CN108644298B - 阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器，包括U形管状水箱、第一磁流变阻尼器、第二磁流变阻尼器和过水孔调节机构，第一磁流变阻尼器和第二磁流变阻尼器内部有电流控制系统，过水孔调节机构包括固定横隔板、活动横隔板、顶杆、步进电机和固定支架，固定横隔板的上端设置U形缺口，活动横隔板的下端设置半圆形缺口，U形缺口与半圆形缺口形成过水孔，活动横隔板可上下自由活动，步进电机内部有位移调节系统。本发明调谐液柱阻尼器利用液体晃动时流经过水孔产生的阻尼力来减小结构振动，利用电流控制系统调节液体流速，利用位移控制系统调节过水孔的大小，保证超高建筑物和构筑物在各种地震和强风作用下的安全性和适用性。
Description
技术领域
本发明属于土木工程结构振动控制技术领域，具体为一种用于减小超高建筑物和构筑物振动的阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器。
背景技术
地震和强风的破坏力巨大，据统计，世界上平均每年由于地震和强风造成的损失高达数千亿美元。我国41％的国土、50％以上的城市处于地震烈度7度以上，抗震防灾的形势异常严峻。近年来，随着经济的发展，全国各地兴建了一大批超高建筑物和构筑物。这些建筑物和构筑物的刚度较小，极易由于地震和强风的作用而产生剧烈的振动，不仅影响结构的正常使用，极端情况下甚至可能造成结构的倒塌。因此，如何减小超高建筑物和构筑物在地震和强风作用下的振动，成为土木工程领域亟待解决的热点问题。
调谐液柱阻尼器是在调谐液体阻尼器的基础上发展起来的一种高效减振装置。调谐液柱阻尼器固定于超高建筑物和构筑物的顶部，通常做成U型，由连通的两个竖直段和一个水平段组成，里面装有液体，U型管的水平段中部设置带过水孔的隔板。地震和强风引起超高建筑物和构筑物振动，进而带动调谐液柱阻尼器管中液体产生振荡。液体在振荡过程中穿过隔板的过水孔而产生阻尼，消耗地震和强风的能量并减小结构的振动；同时，液体晃动产生的水平惯性力作用于U型管侧壁，形成与结构振动方向相反的作用力，进而减小结构振动。调谐液柱阻尼器具有价格低廉、施工方便、响应速度快等优点，是一种减小超高建筑物和构筑物振动的有效装置。
调谐液柱阻尼器的隔板过水孔越小，产生的阻尼力越大，吸收的振动能量越大；同时，调谐液柱阻尼器内液体的流动速度越大，经过过水孔时产生的阻尼力也越大，减振效果越好。由此可见，调谐液柱阻尼器的减振效果与隔板过水孔的大小和液体的流动速度密切相关。然而，已有调谐液柱阻尼器的横隔板过水孔大小固定，不能针对结构所受地震或强风的大小和结构的振动强度做出快速调节，也就不能实现对超高建筑物和构筑物振动的最有效控制。不仅如此，已有调谐液柱阻尼器的液面均为自由液面，在外部振动作用下的流动速度只与液体本身的粘度有关，无法根据减振控制的需要进行实时调节。因此，为了能够对超高建筑物和构筑物的不同强度振动均进行有效的控制，保障超高建筑物和构筑物在地震和强风作用下的安全，急需一种能够同步实时调节隔板过水孔大小和液体流动速度，进而实现阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器。
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多重实时调节的调谐液柱阻尼器，它能根据结构振动的强弱来实时改变过水孔大小和液体流动速度，进而实时调节阻尼，减小超高建筑物和构筑物在地震和强风作用下的振动。
技术方案：本发明所述的一种阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器，包括U形管状水箱、第一磁流变阻尼器、第二磁流变阻尼器和过水孔调节机构，第一磁流变阻尼器通过第一挡水板与水箱滑动连接，第二磁流变阻尼器通过第二挡水板与水箱滑动连接，第一挡水板、第二挡水板均位于U型管状水箱的竖直段液面位置，过水孔调节机构包括固定横隔板、活动横隔板、顶杆、步进电机和固定支架，固定横隔板的上端设置U形缺口，活动横隔板的下端设置半圆形缺口，活动横隔板的半圆形缺口与固定横隔板的U形缺口形成过水孔，活动横隔板从水箱的水平段上表面插入且可上下自由活动，步进电机通过顶杆与活动横隔板相连，步进电机外设置固定支架，步进电机内部有位移调节系统。
位移调节系统包括振动测试单元、A/D转换单元、微处理单元、数据存储单元、电流控制单元、步进驱动单元和电机电源，振动测试单元收集结构振动的模拟信号，通过A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号，并传输至微处理单元，微处理单元根据振动信号的强弱，利用数据存储单元内的位移调节程序进行计算，输出电流控制指令，电流控制单元接收微处理单元输出的电流控制指令，通过步进驱动单元驱动步进电机转动，推动顶杆上升或下降，进而改变过水孔的大小。
第一磁流变阻尼器与第二磁流变阻尼器结构相同，第一磁流变阻尼器包括外壳、活塞、磁流变液、励磁线圈、导杆和节流孔，活塞与外壳的接缝处密封连接，导杆的伸出端与第一挡水板固定，导杆的埋入端与活塞固定，外壳内充满磁流变液，活塞上有若干节流孔并缠绕励磁线圈，励磁线圈内部有电流控制系统。电流控制系统包括加速度传感器、低通滤波器、增益放大器、A/D转换器、微处理器、数据存储器、电流控制器和线圈电源，加速度传感器采集结构振动模拟信号，并传输至低通滤波器，低通滤波器去除模拟信号的高频噪声，并传输至增益放大器，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，并传输至微处理器，微处理器读取数据存储器内部的电流控制程序进行计算，得到线圈电流控制命令，并传输至电流控制器，电流控制器根据电流控制命令调节励磁线圈的电流。
振动测试单元、A/D转换单元、微处理单元、数据存储单元、电流控制单元、步进驱动单元、加速度传感器、低通滤波器、增益放大器、A/D转换器、微处理器、数据存储器和电流控制器均为基于微机电技术生产的元件。线圈电源和电机电源均为干电池，线圈电源为加速度传感器、低通滤波器、增益放大器、A/D转换器、微处理器、数据存储器和电流控制器持续供电，电机电源为振动测试单元、A/D转换单元、微处理单元、数据存储单元、电流控制单元和步进驱动单元持续供电。
第一磁流变阻尼器的外壳通过第一支架固定在水箱上，第二磁流变阻尼器的外壳通过第二支架固定在水箱上。
水箱的横截面为矩形、圆形或椭圆形。第一挡水板与水箱的侧壁接缝处密封连接，第二挡水板与水箱的侧壁接缝处密封连接。
工作原理：当没有地震发生时，固定横隔板和活动横隔板处于初始位置。当超高建筑物和构筑物由于地震和强风作用而发生振动时，带动与其固定的调谐液柱阻尼器振动，进而引起位移调节系统和电流控制系统振动，同时引起水箱内的液体反复震荡。一方面，位移调节系统驱动步进电机转动，步进电机通过顶杆抬升或者降低活动横隔板，使得固定横隔板和活动横隔板发生相对运动，进而改变过水孔的大小；另一方面，电流控制系统改变励磁线圈的电流大小，使得励磁线圈周围的磁场发生变化，从而改变流经节流孔的磁流变液的粘度和流速，达到调节挡水板移动过程中受到的阻尼力的目的。进一步的，由于挡水板移动受到的阻尼力的改变，液体震荡过程中受到挡水板的压力也会发生变化，进而引起水箱内液体流动速度的改变，通过改变过水孔的大小和液体的流速，实现阻尼的多重实时调节。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：本发明的阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器，利用液体晃动时流经过水孔产生的阻尼力来减小超高建筑物和构筑物在地震和强风作用下的振动，保证超高建筑物和构筑物在地震和强风作用下的安全性和适用性；本发明的位移调节系统根据结构振动的强弱实时改变过水孔的大小，电流控制系统根据结构振动的强弱实时改变U型管内液体的流动速度，通过过水孔大小和液体流动速度的实时改变实现调谐液柱阻尼器阻尼的多重实时调节，增大了阻尼的调节范围，能够保证调谐液柱阻尼器对超高建筑物和构筑物不同强度的振动均有很好的减振效果；本发明的位移调节系统和电流控制系统均采用基于微机电技术生产的元件，具有响应速度快、阻尼调节精度高、能量消耗低、系统可靠性好的优点，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的纵剖视图；
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G-G面剖视图；
图9是本发明的第一磁流变阻尼器2示意图；
图10是本发明的H-H面剖视图；
图11是本发明的I-I面剖视图；
图12是本发明的位移调节系统原理框图；
图13是本发明的电流控制系统原理框图。
具体实施方式
如图1-8所示，一种阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器包括：U形管状水箱1、第一磁流变阻尼器2、第二磁流变阻尼器3和过水孔调节机构4，第一磁流变阻尼器2通过第一挡水板5与水箱1滑动连接，第二磁流变阻尼器3通过第二挡水板37与水箱1滑动连接，水箱1中装有液体36，第一挡水板5、第二挡水板37均位于等截面U型管状水箱1竖直段的液面位置，第一磁流变阻尼器2的外壳20通过第一支架34固定在水箱1上，第二磁流变阻尼器3的外壳20通过第二支架35固定在水箱1上，过水孔调节机构4包括固定横隔板6、活动横隔板7、顶杆8、步进电机9和固定支架10，活动横隔板7向上延伸出一连接构件，活动横隔板7从水箱1的水平段上表面插入且可上下自由活动，步进电机9通过顶杆8与活动横隔板7相连，步进电机9外设置固定支架10，步进电机9内部有位移调节系统，水箱1的横截面为矩形、圆形或椭圆形，第一挡水板5与水箱1的侧壁接缝处密封连接，第二挡水板37与水箱1的侧壁接缝处密封连接，固定横隔板6、活动横隔板7与水箱1的侧壁接缝处也密封连接，固定横隔板6的上端设置U形缺口11，活动横隔板7的下端设置半圆形缺口12，活动横隔板7的半圆形缺口12与固定横隔板6的U形缺口11形成过水孔。
如图9-11所示，第一磁流变阻尼器2与第二磁流变阻尼器3结构相同，第一磁流变阻尼器2包括外壳20、活塞21、磁流变液22、励磁线圈23、导杆24和节流孔25，活塞21与外壳20的接缝处密封连接，导杆24的伸出端与第一挡水板5固定，导杆24的埋入端与活塞21固定，外壳20内充满磁流变液22，活塞21上有若干节流孔25并缠绕励磁线圈23，励磁线圈23内部有电流控制系统。
位移调节系统的原理框图如图12所示，包括振动测试单元13、A/D转换单元14、微处理单元15、数据存储单元16、电流控制单元17、步进驱动单元18和电机电源19，振动测试单元13收集结构振动的模拟信号，通过A/D转换单元14将模拟信号转换为数字信号，并传输至微处理单元15，微处理单元15根据振动信号的强弱，利用数据存储单元16内的位移调节程序进行计算，输出电流控制指令，电流控制单元17接收微处理单元15输出的电流控制指令，通过步进驱动单元18驱动步进电机9转动，推动顶杆8上升或下降，进而改变过水孔的大小。
电流控制系统的原理框图如图13所示，包括加速度传感器26、低通滤波器27、增益放大器28、A/D转换器29、微处理器30、数据存储器31、电流控制器32和线圈电源33，加速度传感器26采集结构振动模拟信号，并传输至低通滤波器27，低通滤波器27去除模拟信号的高频噪声，并传输至增益放大器28，增益放大器28将模拟信号放大，并传输至A/D转换器29，A/D转换器29将模拟信号转换为数字信号，并传输至微处理器30，微处理器30读取数据存储器31内部的电流控制程序进行计算，得到线圈电流控制命令，并传输至电流控制器32，电流控制器32根据电流控制命令调节励磁线圈23的电流。
振动测试单元13、A/D转换单元14、微处理单元15、数据存储单元16、电流控制单元17、步进驱动单元18、加速度传感器26、低通滤波器27、增益放大器28、A/D转换器29、微处理器30、数据存储器31和电流控制器32均为基于微机电技术生产的元件，以利于降低能量消耗和减小元件体积。线圈电源33和电机电源19均为干电池，线圈电源33为加速度传感器26、低通滤波器27、增益放大器28、A/D转换器29、微处理器30、数据存储器31和电流控制器32持续供电，电机电源19为振动测试单元13、A/D转换单元14、微处理单元15、数据存储单元16、电流控制单元17和步进驱动单元18持续供电。
上述阻尼器，当没有地震发生时，固定横隔板6和活动横隔板7处于初始位置。当超高建筑物和构筑物由于地震和强风作用而发生振动时，带动与其固定的调频液柱阻尼器振动，进而引起位移调节系统和电流控制系统振动，同时引起等截面U型管内的液体36反复震荡。
一方面，位移调节系统内部的振动测试单元13收集结构振动的模拟信号，通过A/D转换单元14将模拟信号转换为数字信号，并传输至微处理单元15；微处理单元15根据结构振动信号的强弱，利用数据存储单元16内的位移调节程序进行计算，输出电流控制指令；电流控制单元17接受微处理单元15输出的电流控制指令，通过步进驱动单元18驱动步进电机9转动，推动顶杆8上升或下降，进而改变过水孔的大小。
另一方面，电流控制系统的加速度传感器26采集结构振动模拟信号，并传输至低通滤波器27；低通滤波器27去除模拟信号的高频噪声，并传输至增益放大器28；增益放大器28将模拟信号放大，并传输至A/D转换器29；A/D转换器29将模拟信号转换为数字信号，并传输至微处理器30；微处理器30读取数据存储器31内部的电流控制程序进行计算，得到线圈电流控制命令，并传输至电流控制器32；电流控制器32根据电流控制命令调节励磁线圈23的电流，使得励磁线圈23周围的磁场发生变化，从而改变流经节流孔25的磁流变液22的粘度和流速，并进一步改变挡水板移动过程中受到的阻尼力；液体36震荡过程中受到的挡水板的压力由于磁流变阻尼器阻尼力的改变也会发生变化，进而引起等截面U型管内液体36流动速度的改变。
最终，通过改变过水孔的大小和液体36的流速，实现阻尼的多重实时调节。
Claims (8)
1.一种阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器，其特征在于：包括U形管状水箱(1)、第一磁流变阻尼器(2)、第二磁流变阻尼器(3)和过水孔调节机构(4)，所述第一磁流变阻尼器(2)通过第一挡水板(5)与水箱(1)滑动连接，所述第二磁流变阻尼器(3)通过第二挡水板(37)与水箱(1)滑动连接，所述第一挡水板(5)、第二挡水板(37)均位于U型管状水箱(1)的竖直段液面位置，所述过水孔调节机构(4)包括固定横隔板(6)、活动横隔板(7)、顶杆(8)、步进电机(9)和固定支架(10)，所述固定横隔板(6)的上端设置U形缺口(11)，所述活动横隔板(7)的下端设置半圆形缺口(12)，所述活动横隔板(7)的半圆形缺口(12)与固定横隔板(6)的U形缺口(11)形成过水孔，所述活动横隔板(7)从水箱(1)的水平段上表面插入且可上下自由活动，所述步进电机(9)通过顶杆(8)与活动横隔板(7)相连，所述步进电机(9)外设置固定支架(10)，所述步进电机(9)内部有位移调节系统；
所述第一磁流变阻尼器(2)与第二磁流变阻尼器(3)结构相同，所述第一磁流变阻尼器(2)包括外壳(20)、活塞(21)、磁流变液(22)、励磁线圈(23)、导杆(24)和节流孔(25)，所述活塞(21)与外壳(20)的接缝处密封连接，所述导杆(24)的伸出端与第一挡水板(5)固定，所述导杆(24)的埋入端与活塞(21)固定，所述外壳(20)内充满磁流变液(22)，所述活塞(21)上有若干节流孔(25)并缠绕励磁线圈(23)，所述励磁线圈(23)内部有电流控制系统。
2.根据权利要求1所述的阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述位移调节系统包括振动测试单元(13)、A/D转换单元(14)、微处理单元(15)、数据存储单元(16)、电流控制单元(17)、步进驱动单元(18)和电机电源(19)，所述振动测试单元(13)收集结构振动的模拟信号，通过A/D转换单元(14)将模拟信号转换为数字信号，并传输至微处理单元(15)，所述微处理单元(15)根据振动信号的强弱，利用数据存储单元(16)内的位移调节程序进行计算，输出电流控制指令，所述电流控制单元(17)接收微处理单元(15)输出的电流控制指令，通过所述步进驱动单元(18)驱动步进电机(9)转动，推动顶杆(8)上升或下降。
3.根据权利要求2所述的阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述电流控制系统包括加速度传感器(26)、低通滤波器(27)、增益放大器(28)、A/D转换器(29)、微处理器(30)、数据存储器(31)、电流控制器(32)和线圈电源(33)，所述加速度传感器(26)采集结构振动模拟信号，并传输至低通滤波器(27)，所述低通滤波器(27)去除模拟信号的高频噪声，并传输至增益放大器(28)，所述增益放大器(28)将模拟信号放大，并传输至A/D转换器(29)，所述A/D转换器(29)将模拟信号转换为数字信号，并传输至微处理器(30)，所述微处理器(30)读取数据存储器(31)内部的电流控制程序进行计算，得到线圈电流控制命令，并传输至电流控制器(32)，所述电流控制器(32)根据电流控制命令调节励磁线圈(23)的电流。
4.根据权利要求1所述的阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述第一磁流变阻尼器(2)的外壳(20)通过第一支架(34)固定在水箱(1)上，所述第二磁流变阻尼器(3)的外壳(20)通过第二支架(35)固定在水箱(1)上。
5.根据权利要求3所述的阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述振动测试单元(13)、A/D转换单元(14)、微处理单元(15)、数据存储单元(16)、电流控制单元(17)、步进驱动单元(18)、加速度传感器(26)、低通滤波器(27)、增益放大器(28)、A/D转换器(29)、微处理器(30)、数据存储器(31)和电流控制器(32)均为基于微机电技术生产的元件。
6.根据权利要求3所述的阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述线圈电源(33)和电机电源(19)均为干电池，所述线圈电源(33)为加速度传感器(26)、低通滤波器(27)、增益放大器(28)、A/D转换器(29)、微处理器(30)、数据存储器(31)和电流控制器(32)持续供电，所述电机电源(19)为振动测试单元(13)、A/D转换单元(14)、微处理单元(15)、数据存储单元(16)、电流控制单元(17)和步进驱动单元(18)持续供电。
7.根据权利要求1所述的阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述水箱(1)的横截面为矩形、圆形或椭圆形。
8.根据权利要求1所述的阻尼多重实时调节的调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述第一挡水板(5)与水箱(1)的侧壁接缝处密封连接，所述第二挡水板(37)与水箱(1)的侧壁接缝处密封连接。
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