CN108729571B - 一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，包括内、外两个筒体，所述的内筒的中心设有转轴，所述的转轴与内筒中呈180度布置的两个叶片固定连接。所述的叶片中空，内部设有质量块，所述的质量块上下两端通过弹簧与叶片内壁连接。所述的内筒中设有两个薄板，薄板与叶片垂直布置。所述的内筒腔室中充满磁流变液填充物。所述的薄板表面设有压电发电单元，压电发电单元顶部设有压力传感器。在所述的内筒外壁沿轴线方向缠绕有励磁线圈。所述的压力传感器和励磁线圈与布置的内筒顶部的控制器和电能提取与存储单元串联形成闭合回路。

Description

一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器

技术领域

本发明涉及一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，特别涉及一种磁流变与压电陶瓷结合的竖向和抗扭减振装置，主要用于网壳、桥梁等大跨度空间结构的减振控制。

背景技术

随着社会经济与工业的迅速发展，环境振动对建筑安全性、适用性以及日常生活的影响引起了广泛的关注。近年来，风、地震等环境荷载诱发的结构振动倒塌事故频发。土木工程领域，结构形式比较复杂的建筑物，其刚度分布不均匀，在强烈振动下高层结构易发生扭转破坏，同时，结构竖向振动导致结构构造发生突变，进而造成整体结构的倒塌破坏，后果不堪设想。目前来说，振动控制技术是减小结构振动的有效方法，因此研究结构扭转破坏及竖向振动破坏机理，合理地设计抗振装置，进一步实现结构的振动控制，确保其安全平稳运行具有重要的现实意义。

近年来，许多新型的智能材料也逐渐被应用到减振领域中。例如形状记忆合金、磁流变流体和压电智能材料等。其中，压电陶瓷以其结构简单、无电磁干扰、易加工、能耗低、和易于控制等优势，在主动与半主动控制中得到了广泛的应用。磁流变液由于具有良好的屈服应力、较强的塑性粘度，在相当宽的温度范围内具有较高的稳定性、响应速度快、杂质干扰小、能耗低等特性，同样也已经在隔振减振领域得到一定的应用。

目前实际工程中应用减振控制装置进行振动控制的实例越来越多，大多数集中于水平方向的减振控制研究，而忽略了对结构扭转及竖向响应的控制，并且装置局限于被动控制原理，缺乏控制的灵活性。随着社会的发展，建筑结构的高度不断更新，考虑到环境荷载的不确定性与随机性，被动控制结构的水平振动具有一定的局限性。

发明内容

基于以上研究现状，本发明目的是提供一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，旨在减小高层建筑、高耸结构、大跨网壳及和桥梁等大跨度空间结构在风荷载及地震作用下的水平竖直振动及扭转响应，以达到耗能减振的目的；该控制装置在控制扭转响应的同时减小对竖向振动也起到了一定的效果，半主动控制策略有效的控制了结构的不良振动。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，包括内、外两个筒体，所述的内筒的中心设有转轴，所述的转轴与内筒中呈180度布置的两个叶片固定连接；所述的叶片中空，叶片内部设有质量块，所述的质量块上、下两端通过弹性装置与叶片内壁连接；所述的内筒中还固定有两个呈180度布置的薄板，且两个薄板与相邻的叶片垂直布置在所述的内筒腔室中充满磁流变液填充物；所述的薄板表面设有压电发电单元，压电发电单元顶部设有压力传感器；在所述的内筒外壁沿轴线方向缠绕有励磁线圈；所述的压力传感器和励磁线圈与布置控制器和电能提取与存储单元串联形成闭合回路。

当结构发生扭转振动时，质量块由于惯性带动叶片绕转轴在内筒中转动，推动磁流变液挤压薄板上的压电发电单元。压电发电单元受到压力产生电能，并将电能储存在电能提取与存储单元中。压力传感器感应到压力变化信号并传递给控制器，控制器可以根据压力大小调整流过励磁线圈中的电流大小。励磁线圈通电后，改变了内筒中的磁场强度，阻尼通道内磁流变液的流动方向与磁场方向垂直，使得磁流变液的流动性和粘度发生变化，提高输出阻尼力，进而达到控制扭转振动的目的。

当结构在竖直方向上振动时，叶片中的质量块和弹簧组成调谐质量阻尼器，弹簧发生变形给质量块提供与被控结构相反的阻尼力，进而达到控制竖向振动的目的。当振动结束后，由于形状记忆合金的超弹性特性，使得质量块恢复到原始状态，保证下次使用时的工作性能。

进一步的技术方案为，所述的内筒固定在底板上，所述的底板下表面设有轨道，轨道内设有平动齿条，所述的平动齿条下方设有空心转筒，转筒一侧设有与平动齿条相啮合的齿轮，所述的齿轮中心设有轴承，内部穿有刚性杆，所述的刚性杆固定在外筒上支撑转筒及其内部结构；所述的转筒中设有弧形磁铁，弧形磁铁分为N极和S极且相对布置，所述的刚性杆上设有内芯；内芯上缠绕有线圈。

当被控结构沿X方向振动时，内筒底板下方的平动齿条带动齿轮及转筒绕刚性杆转动，转筒内部磁铁转动使得刚性杆上缠绕的线圈切割磁感线产生电流，将振动的机械能转化为热能耗散，从而达到控制水平方向振动的目的。

进一步的技术方案为：所述的轨道采用槽形截面，且轨道两端设有限位挡板，避免剧烈振动导致上部结构脱轨。

进一步的技术方案为：所述的薄板的顶部和底部固定在内筒的内壁上，两侧压电陶瓷片外表面附有高弹性海绵橡胶板，橡胶板与磁流变液接触面涂有环氧树脂涂料(环氧树脂涂料具有防水、绝缘、抗腐蚀等特性)，以保护压电发电单元。

进一步的技术方案为：所述的叶片靠近内筒的内壁、上部和下部处留有阻尼通道，以便磁流变液可以从阻尼通道中流动。

进一步的技术方案为：所述的弹性装置由形状记忆合金(Shape memory alloy，简称SMA)制作而成。

进一步的技术方案为：可以通过改变弹簧刚度使得阻尼器的竖向振动频率与被控结构相调谐。

进一步的技术方案为：所述的压电发电单元由依次叠放的若干个串联的压电陶瓷片组成。

进一步的技术方案为：所述的外筒由不锈钢材料制成，在风雨环境下对内部装置起到保护作用。

进一步的技术方案为：所述的外筒固定安装在结构扭动及振动的敏感位置。

进一步的技术方案为：所述的内筒外侧壁上开设有供励磁线圈嵌装于内的线圈凹槽，以便励磁线圈的安装。

进一步的技术方案为：所述的内筒水平方向分为X向和Y向，其中X向为平行槽形轨道方向，Y向为垂直槽型轨道方向。

进一步的技术方案为：所述的齿条与齿轮接触部分以及轴承均添加润滑油，减小摩擦力。

进一步的技术方案为：所述的压力传感器用于感应缸体内压力值，控制器用于接收压力传感器信号并根据此信号来控制电能提取与存储单元放电。压电发电单元、电能提取与存储单元、控制器和励磁线圈机构电连接形成闭合回路。

本发明的工作原理如下：

当结构发生扭转振动时，质量块由于惯性带动叶片绕转轴在内筒中转动，推动磁流变液挤压薄板上的压电发电单元。压电发电单元受到压力产生电能，并将电能储存在电能提取与存储单元中。压力传感器感应到压力变化信号并传递给控制器，控制器可以根据压力大小调整流过励磁线圈中的电流大小。励磁线圈通电后，改变了内筒中的磁场强度，阻尼通道内磁流变液的流动方向与磁场方向垂直，使得磁流变液的流动性和粘度发生变化，提高输出阻尼力，进而达到控制扭转振动的目的。

当结构竖直振动时，叶片中的质量块和弹簧组成调谐质量阻尼器，弹簧发生变形给质量块提供与被控结构相反的阻尼力，进而达到控制竖向振动的目的。当振动结束后，由于形状记忆合金的超弹性特性，使得质量块恢复到原始状态，保证下次使用时的工作性能。

当结构沿X方向水平振动时，内筒体底板下方的平动齿条带动齿轮及转筒绕刚性杆转动，转筒内部磁铁转动使得刚性杆内芯上缠绕的线圈切割磁感线产生电流，将振动的机械能转化为热能耗散，从而达到控制水平方向振动的目的。

本发明的有益效果是：

本发明基于半主动控制理论提出了一种阻尼器。根据激励荷载形式和结构的响应状态，改变磁流变液的流通特性来实时地调整阻尼器的阻尼和刚度，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，从而达到良好的减振效果。

本发明应用压电陶瓷实现半主动减振装置的自主供能，将压电发电单元受振动产生的电能收集起来给励磁线圈供电，并用压力传感器与控制器控制励磁线圈内的电流变化，使磁流变液减振效果更佳。避免了能源浪费，解决了磁流变液减振方式因供能问题而导致地域受限的问题。

本发明构造简单，维护方便，可用于高耸、体型复杂和安全要求高的建筑结构减振，保证结构的安全性和耐久性。

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压电馈能式阻尼器的俯视图；

图2为一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器的A-A剖面图；

图3为一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器的B-B剖面图；

图4为一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器的转筒细部图；

图5为一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器的原理框架图。

图中：1外筒，2内筒，3磁流变液，4叶片，5质量块，6弹簧，7转轴，8压电发电单元，9压力传感器，10控制器，11电能提取与存储单元，12励磁线圈，13底板，14平动齿条，15齿轮，16限位挡板，17轨道，18刚性杆，19转筒，20磁铁，21线圈，22内芯，23薄板，24高弹性海绵橡胶板。

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。

相比其他半主动控制装置而言，本装置无需输入能量即可实现与主动控制相近的减振效果，构造简单，造价经济，具有广泛的应用前景。本发明结合半主动控制技术理论，将磁流变阻尼器和压电陶瓷联合工作，又在竖向减振采用形状记忆合金(Shape memoryalloy，简称SMA)智能材料，水平方向采用电涡流阻尼器进行减振控制，提出了一种新型阻尼器。

本申请的一种典型的实施方式中，如图2所示，定义图2中的平动齿条所在的方向为X轴方向；定义在水平面上，与X轴方向垂直的方向为Y方向。这里所述的平动齿条就是一个现有的直线型齿条；

本发明包括内、外两个筒体，分别为外筒1与内筒2，内筒2直接套装在外筒1内，可以同轴设置，或者非同轴设置；

内筒2中心设有能够自由转动的转轴7，内筒2中充满磁流变液填充物3；转轴的两端通过轴承固定；

叶片4包括两个，布置在转轴7的两侧且与转轴7固定连接；可随着转轴7的转动而转动，所述的叶片4内部为空心，内设有质量块5通过形状记忆合金弹簧(SMA弹簧)6与叶片内壁上部及下部连接。薄板23的顶部和底部固定在内筒内壁上，薄片的表面叠设有依次叠放的且串联在一起的压电发电单元8，顶部设有压力传感器9。内筒2外壁缠绕有励磁线圈12，励磁线圈12、压电发电单元8和压力传感器9与布置在内筒2上顶面的控制器10和电能提取与存储单元11串联形成控制闭合回路。

当主体结构受扭转时，叶片4内质量块5由于惯性绕转轴7旋转，叶片4推动内筒2中的磁流变液3挤压薄板24表面的压电发电单元8，压电发电单元8受压产生电能并存储到电能提取与存储单元11中。压力传感器9接收到压力变化信号并将其传递给控制器10，由控制器10根据此信号来控制励磁线圈12中的电流大小。励磁线圈12通电后，改变内筒2中的磁场强度，磁流变液从叶片4与内筒2内壁间的阻尼通道中流过，其流动方向与磁场方向垂直，从而提供更多的阻尼力，实现绕竖直方向的扭转减振控制。

上述的薄板23的面积大小可以根据实际情况，进行调整。

两侧压电发电单元8外表面附有高弹性海绵橡胶板，橡胶板与磁流变液接触面涂有环氧树脂涂料。环氧树脂具有良好的防水性和防腐蚀性，避免压电发电单元8受压损坏。

叶片4、质量块5和弹簧6组成竖向调谐质量阻尼器。当结构竖直振动时，弹簧6发生变形给质量块5提供与被控结构相反的阻尼力，进而达到控制竖向振动的目的。当振动结束后，由于形状记忆合金的超弹性特性，使得质量块恢复到原始状态，保证下次使用时的工作性能。

可以通过改变弹簧6的刚度调整调谐质量阻尼器的振动频率，使其与被控结构的振动频率相调谐。

内筒底部连有底板13，底板下部两侧沿X方向设有槽形轨道17，槽形轨道17内设有平动齿条14，轨道17两端设有限位挡板16，防止内筒2振动剧烈导致脱轨影响工作性能。平动齿条14下部设有空心转筒19，并与固定在转筒19一侧的齿轮15相啮合。转筒19中设有弧形磁铁20，磁铁20分为N极和S极且相对布置，穿过转筒19内部的刚性杆18上设有内芯22，内芯22上缠绕有线圈21。当被控结构沿X方向振动时，内筒2底板13下方的平动齿条14带动齿轮15及转筒19绕刚性杆18转动，转筒19内部磁铁20转动使得刚性杆18上缠绕的线圈21切割磁感线产生电流，将振动的机械能转化为热能耗散，从而达到控制水平方向振动的目的。

压力传感器9用于感应薄板23上的压力值，控制器10用于接收压力传感器9的信号并根据此信号来控制励磁线圈12中的电流大小。压电发电单元8、电能提取与存储单元11、控制器10和励磁线圈12电连接形成闭合回路。

该减振装置可将结构振动产生的能量收集起来加以利用，为励磁线圈提供电能，使磁流变阻尼器发挥显著的减振作用。避免了传统的压电发电陶瓷产生电能而未能有效利用造成的能源浪费问题，无需外部供能，解决了磁流变液减振方式因供能问题而导致地域受限的问题。

该减振装置利用变化磁场作用下磁流变液的流动特性，在不同激励荷载下结构会产生的不同振动情况，本装置可以实时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能够保持较稳定的控制效果。

该减振装置依据半主动磁流变阻尼器的减振原理，改变了传统磁流变阻尼器的单一模式，将活塞、活塞杆和工作缸的工作模式加以改进，提出了一种创新型的磁流变阻尼器，实现控制主体结构扭转振动的目的。

该减振装置利用形状记忆合金的超弹性特性，当振动结束后，由于形状记忆合金具有良好的变形恢复能力，使结构恢复到原始状态，避免影响该减振装置下次使用时的工作性能。

该减振装置应安装在建筑物容易发生扭转破坏的位置，可以在很大程度上减小扭转对结构造成的损伤。同时该减振装置还可以减小结构在风荷载或地震荷载作用下水平单向以及竖直方向的振动，保证建筑物的安全性。同时该装置具有构造简单，造价低，易于安装等优点。

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 (10)

1.一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，其特征在于，包括一个内筒，所述的内筒的中心设有转轴，所述的转轴与内筒中呈180度布置的两个叶片固定连接；所述的叶片中空，叶片内部设有质量块，所述的质量块上、下两端通过弹性装置与叶片内壁连接；所述的内筒中还固定有两个呈180度布置的薄板，且两个薄板与相邻的叶片垂直布置在所述的内筒腔室中充满磁流变液填充物；所述的薄板表面设有压电发电单元，压电发电单元顶部设有压力传感器；在所述的内筒外壁沿轴线方向缠绕有励磁线圈；所述的压力传感器和励磁线圈与布置控制器和电能提取与存储单元串联形成闭合回路。

2.如权利要求1所述的一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，其特征在于，所述的内筒固定在一个底板上，所述的底板下表面设有轨道，轨道内设有平动齿条，所述的平动齿条下方设有空心转筒，转筒一侧设有与平动齿条相啮合的齿轮，所述的齿轮中心设有轴承，轴承内部穿有刚性杆，所述的刚性杆固定在外筒上支撑转筒及其内部结构；所述的转筒中设有弧形磁铁，弧形磁铁分为N极和S极且相对布置，所述的刚性杆上设有内芯；内芯上缠绕有线圈。

3.如权利要求2所述的一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，其特征在于，所述的轨道采用槽形截面，且轨道两端设有限位挡板。

4.如权利要求1所述的一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，其特征在于，所述的薄板顶面和底面固定在内筒的内壁上，两侧压电发电单元的外表面附有海绵橡胶板，海绵橡胶板与磁流变液接触面涂有环氧树脂涂料。

5.如权利要求1所述的一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，其特征在于，所述的叶片靠近内筒的内壁、上部和下部处留有阻尼通道。

6.如权利要求1所述的一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，其特征在于，所述的弹性装置由形状记忆合金制作而成；通过改变弹性装置的刚度使得阻尼器的竖向振动频率与被控结构相调谐。

7.如权利要求1所述的一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，其特征在于，所述的压电发电单元由依次叠放的若干个串联的压电陶瓷片组成。

8.如权利要求1所述的一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，其特征在于，在所述的内筒外还设有一个外筒，所述的外筒由不锈钢材料制成。

9.如权利要求8所述的一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，其特征在于，所述的外筒固定安装在结构扭动及振动的敏感位置。

10.如权利要求1所述的一种半主动磁流变压电馈能式阻尼器，其特征在于，所述的内筒外侧壁上开设有供励磁线圈嵌装于内的线圈凹槽，以便励磁线圈的安装。