CN109577726B - 一种变刚度电磁颗粒阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变刚度电磁颗粒阻尼器，包括固定盒(1)、滑动连接在固定盒(1)内的颗粒盒以及设置在颗粒盒内的颗粒(6)，所述颗粒盒包括内盒(11)和外盒(3)，所述内盒(3)的外表面缠绕线圈(4)，所述颗粒(6)采用易磁化且易退磁的软磁材料，所述外盒(3)的外侧面通过弹簧(2)与固定盒(1)的内表面连接。与现有技术相比，本发明在碰到振动水平过大时，通过内盒上面正交布置的线圈施加电流，产生磁场，使其方向与外盒最大加速度方向相反，然后通过磁化颗粒，使得颗粒整体往某一方向运动，实现最大减震效能。

Description

一种变刚度电磁颗粒阻尼器
技术领域
本发明涉及土木工程结构振动控制领域，具体涉及一种变刚度电磁颗粒阻尼器。
背景技术
强震和飓风一直在威胁着人类的生存，带给人们灾难。随着经济发展和城市化进程加速，土木工程结构朝着高度更高，跨度更大，结构更复杂的方向发展，随之而来的是一旦强震和飓风到来，将有可能带来更加重大的社会经济损失。因此，最大限度地减轻震灾与风灾造成的损失，是人类必须解决的一个重要问题。为了确保工程结构的安全性及与建筑，环境和使用要求的协调性，结构振动控制技术作为一种安全、经济、有效的措施便成了当前最佳选择之一。
传统的颗粒阻尼器是一种简单而高效的被动控制装置，利用固体颗粒与主体结构碰撞时引起的动量交换和能力耗散来减小系统的振动，具备耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感、易于在恶劣环境中使用等优点。但是由于其复杂的非线性特性，导致我们在使用的时候无法做到很好的优化和数值模拟。另外，传统的颗粒阻尼器难以满足不同振幅的减震需求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种减震频带宽、耗能效果好的变刚度电磁颗粒阻尼器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种变刚度电磁颗粒阻尼器，该颗粒阻尼器包括固定盒、滑动连接在固定盒内的颗粒盒以及设置在颗粒盒内的颗粒，所述颗粒盒包括内盒和外盒，所述内盒的外表面缠绕线圈，所述颗粒采用易磁化且易退磁的软磁材料，所述外盒的外侧面通过弹簧与固定盒的内表面连接。当振动较小时，外盒与固定盒之间发生相对滑动，通过弹簧的伸缩、颗粒相互间的碰撞以及颗粒与侧壁的相互碰撞这三个方式来耗能；当振动较大时，除了上述耗能方式之外，可以让线圈通电，进而在空间中形成磁场，通过磁化颗粒从而实现更高效的颗粒碰撞模式，提高耗能能力，另外，本发明采用的弹簧为变刚度弹簧，使得阻尼器在运动过程中刚度可变，减振频带进一步加宽，具备更有的动态减震效果。
所述的固定盒、外盒和内盒均为立方体结构，且三者的侧面相互平行或垂直，所述内盒的八个顶角均设有限位装置，并通过限位装置与外盒的八个顶角内部固定连接，所述内盒和外盒的侧壁之间留有空腔，供线圈缠绕在内盒的外表面，所述外盒的4个外侧面通过4根弹簧与固定盒的4个内侧面连接。限位装置除了起到固定连接内盒和外盒的作用外，还可以防止线圈从内盒外壁上脱落下来。
所述的线圈的数量为2组或3组，通过两两正交的方式缠绕在立方体结构的内盒外表面，当线圈数量为2组时，两组线圈通过正交的方式缠绕在内盒上面，进而得以控制水平方向互成90°的磁场强度；当线圈数量为3组时，可以实现三维空间中任意方向的磁场强度控制，使得该装置可以满足三向主动控制减震。
所述内盒的内部设置一个圆柱筒，所述圆柱筒的直径与内盒的内径相同，所述颗粒装填在圆柱筒内，即颗粒与圆柱筒壁碰撞。
所述圆柱筒内颗粒的装填率大于等于200％，所述装填率＝(圆柱筒内颗粒的数目/圆柱筒内单层可容纳最大颗粒的数目)*100％。
所述圆柱筒、内盒、外盒的材质为非铁磁性材料，且所述外盒的外侧包裹消音材料，进而避免颗粒阻尼器产生的噪音对人们的影响。
所述外盒的底部设有4个万向轮，实现外盒在固定盒内向各个方向滑动。
所述外盒底部设有两个加速度计和用于控制线圈通断电的控制器，两个所述加速度计以正交的方式布置，用于测得水平两个互相垂直的方向上外盒滑动的加速度，所述加速度计与控制器连接，控制器为市售常见控制器，如PLC、单片机等。当加速度计监控测得外盒的加速度超过设定值，说明外界振动幅度过大，发出信号给控制器，控制线圈通电，附加主动控制的方法，加强耗能。
所述固定盒的内表面固定铜板，所述外盒通过弹簧与铜板连接，所述固定盒为铁质材料，固定盒采用铁质材料，可以起到一定的聚磁效应；而设置铜板，当颗粒阻尼系统运动以及电流的主动变化时会引起铜板上的磁通量产生变化，进而引起电涡流，从而使得能量能够以热能的形式耗散。
所述软磁材料选自锰锌铁氧体、镍锌铁氧体或铁硅铝磁粉芯磁性合金中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)在保留颗粒阻尼器原有优点的基础之上，引入了智能控制的概念，实现了基于加速度反馈后的实时控制，实现了颗粒阻尼器有被动控制向主动控制的转变；同时引入了变刚度弹簧，使得阻尼器在运动过程中刚度可变，减振频带进一步加宽，具备更有的动态减震效果；
(2)通过实时的主动控制，得以实现颗粒阻尼器中颗粒能够稳定的以颗粒流的形式运动，增强了耗能效果，避免了过大的非线性特征，便于数值模拟分析；
(3)通过引入外盒，实现了吸声减噪，避免了颗粒阻尼器在运动碰撞过程中产生的巨大噪音对人们正常生活的影响；
(4)通过引入铜板的电涡流耗能机制，使得在内部颗粒阻尼系统运动过程以及电磁的主动变化过程中铜板上面的磁通量产生大幅的变化，进而产生较大的电涡流效应，具备更好的耗能能力。
附图说明
图1为本发明变刚度电磁颗粒阻尼器的正视图；
图2为本发明变刚度电磁颗粒阻尼器的俯视图；
图3为本发明变刚度电磁颗粒阻尼器中外盒底部示意图；
图4为本发明变刚度电磁颗粒阻尼器中颗粒盒顶部示意图。
其中，1为固定盒，2为弹簧，3为外盒，4为线圈，5为圆柱筒，6为颗粒，7为限位装置，8为万向轮，9为加速度计，10为盒盖，11为内盒，12为铜板。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种变刚度电磁颗粒阻尼器，该阻尼器可固定于待减震结构的顶部或底部，其结构如图1、2所示。在本实施例中，固定盒1的尺寸为1160×1160×600mm，侧壁的厚度为20mm，固定盒1放置在地面上，且顶部通过盒盖10密封。外盒3的尺寸为520×520×540mm，其壁厚为20mm，内盒11的尺寸为410×410×410mm，其壁厚为10mm，圆柱筒5的直径为400mm，高度为400mm，厚度为10mm。其内颗粒6的直径取为80mm，采用锰锌铁氧体。外盒3通过四个变刚度的弹簧2与固定盒1内壁上固定的铜板12相连。
内盒11置于外盒3中，通过限位装置7限位并固定，中间部分存在一定的空隙供线圈4缠绕，如图4所示。外盒3底部含有四个万向轮8供其在固定盒1内运动，同时其底部含有两个正交方向布置的加速度计9。其具体布置方式可参考图3。当待减震结构水平振动时，圆柱筒内的颗粒通过互相碰撞以及与圆柱筒碰撞实现耗能减震，当振动水平过大时，利用外盒底部两个正交布置的加速度计，计算耦合出最大加速度方向，在通过内盒上面正交布置的两组线圈施加不同大小的电流，将二者产生的磁场耦合，使其方向与最大加速度方向相反，然后通过磁化颗粒，使得颗粒整体往某一方向运动然后与圆柱筒壁相撞，进而实现最大减震效能，同时在颗粒阻尼系统运动过程以及电磁的主动变化过程中铜板上面的磁通量产生大幅的变化，进而产生较大的电涡流效应，具备更好的耗能能力。

Claims (8)

1.一种变刚度电磁颗粒阻尼器，其特征在于，该颗粒阻尼器包括固定盒(1)、滑动连接在固定盒(1)内的颗粒盒以及设置在颗粒盒内的颗粒(6)，所述颗粒盒包括内盒(11)和外盒(3)，所述内盒(11 )的外表面缠绕线圈(4)，所述颗粒(6)采用易磁化且易退磁的软磁材料，所述外盒(3)的外侧面通过弹簧(2)与固定盒(1)的内表面连接；
所述外盒(3)底部设有两个加速度计(9)和用于控制线圈(4)通断电的控制器，两个所述加速度计(9)以正交的方式布置，用于测得水平两个互相垂直的方向上外盒(3)滑动的加速度，所述加速度计(9)与控制器连接；
所述固定盒(1)的内表面固定铜板(12)，所述外盒(3)通过弹簧(2)与铜板(12)连接，所述固定盒(1)为铁质材料；
当振动较小时，外盒与固定盒之间发生相对滑动，通过弹簧的伸缩、颗粒相互间的碰撞以及颗粒与侧壁的相互碰撞这三个方式来耗能；当振动较大时，除了上述耗能方式之外，让线圈通电，进而在空间中形成磁场，通过磁化颗粒从而实现更高效的颗粒碰撞模式，提高耗能能力。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述的固定盒(1)、外盒(3)和内盒(11)均为立方体结构，且三者的侧面相互平行或垂直，所述内盒(11)的八个顶角均设有限位装置(7)，并通过限位装置(7)与外盒(3)的八个顶角内部固定连接，所述内盒(11)和外盒(3)的侧壁之间留有空腔，供线圈(4)缠绕在内盒(11)的外表面，所述外盒(3)的4个外侧面通过4根弹簧(2)与固定盒(1)的4个内侧面连接。
3.根据权利要求2所述的一种变刚度电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述的线圈(4)的数量为2组或3组，通过两两正交的方式缠绕在立方体结构的内盒(11)外表面。
4.根据权利要求1所述的一种变刚度电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述内盒(11)的内部设置一个圆柱筒(5)，所述圆柱筒(5)的直径与内盒(11)的内径相同，所述颗粒(6)装填在圆柱筒(5)内。
5.根据权利要求4所述的一种变刚度电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述圆柱筒(5)内颗粒(6)的装填率大于等于200％，所述装填率＝(圆柱筒(5)内颗粒(6)的数目/圆柱筒(5)内单层可容纳最大颗粒(6)的数目)*100％。
6.根据权利要求4或5所述的一种变刚度电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述圆柱筒(5)、内盒(11)、外盒(3)的材质为非铁磁性材料，且所述外盒(3)的外侧包裹消音材料。
7.根据权利要求1所述的一种变刚度电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述外盒(3)的底部设有4个万向轮(8)，实现外盒(3)在固定盒(1)内向各个方向滑动。
8.根据权利要求1所述的一种变刚度电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述软磁材料选自锰锌铁氧体、镍锌铁氧体或铁硅铝磁粉芯磁性合金中的一种。
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