CN108869614A - 一种回转式自适应磁流变液减振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转式自适应磁流变液减振器，包括一个筒体，筒体分为振动激励层和磁流变阻尼层，在筒体内部设有一根通长固定轴，在固定轴外有一层转动轴，可绕固定轴自由转动；所述的振动激励层有两个可沿单方向运动的质量块；所述的质量块一端用弹簧与筒体内壁连接，一端用连杆与转动盘内部限位轴承连接；所述的磁流变阻尼层内置磁流变液贮存腔，并在上下两面各设置两个励磁线圈；所述的励磁线圈连接到磁流变液贮存腔外围的一层电路控制室中；所述的磁流变贮存腔内部有扇叶，扇叶与转动轴连接。

Description

一种回转式自适应磁流变液减振器

技术领域

本发明属于建筑工程的振动控制领域，具体涉及一种回转式自适应磁流变液减振器，主要应用于超高层、大跨度等结构的振动控制。

技术背景

结构振动控制技术改变了土木工程以往的传统设计思路，采用减振装置来十佳结构本身动力响应的控制力，达到抑制结构不良振动的目的。其中半主动控制利用机敏材料感知所受外激励和结构振动响应信息，通过驱动材料(如形状记忆材料、电流变体材料、磁流变体材料等)自适应刚度或阻尼实时改变结构的参数，实现动态控制，以补偿或消除无益效应,加强有益效应。其自适应智能调控的特点，能确保半主动控制装置具有更强的灵活性和控制效果。

磁流变液减振器具有阻尼力连续可调、减振效果好、易于控制等特点，目前已广泛应用于建筑结构振动控制领域。在进行磁流变液阻尼器的控制力实现过程中，主要是由不可调节的粘滞阻尼力以及有着良好调节能力的库伦阻尼力两部分构成的。因此在进行相关参数的调节过程之中可以借助于摩擦阻尼器相关的控制策略来进行有效的调节，其控制的目标都在于让滑动过程中所产生的耗能尽可能的变大，那么对于滑动路径的跨越度就有一定的要求。目前应用的磁流变减振器大多以活塞杆式为主，若由于安装空间限制而不能具有较大的长度尺寸，则不能达到最优的减振效果。

发明内容

本发明目的是提供一种回转式自适应磁流变液减振器，旨在减小超高层、大跨越等结构在环境荷载激励下的水平两个方向的振动响应，达到耗能减振的目的。本发明采用智能可控流体磁流变液作为驱动材料，磁流变液阻尼结构的工作原理就是通过调节磁场强度的大小来调节磁流变液中的压力差或提供能量转换或通过磁流变液调节刚度，为结构体系提供连续可变并且能够迅速响应的阻尼力。它在磁场的作用下随外加磁场的增加磁流变体的流动特性会发生显著变化，成为作用力的传递介质，当外加磁场撤去时，磁流变体又恢复到原来的液体状态，其响应时间仅为几毫秒。同时，随着磁场的加强，其剪切屈服应力也会相应增大，并且这种变化是连续，可逆，迅速，且易于控制的，在环境荷载激励下结构产生较大幅度振动时，可实现动态控制达到减振抑振的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种回转式自适应磁流变液减振器，包括一个筒体，筒体分为振动激励层和磁流变阻尼层；

在所述的筒体内部设有一根竖直设置的通长固定轴，在固定轴外套装有一个转动轴，所述的转动轴可绕固定轴自由转动；转动轴上设置有转动盘；

所述的振动激励层设置在磁流变阻尼层的顶部，振动激励层包括两个可沿单方向运动的质量块；两个所述的质量块一端用弹簧与筒体内壁连接，一端用连杆与转动盘内部限位轴承连接；

所述的磁流变阻尼层包括一个磁流变液贮存腔，并在贮存腔的外侧的上下方向上各设置两个励磁线圈；所述的励磁线圈连接到磁流变液贮存腔外围的一层电路控制室中；所述的磁流变贮存腔内部有扇叶，所述的扇叶连接在转动轴上。进一步的技术方案为：所述的减振器安装在超高层或大跨度等结构容易发生水平振动的部位。

进一步的技术方案为：所述的筒体由抗腐蚀性磁屏蔽材料制成，在能够保护内部装置的同时防止外部磁场的干扰。

进一步的技术方案为：所述的振动激励层和磁流变阻尼层各两层，上层的振动激励层和磁流变阻尼层主要控制Y方向的振动，下层主要控制X方向的振动，两方向互不影响且可以分别进行控制。

进一步的技术方案为：所述的转动轴包括上转动轴和下转轴轴，，上转动轴用于上层振动激励层和磁流变阻尼层的连接，下转动轴用于下层振动激励层和磁流变阻尼层的连接；每个转动轴底端外伸形成底盘，底盘底部设置一圈万向球铰，固定轴上下段的内侧也分别设置一圈万向球铰，保证转动轴能带动扇叶和转动盘转动。

进一步的技术方案为：所述的万向球铰与转动轴连接处涂润滑油保证球铰光滑转动。

进一步的技术方案为：所述的质量块底部设有滚筒，保证质量块沿单方向运动。

进一步的技术方案为：所述的弹簧采用形状记忆合金(SMA)弹簧，弹簧两端分别固定在筒体内壁和质量块上。

进一步的技术方案为：所述的连杆两端为环状，分别扣在质量块和转动圆盘的限位轴承上，连杆内环直径比质量块和转动圆盘的限位轴承直径稍大，保证圆环能够相对于限位轴承自由转动。

进一步的技术方案为：所述的转动盘由两个椭圆盘和内置限位轴承组成，椭圆盘固定在转动轴上，由连杆运动带动转动盘转动。

进一步的技术方案为：所述的磁流变阻尼层包括一个空心的壳体；壳体内部设有两个水平设置的上、下隔板，上、下隔板与壳体内部相连，上、下隔板与壳体共同形成一个磁流变液贮存腔，固定轴穿过该壳体和上、下隔板的中心，壳体套装在转动轴上；磁流变液通过上隔板与转动轴形成的间隙或者预留孔注入；

壳体的顶面和底面的内侧还竖直设置有间隔板，间隔板位于上隔板的上方和位于下隔板的下方；励磁线圈固定在壳体顶面和底面的间隔板上，并连接到磁流变液贮存腔外围的一层电路控制室中。

进一步的技术方案为：所述的电路控制室内置加速度感应-控制装置，加速度感应器为单向感应器，安装在受控结构上，励磁线圈连入感应控制线路中。

进一步的技术方案为：所述的扇叶采用导体材料制成，并采取保护措施防止材料被防腐蚀。

本发明的工作原理如下：

将该减振器固定于建筑物易发生水平振动的部位，在环境荷载激励下，质量块由于惯性在装置内发生轴线方向的运动，从而带动连杆运动，转动盘、转动轴和扇叶转动，扇叶相对于磁流变液贮存腔转动，不断对磁流变液产生剪切作用。当结构发生X方向(Y方向)的振动时，X方向(Y方向)加速度传感器感应到该方向的振动并将信号传递给下层(上层)电路控制室中的控制器，控制器根据加速度的大小改变励磁线圈中所通电流的强度，使磁流变液贮存腔的磁场强度发生改变，从而控制磁流变液的动态屈服应力。振动增强时，磁流变液在磁场作用下产生磁流变效应，转变为类似固体的状态，剪切屈服应力相应增大，当振动停止、外加磁场撤去时，磁流变体又恢复到原来的液体状态，形状记忆合金弹簧恢复原状，整个减振器恢复到初始状态。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用的是具有自适应性的半主动控制减振技术，半主动控制作为结构振动控制的一种有效措施，兼具了主动控制适应性强与被动控制可靠性好的优点，同时克服了主动控制能源需求大和被动控制调谐频带窄的缺点，因而控制效果显著。

(2)本发明采用智能驱动材料磁流变液，在磁场作用下流动阻尼可控，具有响应迅速、可调范围大和可控性强等优点。同时配合形状记忆合金弹簧，利用其形状记忆、超弹性及迟滞性等独特性能,使其减振器能更好地响应外载荷并为减振器提供适当的恢复能力。

(3)本发明充分考虑活塞连杆式磁流变液阻尼结构工作空间利用率低的弊端，在较小空间内通过曲柄连杆结构将质量块的平动转化为扇叶的转动，将传统的磁流变液压力工作模式为主的阻尼力转变为剪切工作模式为主的阻尼力，较小电流即可实现较大的阻尼力矩，且在减振空间受限的条件下仍能实现良好的减振效果。

(4)本发明构造简单，布置灵活，易于安装和维护，能够有效抑制建筑结构的水平振动，具有良好的适用性与经济性。

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为一种回转式自适应磁流变液减振器正视图；

图2为一种回转式自适应磁流变液减振器的A-A剖视图；

图3为一种回转式自适应磁流变液减振器的B-B剖视图；

图中：1筒体，2振动激励层，3磁流变阻尼层，4固定轴，5转动轴，6质量块，7弹簧，8连杆，9转动盘，10磁流变液贮存腔，11磁流变液，12励磁线圈，13电路控制室，14扇叶，15万向球铰，16滚筒，17限位轴承。

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，传统的被动控制调谐范围窄，不能根据环境荷载激励实时改变减振器的自身特性，且目前应用的磁流变减振器大多以活塞杆式为主，若由于安装空间限制而不能具有较大的长度尺寸，则不能达到最优的减振效果。为了解决如上的技术问题，本发明采在较小空间内通过曲柄连杆结构将质量块的平动转化为扇叶的转动，提出了一种回转式自适应磁流变液减振器。在环境荷载激励下，质量块由于惯性在装置内发生轴线方向的运动，从而带动连杆运动，圆盘、转动轴和扇叶转动，扇叶相对于磁流变液贮存腔转动，不断对磁流变液产生剪切作用。当结构发生振动时，加速度传感器感应到该方向的振动并将信号传递给电路控制室中的控制器，控制器根据加速度的大小改变励磁线圈中所通电流的强度，使磁流变液贮存腔的磁场强度发生改变，从而控制磁流变液的动态屈服应力。振动增强时，磁流变液在磁场作用下产生磁流变效应，转变为类似固体的状态，剪切屈服应力相应增大，当振动停止、外加磁场撤去时，磁流变体又恢复到原来的液体状态，形状记忆合金弹簧恢复原状，整个减振器恢复到初始状态。

实施例1

本申请的一种典型的实施方式中，一种回转式自适应磁流变液减振器，只有一层，其包括一个筒体，筒体分隔为振动激励层和磁流变阻尼层；在筒体内部安装一根通长固定轴，在固定轴外套装有一个转动轴，转动轴底端外伸形成底盘，底盘的底部设置一圈万向球铰，并置于磁流变液贮存腔的底部，在转动轴上下端的内侧也分别设置一圈万向球铰，扇叶和转动盘固定在转动轴上。

所述的振动激励层包括两个质量块，质量块底部设有滚筒，质量块一端用弹簧与筒体内壁连接，一端用连杆与转动盘内部限位轴承相连。

所述的磁流变阻尼层包括一个空心的壳体，；壳体内部设有两个水平设置的上、下隔板，上、下隔板与壳体内部相连，上、下隔板与壳体共同形成一个磁流变液贮存腔，固定轴穿过该壳体和隔板的中心，壳体套装在转动轴上；磁流变液通过上隔板与转动轴形成的间隙或者预留孔处注入腔内。

壳体的顶面和底面的内侧还竖直设置有间隔板，间隔板位于上隔板的上方和位于下隔板的下方；励磁线圈固定在壳体顶面和底面的间隔板上，并连接到磁流变液贮存腔外围的一层电路控制室中。

转动轴的上部穿过壳体顶部，下部外伸形成底盘，底盘的底部设置一圈万向球铰15，并置于磁流变液贮存腔10的底部(即下隔板的上方)，扇叶14和转动盘9固定在转动轴5上。

两个质量块设置在壳体的顶部，质量块的底部设有滚筒，保证质量块沿单方向运动。

将该减振器固定于建筑物易发生水平振动的部位，在环境荷载激励下，质量块由于惯性在装置内发生轴线方向的运动，从而带动连杆运动，转动盘、转动轴和扇叶转动，扇叶相对于磁流变液贮存腔转动，不断对磁流变液产生剪切作用。当结构发生X方向(Y方向)的振动时，X方向(Y方向)加速度传感器感应到该方向的振动并将信号传递给下层(上层)电路控制室中的控制器，控制器根据加速度的大小改变励磁线圈中所通电流的强度，使磁流变液贮存腔的磁场强度发生改变，从而控制磁流变液的动态屈服应力。振动增强时，磁流变液在磁场作用下产生磁流变效应，转变为类似固体的状态，剪切屈服应力相应增大，当振动停止、外加磁场撤去时，磁流变体又恢复到原来的液体状态，形状记忆合金弹簧恢复原状，整个减振器恢复到初始状态。

实施例2

如图1所示，回转式自适应磁流变液减振器，包括两层，振动激励层2和磁流变阻尼层3各有两个，振动激励层2与磁流变阻尼层3交叉分布，上层的振动激励层2和磁流变阻尼层3主要控制Y方向的振动，下层主要控制X方向的振动，控制相同方向振动的振动激励层2在磁流变阻尼层3的上方，电路控制室13仅分布在磁流变阻尼层3的内部。

具体的，包括一个筒体1，筒体1被分隔成上部和下部；上部包括振动激励层2和磁流变阻尼层3；下部也包括振动激励层2和磁流变阻尼层3；

在筒体1内部安装一根通长固定轴4，在固定轴外有两个转动轴5，每个转动轴的底端外伸形成底盘，底盘的底部设置一圈万向球铰15，并置于磁流变液贮存腔10的底部，扇叶14和转动盘9固定在转动轴5上。

在振动激励层2中放入两个质量块6，质量块6底部设有滚筒16，质量块6一端用弹簧7与筒体1内壁连接，一端用连杆8与转动盘9内部限位轴承17相连。磁流变液11通过磁流变液贮存腔10顶端的留空处注入腔内。励磁线圈12固定在磁流变液贮存腔10外的上下两面的间隔板上，并连接到磁流变液贮存腔10外围的一层电路控制室13中(具体结构可以参考实施例1中介绍)。

上层质量块、弹簧、以及连杆如果是沿X轴方向布置，则下层质量块、弹簧、以及连杆就按照Y轴方向布置；如果上层质量块、弹簧、以及连杆沿Y轴方向布置，则下层质量块、弹簧、以及连杆就按照X轴方向布置。

上述两个实施例中，所述的筒体1由抗腐蚀性磁屏蔽材料制成，在能够保护内部装置的同时防止外部磁场的干扰。

上述两个实施例中，所述的万向球铰15与转动轴5连接处涂润滑油保证球铰光滑转动。

上述两个实施例中，所述的弹簧7采用形状记忆合金(SMA)弹簧。

上述两个实施例中，连杆8两端为环状，分别扣在质量块6和转动盘9的限位轴承17上，连杆8内环直径比质量块6和转动盘9的限位轴承17直径稍大，保证圆环能够相对于限位轴承17自由转动。

上述两个实施例中，转动盘9由两个椭圆盘和内置限位轴承17组成，椭圆盘固定在转动轴5上，由连杆8运动带动转动盘9转动。

上述两个实施例中，磁流变液贮存腔10的顶部不与转动轴5相连，中间留孔处上折并采用海绵片等材料防止磁流变液11溢出。

上述两个实施例中，电路控制室13内置加速度感应-控制装置，加速度感应器为单向感应器，安装在受控结构上。

上述两个实施例中，扇叶14采用导体材料制成，并采取保护措施防止材料被防腐蚀。

在环境荷载激励下，质量块6由于惯性在装置内发生轴线方向的运动，从而带动连杆8运动，转动盘9、转动轴5和扇叶14转动，扇叶14相对于磁流变液贮存腔10转动，不断对磁流变液11产生剪切作用。当结构发生X方向(Y方向)的振动时，X方向(Y方向)加速度传感器感应到该方向的振动并将信号传递给下层(上层)电路控制室13中的控制器，控制器根据加速度的大小改变励磁线圈12中所通电流的强度，使磁流变液贮存腔10的磁场强度发生改变，从而控制磁流变液11的动态屈服应力。振动增强时，磁流变液11在磁场作用下产生磁流变效应，转变为类似固体的状态，剪切屈服应力相应增大，当振动停止、外加磁场撤去时，磁流变体又恢复到原来的液体状态，形状记忆合金弹簧7恢复原状，整个减振器恢复到初始状态。

该减振器采用智能驱动材料磁流变液，在磁场作用下流动阻尼可控，具有响应迅速、可调范围大和可控性强等优点。同时配合形状记忆合金弹簧，利用其形状记忆、超弹性及迟滞性等独特性能,使其减振器能更好地响应外载荷并为减振器提供适当的恢复能力。

励磁线圈12设置在磁流变液贮存腔10外部，不与磁流变液11直接接触，可避免通电线圈发热对磁流变液11工作性能的影响。同时电路控制室13设置在筒体1的最外层，给装置的电源更换和维护提供了较大的便利。

该减振器充分考虑活塞连杆式磁流变液阻尼结构工作空间利用率低的弊端，在较小空间内通过曲柄连杆结构将质量块的平动转化为扇叶的转动，在减振空间受限的条件下仍能实现良好的减振效果。且该装置构造简单，布置灵活，易于安装和维护，具有良好的适用性与经济性。

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)

1.一种回转式自适应磁流变液减振器，其特征在于，包括一个筒体，筒体分为振动激励层和磁流变阻尼层，在筒体内部设有一根竖直设置的通长固定轴，在固定轴外套装有一个转动轴，所述的转动轴可绕固定轴自由转动；转动轴上设置有转动盘；

所述的振动激励层包括两个可沿单方向运动的质量块；两个所述的质量块一端用弹簧与筒体内壁连接，一端用连杆与所述转动盘内部限位轴承连接；

所述的磁流变阻尼层包括一个磁流变液贮存腔，并在贮存腔的外侧的上下方向上各设置两个励磁线圈；所述的励磁线圈连接到磁流变液贮存腔外围的一层电路控制室中；所述的磁流变贮存腔内部有扇叶，连接在转动轴上。

2.如权利要求1所述的一种回转式自适应磁流变液减振器，其特征在于，所述的筒体由抗腐蚀性磁屏蔽材料制成。

3.如权利要求1所述的一种回转式自适应磁流变液减振器，其特征在于，所述的振动激励层和磁流变阻尼层各两层，上层的振动激励层和磁流变阻尼层主要控制Y方向的振动，下层的振动激励层和磁流变阻尼层主要控制X方向的振动，两方向互不影响且可以分别进行控制。

4.如权利要求3所述的一种回转式自适应磁流变液减振器，其特征在于，所述的转动轴包括上转动轴和下转轴轴，，上转动轴用于上层振动激励层和磁流变阻尼层的连接，下转动轴用于下层振动激励层和磁流变阻尼层的连接；每个转动轴底端外伸形成底盘，底盘底部设置一圈万向球铰，固定轴上下段的内侧也分别设置一圈万向球铰，保证转动轴能带动扇叶和转动盘转动。

5.如权利要求1所述的一种回转式自适应磁流变液减振器，其特征在于，所述的质量块底部设有滚筒，保证质量块沿单方向运动。

6.如权利要求1所述的一种回转式自适应磁流变液减振器，其特征在于，所述的连杆两端为环状，分别扣在质量块和转动盘的限位轴承上，连杆内环直径比质量块和转动圆盘的限位轴承直径稍大，保证圆环能够相对于限位轴承自由转动。

7.如权利要求8所述的一种回转式自适应磁流变液减振器，其特征在于，所述的转动盘由两个椭圆盘和内置限位轴承组成，椭圆盘固定在转动轴上，由连杆运动带动转动盘转动。

8.如权利要求1所述的一种回转式自适应磁流变液减振器，其特征在于，所述的磁流变阻尼层包括一个空心的壳体；壳体内部设有两个水平设置的上、下隔板，上、下隔板与壳体内部相连，上、下隔板与壳体共同形成一个磁流变液贮存腔，固定轴穿过该壳体和隔板的中心，壳体套装在转动轴上；磁流变液通过上隔板与转动轴形成的间隙或者预留孔注入；

壳体的顶面和底面的内侧还竖直设置有间隔板，间隔板位于上隔板的上方和位于下隔板的下方；励磁线圈固定在壳体顶面和底面的间隔板上，并连接到磁流变液贮存腔外围的一层电路控制室中。

9.如权利要求1或8所述的一种回转式自适应磁流变液减振器，其特征在于，所述的电路控制室内置加速度感应-控制装置，加速度感应器为单向感应器，安装在受控结构上，励磁线圈连入感应控制线路中。

10.如权利要求1所述的一种回转式自适应磁流变液减振器，其特征在于，所述的扇叶采用导体材料制成，且扇叶的最外层为防腐层。