CN109025450B - 一种温控智能调谐惯质减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温控智能调谐惯质减振装置，该装置由两部分组成，分别是工作腔控温部分和减振器主体部分。所述工作腔控温部分包括温度监控部分和温度调节部分。所述的减振器主体部分包括SMA弹簧和与其相连的惯质阻尼器组成，所述的惯质阻尼器通过齿条与SMA弹簧连接，齿条与驱动齿轮连接，所述的驱动齿轮与随动飞轮接触，所述的随动飞轮与圆筒连接，所述的圆筒在装满粘滞液体的箱体中。本发明可通过将轴向运动转化为旋转运动的方式提高阻尼器的惯性力，在确保减振效果的前提下，减小了阻尼器的质量。还可通过改变温度来实时的调整SMA弹簧的阻尼和刚度，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。

Description

一种温控智能调谐惯质减振装置

技术领域

本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种温控智能调谐惯质减振装置，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

现代高层建筑和高耸结构随着社会的发展与进步变得越来越常见。高耸结构水平刚度较小，对风荷载和地震作用敏感，易产生较大的动力响应，为避免结构发生破坏甚至倒塌，高耸结构的安全稳定性问题受到了学者们的重视，与此同时，结构振动控制技术也逐渐发展起来。

质量调谐减振装置(Tuned Mass Damper，简称“TMD”)是通过调节减振装置的频率与主结构相近，改变结构的共振特性，从而达到减小结构振动的目的。对于TMD而言，随着质量比的增大结构的减振率逐渐增大，质量比在2％附近时减振效果良好。但对于输电塔或其他高耸结构而言，结构本身质量较大，若取质量比为2％，则减振装置的质量过大，会造成结构的初始变形，影响结构的性能。为了克服减振装置质量过大这一弊端，有学者提出，采用调谐惯质阻尼器代替 TMD，通过较小的质量块实现较好的减振效果。调谐惯质阻尼器的原理是将装置的实际质量放大，利用惯性力和调谐效应来实现减振的新型阻尼器装置。

调谐惯质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温控智能调谐惯质减振装置，旨在减小高层结构在风荷载及地震作用下的振动响应，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：

一种温控智能调谐惯质减振装置，该装置由两部分组成，分别是工作腔控温部分和减振器主体部分；所述工作腔控温部分包括温度监控部分和温度调节部分，其中温度监控部分由温度显示器和与其相连的且设置在减振器主体部分内腔的温度传感器组成，所述的温度调节部分由温度调节器和与其相连的且与设置在减振器主体部分内腔的加热器和微型制冷器组成；温度监控部分将采集的温度发送给温度调节器，温度调节器的内置开关选择连通加热器或微型制冷器工作；

所述的减振器主体部分包括一个平动齿条，所述平动齿条一端固定在一个可水平移动的移动侧板上，另一端与驱动齿轮啮合，所述的驱动齿轮与随动飞轮啮合；随动飞轮的背面设有一个与其同轴设置的连接杆连接，连接杆随着所述的随动飞轮一起转动，所述连接杆另一端与圆筒固定连接，所述圆筒设置在盛满粘滞液体的箱体内。

进一步的，所述的移动侧板通过SMA弹簧与一个固定侧板I连接，所述的 SMA弹簧水平设置多根，所述的移动侧板、固定侧板I竖直平行设置，所述的移动侧板、固定侧板I和上顶板、下底板、前固定侧板、后固定侧板相连共同构成一个密闭箱体。

进一步的，所述的SMA弹簧的刚度和阻尼会随温度的变化而发生改变，从而可以实现智能控制阻尼器的频率。

进一步的，所述的上顶板、下底板、前固定侧板、后固定侧板的内壁上设有导轨，所述的移动侧板可沿着所述的导轨移动。

进一步的，所述的惯质阻尼器可以通过齿条的水平运动带动驱动齿轮旋转，从而使随动飞轮旋转运动。

进一步的，所述的驱动齿轮和随动飞轮固定在平板上，所述的平板上设有供连接杆穿过的孔。

进一步的，所述的驱动齿轮与随动飞轮发生相互运动，会产生摩擦，起到耗能的作用。

进一步的，所述的连接杆与随动齿轮同时转动，从而带动圆筒发生转动。

进一步的，所述的箱体内充满粘滞液体，圆筒在箱体内发生转动，起到了很好的耗能效果。

进一步的，所述的加热器和微型制冷器设置在密封箱体内。

本发明的工作原理如下：

齿条齿轮方式是一种高效稳定的质量放大机制。本发明可用于输电塔和其他高耸结构的减振领域。在地震或风荷载作用下，该阻尼器会随结构发生水平方向的运动，齿条的平动会带动驱动齿轮转动，从而使随动飞轮发生转动。

r₁为驱动齿轮的轮径，r₂为驱动齿轮的外径，r₃为随动齿轮的轮径。γ为随动飞轮的回转半径，m是飞轮的质量，忽略其他部分的质量，则两端的力为：

式中，α₁＝γ/r₃，α₂＝r₂/r₁；v₁、v₂分别为两端的速度，则代表两端相对加速度，代表装置等效质量，由式可知，增加飞轮数量或加大飞轮回转半径均能极大提高等效质量。从而满足了较小的质量块实现较好地减振效果。随动飞轮转动的同时还会带动圆筒在装满粘滞液体的箱体内转动，增加阻尼。SMA 弹簧是温敏变刚度变阻尼材料，所以由工作腔控温部分实现温度的监控和调整，可以改变SMA弹簧的刚度和阻尼，增大装置阻尼提高耗能能力的同时，还可以实现装置频率的智能调控，使装置达到最大化的吸能减振作用。

本发明的有益效果是：

(1)在调谐质量阻尼器的基础上，根据调谐惯质阻尼器的原理，通过将轴向运动转化为旋转运动的方式提高阻尼器的惯性力，在确保减振效果的前提下，减小了阻尼器的质量，避免设置阻尼器而造成结构频率改变的弊端，并减小了阻尼器造成结构的初始变形。

(2)本发明在被动控制调谐惯质阻尼器的基础上，与SMA弹簧和温控主体结合，形成半主动控制装置。根据激励荷载形式和结构响应状态，改变温度来实时的调整SMA弹簧的阻尼和刚度，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。

(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为一种温控智能调谐惯质减振装置正视图；

图2为随动飞轮俯视图。

图中：1为工作腔控温部分，2为减振器主体部分。1-1温度显示器，1-2温度调节器，1-3导线，1-4温度传感器，1-5微型制冷器，1-6加热器；2-1密闭箱体，2-2SMA弹簧，2-3侧板，2-4齿条，2-5驱动齿轮，2-6随动飞轮，2-7平板，2-8连接杆，2-9圆筒，2-10箱体，2-11侧板。

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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在调谐惯质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，本申请提出了一种温控智能调谐惯质减振装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明提出的一种温控智能调谐惯质减振装置如图所示。该装置由两部分组成，分别是工作腔控温部分1和减振器主体部分2。所述工作腔控温部分包括温度监控部分和温度调节部分，其中温度监控部分由温度显示器1-1通过导线1-3与设置在减振器主体部分2内腔的温度传感器1-4连接组成，温度调节部分由温度调节器1-2通过导线分别与设置在减振器主体部分2内腔的加热器1-6和微型制冷器1-5连接组成，通过温度调节器的内置开关选择连通加热器或微型制冷器工作。

所述的减振器主体部分2包括SMA弹簧2-2和与其相连的惯质阻尼器组成，所述的惯质阻尼器通过齿条2-4与SMA弹簧2-2连接，所述的齿条2-4与驱动齿轮2-5连接，所述的驱动齿轮2-5与随动飞轮2-6接触，驱动齿轮2-5与随动飞轮2-6固定在平板2-7，连接杆2-8一端与随动飞轮2-6固定，所述的连接杆2-8另一端与圆筒2-9 固定，箱体2-10内装满粘滞液体，所述的圆筒2-9在箱体2-10中转动。

SMA(形状记忆合金)是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料。SMA是温敏变刚度变阻尼材料，温度的监控和调整，可以改变SMA的刚度和阻尼，将SMA与惯质阻尼器结合，可以实现装置频率的智能调控。

进一步的，所述的减振器主体部分SMA弹簧2-2水平分布有4根。

进一步的，本发明密闭箱体2-1包括上、下两个顶板和左、右、前、后四个侧板；形成一个密闭的空间；其中侧板2-3、侧板2-11作为密闭箱体2-1的左、右侧板；SMA弹簧2-2两端固定在两侧的侧板2-3和2-10上；其中侧板2-3固定不动，侧板2-11在弹簧的作用下直线运动；从而可以通过工作腔控温部分进行温度的监控和调整；

在前、后侧板以及上下两个侧板上设有导轨，侧板2-11可沿着该导轨移动；

SMA弹簧2-2水平设置多根。

其中，加热器1-6、微型制冷器1-5和温度传感器1-4均安装在所述的密闭箱体2-1内。

进一步的，所述的SMA弹簧刚度和阻尼会随温度的变化而发生改变，从而可以实现智能控制阻尼器的频率。

进一步的，所述的密闭箱体2-1，侧板2-11连接惯质阻尼器，侧板2-3连接主体结构。

进一步的，所述的惯质阻尼器可以通过齿条2-4将水平运动转化为旋转运动，从而使随动飞轮2-6旋转运动。

进一步的，所述的齿条2-4与驱动齿轮2-5以及驱动齿轮2-5与随动飞轮 2-6，发生相互运动时，摩擦会起到耗能的作用。

进一步的，所述的圆筒2-9会随着随动飞轮2-6转动，因为圆筒2-9在装满粘滞液体的箱体2-10中，起到了很好的耗能效果。

本实施方案中，应当根据结构的具体情况确定温控智能调谐惯质减振装置的安装位置和数量，以达到最佳的减振效果。

本发明在调谐质量阻尼器的基础上，根据调谐惯质阻尼器的原理，通过将轴向运动转化为旋转运动的方式提高阻尼器的惯性力，在确保减振效果的前提下，减小了阻尼器的质量，避免设置阻尼器而造成结构频率改变的弊端，并减小了阻尼器造成结构的初始变形。本发明在被动控制调谐惯质阻尼器的基础上，与SMA 弹簧和温控主体结合，形成半主动控制装置。根据激励荷载形式和结构响应状态，改变温度来实时的调整SMA弹簧的阻尼和刚度，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。同时，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。

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

Claims (5)

1.一种温控智能调谐惯质减振装置，其特征在于，包括工作腔控温部分和减振器主体部分；

所述工作腔控温部分包括温度监控部分和温度调节部分，其中温度监控部分由温度显示器和与其相连的且设置在减振器主体部分内腔的温度传感器组成，所述的温度调节部分由温度调节器和与其相连的且设置在减振器主体部分内腔的加热器和微型制冷器组成；温度监控部分将采集的温度发送给温度调节器，温度调节器的内置开关选择连通加热器或微型制冷器工作；

所述的减振器主体部分内腔为由移动侧板、固定侧板I和上顶板、下底板、前固定侧板、后固定侧板相连共同构成的一个密闭箱体；所述的移动侧板通过多根水平设置的SMA弹簧与一个固定侧板I连接；其中移动侧板、固定侧板I竖直平行设置；所述的减振器主体部分包括一个平动齿条，所述平动齿条一端固定在一个可水平移动的移动侧板上，另一端与驱动齿轮啮合，所述的驱动齿轮与随动飞轮啮合；随动飞轮的背面连接有一个与其同轴设置的连接杆，连接杆随着所述的随动飞轮一起转动，所述连接杆另一端与圆筒固定连接，所述圆筒设置在盛满粘滞液体的箱体内；

所述SMA弹簧也设置在减振器主体部分内腔中。

2.如权利要求1所述的一种温控智能调谐惯质减振装置，其特征在于，所述的SMA弹簧刚度和阻尼会随温度的变化而发生改变，从而可以实现智能控制阻尼器的频率。

3.如权利要求1所述的一种温控智能调谐惯质减振装置，其特征在于，所述的上顶板、下底板、前固定侧板、后固定侧板的内壁上设有导轨，所述的移动侧板可沿着所述的导轨移动。

4.如权利要求1所述的一种温控智能调谐惯质减振装置，其特征在于，所述的加热器和微型制冷器设置在密封箱体内。

5.如权利要求4所述的一种温控智能调谐惯质减振装置，其特征在于，所述的驱动齿轮与随动飞轮固定在一个平板上，所述的平板上设有供连接杆穿过的孔。