线接入储能装置；活塞杆来回运动时带动撞击头与弹性膜片撞击。
主振动结构中设置传感器，当外部激励发生变化时，所述传感器反馈出系统的运动信号，经控制器模块调节磁流变阻尼器的电压，控制感应线圈上的电流，产生可控的电磁场，使得磁流变弹性体发生磁流变效应，从而调节阻尼器的刚度和阻尼；使作为调谐质量的缸体产生反作用主振动结构的惯性力，来达到减小甚至消除主振动结构振动的目的。
所述传感器将振动结构产生的传感信号传输至控制器，控制器根据所述传感信号对从储能装置施加给线圈的电压进行控制，来调整振动结构参数，形成一种闭环结构。
本发明与现有技术相比，其有益效果如下：
1、本发明实现了能量的靶向传递，将调谐质量阻尼原理与振动馈能原理相结合。利用调谐质量的吸振原理将主振动结构的振动转移到阻尼器上，然后利用振动馈能原理将阻尼器上的振动能转化为电能，既减轻了主振动结构的振动又提高了馈能结构的发电效率，实现了能量的合理传递和利用。
2、本发明结构紧凑可靠，采用振动膜片与压电材料结合的方式，克服了传统电磁感应装置笨重复杂的问题，选用磁流变弹性体作为调节介质材料，避免了密封和沉降的问题，减小了维护成本。
3、本发明的馈能效率较高，通过低频结构碰撞高频结构产生自激振动升频的方式，解决了振动能量采集器谐振频率高和环境振动频率低之间的矛盾，克服了传统振动能量采集效率不高的问题。
附图说明
图1为本发明结构图。
图2为调谐质量阻尼系统原理图。
图3为环状弹性膜片和压电材料薄片结构图。
图4为本发明馈能结构工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。如图1所示，本发明包括弹性膜片1、压电材料薄片2、磁流变弹性体3、活塞4、活塞杆5、连接支座6、上端盖7、撞击头8、缸壁9、感应线圈10和下端盖11；缸体充满磁流变弹性体3，所述磁流变弹性体3可由硅基橡胶加入纳米级羟基铁粉制成。活塞杆5的两端伸出缸体；一端通过连接支座6连接主振动结构，另一端设有撞击头8。活塞杆上设置有活塞4，在缸体内滑动，活塞4设有环状凹槽，凹槽里缠绕感应线圈10，感应线圈10上接有导线。导线接入控制器。上端盖设有平行布置于撞击头上下两侧的环状弹性膜片1，撞击头上下移动时与弹性膜片1撞击；弹性膜片1上径向分布有压电材料薄片2，压电材料薄片2上连接导线接入储能装置；储能装置包括整流器和电池，整流器将压电材料薄片产生交流电转化为直流电存储在电池里。
本发明的工作原理:
如图2所示，根据调谐质量阻尼原理：该阻尼器为附加在主振动结构上的减振子结构，可将主振动结构和阻尼器视为二自由度的弹簧阻尼质量振动系统。当主振动结构受到外部载荷发生振动时，阻尼器随着主振动结构一起振动，通过适当选取阻尼器参数，使作为调谐质量的缸体产生反作用主振动结构的惯性力，可以与加在主振动结构上的激振力相抵消，来达到减小甚至消除主振动结构振动的目的。相当于主振动结构的振动能量被转移到调谐质量上，使调谐质量达到与激振频率的共振，由于阻尼器调谐质量小于主振动结构质量，应用调谐质量阻尼原理，理想状态下，主振动结构的振动会完全传递到阻尼器的调谐质量上，调谐质量达到共振，而主振动结构振幅几乎为0，所以激起阻尼器上调谐质量产生比主振动结构大得多的振幅和更高频率，使得位于调谐质量上的馈能装置有了更好的收集效率。当外部激励发生变化时，主振动结构中的传感器反馈出系统的运动信号，经控制器模块调节磁流变阻尼器的电压，实时改变调谐质量阻尼器的结构参数，使主振动结构的振动机械能尽可能地传递到阻尼器的调谐质量上，这样既提高系统的减振效率，保证系统最佳减振效果，也有利于调谐质量上的馈能装置进行能量收集。
如图3和图4所示，一种升频馈能的方法，活塞杆的末端设有撞击头，缸体上固定有环状的弹性膜片，弹性薄片材料为硅基材质。弹性膜片上设有压电材料薄片，压电材料为聚偏氟乙烯(PVDF)及以它为代表的其他有机压电材料。当活塞杆相对缸体运动时，撞击头碰撞弹性膜片产生高频的自激振动，使得压电材料发生高频的拉伸与压缩，基于压电效应，实现振动能量向电能的高效转化。该能量可收集于储能装置中，传感器将主振动结构产生的传感信号传输至控制器，控制器根据所述信号对从储能装置施加给线圈的电压进行控制，来调整振动结构参数，形成一种闭环结构。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细地说明，所属领域的普通技术人员应当理解:技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种磁流变阻尼器调谐质量升频馈能的方法，其特征在于：该阻尼器为附加在主振动结构上的减振子结构，当主振动结构受到外部载荷发生振动时，阻尼器随着主振动结构一起振动，通过适当调整阻尼器参数，使作为调谐质量的缸体产生反作用于主振动结构的惯性力，与加在主振动结构上的激振力相抵消，进而达到减小甚至消除主振动结构的振动的目的；相当于主振动结构的振动能量被转移到调谐质量上，使调谐质量达到与激振频率的共振，达到第一次升频；调谐质量上固定有环状的弹性膜片，当活塞杆相对缸体运动时，撞击头碰撞弹性膜片产生高频的自激振动，达到二次升频，使得附加在弹性膜片上压电材料发生高频的拉升与压缩，既实现主振动结构的减振又实现了振动能量的高效转化；弹性膜片上设有压电材料薄片，当活塞杆相对缸体运动时，撞击头碰撞弹性膜片产生高频的自激振动，使得压电材料发生高频的拉伸与压缩，基于压电效应，实现振动能量向电能的高效转化；
主振动结构中设置传感器，当外部激励发生变化时，所述传感器反馈出系统的运动信号，经控制器模块调节磁流变阻尼器的电压，控制感应线圈上的电流，产生可控的电磁场，使得磁流变弹性体发生磁流变效应，从而调节阻尼器的刚度和阻尼；使作为调谐质量的缸体产生反作用主振动结构的惯性力，来达到减小甚至消除主振动结构振动的目的，形成一种闭环结构。
2.一种实现权利要求1所述方法的磁流变阻尼器，其特征在于：包括弹性膜片、压电材料薄片、磁流变弹性体、活塞、活塞杆、连接支座、上端盖、撞击头、缸壁、感应线圈和下端盖；缸体充满磁流变弹性体，活塞杆的两端伸出缸体；活塞杆的一端通过连接支座连接主振动结构，另一端设有撞击头；活塞杆上设置有活塞，在缸体内滑动，活塞设有环状凹槽，凹槽里缠绕感应线圈，感应线圈上接有导线；上端盖设有平行布置于撞击头上下两侧的环状弹性膜片，弹性膜片上径向分布有压电材料薄片，压电材料薄片上连接导线接入储能装置；活塞杆来回运动时带动撞击头与弹性膜片撞击。
3.根据权利要求2所述的磁流变阻尼器，其特征在于：所述传感器将振动结构产生的传感信号传输至控制器，控制器根据所述传感信号对从储能装置施加给线圈的电压进行控制，来调整振动结构参数。
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