CN108869613B - 一种万向半主动磁流变减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种万向半主动磁流变减振装置，包括内、外筒体和转盘。在转盘上固定有内筒体，内筒体在转盘作用下发生任意方向的转动。转盘与感应控制装置连接。在内筒体底板内部设有连接块，连接块上固定一个工作缸。在工作缸内部设有隔板，将其分为中心腔和阻尼腔。在中心腔内设有能沿工作缸轴线方向水平移动的质量块。质量块与能沿工作腔轴向运动的活塞杆固定在一起。在阻尼腔内部设有活塞，活塞杆穿过预留在隔板上的通孔延伸到阻尼腔内，与活塞固定连接在一起。形状记忆合金弹簧套在处于工作腔内的活塞杆上，并且一端固定连接在质量块上，另一端固定在隔板上。在阻尼腔内部充满磁流变液，外部缠绕有通电线圈，通电线圈与感应控制装置连接。

Description

一种万向半主动磁流变减振装置

技术领域

本发明涉及建筑结构领域，具体来说是一种万向半主动磁流变减振装置，主要应用于高耸等相关结构的减振控制。

背景技术

随着社会经济的发展，建筑结构形式逐渐趋向多样化和复杂化，对风雨或地震灾害的敏感程度也日益显著。在风荷载或地震作用下，建筑结构产生强烈的振动响应，结构构件发生疲劳而出现不同程度的损伤，一旦失效会出现连续性损坏，导致建筑结构发生严重的局部或整体倒塌现象。目前，结构振动控制技术是减小主体结构振动响应的有效方法。

结构振动控制根据外部能量输入程度可分为被动控制、半主动控制和主动控制。被动控制技术原理简单，也是实际工程中应用最为广泛的技术，但是被动控制的多向控制频率一般为定值，无法根据结构具体的振动响应实时调整阻尼器的工作状态，易造成失谐现象的发生。主动控制在结构振动过程中通过作动器对主结构施加一定影响，实现显著的减振效果，但是其制造复杂，造价昂贵。相比而言，半主动控制是一种新型的结构控制方法，其不需要输入较多的能量即可达到与主动控制相近的控制效果，具有广泛的应用前景。

目前对于结构振动控制方向及装置的布置策略，主要有以下三种情况：(1)结构单向振动控制，安装振动方向与结构振动方向一致的单向控制阻尼器；(2)结构正交双向振动控制，一般需在两个方向分别安装控制结构振动的单向振动阻尼器或能够双向运动的滑轨式阻尼器；(3)结构任意方向振动控制，一般采用的是摆式调谐质量阻尼，但是其摆长与质量相对固定，单摆的频率由摆长与质量控制，复杂结构各个方向的振动频率往往不一致，因此存在一定的缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种万向半主动磁流变减振装置，该装置通过控制转盘转动的技术来实现对结构任意水平方向的振动控制，并且基于磁流变阻尼器半主动控制技术，根据结构振动情况实时调整输出阻尼力，有效提高减振效果。

本发明目的是提供一种万向半主动磁流变减振装置，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任意方向的振动效应，达到耗能减振的目的。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种万向半主动磁流变减振装置，包括内筒体和转盘；所述的内筒体放置在转盘上；所述的转盘与感应控制装置连接；在所述的内筒体内部设有一个工作缸，工作缸通过连接块固定在内筒体底板上；在所述的工作缸内部设有两个隔板且在隔板上预留通孔，两个隔板将工作缸分为一个中心腔和两个阻尼腔；在所述的中心腔内设有能沿工作缸轴线方向移动的质量块；在所述的质量块两侧固定有能沿工作缸轴线方向移动的活塞杆；所述的活塞杆穿过隔板上的预留通孔延伸到阻尼腔中，在所述的阻尼腔内部设有活塞，活塞固定连接在活塞杆上；在所述质量块和隔板之间的活塞杆上套有弹簧，并且该弹簧的两端分别与质量块和隔板固定；所述的两个阻尼腔内部用于填充磁流变液，外部缠绕有通电线圈；所述的通电线圈与感应控制装置连接。

进一步的技术方案为：还包括一个外筒体，所述的内筒体和转盘放置于所述的外筒体内部，以保护内筒体和转盘。

进一步的技术方案为：所述的外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：所述的外筒体固定安装在主体结构振动的敏感位置。

进一步的技术方案为：所述的内筒体固定在转盘上部，可以随转盘发生转动，使得工作缸轴线方向在转盘作用下调整到主体结构水平振动显著的方向。

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：所述的隔板固定在工作缸上，预留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：所述的弹簧由具有良好恢复变形能力的形状记忆合金材料制作而成。

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：所述的工作缸轴线方向两端的阻尼腔外部缠绕的通电线圈串联，通电线圈与感应控制装置相连。

进一步的技术方案为：所述的感应控制装置是由外部电源、控制器、压电地震仪和震动开关依次串联组成的控制电路；且通电线圈也串联在该控制电路中。

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振动的敏感位置，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，从而带动活塞杆和活塞一起运动，活塞相对于工作缸运动时不断挤压阻尼腔中的磁流变液。当结构发生水平方向振动时，震动开关开启，感应控制线路接通，压电地震仪将结构的机械振动分析成电信号，电信号中包含结构振动的强度大小和主要方向。压电地震仪将处理好的电信号传给控制器，控制器根据结构振动的主要方向调整转动转盘，使内筒体中工作缸的轴线方向与结构振动的主要方向一致，进而可以实现阻尼器的万向控制；控制器根据压电地震仪传来的结构振动强度大小来控制接通线路中电流大小，通电线圈在通电后，将改变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，提高输出阻尼力，从而实现结构振动的智能振动控制。当振动结束后，磁流变液恢复到流动状态，活塞杆上的形状记忆合金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)本发明在传统的调谐质量阻尼器基础上，与属于半主动控制的磁流变阻尼器相结合。根据激励荷载形式和结构响应状态，通过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，给阻尼器提供可以瞬间改变的阻尼力，大大改善了一般半主动控制装置的时滞问题。同时将磁流变阻尼器与形状记忆合金弹簧智能材料组合，弹簧提供磁流变阻尼器附加阻尼力，有效地减小结构的振动响应，而且形状记忆合金具有很强的自复位能力，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)本发明利用压电地震仪分析出结构在地震下主要的振动方向和振动幅值，通过控制器调控转盘使磁流变阻尼器的作用方向与结构的主要振动方向一致，从而可以实现磁流变阻尼器的万向控制；控制器根据结构振动响应控制通电线圈中的电流大小，改变磁场强度，使磁流变液的流动性和粘性发生响应变化，从而实现该阻尼器的智能减振控制。

(4)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，具有良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为一种万向半主动磁流变减振装置的俯视图；

图2为一种万向半主动磁流变减振装置的A-A剖视图；

图3为一种万向半主动磁流变减振装置的构造示意图；

图4为一种万向半主动磁流变减振装置的控制电路示意图；

图中：1内筒体，2连接块，3工作缸，4中心腔，5阻尼腔，6质量块，7活塞杆，8活塞，9形状记忆合金弹簧，10磁流变液，11a通电线圈Ⅰ，11b通电线圈Ⅱ，12隔板，13密封圈，14金属球，15控制器，16外部电源，17震动开关，18转盘，19压电地震仪、20外筒体。

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。

正如背景技术部分所指出的，现有的对于结构振动控制方向及装置的布置策略，主要有以下三种情况：(1)结构单向振动控制，安装振动方向与结构振动方向一致的单向控制阻尼器；(2)结构正交双向振动控制，一般需在两个方向分别安装控制结构振动的单向振动阻尼器或能够双向运动的滑轨式阻尼器；(3)结构任意方向振动控制，一般采用的是摆式调谐质量阻尼，但是其摆长与质量相对固定，单摆的频率由摆长与质量控制，复杂结构各个方向的振动频率往往不一致，因此存在一定的缺陷。为了解决上述技术问题，本发明提出一种万向半主动磁流变减振装置，该装置通过控制转盘转动的技术来实现对结构任意水平方向的振动控制，并且基于磁流变阻尼器半主动控制技术，根据结构振动情况实时调整输出阻尼力，有效提高减振效果。

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施方式。

本发明具体结构如下：

如图1、图2、图3所示，一种万向半主动磁流变减振装置，包括一个内筒体1、工作缸3和转盘18。内筒体1安装在转盘18上部，转盘18与感应控制装置连接。工作缸3通过连接块2固定安装于筒体1底板上。隔板12将工作缸3分隔成一个中心腔4和两个阻尼腔5三部分。隔板的设置方向与活塞杆轴线所在的方向垂直；质量块6放置于金属球14上且可以在中心腔4内水平移动。质量块6两侧固定有可以沿工作缸轴向运动的活塞杆7。活塞杆7穿过预留在两个隔板12上的通孔延伸到阻尼腔5内，活塞杆7穿过阻尼腔5内部的部分固定有活塞8，活塞8的直径小于阻尼腔5的内径。形状记忆合金弹簧9固定在质量块6和隔板12之间，并且套在活塞杆7上。磁流变液10充满在阻尼腔5内部的封闭空间中；活塞杆7上的形状记忆合金弹簧9由于变形给活塞杆提供恢复力，使得阻尼器呈现原始状态。工作缸3轴线方向两侧的阻尼腔外部分别缠绕通电线圈11a和11b，通电线圈与感应控制装置连接。

本发明的转盘18安装在内筒体1的下部，在感应控制装置的调控下可以控制筒体进行旋转。

本发明还可以在内筒体的外部再设置一个外筒体，在露天环境下对内部装置起到保护作用。在设计控制电路时，通电线圈11a和11b串联，与感应控制装置相连。

如图4所示，感应控制装置是由外部电源16、压电地震仪19、控制器15和震动开关17组成的控制电路；外部电源16、压电地震仪19、控制器15和震动开关17依次串联，且与通电线圈11a和11b串联。

压电地震仪安装在受控主体结构上，感应结构在地震作用下的振动强弱和主要振动方向。

进一步的，活塞8的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，质量块6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。

具体的工作方式如下：

将该阻尼器固定于高层建筑或高耸结构振动的敏感位置，当结构发生振动时，质量块6由于惯性在工作缸3内运动，并带动与之相连的活塞杆7和活塞8在磁流变液10运动，震动开关17开启，外部电源16、压电地震仪19、控制器15、通电线圈11a和11b、转盘18形成闭合回路。压电地震仪将结构的机械振动处理成电信号并传递给控制器15，控制器15根据地震下结构的主要振动方向控制转盘的转机进行转动，调整工作腔的轴线方向使之与结构振动方向一致，保证阻尼器的控制频率与结构主频一致，更加有效的发挥阻尼器的振动控制能力；根据结构振动强弱调整流经通电线圈11a和11b的电流大小，进而改变阻尼腔5内磁场强度。由于磁流变液10的流变特性，随着磁场的增大磁流变液阻尼力增大，此时活塞8运动受限，质量块6动能随之减小，从而有效地抑制结构的水平振动响应。当振动结束后，震动开关17关闭，阻尼腔5内磁场消失，磁流变液10恢复到液体状态，形状记忆合金弹簧9由于自复位能力给活塞杆7提供恢复力，使阻尼器呈现回原始状态。

该阻尼器利用转盘转机使其上部内筒体发生转动，使阻尼器的工作方向与地震作用下结构主要的振动方向一致，从而使原本只能控制结构单向振动改变为可以控制结构任意水平方向的振动。

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。

该阻尼器将磁流变阻尼器与形状记忆合金弹簧智能材料组合，弹簧提供磁流变阻尼器附加阻尼力，有效地减小结构的振动响应，而且具有很强的自复位能力，能够在变形后恢复原状。

该阻尼器通电线圈缠绕阻尼腔5外部，不与磁流变液10接触，不涉及密封问题并且有效解决了通电线圈发热影响磁流变液10工作性能的问题。另外，通电线圈损坏时方便维修和更换。

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)

1.一种万向半主动磁流变减振装置，其特征在于，包括内筒体和转盘；所述的内筒体放置在转盘上；所述的转盘与感应控制装置连接；在所述的内筒体内部设有一个工作缸，工作缸通过连接块固定在内筒体底板上；在所述的工作缸内部设有两个隔板且隔板上预留通孔，两个隔板将工作缸分为一个中心腔和两个阻尼腔；在所述的中心腔内设有能沿工作缸轴线方向移动的质量块；在所述的质量块两侧固定有能沿工作缸轴线方向移动的活塞杆；所述的活塞杆穿过隔板上的预留通孔延伸到阻尼腔中，在两个所述的阻尼腔内部设有活塞，活塞固定连接在活塞杆上；在所述质量块和隔板之间的活塞杆上套有弹簧，并且该弹簧的两端分别与质量块和隔板固定；所述的两个阻尼腔内部用于填充磁流变液，外部缠绕有通电线圈；所述的通电线圈与感应控制装置连接。

2.如权利要求1所述的一种万向半主动磁流变减振装置，其特征在于，还包括一个外筒体，所述的内筒体和转盘放置于所述的外筒体内部。

3.如权利要求2所述的一种万向半主动磁流变减振装置，其特征在于，所述的外筒体固定安装在主体结构振动的敏感位置。

4.如权利要求1所述的一种万向半主动磁流变减振装置，其特征在于，所述的隔板固定在工作缸上，预留通孔处设有橡胶密封圈。

5.如权利要求1所述的一种万向半主动磁流变减振装置，其特征在于，所述的弹簧采用形状记忆合金弹簧。

6.如权利要求1所述的一种万向半主动磁流变减振装置，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1所述的一种万向半主动磁流变减振装置，其特征于，所述的工作缸轴线方向的两端阻尼腔外部缠绕的通电线圈串联。

8.如权利要求1所述的一种万向半主动磁流变减振装置，其特征在于，所述的感应控制装置是依次串联的外部电源、控制器、压电地震仪和震动开关组成的控制电路；且通电线圈也串联在该控制电路中。

9.如权利要求8所述的一种万向半主动磁流变减振装置，其特征在于，所述的压电地震仪将结构的机械振动转化为电信号，电信号中包含结构在地震作用下的振动强弱和主要方向；所述的压电地震仪安置在受控结构的振动敏感位置上。