CN110847408B - 一种用于主动控制结构振动的回转式装置 - Google Patents

一种用于主动控制结构振动的回转式装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于主动控制结构振动的回转式装置，该装置中的固定组件固定安装于被控结构，轨道组件则通过连接件环绕安装于固定组件的外表面，轨道组件中均匀分布的凸块分别环绕有相对应的线圈并通过壳体将线圈包覆，作为定子的线圈外接电源，壳体远离固定组件的一端突起，驱动组件卡接于轨道组件，驱动组件中的驱动块通过滚动件接触轨道组件的外表面并于轨道的表面滑行，驱动块固定安装有磁性件，磁性件作为转子在线圈的驱动下运动，在磁力产生的驱动力和驱动组件运动时的向心力的合力的反作用力的作用下对结构振动进行控制；固定组件的规格可调，适应于不同的结构，驱动组件的质量、个数和初始位置均可调。

Description

一种用于主动控制结构振动的回转式装置
技术领域
本发明涉及振动控制技术领域，具体地为一种用于主动控制结构振动的回转式装置。
背景技术
随着社会经济的发展，高层建筑和大跨度的桥梁建设项目日益增多，在实际建设中，所采用的高强度和轻量化的材料使得高层建筑和桥梁的结构更加轻柔，但在地震或大风力的作用下会产生一定程度的振动，一方面会带给人不适的感觉，另一方面也会给高层建筑和桥梁的安全带来威胁，因此，对于高层建筑和桥梁的振动控制的研究十分重要。
对于高层建筑，现今多采用调谐质量阻尼器(TMD)以控制振动。如台北101大厦的单摆式金色大圆球，通过单摆，使得圆球的摆动频率与大厦结构振动时的第一阶频率一致，依靠共振的作用减小大厦的结构振动，此种方式的阻尼器摆长过长，浪费空间；又如，直线型的阻尼器，通过质量块在直线运动时产生的惯性力来控制结构振动，此种方式需要足够长的轨道和较大的空间，应用范围有限。同时，实际情况中地震或风荷载等输入方向的不确定性，普通的单向的阻尼器无法保证其控制力方向与荷载方向一致，不仅控制效果受到影响，还会产生垂直于荷载方向的分力，对结构产生不利影响。
对于桥梁建筑，粘滞阻尼器广泛应用于桥梁索的振动控制中。如苏通长江公路大桥就加设有附加限位功能的液体粘滞阻尼器，粘滞阻尼器一般同时安装于拉索的端部和桥面，当桥梁振动时，阻尼器的活塞随着桥梁结构运动，阻尼介质在流经活塞上预留的阻尼孔时，将外界荷载输入的能量耗散；此种方式，阻尼器无法有效控制斜拉索跨中的振动，且无法有效发挥阻尼器的减震作用；阻尼器易与桥面发生耦合振动，从而加剧拉索的振动；无法主动调节控制力的大小，且不能为拉索提供合适的控制力。
以上，如何有效控制高层建筑和桥梁的结构振动成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种用于主动控制结构振动的回转式装置，以解决高层建筑或桥梁等工程中易出现的结构振动难以被有效控制的问题。
本发明解决上述技术问题的方案如下：一种用于主动控制结构振动的回转式装置，其特征在于：包括固定组件、轨道组件和驱动组件，所述固定组件固定安装于被控结构，所述轨道组件环绕安装于所述固定组件的外表面；所述轨道组件包括导轨、线圈和壳体，所述导轨间隔设置有凸块，所述线圈与所述凸块相对应且所述线圈环绕于各自对应的所述凸块，所述壳体包覆安装于所述线圈，所述线圈外接有电源；所述驱动组件滑动安装于所述轨道组件，所述驱动组件设置有磁性件，以在所述线圈的磁力驱动下于所述轨道组件滑行。
优选地，所述驱动组件还包括驱动块和滚动件，所述驱动块卡接于所述轨道组件，所述磁性件固定安装于所述驱动块远离所述固定组件的一端，所述滚动件固定安装于所述驱动块靠近所述轨道组件的外表面的一侧且所述滚动件贴设于所述轨道组件的外表面。
优选地，所述被控结构安装有传感器，所述驱动组件安装有编码器，所述传感器和所述编码器分别电连接有控制器。
优选地，所述轨道组件通过连接件固定安装于所述固定组件，所述连接件为螺栓。
优选地，所述驱动块与所述轨道组件之间设置有弹性件，以用于避免所述驱动块运动过程中碰触所述轨道组件的外围。
优选地，所述滚动组件为滚珠。
本发明提供的一种用于主动控制结构振动的回转式装置，具有以下有益效果：固定组件安装于被控制的结构，驱动组件滑动安装于轨道组件，在线圈通电产生的磁场作用下推动磁性件运动，驱动组件得以于轨道组件的外表面旋转运动，由此，在驱动组件所受的驱动力以及运动中产生的向心力的合力的反作用力作用下对结构振动进行有效控制；固定组件的规格和驱动组件的质量、个数和初始位置可调，能够对任意水平方向的结构振动进行控制；辅以传感器、编码器和控制器，便于实时调整通电电流，进而改变驱动组件运动中合力的大小和方向；弹性件的设置，有效延长了该装置的使用寿命。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明提供的一种用于主动控制结构振动的回转式装置一实施方式的结构示意图；
图2是该装置一实施方式的俯视剖面图；
图3a是本发明中线圈环绕导轨凸块一实施方式的结构示意图；
图3b是本发明中线圈环绕导轨凸块一实施方式的正视剖视图；
图4是该装置一实施方式的正视剖视图；
图5是该装置作用时驱动组件总的受力分析图；
图6是该装置具体应用于结构时一实施方式的受力分析图；
图7是该装置作用于桥梁索结构一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，图1是本发明提供的一种用于主动控制结构振动的回转式装置一实施方式的结构示意图。该装置包括固定组件1、轨道组件2和驱动组件3，固定组件1呈环形柱体，该装置使用时，固定组件1安装于被控结构，被控结构即易发生结构振动的工程部件，轨道组件2亦呈环形柱状且固定安装于固定组件1的外表面，轨道组件2环绕固定组件1分布以形成一闭环轨道，驱动组件3滑动安装于轨道组件2的外表面，依靠驱动组件3所受驱动力反作用于结构上的力以及驱动组件3沿轨道组件2旋转滑动时产生的离心力消除或减轻外荷载作用在被控结构上的力，使得结构振动的危害降至最低。
为了更好地对该回转式装置进行阐释说明，请继续参阅图2-4。轨道组件2包括导轨21、线圈22和壳体23，导轨21呈环形，导轨21朝四周方向间隔铺设有凸块211，优选地，该实施例中的凸块211呈圆形凸台，其亦可以呈方形等，线圈22与凸块211一一对应，且线圈22环绕于凸块211的外表面，线圈22外接电源以作为本装置的定子，壳体23环绕导轨21以将其中的线圈22整体包覆，轨道组件2通过连接件4固定安装于固定组件1的外表面，连接件4优选螺栓；驱动组件3卡接安装于轨道组件2，驱动组件3包括驱动块31、磁性件32和滚动件33，驱动块31卡接于导轨21的外表面，驱动块31靠近导轨21的外表面的两侧分别连接有滚动件33，滚动件33贴设于导轨21的外表面以实现驱动块31于导轨21的外表面滑动，驱动块31的右端固定安装有磁性件32，磁性件32作为转子，在作为定子的线圈22的磁力驱动下，磁性件32带动驱动块31围绕导轨21转动，优选地，磁性件32为永磁体，滚动件33为滚珠；为了限制驱动块31的运动区域，壳体23的右端突出于导轨21的外表面以将驱动块31卡于导轨21，有效避免驱动块31运动旋转过程中脱离轨道21的状况，特别地，轨道21和壳体23靠近驱动块31的一侧均安装有弹性件5，以阻止驱动块31运动过程中出现碰触壳体23的状况，延长驱动块31的使用寿命。
为了更好地对驱动组件3运动过程中的受力进行说明，请继续参阅图5。驱动组件3于轨道21作旋转运动时，假设p个驱动组件3分别于多条轨道21同时作旋转运动，第j个驱动组件3的质量设为mj(j＝1,2······p)，第j个驱动组件3所滑行的轨道21的半径为rj，则第j个驱动组件3的受力如下：
F2j(t)＝uj(t)
F1j表示第j个驱动组件3的向心力；
F2j表示第j个驱动组件3在磁力驱动下所受的驱动力；
nj表示第j个驱动组件3的转速，其单位为rps；
故P个驱动组件3分别于多条轨道21同时运动时在x轴上的合力为：
P个驱动组件3分别于多条轨道21同时运动时在y轴上的合力为：
P个驱动组件3分别于多条轨道21同时运动时在x-y平面上的合力为：
P个驱动组件3分别于多条轨道21同时运动时在x-y平面的合力方向(即合力与x轴所成的角度α)为：
下面结合图6就该装置具体应用时的受力情况进行解释说明。假设外界作用于结构上的荷载来自水平的x方向，因此，为了有效地对该荷载进行控制，需使得运动中的驱动组件3的合力沿x方向。具体地为，分别于不同轨道21运动的驱动组件3的质量相对应的为m1和m2，为加以区分，以下用m1和m2指代不同的驱动组件3，本实施例中两驱动组件3的质量相等(即m1＝m2)、初始位置与x方向的夹角相同(即θ1＝θ2)、所受的驱动力相同(即u1＝u2)，然而，两驱动组件3的运动方向相反，即m1指代的驱动组件3相对于圆心o逆时针转动，m2指代的驱动组件3相对于圆心o顺时针转动。以上，在各自所受驱动力的驱动下，m1和m2作旋转运动时均会产生向心力，对于m1指代的驱动组件3而言，其所受驱动力与向心力的合力为F1，同理，m2运动中的合力为F2；下面分别对合力F1和F2于x轴和y轴进行力的分解，y轴方向上：Fy1和Fy2相互抵消；x轴方向上：Fx1和Fx2均反作用于被控结构，进而有效地对来自水平的x方向的荷载进行控制，以达到控制结构振动的目的。需要说明的是，上述仅是对任意单一方向的荷载进行控制的情况，若荷载的方向时刻变化或者是扭转作用于被控结构，只需调节该装置中的驱动组件3的质量、个数和初始位置，以对荷载进行有效控制。
特别地，为了更好地对结构振动进行控制，被控结构上安装有传感器，以用于检测被控结构的振动响应，优选地，该传感器的型号为：IFRM18N1701/S14L电感式传感器；驱动组件3内部安装有编码器，以实时检测驱动组件3的运动状况，如于轨道21旋转运动的具体位置和转速等信息，优选地，该编码器为光电编码器，其具体型号为：E6B2-CWZ6C；该装置还安装有控制器，传感器和编码器分别与该控制器电连接，控制器接收传感器输送的信号以确定结构振动时所需的控制力大小，通过对线圈22的通电状况进行调整来控制驱动组件3运动时产生的力，以便于更好地对结构振动进行控制，优选地，该控制器的型号为：FX1 S-30MR-001。
进一步地，请参阅图7，以该装置安装于桥梁索结构为例进行说明，该例中桥梁索6为被控结构。首先，根据桥梁索6的半径确定该装置中固定组件1和轨道组件2的半径，根据以往取得的资料信息，大致确定布置安装在该桥梁索6上的该装置的数量，并确定单个该装置中驱动组件2的数量及质量，将该装置安装于桥梁索6上布置有传感器的位置附近，需要说明的是，该装置可采用拼装组合的方式进行安装固定；待该装置安装完成后，若桥梁索6发生振动，安装于桥梁索6上的传感器将测得此位置处桥梁索6振动的响应大小和干扰的大小，传感器接收信号后计算出控制桥梁索6结构振动的力，同时，线圈22接通电源形成磁场，以驱使驱动组件2的旋转运动，安装于驱动组件2上的编码器实时反馈驱动组件2的运动状况，以调整电源送电给线圈22的状况，由此实现对桥梁索6结构振动的控制。特别地，若驱动组件2整个运动过程中的运动轨迹所在的平面始终与桥梁索6的轴向垂直，且避免与桥面发生耦合，该装置对桥梁索6的结构振动控制效果更佳。
本发明提供的一种用于主动控制结构振动的回转式装置，固定组件固定安装于被控结构，轨道组件则通过连接件固定安装于固定组件的外表面，轨道组件中均匀分布的凸块分别环绕有相对应的线圈并通过壳体将线圈包覆，作为定子的线圈外接电源，壳体远离固定组件的一端突起，驱动组件卡接于轨道组件，驱动组件中的驱动块通过滚动件接触轨道组件的外表面并于轨道的表面滑行，驱动块固定安装有磁性件，磁性件作为转子在线圈的驱动下运动，在磁力产生的驱动力和磁性组件运动过程中的向心力的合力的反作用力的作用下对结构振动进行控制(该合力作用在被控结构上的反作用力与外荷载作用在结构上的力相反，以减小结构振动的力)；固定组件的规格可调，适应于不同的结构，驱动组件的质量、个数和初始位置可调，便于针对不同状况的结构振动作相应的调整，驱动组件与轨道组件间设置的弹性件，有效避免了驱动组件运动过程中与轨道组件的接触，延长了该装置的使用寿命；被控结构设置安装传感器，驱动组件设置安装编码器，通过控制器的调节，使得控制结构振动的效果最佳，有效减轻了结构振动给高层建筑或桥梁带来的危害。
以上所述，仅为发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于主动控制结构振动的回转式装置，其特征在于：包括固定组件、轨道组件和驱动组件，所述固定组件固定安装于被控结构，所述轨道组件环绕安装于所述固定组件的外表面；所述轨道组件包括导轨、线圈和壳体，所述导轨间隔设置有凸块，所述线圈与所述凸块相对应且所述线圈环绕于各自对应的所述凸块，所述壳体包覆安装于所述线圈，所述线圈外接有电源；所述驱动组件滑动安装于所述轨道组件，所述驱动组件设置有磁性件，以在所述线圈的磁力驱动下于所述轨道组件滑行;
所述驱动组件还包括驱动块和滚动件，所述驱动块卡接于所述轨道组件，所述磁性件固定安装于所述驱动块远离所述固定组件的一端，所述滚动件固定安装于所述驱动块靠近所述轨道组件的外表面的一侧且所述滚动件贴设于所述轨道组件的外表面;
所述被控结构安装有传感器，所述驱动组件安装有编码器，所述传感器和所述编码器分别电连接有控制器。
2.根据权利要求1所述的用于主动控制结构振动的回转式装置，其特征在于：所述轨道组件通过连接件固定安装于所述固定组件，所述连接件为螺栓。
3.根据权利要求1所述的用于主动控制结构振动的回转式装置，其特征在于：所述驱动块与所述轨道组件之间设置有弹性件，以用于避免所述驱动块运动过程中碰触所述轨道组件的外围。
4.根据权利要求1所述的用于主动控制结构振动的回转式装置，其特征在于：所述滚动件为滚珠。
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