CN111021570B - 一种液压惯容平衡调谐减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压惯容平衡调谐减振装置，包括一个保护筒，在保护筒内部设有一个质量块，质量块其中两个相对的侧面连接“惯容‑阻尼”减振单元，质量块的另外两个相对的侧面各连接一个正负刚度并联单元；“惯容‑阻尼”单元包括两个阻尼腔、活塞杆、活塞、曲管和感应控制装置；两个阻尼腔通过曲管相连通，曲管局部区域缠绕有通电线圈，通电线圈与感应控制装置相连接；质量块通过活塞杆与位于阻尼腔的活塞相连，两个正负刚度并联单元位于质量块的两侧，每个正负刚度并联单元包括一个绝缘筒、磁铁和U型软钢棒；质量块连接两个刚性杆，两个刚性杆分别延伸到两个绝缘筒内部与一个联动块相连；在每个绝缘筒内部设有套装在一起的两块环形磁铁，两块环形磁铁通过U型软钢棒相连，联动块与位于内圈的环形磁铁相连。

Description

一种液压惯容平衡调谐减振装置

技术领域

本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种液压惯容平衡调谐减振装置，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

在实际工程中，往往通过增大承重构件的尺寸来提高结构强度，或通过结构构件的开裂和破坏来考虑结构延性，进而提高建筑物的抗震性能。传统的抗震设计思想不仅增加了材料费用，也使震后修复存在极大的困难。基于此，将振动控制理论引入到结构工程中，也就将结构设计从单纯的抗震设计阶段进入减震设计阶段，具有广泛的应用前景。

目前的在工程中应用广泛的减震技术，例如调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、悬挂质量摆等减振装置，构造简单，具有显著的减振能力。但是其减振效果主要取决于自振频率与主结构的振动频率是否相调谐，因此为了使减振装置实现理想的减振效果，确定最优的质量比、频率比和阻尼比是研究的重点。但是对于高耸结构或大跨结构来说，往往有着巨大的质量，若满足最优质量比时减振装置的附加质量就不能过小。但是大的质量单元可能会改变主结构的动力特性，地震作用或风荷载下的振动响应会更加复杂。同时，布置空间局限也会导致施工技术复杂，进而增加消耗成本。

发明内容

本发明目的是提供一种液压惯容平衡调谐减振装置，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振动响应，达到耗能减振的目的。为了利用相对较小的等效质量代替大的质量单元，将磁流变阻尼单元和惯容单元相并联，利用磁流变液在变化磁场强度下特有的流动特性，并结合半主动控制理论，提出了一种混合型液压惯容可调的减振装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种液压惯容平衡调谐减振装置，包括一个保护筒，在所述的保护筒内设有“惯容-阻尼”单元和正负刚度并联单元；

所述的“惯容-阻尼”单元包括质量块、两个阻尼腔、活塞杆、活塞、曲管和感应控制装置；所述的质量块位于保护筒内，两个阻尼腔位于质量块的两侧，两个阻尼腔之间通过曲管相连通，所述的曲管局部区域缠绕有通电线圈，所述的通电线圈与感应控制装置相连接；质量块通过活塞杆与位于阻尼腔内的活塞相连；

所述的正负刚度并联单元包括质量块、两个绝缘筒、磁铁和U型软钢棒；正负刚度并联单元的质量块与“惯容-阻尼”单元的质量块为同一个质量块，两个绝缘筒位于质量块的另外两侧，质量块通过刚性杆与位于绝缘筒内部的联动块相连；在每个绝缘筒内部设有套装在一起的两块环形磁铁，两块环形磁铁通过U型软钢棒相连，联动块与位于内圈的环形磁铁相连。

进一步的技术方案为：所述的保护筒底板设有承台，质量块放置在承台上，且相接触表面光滑。

进一步的技术方案为：所述质量块中部开槽并设有滚动轴承，活塞杆和刚性杆一端设有限位板并置于滚动轴承和质量块的间隙中，保证质量块一个方向移动时带动活塞杆或刚性杆运动，而另一个方向刚性杆或活塞杆保持不动。

进一步的技术方案为：所述活塞杆穿过阻尼腔位置处设有平面轴承，平面轴承处设有橡胶密封圈，防止磁流变液在流动过程中溢出。

进一步的技术方案为：所述的刚性杆穿过绝缘筒位置处设有平面轴承，所述的平面轴承保证刚性杆仅发生轴向运动而不偏移。

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：所述的两个阻尼腔的远端和近端开设孔洞并通过曲管相连，阻尼腔内的活塞的运动行程限制在远端和近端的孔洞之间。

进一步的技术方案为：所述的阻尼腔和绝缘筒内部均设有弹簧，阻尼腔内部的弹簧两端分别固定在活塞和阻尼腔端板上，绝缘筒内部的弹簧分别固定在联动块和绝缘筒端板上。

进一步的技术方案为：所述的弹簧采用形状记忆合金制作而成。

进一步的技术方案为：所述的绝缘筒内部设有两块环形磁铁，内圈的环形磁铁套设在联动块上，外圈的环形磁铁通过连接块固定在绝缘筒内壁上，所述的两块环形磁铁预留有间隙，且两块环形磁铁相排斥，发生相对运动时提供负刚度作用。

进一步的技术方案为：所述的环形磁铁可采用扇形磁铁阵列拼接而成。

进一步的技术方案为：所述的U型软钢棒环形阵列360°布置，其两端分别固定在两块环形磁铁上。

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、加速度感应器和震动开关组成的控制电路；所述的加速度感应器安置在受控结构上。

本发明的工作原理如下：

保护筒的水平轴线方向可分为X向和Y向；定义磁流变阻尼装置的运动方向为Y向，与磁流变阻尼装置垂直方向为X向；将该减振装置固定于高层建筑或高耸结构的顶部，在地震作用或风荷载下，主结构发生振动；当主结构水平Y方向振动时，质量块由于惯性在承台上发生Y方向的运动，通过活塞杆带动活塞在阻尼腔内挤压磁流变液；为了平衡阻尼腔内部的不均匀压强，第一阻尼腔和第二阻尼腔内部的磁流变液通过曲管循环流动；加速度传感器将主结构的振动信号传给控制器，控制器根据主结构的振动加速度响应控制通电线圈中的电流大小，使得曲管中磁流变液的流动性和粘度发生变化；同时，曲管中设置的多道阻尼网有效限制了磁流变液的流速，进一步提高了该减振装置的阻尼力，实现磁流变液阻尼单元和惯容单元并联作用控制建筑结构振动的目的；

在初始状态时，两块环形磁铁的几何中心在同一水平位置上，此时处于平衡状态；当主结构发生轴线X方向振动时，质量块由于惯性在承台上发生X方向的运动，并通过刚性杆带动联动块发生移动，此时两块环形磁铁的平衡状态被打破；由于同磁极相斥，从而产生一个与质量块运动方向相同的作用力，根据胡克定律，力的方向与位移方向相同产生负刚度作用；由于软钢具有屈服强度较低，塑性较高且滞回性能优越的特点，两块环形磁铁发生相对错动时软钢变形并提供足够的正刚度阻尼力进行耗能，实现正负刚度并联机构减小建筑结构振动响应的目的。

当主结构发生振动时，阻尼腔内和绝缘筒内的弹簧发生压缩或拉伸变形，进一步提高该减振装置的控制能力，实现多重耗能减振的目的；同时，当主体结构振动结束后，利用形状记忆合金显著的可恢复变形能力，将该减振装置恢复初始状态，保证下次应用时的正常工作。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用液体在细长曲管中流动时具有的惯性效应，并与活塞式液压阻尼器相结合，形成“惯容-阻尼”减振单元实现高效耗能的目的。同时，细长曲管的联通作用避免活塞式液压阻尼器中可能出现的液体阻塞沉积和“空行程”现象，保证了“惯容-阻尼”减振机构的可靠性。

(2)本发明利用磁流变液的瞬时流变特性，采用半主动控制技术理论，根据激励荷载形式和结构响应状态，实时调节细长曲管中磁流变液的粘度和流动状态，使得该减振装置在较宽的频域内具有稳定的工作状态。同时，并通过设置多道阻尼网进一步提高了“惯容-阻尼”减振单元的输出阻尼力。

(3)本发明采用磁致负刚度效应的技术原理，通过合理设计磁铁位置从而形成稳定的磁场，一旦该减振装置进入工作状态，利用同性磁铁相斥来提供推动力，能够使主结构的低幅振动转化成该减振装置中减振元件的剧烈运动，提高了减振装置的耗能能力，扩大了减振范围。

(4)本发明将传统的钢板耗能元件设计为U型棒耗能元件，减小耗能元件强度并使其快速进入塑性阶段，当主结构发生低幅振动时依然能够发挥自身优越的滞回性能。同时，将磁致负刚度机构与U型软钢棒正刚度机构相并联并产生叠加效果，共同达到高效减振的目的。

(5)本发明中涉及的弹簧采用智能材料形状记忆合金制作而成，当主结构发生振动时，配合“惯容-阻尼”减振单元和正负刚度并联单元实现多重减振的目的。同时，当主结构振动结束后，形状记忆合金利用其显著的可恢复变形能力，将该减振装置恢复到初始状态，保证下次应用时的正常工作。

(6)本发明可适用于高耸、体型复杂和安全要求高的建筑结构，在风荷载和地震作用下仍能保证主结构满足所要求的的安全性和耐久性，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为一种液压惯容平衡调谐减振装置的俯视图；

图2为一种液压惯容平衡调谐减振装置的A-A剖面图；

图3为一种液压惯容平衡调谐减振装置的B-B剖面图；

图4为一种液压惯容平衡调谐减振装置的正负刚度并联单元细部图；

图5(a)、图5(b)为一种液压惯容平衡调谐减振装置的磁铁布置实例一图；

图6(a)、图6(b)为一种液压惯容平衡调谐减振装置的磁铁布置实例二图。

图中：1保护筒；2承台；3质量块；4活塞；5第一阻尼腔；6磁流变液；7 曲管；8阻尼网；9弹簧；10第二阻尼腔；11绝缘筒；12U型软钢棒；13外环形磁铁；14连接块；15通电线圈；16活塞杆；17限位板；18滚动轴承；19平面轴承；20刚性杆；21内环形磁铁；22联动块；23内扇形磁铁；24外扇形磁铁； 25内环板；26外环板。

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，本发明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，除非本发明另外明确指出，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，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种液压惯容平衡调谐减振装置，如图1所示，一种液压惯容平衡调谐减振装置，包括一个保护筒1，保护筒1底板上设有承台2，优选的，承台2位于底板的中心位置，质量块3可以在承台2上光滑的发生水平运动。保护筒1内部设有“惯容-阻尼”减振单元和正负刚度并联单元；

“惯容-阻尼”减振单元包括质量块3、磁流变阻尼装置、曲管和感应控制装置。质量块3为一个矩形结构，在其前、后、左、右四个侧面的中部均开设有凹槽；并且在四个凹槽内均设有滚动轴承18，一共设置四个滚动轴承18；其中按照图1所示的方位，位于前后侧面的两个滚动轴承18内部连接有能沿滚动轴承 18滑动的活塞杆16，活塞杆16穿过第一阻尼腔5和第二阻尼腔10通孔处的平面轴承19，伸入到两个阻尼腔内部。第一阻尼腔5和第二阻尼腔10内部的活塞杆16一端设有活塞4，另一端连接有限位板17并置于滚动轴承18和质量块3的间隙中，保证质量块3与活塞杆16相对运动时不会发生脱落。

阻尼腔内部设有弹簧9，弹簧9两端分别固定在活塞4和阻尼腔端板上。第一阻尼腔5和第二阻尼腔10上的平面轴承19处设有橡胶密封圈，防止磁流变液6在流动过程中溢出。活塞4的直径小于阻尼腔的内径，使得在阻尼腔内形成液体流动通道。两个阻尼腔四周开设多个孔洞，相对应的孔洞通过曲管7相连，曲管7中设有多道阻尼网8。曲管7的局部区域缠绕有通电线圈15，通电线圈15 与感应控制装置组成控制电路。

正负刚度并联单元由质量块3、绝缘筒11、磁铁和U型软钢棒12组成。正负刚度并联单元与“惯容-阻尼”减振单元共用一个质量块3；按照图1所示的方位，质量块3的左、右侧面上的滚动轴承18分别连接一个刚性杆20，两个刚性杆20一端伸入到质量块3中部的滚动轴承18中，并在端部固定设有限位板17。两个刚性杆20的另一端分别穿过对应的平面轴承19后伸入到对应的绝缘筒11 内部，并在刚性杆20的端部固定设有联动块22。且在绝缘筒11内部设有弹簧9，弹簧9两端分别固定在联动块22和绝缘筒11底板上。

如图5(a)、图5(b)的所示的一个实施例，所述的磁铁可以为内环形磁铁 21和外环形磁铁13。内环形磁铁21套设在联动块22上，外环形磁铁13通过连接块14固定在绝缘筒11内壁上。内环形磁铁21和外环形磁铁13磁极合理布置且留有间隙，使得两块环形磁铁发生相对运动时产生负刚度效应。这里所述的布置合理是指：两块环形磁铁相排斥，例如图中所示的，内环形磁铁21的S极位于N极内圈，则外环形磁铁13的内圈为N极，外圈为S极；或者内环形磁铁21 的N极位于S极内圈，则外环形磁铁13的内圈为S极，外圈为N极；

U型软钢棒12环形阵列360°布置，其两端分别固定在内环形磁铁21和外环形磁铁13上。

可替选的，如图6(a)、图6(b)所示的一个实施例，为了避免环形磁铁加工困难，所述的磁铁可以为内扇形磁铁23和外扇形磁铁24。适量的内扇形磁铁 23环形阵列360°布置，且内弧面固定在内环板25上，内环板25套设固定在联动块22上。同样，适量的外扇形磁铁24环形阵列360°布置，且外弧面固定在外环板26上，外环板26通过连接块14固定在绝缘筒11内壁上；内扇形磁铁23 和外扇形磁铁24的极性相同，均为N极或者均为S极。

进一步的，上述的弹簧9采用具有超弹性效应的智能材料形状记忆合金制作而成。

进一步的，上述的感应控制装置是由外部电源、控制器、加速度感应器和震动开关组成的控制电路；所述的加速度感应器安置在受控结构上，控制器控制通电线圈15中电流大小。

将该减振装置固定在高层建筑或高耸结构振动敏感位置。在地震作用或风荷载下，主结构发生振动。当主结构产生水平Y方向振动时，质量块3由于惯性在承台2上发生Y方向运动，通过活塞杆16带动活塞4在阻尼腔内挤压磁流变液6。一方面，活塞4压缩磁流变液6在阻尼通道中流动，形成活塞式液压阻尼器。另一方面，为了平衡阻尼腔内部的不均匀压强，第一阻尼腔5和第二阻尼腔10内部磁流变液6通过曲管7循环流动，由于曲管7的横截面积远远小于活塞4的横截面积，磁流变液6在曲管7中流动时具有惯性效应，形成液压式惯容器。惯容单元和阻尼单元相结合，实现高效减振的目的。加速度传感器将主结构的振动信号传给控制器，控制器根据主结构的振动加速度响应控制通电线圈15中电流大小，使得曲管7中磁流变液6的流动性和粘度发生变化，实现采用半主动控制技术扩大该减振装置的减振频带的目的。同时，并通过设置多道阻尼网8进一步提高“惯容-阻尼”减振单元的输出阻尼力，使得该减振装置能够实时、可靠的抑制主结构的振动响应。

当主结构发生水平X方向振动时，质量块3由于惯性在承台2上发生X方向运动。以实施例一为例进行说明。在初始状态时，两块环形磁铁的几何中心在同一水平位置上，此时处于平衡状态。质量块3的运动通过刚性杆20带动联动块 22发生移动，此时两块环形磁铁的平衡状态被打破。由于同磁极相斥，从而产生一个与质量块运动方向相同的作用力，根据胡克定律，力的方向与位移方向相同产生负刚度作用。内环形磁铁21和外环形磁铁13发生相对错动时，U型软钢棒 12发生变形并进入塑性阶段，发挥其优越的滞回性能并提供足够的正刚度阻尼力进行耗能。磁致负刚度机构与U型软钢棒正刚度结构相并联并产生叠加效果，实现高效减振的目的。

当主结构发生振动时，阻尼腔内和绝缘筒11内的弹簧9发生压缩或拉伸变形，进一步提高该减振装置的控制能力，配合“惯容-阻尼”减振单元和正负刚度并联单元实现多重耗能减振的目的。同时，当主体结构振动结束后，利用形状记忆合金显著的可恢复变形能力，将该减振装置恢复初始状态，保证下次应用时的正常工作。

该减振装置中细长曲管的联通作用避免活塞式液压阻尼器中可能出现的液体阻塞沉积和“空行程”现象，保证了“惯容-阻尼”减振机构的可靠性。

该减振装置利用磁流变液的瞬时流变特性，采用半主动控制技术理论，根据激励荷载形式和结构响应状态，实时调节细长曲管中磁流变液的粘度和流动状态，使得该减振装置在较宽的频域内具有稳定的工作状态。同时，并通过设置多道阻尼网进一步提高了“惯容-阻尼”减振单元的输出阻尼力。

该减振装置采用磁致负刚度效应的技术原理，通过合理设计磁铁位置从而形成稳定的磁场，一旦该减振装置进入工作状态，利用相对同性磁铁相斥来提供推动力，能够使主结构的低幅振动转化成该减振装置中减振元件的剧烈运动，提高了减振装置的耗能能力，扩大了减振范围。

该减振装置可适用于高耸、体型复杂和安全要求高的建筑结构，安装位置灵活，在风荷载和地震作用下仍能保证主结构满足所要求的的安全性和耐久性，能够产生较好的社会效益和经济效益。

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 (8)

1.一种液压惯容平衡调谐减振装置，其特征在于，包括一个保护筒，在所述的保护筒内设有“惯容-阻尼”单元和正负刚度并联单元；

所述的“惯容-阻尼”单元包括质量块、两个阻尼腔、活塞杆、活塞、曲管和感应控制装置；所述的质量块位于保护筒内，两个阻尼腔位于质量块的两侧，质量块通过活塞杆与位于阻尼腔内的活塞相连；两个阻尼腔之间通过曲管相连通，所述的曲管局部区域缠绕有通电线圈，所述的通电线圈与感应控制装置相连接；所述的活塞直径小于阻尼腔内径，使得在阻尼腔内形成液体流动通道；所述的感应控制装置是由外部电源、控制器、加速度感应器和震动开关组成的控制电路；所述的加速度感应器安置在受控结构上；

所述的正负刚度并联单元包括质量块、两个绝缘筒、磁铁和U型软钢棒；正负刚度并联单元的质量块与“惯容-阻尼”单元的质量块为同一个质量块，两个绝缘筒位于质量块的另外两侧，质量块通过刚性杆与位于绝缘筒内部的联动块相连；在每个绝缘筒内部设有套装在一起的两块环形磁铁，两块环形磁铁通过U型软钢棒相连，联动块与位于内圈的环形磁铁相连；位于外圈的环形磁铁通过连接块固定在绝缘筒内壁上。

2.如权利要求1所述的液压惯容平衡调谐减振装置，其特征在于，所述质量块的四个侧面的中部开槽并设有滚动轴承，活塞杆和刚性杆的一端设有限位板并置于滚动轴承和质量块的间隙中，保证质量块一个方向移动时带动活塞杆或刚性杆运动，而另一个方向活塞杆或刚性杆保持不动。

3.如权利要求1所述的液压惯容平衡调谐减振装置，其特征在于，所述活塞杆穿过阻尼腔位置处设有平面轴承，在该处还设有橡胶密封圈；所述的刚性杆穿过绝缘筒的位置处设有平面轴承。

4.如权利要求1所述的液压惯容平衡调谐减振装置，其特征在于，两个阻尼腔的远端和近端开设孔洞并通过曲管相连，阻尼腔内的活塞的运动行程限制远端和近端的孔洞之间。

5.如权利要求1所述的液压惯容平衡调谐减振装置，其特征在于，阻尼腔和绝缘筒内部均设有弹簧，阻尼腔内部的弹簧两端分别固定在活塞和阻尼腔端板上，绝缘筒内部的弹簧分别固定在联动块和绝缘筒端板上。

6.如权利要求1所述的液压惯容平衡调谐减振装置，其特征在于，所述的两块环形磁铁预留有间隙，且两块环形磁铁相排斥。

7.如权利要求1或6所述的液压惯容平衡调谐减振装置，其特征在于，所述的环形磁铁可采用扇形磁铁阵列拼接而成。

8.如权利要求1所述的液压惯容平衡调谐减振装置，其特征在于，所述的U型软钢棒环形阵列360°布置，其两端分别固定在两块环形磁铁上。

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