CN108708928B - 一种半主动磁流变调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，包括一个筒体，在所述的筒体底板内部设有连接块，连接块上固定一个工作缸。在所述的工作缸内部设有隔板，将其分为中心腔、阻尼腔和旁腔。在所述的中心腔内设有能沿工作缸轴线方向水平移动的质量块。在所述的质量块中部开槽并设有滚动轴承，四周连接有能沿滚动轴承滑动的活塞杆。在所述的阻尼腔内部设有活塞，活塞固定连接到活塞杆上。所述的活塞杆穿过预留在隔板上的通孔延伸到旁腔内，和旁腔内的弹簧一端相连。所述的弹簧的另一端固定连接到工作缸内部。在所述的阻尼腔内部充满磁流变液，外部缠绕有通电线圈。所述的通电线圈与筒体内部的感应控制装置连接。

Description

一种半主动磁流变调谐质量阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，主要应用于控制高层建筑和高耸结构的振动响应。

背景技术

随着科学技术的进步和社会的发展，现代高层建筑和高耸结构不断出现，并且朝更高和更柔的方向发展，但是在风或地震等动力荷载作用下，结构容易产生较大的侧向振动和变形，甚至超出可允许的舒适度要求。近年来，为了减小结构的振动响应，在高层建筑和高耸结构中安装合理有效的阻尼系统得到了越来越多的关注。

调谐质量阻尼器(Tuned mass damper)作为一种成熟的减振耗能技术，它的减振原理是把调谐质量阻尼器连接到主结构上，通过惯性质量将主结构的振动能量转移到调谐质量阻尼器中，达到减小结构振动响应的目的。该阻尼系统构造简单，减振效果明显，被广泛应用于控制建筑结构的振动响应。但是，传统的调谐质量阻尼器在实际工程应用中，减振效果的优劣程度依赖其自振频率与主体结构是否相调谐，且不能根据具体的外部激励情况和结构响应实时调整自身的动力特性，因而不能保证最佳的减振效果。

发明内容

本发明目的是提供一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，旨在减小高层建筑或高耸结构在风荷载及地震作用下的水平振动响应，达到耗能减振的目的。为了弥补传统调谐质量阻尼器被动控制的缺陷，本发明采用一种新型智能材料磁流变液，并结合半主动控制技术理论，提出了一种混合型调谐质量阻尼器。磁流变液的工作性能主要表现为其流动特性对磁场变化非常敏感，当无磁场作用时，其具有良好的流动性，但随着磁场的增强，流动特性发生变化并逐渐表现为固态，这个瞬时转变过程是连续可逆的，一旦磁场消失，磁流变液又回到液体状态。因此，利用磁流变液制成的阻尼器，可以根据外激励作用下结构的振动响应来改变施加电流的大小，进而改变产生磁场的强度，以此提供不同的阻尼力，实现半主动控制结构振动的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，包括一个筒体，在所述的筒体底板内部设有连接块，连接块上固定一个工作缸；在所述的工作缸内部设有多个隔板，将其分为一个中心腔、四个阻尼腔和四个旁腔；在所述的中心腔内设有能沿工作缸轴线方向水平移动的质量块；在所述的质量块中部开槽并在质量块的前、后、左、右四个方向上设有滚动轴承，质量块的前、后、左、右四个方向上各连接有能沿滚动轴承滑动的活塞杆；在每个阻尼腔内部设有活塞，每个活塞固定连接到与其对应的活塞杆上；四个活塞杆分别各自穿过预留在隔板上的通孔延伸到与其对应的旁腔内和旁腔内的弹簧一端相连；所述的弹簧的另一端固定连接到工作缸内部；在四个阻尼腔内部充满磁流变液，每个阻尼腔外部缠绕有通电线圈；每个所述的通电线圈与筒体内部的感应控制装置连接。

进一步的技术方案为：所述的筒体由不锈钢绝缘材料制成，在露天环境下对内部装置起到保护作用。

进一步的技术方案为：所述的筒体固定安装在结构振动敏感位置。

进一步的技术方案为：所述的工作缸轴线方向可分为X向和Y向。

进一步的技术方案为：所述的工作腔的水平方向最窄部位应小于质量块的边长，避免质量块滚动过程中与活塞杆脱离。

进一步的技术方案为：所述的质量块下部预留多个半圆形凹槽，凹槽内设有金属球，质量块放置在金属球上且能够在工作缸内光滑移动。

进一步的技术方案为：所述的活塞杆伸到质量块内部的一端设有限位板，保证质量块沿X向移动时带动活塞杆移动，而轴线方向为Y向的活塞杆保持不动。

进一步的技术方案为：所述的隔板通孔处设有橡胶密封圈，防止磁流变液在流动过程中溢出。

进一步的技术方案为：所述的弹簧由可恢复变形的不导磁材料制作而成。

进一步的技术方案为：在所述的旁腔内活塞杆端部固定设有端板，弹簧一端固定在端板上与活塞杆连接。

进一步的技术方案为：所述的活塞直径小于阻尼腔内径，使得在阻尼腔内留有磁流变液的流动通道。

进一步的技术方案为：所述的工作缸轴线X方向的两端阻尼腔外部缠绕的通电线圈串联，轴线Y方向的两端阻尼腔外部缠绕的通电线圈串联；X方向和Y方向的通电线圈并联。

进一步的技术方案为：感应控制装置是由电源、控制器、加速度感应器I、加速度感应器II、震动开关I、震动开关II组成的控制电路；其中一路是：所述的震动开关I、加速度感应器I和位于工作缸轴线X方向上的两个通电线圈串联；另一路是：所述的震动开关II、加速度感应器II和位于轴线Y方向上的两个通电线圈串联；两路电路并联后与控制器、外部电源串联。进一步的技术方案为：所述的加速度感应器为单向感应，并安置在受控结构上。

本发明的工作原理如下：

将该阻尼器固定于高层建筑或高耸结构的顶部，在地震或风荷载作用下，质量块由于惯性在工作缸内发生轴线方向的运动，带动该方向的活塞杆和活塞一起运动，活塞相对工作缸相对运动时不断挤压阻尼腔中的磁流变液。当结构发生X方向水平振动时，震动开关开启，感应控制线路接通，加速度传感器将结构的振动信号传给控制器，控制器根据结构振动加速度的大小控制接通线路中电流大小。通电线圈在通电后，改变了阻尼腔内的磁场强度，磁流变液的流动性和粘度发生响应变化，提高了输出阻尼力，进而实现振动的智能控制。当结构发生Y方向水平振动时，阻尼器的工作原理与X方向水平振动相同。当振动结束后，磁流变液恢复到流动状态，旁腔内的弹簧由于变形给活塞杆提供恢复力，使得阻尼器呈现原始状态。

本发明的有益效果是：

(1)本发明在属于被动控制的调谐质量阻尼器的基础上，与属于半主动控制的磁流变阻尼器结合。根据激励荷载形式和结构响应状态，改变磁流变液的流通特性来实时的调整阻尼器的阻尼和刚度，使得阻尼器在较宽的频域内有较稳定的工作性能，从而达到良好的减振效果。

(2)本发明利用磁流变液的瞬时流变特性，给阻尼器提供瞬间改变的阻尼力，大大改善了一般半主动控制装置的时滞问题。而且本发明将磁流变阻尼器与超弹性弹簧组合，扩大了阻尼器行程的同时，能够使阻尼器恢复的原始状态，避免影响到阻尼器下次应用时的工作性能。

(3)本发明构造简单，灵活性高，且维护方便，有效提高结构的抗震抗风性能，适用于高层建筑和高耸结构，能够产生较好的社会效益和经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为一种半主动磁流变调谐质量阻尼器俯视图；

图2为一种半主动磁流变调谐质量阻尼器的A-A剖视图；

图3为一种半主动磁流变调谐质量阻尼器的质量块构造详图；

图4为一种半主动磁流变调谐质量阻尼器的控制电路示意图；

图中：1筒体，2连接块，3工作缸，4中心腔，5阻尼腔，6旁腔，7质量块，8活塞杆，9活塞，10弹簧，11端板，12磁流变液，13a通电线圈Ⅰ，13b通电线圈Ⅱ，14a通电线圈Ⅲ，14b通电线圈Ⅳ，15隔板，16密封圈，17金属球，18滚动轴承，19限位板，20控制器，21外部电源，22a震动开关Ⅰ、22b震动开关Ⅱ，23a加速度感应器Ⅰ，23b加速度感应器Ⅱ。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，传统的调谐质量阻尼器在实际工程应用中，减振效果的优劣程度依赖其自振频率与主体结构是否相调谐，且不能根据具体的外部激励情况和结构响应实时调整自身的动力特性，因而不能保证最佳的减振效果。为了解决如上的技术问题，本发明采用一种新型智能材料磁流变液，并结合半主动控制技术理论，提出了一种混合型调谐质量阻尼器。磁流变液的工作性能主要表现为其流动特性对磁场变化非常敏感，当无磁场作用时，其具有良好的流动性，但随着磁场的增强，流动特性发生变化并逐渐表现为固态，这个瞬时转变过程是连续可逆的，一旦磁场消失，磁流变液又回到液体状态。因此，利用磁流变液制成的阻尼器，可以根据外激励作用下结构的振动响应来改变施加电流的大小，进而改变产生磁场的强度，以此提供不同的阻尼力，实现半主动控制结构振动的目的。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，包括一个筒体1和工作缸3，工作缸3通过连接块2固定安装于筒体1底板上。隔板15将工作缸3分隔成中心腔4、阻尼腔5和旁腔6三部分。质量块7放置于金属球17上且可以在中心腔4内水平移动。质量块7中部开槽设有滚动轴承18，在质量块的前、后、左、右四个方向上均设有滚动轴承18，在质量块的前、后、左、右四个方向上连接有能沿滚动轴承18滑动的活塞杆8，四个活塞杆8一端连接有限位板19，限位板19置于滚动轴承18和质量块7的间隙中，保证活塞杆8与质量块7相对运动时不会发生脱落；四个活塞杆8的另一端穿过预留在隔板15上的通孔延伸到旁腔6内，和旁腔6内的弹簧10一端相连。活塞杆8穿过位于阻尼腔5内部的部分固定有活塞9，活塞9的直径小于阻尼腔5的内径。磁流变液12充满在阻尼腔5内部的封闭空间中。工作缸3的水平轴线方向可分为X向和Y向。X向两侧的阻尼腔外部分别缠绕通电线圈13a和13b，Y向两侧的阻尼腔外部分别缠绕通电线圈14a和14b。通电线圈与感应控制装置连接。

将该阻尼器固定于高层建筑或高耸结构的顶部，在地震或风荷载作用下，质量块由于惯性在工作缸内发生轴线方向的运动，带动该方向的活塞杆和活塞一起运动，活塞相对工作缸相对运动时不断挤压阻尼腔中的磁流变液。当结构发生X方向水平振动时，震动开关开启，感应控制线路接通，加速度传感器将结构的振动信号传给控制器，控制器根据结构振动加速度的大小控制接通线路中电流大小。通电线圈在通电后，改变了阻尼腔内的磁场强度，磁流变液的流动性和粘度发生响应变化，提高了输出阻尼力，进而实现振动的智能控制。当结构发生Y方向水平振动时，阻尼器的工作原理与X方向水平振动相同。当振动结束后，磁流变液恢复到流动状态，旁腔内的弹簧由于变形给活塞杆提供恢复力，使得阻尼器呈现原始状态。

如图1所示，中心腔4有一个、阻尼腔5和旁腔6各有四个，四个阻尼腔5分布在中心腔的前、后、左、右四个方向上；且前后两个阻尼腔5相互对称；左右两个阻尼腔相互对称；四个旁腔6位于四个阻尼腔5的外侧，也是分布在中心腔的前、后、左、右四个方向上。

在所述的质量块7下部预留的凹槽内壁与金属球17表面光滑接触；质量块放置在金属球上且能够在工作缸内光滑移动。

优选的，所述的弹簧10由可恢复变形的不导磁材料制作而成。

在所述的旁腔内活塞杆端部固定设有端板，弹簧一端固定在端板上与活塞杆连接。

所述的活塞直径小于阻尼腔内径，使得在阻尼腔内留有磁流变液的流动通道。

在设计控制电路时，工作缸轴线X方向的两端的通电线圈I13a和通电线圈Ⅱ13b串联，工作缸轴线Y方向的两端通电线圈Ⅲ14a和通电线圈Ⅳ14b串联，X方向和Y方向的通电线圈并联。

如图4所示，感应控制装置是由外部电源21、控制器20、加速度感应器(23a和23b)和震动开关22a、22b组成的控制电路；其中一路是：所述的震动开关I22a、加速度感应器23a和通电线圈I 13a和通电线圈II 13b串联；另一路是：所述的震动开关II 22b、加速度感应器23b和通电线圈I 14a、通电线圈II 14b串联；两路电路并联后与控制器20外部电源21串联。

加速度感应器23a和23b均为单向感应器，并安装在受控主体结构上，分别感应结构的X向和Y向的加速度响应。

结构在水平方向X向或Y向发生振动时，质量块7由于惯性在工作缸3内运动，带动该方向的活塞杆8和活塞9一起运动，活塞9相对工作缸3相对运动时不断挤压阻尼腔5中的磁流变液12。当结构发生X方向振动时，震动开关22开启，外部电源21、加速度感应器23a、控制器20、通电线圈13a和13b形成闭合回路。加速度感应器23a产生信号并传递给控制器20，控制器20根据加速度大小调整流经通电线圈13a和13b的电流大小，进而改变阻尼腔5内磁场强度。在变化磁场的作用下，磁流变液12呈现固体特性，受活塞9挤压时增大了输出阻尼力，有效抑制结构的水平振动响应。当结构发生Y方向振动时，阻尼器的工作机理与X方向相同。当振动结束后，震动开关22关闭，阻尼腔5内磁场消失，磁流变液12恢复到液体状态，旁腔6内的弹簧10由于变形给活塞杆8提供恢复力，使阻尼器呈现会原始状态。

该阻尼器利用变化磁场作用下磁流变液特殊的流动特性，可以根据结构在不同激励荷载下产生的不同振动情况实时地调整阻尼器提供的阻尼力，使得阻尼器在较宽的频域范围内均保持稳定的控制效果。

在活塞9挤压磁流变液12的过程中，活塞杆8伸入到旁腔6中对整个阻尼器进行行程补偿，增大阻尼力的可调范围。同时通电线圈缠绕阻尼腔5外部，不与磁流变液12接触，有效解决了通电线圈发热影响磁流变液12工作性能的问题。另外，通电线圈损坏时方便更换和维修。

该阻尼器安装在建筑主体结构易发生振动破坏的位置，能够有效抑制建筑结构在地震或风荷载作用下的振动响应，保证结构的安全性和耐久性。同时，该装置构造简单，加工方便，且性价比高，尤其适用于高层建筑或高耸结构。

本专利的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本专利的实施方式不限于此，凡此种种根据本专利的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本专利上述基本技术思想前提下，对本专利上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，其特征在于，包括一个筒体，在所述的筒体底板内部设有连接块，连接块上固定一个工作缸；在所述的工作缸内部设有多个隔板，将其分为一个中心腔、四个阻尼腔和四个旁腔；在所述的中心腔内设有能沿工作缸轴线方向水平移动的质量块；在所述的质量块中部开槽并在质量块的前、后、左、右四个方向上设有滚动轴承，质量块的前、后、左、右四个方向上各连接有能沿滚动轴承滑动的活塞杆；在每个阻尼腔内部设有活塞，每个活塞固定连接到与其对应的活塞杆上；四个活塞杆分别各自穿过预留在隔板上的通孔延伸到与其对应的旁腔内和旁腔内的弹簧一端相连；所述的弹簧的另一端固定连接到工作缸内部；在四个阻尼腔内部充满磁流变液，每个阻尼腔外部缠绕有通电线圈；每个所述的通电线圈与筒体内部的感应控制装置连接。

2.如权利要求1所述的一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的工作缸轴线方向可分为X向和Y向。

3.如权利要求1所述的一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的工作缸的水平方向最窄部位应小于质量块的边长。

4.如权利要求2所述的一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的活塞杆伸到质量块内部的一端设有限位板，保证质量块沿X向移动时带动活塞杆移动，而轴线方向为Y向的活塞杆保持不动。

5.如权利要求1所述的一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的弹簧由可恢复变形的不导磁材料制作而成。

6.如权利要求1所述的一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的活塞直径小于阻尼腔内径，使得在阻尼腔内留有磁流变液的流动通道。

7.如权利要求2所述的一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的工作缸轴线X方向的两端阻尼腔外部缠绕的通电线圈串联，轴线Y方向的两端阻尼腔外部缠绕的通电线圈串联；X方向和Y方向的通电线圈并联。

8.如权利要求7所述的一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，其特征在于，感应控制装置是由电源、控制器、加速度感应器I、加速度感应器II、震动开关I、震动开关II组成的控制电路；其中一路是：所述的震动开关I、加速度感应器I和位于工作缸轴线X方向上的两个通电线圈串联；另一路是：所述的震动开关II、加速度感应器II和位于轴线Y方向上的两个通电线圈串联；两路电路并联后与控制器、外部电源串联。

9.如权利要求8所述的一种半主动磁流变调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的加速度感应器I、II为单向感应，并安置在受控结构上。