CN108644288A - 一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器 - Google Patents

一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，包括缸体、盖板、导杆、第一活塞、隔板、第二活塞、挡板、顶杆、步进电机和外壳，缸体上有第一通气孔，缸体的侧壁中部有顶杆孔，盖板上设置第二通气孔，缸体的开口端与盖板固定连接，导杆与第二活塞和第一活塞固定连接，导杆和与导杆固定连接的第二活塞和第一活塞可沿缸体纵向滑动，缸体、第一活塞、第二活塞围成的腔室内充满粘滞流体，隔板固定于缸体内部，隔板上有阻尼孔和挡板孔，步进电机与外壳固定连接，步进电机的内部集成有阻尼自动调节系统。本发明能根据结构的振动情况对粘滞流体阻尼器的阻尼进行实时、在线、自动和精准调节，实现对建筑结构在不同地震作用下振动的最有效控制。

Description

一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器
技术领域
本发明属于粘滞流体阻尼器领域，具体为一种用于减小建筑物振动的阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器。
背景技术
我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇部位，受太平洋板块、印度板块和菲律宾板块的挤压，地震活动呈现频度高、强度大、震源浅、分布广的特点，是一个受地震严重威胁的国家。从上世纪到现在，我国共发生五级以上地震3000余次，六级以上地震800余次，8级以上地震11次，波及31个省市。随着我国经济的发展，一大批高层和超高层建筑在全国各地兴建。这些建筑具有高柔性，在地震作用下，极易产生剧烈的振动，影响结构的正常使用，甚至造成结构突然倒塌。因此，如何控制建筑结构在地震作用下的振动，避免建筑结构由于地震作用而发生倒塌，成为高层建筑设计亟待解决的关键问题。
耗能减振技术是一种减轻建筑结构地震破坏的有效措施，已成为现代城市建筑结构振动控制的主要方法。粘滞流体阻尼器是一种在油缸腔室内充满高粘度粘滞流体，利用粘滞流体通过挡板阻尼孔产生的阻尼力来耗散地震能量的耗能减振装置。相比于其他耗能减振装置，粘滞流体阻尼器具有无需外部能源、耗能能力强、减振效果好、价格低廉、安装方便等优点，已逐渐成为土木工程领域常用的振动控制装置。
目前已有的大部分粘滞流体阻尼器的阻尼孔大小固定，一旦安装于结构后，其提供的阻尼力便不可改变。然而，地震作用和建筑结构纷繁复杂、多种多样，同一建筑结构在不同地震作用下的振动特性差别巨大，提供固定阻尼力的粘滞流体阻尼器难以减小建筑结构在不同地震作用下的振动响应。虽然也有部分学者提出了一些阻尼可调的粘滞流体阻尼器，但是这些粘滞流体阻尼器均采用外置机械开关来控制阻尼孔的大小，具有调节速度慢、不能实现自动化、调节精度差、可靠性低、外置油路容易损坏等缺点。地震作用一般都在极短的时间内完成，依靠机械开关往往难以根据结构当前的振动情况而瞬间完成阻尼的调节。因此，有必要提出能够根据结构振动情况进行实时、自动阻尼调节的粘滞流体阻尼器，以保证粘滞流体阻尼器对于建筑结构的各种地震响应均具有良好的能量耗散和振动控制效果。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，它能根据结构的振动情况对粘滞流体阻尼器的阻尼进行实时、在线、自动和精准调节，实现对建筑结构在不同地震作用下振动的最有效控制。
技术方案：本发明所述的一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，包括缸体、盖板、导杆、第一活塞、隔板、第二活塞、挡板、顶杆、步进电机和外壳，缸体的底板上有第一通气孔，缸体的侧壁中部有顶杆孔，盖板的中上部设有第二通气孔，缸体的开口端与盖板固定连接，导杆从右至左依次穿过盖板、第二活塞、隔板和第一活塞，导杆与第二活塞和第一活塞固定连接，导杆和与导杆固定连接的第二活塞和第一活塞可沿缸体纵向滑动，隔板与缸体固定连接，缸体、第一活塞、第二活塞围成的腔室内充满粘滞流体，隔板上有垂直于隔板平面的阻尼孔和平行于隔板平面的挡板孔，顶杆孔设置在缸体的侧壁中部且垂直于缸体的表面，顶杆孔与挡板孔连通，顶杆分别与步进电机和挡板固定连接，步进电机与外壳固定连接，步进电机的内部集成有阻尼自动调节系统。
外壳固定设置在缸体的外侧壁中部，外壳为环形外壳。缸体与连接杆固定连接，所述连接杆和第一连接耳环固定连接。导杆与第二连接耳环固定连接。顶杆孔和挡板孔的数量相等。阻尼孔沿隔板的对称轴对称布置、沿隔板的环向均匀布置。粘滞流体为硅油或液压油。
阻尼自动调节系统包括振动监测子系统和阻尼控制子系统，振动监测子系统包括三维加速度传感器、阈值开关、休眠电路、唤醒电路和电源，三维加速度传感器实时监测结构振动，并将监测的模拟信号传输至阈值开关，当模拟信号强度小于或等于阈值开关预设的阈值时，阈值开关关闭，休眠电路控制阻尼控制子系统继续处于休眠状态，当模拟信号强度大于阈值开关预设的阈值时，阈值开关打开，阈值开关将监测的模拟信号传输至唤醒电路，阈值开关通过唤醒电路唤醒阻尼控制子系统；阻尼控制子系统包括低通滤波器、增益放大器、A/D转换器、数据存储器、微处理器和步进电机控制器，阻尼控制子系统被唤醒后，低通滤波器接收唤醒电路的模拟信号，去除高频噪声后传输至增益放大器，增益放大器将模拟信号放大并传输至A/D转换器，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，并传输至数据存储器，数据存储器将数字信号和预设的阻尼控制程序传输至微处理器，微处理器进行计算和分析，输出步进电机的控制指令，并传输至步进电机控制器，步进电机控制器接收控制指令后，驱动步进电机推动与顶杆相连的挡板前进或后退，进而改变阻尼孔的大小，实现阻尼的实时调节。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：本发明通过粘滞流体流过隔板阻尼孔时产生的阻尼来消耗地震能量，可大大减小高层建筑在地震作用下的振动，进而大幅降低高层建筑的地震破坏；阻尼自动调节系统根据结构振动的大小，利用微处理器和预定程序计算出最优的阻尼孔尺寸和步进电机行程，通过步进电机驱动挡板前进或者后退，实现对粘滞流体阻尼器最优阻尼力的调节，有利于保证粘滞流体阻尼器对高层建筑在各种地震作用下的振动均有良好的控制效果；本发明的阻尼控制系统集成于步进电机内部，利用步进电机驱动，具有响应速度快、阻尼控制精度高、无需外部能源和人为干扰的特点，能够实现阻尼的实时、在线、自动、精准控制，可广泛用于各种高层建筑的振动控制。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的A-A面剖视图；
图3是本发明的B-B面剖视图；
图4是本发明的C-C面剖视图；
图5是本发明的D-D面剖视图；
图6是本发明的E-E面剖视图；
图7是本发明的F-F面剖视图；
图8是本发明的缸体1的纵剖面示意图；
图9是本发明的隔板5的纵剖面示意图；
图10是本发明的G-G面剖视图；
图11是本发明的H-H面剖视图；
图12是本发明的阻尼调节系统的工作原理图。
具体实施方式
如图1-11所示，一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器包括：第一连接耳环29、第一通气孔11、缸体1、第一活塞4、导杆3、隔板5、外壳10、顶杆8、第二活塞6、第二通气孔13、第二连接耳环30、连接杆28、粘滞流体14、阻尼孔15、步进电机9、挡板7、盖板2、顶杆孔12、挡板孔16，导杆3一端从右至左依次穿过第二活塞6、隔板5和第一活塞4，并置于缸体1内部，导杆3与第二活塞6和第一活塞4固定连接，隔板5与缸体1固定连接，导杆3和与导杆3固定连接的第二活塞6和第一活塞4可沿缸体1纵向滑动，导杆3另一端由盖板2穿出，并与第二连接耳环30固定连接，缸体1底板上具有第一通气孔11，缸体1底板外侧依次与连接杆28和第一连接耳环29固定连接，缸体1开口端与盖板2固定连接，盖板2上具有第二通气孔13，缸体1内部第一活塞4和第二活塞6之间的腔室内充满粘滞流体14，隔板5上具有垂直于隔板5平面的阻尼孔15和平行于隔板5平面的挡板孔16，缸体1侧壁中部具有垂直于缸体1表面且与挡板孔16连通的顶杆孔12，缸体1外侧壁中部固定有环形外壳10，步进电机9、顶杆8和挡板7依次固定连接，由外向里依次穿入顶杆孔12和挡板孔16，并可在顶杆孔12和挡板孔16内滑动，步进电机9另一端与环形外壳10固定连接，步进电机9内部集成有阻尼自动调节系统。
顶杆8可沿顶杆孔12滑动。挡板7可沿挡板孔16滑动。第一活塞4与缸体1的侧壁接缝处、隔板5与导杆3接缝处、第二活塞6与缸体1的侧壁接缝处、挡板7与挡板孔16的接缝处均密封连接。阻尼孔15沿隔板5的对称轴对称布置、沿隔板5的环向均匀布置。第一连接耳环29、缸体1、第一活塞4、导杆3、隔板5、环形的外壳10、顶杆8、第二活塞6、第二连接耳环30、连接杆28、挡板7和盖板2的材质均为不锈钢，有利于延长其使用寿命。
阻尼自动调节系统的工作原理如图12所示，包括振动监测子系统和阻尼控制子系统。其中，振动监测子系统包括三维加速度传感器17、阈值开关18、休眠电路19、唤醒电路20和电源21；阻尼控制子系统包括低通滤波器22、增益放大器23、A/D转换器24、数据存储器25、微处理器26和步进电机控制器27。电源21为干电池，电源21为三维加速度传感器17、阈值开关18、休眠电路19、唤醒电路20、低通滤波器22、增益放大器23、A/D转换器24、数据存储器25、微处理器26和步进电机控制器27持续供电。三维加速度传感器17、阈值开关18、休眠电路19、唤醒电路20、低通滤波器22、增益放大器23、A/D转换器24、数据存储器25、微处理器26和步进电机控制器27均为基于微机电技术生产的元件，有利于降低损耗。
上述阻尼器，阻尼控制子系统默认处于休眠状态，以节约电能消耗。振动监测子系统一直处于工作状态。振动监测子系统的三维加速度传感器17实时监测结构振动，并将监测的模拟信号传输至阈值开关18。当模拟信号强度小于或等于阈值开关18设定的阈值时，阈值开关18关闭，休眠电路19控制阻尼控制子系统继续处于休眠状态。当模拟信号强度大于阈值开关18预设的阈值时，阈值开关18打开，阈值开关18通过唤醒电路20唤醒阻尼控制子系统；同时，电源21为阻尼控制子系统提供工作电能，唤醒电路20将监测的模拟信号传输至阻尼控制子系统的低通滤波器22。阻尼控制子系统被唤醒后，低通滤波器22接收唤醒电路20的模拟信号，去除高频噪声后传输至增益放大器23；增益放大器23将模拟信号放大，并传输至A/D转换器24；A/D转换器24将模拟信号转换为数字信号，并传输至数据存储器25；数据存储器25将数字信号和预设的阻尼控制程序传输至微处理器26；微处理器26进行计算和分析，输出步进电机9的控制指令，并传输至步进电机控制器27；步进电机控制器27接收控制指令后，驱动步进电机9，推动与顶杆8相连的挡板7前进或后退，进而改变阻尼孔15的大小，实现阻尼的实时调节。

Claims (10)

1.一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，其特征在于：包括缸体(1)、盖板(2)、导杆(3)、第一活塞(4)、隔板(5)、第二活塞(6)、挡板(7)、顶杆(8)、步进电机(9)和外壳(10)，所述缸体(1)上有第一通气孔(11)，所述缸体(1)的侧壁中部有顶杆孔(12)，所述盖板(2)上设置第二通气孔(13)，所述缸体(1)的开口端与盖板(2)固定连接，所述导杆(3)从右至左依次穿过盖板(2)、第二活塞(6)、隔板(5)和第一活塞(4)，所述导杆(3)与第二活塞(6)和第一活塞(4)固定连接，所述导杆(3)和与导杆(3)固定连接的第二活塞(6)和第一活塞(4)可沿缸体(1)纵向滑动，所述隔板(5)与缸体(1)固定连接，所述缸体(1)、第一活塞(4)、第二活塞(6)围成的腔室内充满粘滞流体(14)，所述隔板(5)上有垂直于隔板(5)平面的阻尼孔(15)和平行于隔板(5)平面的挡板孔(16)，所述顶杆孔(12)设置在缸体(1)的侧壁中部且垂直于缸体(1)的表面，所述顶杆孔(12)与挡板孔(16)连通，所述顶杆(8)分别与步进电机(9)和挡板(7)固定连接，所述步进电机(9)与外壳(10)固定连接，所述步进电机(9)的内部集成有阻尼自动调节系统。
2.根据权利要求1所述的一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，其特征在于：所述阻尼自动调节系统包括振动监测子系统和阻尼控制子系统，所述振动监测子系统包括三维加速度传感器(17)、阈值开关(18)、休眠电路(19)、唤醒电路(20)和电源(21)，所述三维加速度传感器(17)实时监测结构振动，并将监测的模拟信号传输至阈值开关(18)，当模拟信号强度小于或等于阈值开关(18)预设的阈值时，阈值开关(18)关闭，休眠电路(19)控制阻尼控制子系统继续处于休眠状态，当模拟信号强度大于阈值开关(18)预设的阈值时，阈值开关(18)打开，阈值开关(18)将监测的模拟信号传输至唤醒电路(20)，阈值开关(18)通过唤醒电路(20)唤醒阻尼控制子系统；所述阻尼控制子系统包括低通滤波器(22)、增益放大器(23)、A/D转换器(24)、数据存储器(25)、微处理器(26)和步进电机控制器(27)，阻尼控制子系统被唤醒后，低通滤波器(22)接收唤醒电路(20)的模拟信号，去除高频噪声后传输至增益放大器(23)，增益放大器(23)将模拟信号放大并传输至A/D转换器(24)，A/D转换器(24)将模拟信号转换为数字信号，并传输至数据存储器(25)，数据存储器(25)将数字信号和预设的阻尼控制程序传输至微处理器(26)，微处理器(26)进行计算和分析，输出步进电机(9)的控制指令，并传输至步进电机控制器(27)，步进电机控制器(27)接收控制指令后，驱动步进电机(9)推动与顶杆(8)相连的挡板(7)前进或后退，进而改变阻尼孔(15)的大小。
3.根据权利要求1所述的一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，其特征在于：所述外壳(10)固定设置在缸体(1)的外侧壁中部，所述外壳(10)为环形外壳(10)。
4.根据权利要求1所述的一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，其特征在于：所述缸体(1)与连接杆(28)固定连接，所述连接杆(28)和第一连接耳环(29)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，其特征在于：所述导杆(3)与第二连接耳环(30)固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，其特征在于：所述顶杆孔(12)和挡板孔(16)的数量相等。
7.根据权利要求1所述的一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，其特征在于：所述缸体(1)的底板上具有第一通气孔(11)。
8.根据权利要求1所述的一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，其特征在于：所述盖板(2)的中上部设有第二通气孔(13)。
9.根据权利要求1所述的一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，其特征在于：所述阻尼孔(15)沿隔板(5)的对称轴对称布置、沿隔板(5)的环向均匀布置。
10.根据权利要求1所述的一种阻尼自动调节的粘滞流体阻尼器，其特征在于：所述粘滞流体(14)为硅油或液压油。
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