CN111021571B - 一种半主动正负刚度并联自协调减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，包括一个保护筒，在所述的保护筒中设有正负刚度并联阻尼机构以及滚筒滚球阻尼机构；所述的正负刚度并联阻尼机构包括空气弹簧和磁流变阻尼装置；所述的空气弹簧中设有活动挡板，并通过刚性杆和连杆与凹槽体连接；所述的凹槽体下部开孔并设有滚珠丝杠副，滚珠丝杆穿过滚珠螺母并延伸到凹槽体两端的磁流变阻尼装置内部；所述的磁流变阻尼装置内部的滚珠丝杆上设有多个叶片，并阻尼腔内部空间充满磁流变液。所述的滚筒滚球阻尼机构包括凹槽体、滚筒、隔板和耗能滚球；所述的滚筒放置在凹槽体的凹槽中，滚筒内部中空并设有隔板，每个隔间内部放置大量的耗能滚球。

Description

一种半主动正负刚度并联自协调减振装置

技术领域

本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，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

由于城市化的快速推进，结构的形式日趋多样化，高层、大跨度和柔性结构是未来建筑物发展的重要方向，在风荷载和地震作用下的振动响应必然增大。采用加强构件性能的传统方法已不能满足抗震设计的安全性和经济性要求，因此，减振控制技术为建筑物抵御风或地震灾害提供了一种行之有效的全新方法。

减振控制技术主要通过在主结构上附加用于耗散振动能量的子结构，在风荷载和地震作用下，主结构的往复运动带动子结构发生振动，为主结构提供足够的反作用力从而削弱主结构的振动响应。目前，常用的减振装置主要有橡胶隔震支座、调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器和悬挂质量摆等，构造简单具有良好的减振效果，然而这些均属于被动控制领域，其减振能力依赖于自振频率与主结构的振动频率是否相调谐，减振频带较窄。为了弥补缺陷，借助外部能源输入，在减振装置中采用半主动和主动控制技术，能够根据激励荷载形式和结构响应状态，实时的调整减振装置的阻尼和刚度，使得减振装置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。

当主结构发生微幅振动时，目前的减振方案在工作时存在滞后性，存在放大主结构振动响应的可能性，在地震或风荷载的作用下，难以得到良好的减振效果。正负刚度并联结构将正刚度元件和负刚度元件进行结合，使减振装置在初始状态处刚度趋于零，有效解决了微幅振动时主结构振动控制的问题。三弹簧型、磁吸 (斥)力型、压杆型和滚球型均可以实现正负刚度并联结构，并得到的大量的研究。然而，大多数的正负刚度减振装置是基于固定的承载质量设计的，当承载质量发生变化时，减振装置无法达到最佳的减振效果，甚至会超出设计允许范围而失效。

发明内容

本发明目的是提供一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，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。为了应对承载质量发生变化的可能性，采用改变空气弹簧的气压来调节不同承载质量下减振装置的负刚度状态，由新型智能材料磁流变液的挤压阻尼力提供正刚度，并结合半主动控制技术理论，提出了一种混合型且能够控制主结构振动响应的减振装置。

为实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，包括一个保护筒，在所述的保护筒内设有凹槽体、正负刚度并联阻尼机构以及滚筒滚球阻尼机构；所述的正负刚度并联阻尼机构包括两个空气弹簧和两个磁流变阻尼装置；两个空气弹簧位于凹槽体的其中两侧，两个磁流变阻尼装置位于凹槽体的另外两侧，所述的空气弹簧内部设有活动挡板，活动挡板中部连有刚性杆的一端，所述刚性杆的另一端穿过空气弹簧通过连杆和万向球铰与凹槽体连接；所述的凹槽体下部开孔并设有滚珠丝杠副，凹槽体与滚珠螺母固定连接，滚珠丝杆穿过滚珠螺母并延伸到两个磁流变阻尼装置内部；所述的磁流变阻尼装置内部的滚珠丝杆上设有多个叶片，并磁流变阻尼装置内部空间充满磁流变液。

所述的滚筒滚球阻尼机构包括滚筒、隔板和耗能滚球；所述的滚筒放置在凹槽体的凹槽中，滚筒内部中空并设有隔板，每个隔间内部放置大量的耗能滚球。

进一步的技术方案为：所述的保护筒采用不锈钢材质制作。

进一步的技术方案为：所述的空气弹簧和阻尼腔开孔处设有平面轴承且作密封处理。

进一步的技术方案为：所述的凹槽体下部开孔并导向杆，导向杆两端固定在磁流变阻尼装置上。

进一步的技术方案为：所述的耗能滚球外部贴附一层具有吸收能量、耗能减振作用的粘弹性材料层；所述的隔板两个侧面均贴附粘弹性材料层。

进一步的技术方案为：所述的凹槽体两端设有封板，封板与滚筒的接触光滑。

进一步的技术方案为：所述的空气弹簧内部设有弹簧，弹簧两端分别固定在活动挡板和空气弹簧底板上。

进一步的技术方案为：所述的弹簧采用具有超弹性效应的智能材料形状记忆合金制作而成；

进一步的技术方案为：所述的磁流变阻尼装置包括一个壳体，所述的壳体内部形成阻尼腔，所述的叶片与壳体内壁之间留有阻尼通道，且叶片远端切割成曲面，避免当叶片转动时因阻尼通道宽度变窄而导致磁流变液发生堵塞。

进一步的技术方案为：所述的壳体外侧缠绕通电线圈，通电线圈外接通过控制器外接电源，实时控制磁流变阻尼装置的阻尼力。

进一步的技术方案为：所述空气弹簧可以通过控制器调节内部气体压力，进而改变刚度，在凹槽体运动时提供负刚度效应。

本发明的工作原理：保护筒的水平轴线方向可分为X向和Y向；定义滚珠丝杆轴线方向为Y向，与滚珠丝杆垂直方向为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；当主结构发生Y 方向振动时，凹槽体及滚筒作为质量块沿导向杆移动；由于连杆两端单向铰约束，连杆偏移通过刚性杆带动活动挡板在空气弹簧中运动；控制器根据主体结构的振动响应，调整控制空气弹簧内部的空气压力，提供负刚度作用；由于凹槽体与滚珠螺母固定连接，滚珠螺母在Y方向上沿滚珠丝杆发生直线运动，滚珠丝杆旋转运动导致叶片与阻尼腔发生相对转动，并不断地挤压内部的磁流变液；通过控制器处理主结构的振动信号，实时地控制通电线圈中的电流大小，改变磁流变液的流动性和粘度从而提供足够的正刚度阻尼力，实现正负刚度并联机构智能减振的目的。

当主结构发生轴线X方向振动时，滚筒由于惯性在凹槽体的凹槽上滚动，导致耗能滚球之间、耗能滚球与隔板发生碰撞和摩擦；由于耗能滚球和隔板表面均附有粘弹性材料，进一步提高了滚筒滚球阻尼机构的耗能能力；可以通过合理的选择滚筒的直径和耗能滚球的数量来调整滚筒滚球阻尼机构的频率，并尽可能与主结构X方向振动频率相一致；将滚筒耗能和滚球耗能相结合，实现多重减振的目的。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过将空气弹簧负刚度机构并联到磁流变阻尼器正刚度机构中，并根据激励荷载形式和主结构响应状态，采用半主动控制技术实时调整空气弹簧的空气压力和磁流变液的流动特性，保证质量块发生变化时仍具有最佳的减振作用，实现正负刚度可调的智能减振目的。

(2)本发明利用滚珠丝杠副结构将磁流变阻尼器活塞杆的线性运动转换为叶片的旋转运动，相比传统的传动机械有更高的联动效率。同时，主体结构的高幅值、低幅值的水平振动均可转化为叶片的高速旋转，增大了磁流变阻尼器的阻尼调节范围。

(3)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，配合正负刚度并联机构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，将该减振装置恢复初始状态，保证下次应用时的正常工作。

(4)本发明利用隔板将滚筒内部空间分成多个部分，内部放置适量的耗能滚球，增加了滚球间的碰撞次数，并与滚筒耗能相结合实现双重减振的目的。同时滚球外部和隔板表面附有粘弹性材料层，进一步增加了该阻尼器的耗能能力。

(5)本发明可适用于高耸、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。

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为一种半主动正负刚度并联自协调减振装置的俯视图；

图2为一种半主动正负刚度并联自协调减振装置的A-A剖面图；

图3为一种半主动正负刚度并联自协调减振装置的B-B剖面图；

图4为一种半主动正负刚度并联自协调减振装置的C-C剖面图；

图中：1保护筒；2空气弹簧；3刚性杆；4活动挡板；5弹簧；6控制器Ⅰ； 7平面轴承Ⅰ；8单向铰；9连杆；10凹槽体；11封板；12导向杆；13滚筒；14 滚珠丝杆；15平面轴承Ⅱ；16磁流变液；17阻尼腔；18通电线圈；19控制器Ⅱ； 20滚珠螺母；21耗能滚球；22隔板；23叶片。

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，本申请提出了一种半主动正负刚度并联自协调减振装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，包括一个保护筒1，保护筒1内部设有凹槽体10、正负刚度并联阻尼机构以及滚筒滚球阻尼机构。

凹槽体10为一个柱形结构，其顶部为一个半圆柱形凹槽。

正负刚度并联阻尼机构包括两个空气弹簧2和两个磁流变阻尼装置。

两个空气弹簧2结构相同，如图1所示，其位于凹槽体10的左右两侧，每个空气弹簧2内部设有活动挡板4，活动挡板4中部连有刚性杆3的一端，刚性杆3的另外一端穿过空气弹簧2通孔处的平面轴承Ⅰ7，通过单向铰8和连杆9 与凹槽体10连接(具体的，连杆9的一端通过单向铰8与刚性杆3相连，连杆9 的另一端通过单向铰8与凹槽体10相连)。在凹槽体10上部的半圆柱形凹槽内设有滚筒13，凹槽体10下部开孔并设有滚珠丝杠副，凹槽体10与滚珠螺母20 固定连接，滚珠丝杆14穿过滚珠螺母20并延伸到凹槽体10两端的磁流变阻尼装置内部。

两个磁流变阻尼装置结构相同，如图1所示，其位于凹槽体10的前后两侧，其包括一个壳体，在壳体内部形成阻尼腔17，位于阻尼腔17内部的滚珠丝杆14 上设有多个叶片23，且阻尼腔17内部空间充满磁流变液16，阻尼腔17(壳体) 外部缠绕有通电线圈18，通电线圈18与固定在保护筒1内壁上的控制器Ⅱ19 相连。当主结构在外部激励下产生水平Y方向振动时，凹槽体10和滚筒13作为质量块由于惯性沿导向杆12运动。由于连杆9两端单向铰8的约束，连杆9偏移并通过刚性杆3带动活动挡板4在空气弹簧2中运动。控制器Ⅰ6根据主结构的振动响应，调整控制空气弹簧2内部的空气压力，提供负刚度作用。由于凹槽体10与滚珠螺母20固定连接，凹槽体10和滚珠螺母20的直线运动导致滚珠丝杆14发生旋转运动，进而带动叶片23与阻尼腔17发生相对转动，并不断地挤压阻尼腔17内部的磁流变液16。通过控制器Ⅱ19处理主结构的振动信号，实时的控制通电线圈18中的电流大小，改变磁流变液16的流动性和粘度，从而提供足够的正刚度阻尼力，实现正负刚度并联机构智能减振的目的。

空气弹簧2内部设有弹簧5，弹簧5两端分别固定在活动挡板4和空气弹簧 2底板上。由于弹簧5采用智能材料形状记忆合金制作而成，具有显著的可恢复变形能力。当主结构振动结束后，弹簧5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。进一步的需要说明的是，弹簧5的个数可以根据需要进行选择，一般的，在每个空气弹簧2设置两个弹簧5。

滚筒滚球阻尼机构包括滚筒13、隔板22和耗能滚球21。滚筒13放置在凹槽体10的凹槽中，并通过凹槽体10两端的封板11限位，滚筒13两端和封板11 表面做光滑处理。滚筒13内部中空并设有隔板22，在本实施例中，所述的隔板 22为十字交叉型，其将滚筒13分割成四个空间，每个隔间内部放置大量的耗能滚球21。进一步的，耗能滚球21外部和隔板22的表面均贴附一层具有吸收能量、耗能减振作用的粘弹性材料层。当主结构在外部激励下产生水平X方向振动时，滚筒13由于惯性在凹槽体10的凹槽上滚动，导致耗能滚球21、耗能滚球21与隔板22发生碰撞和摩擦。由于耗能滚球21和隔板22表面均附有粘弹性材料，进一步提高了滚筒滚球阻尼机构的耗能能力。可以通过合理的调整滚筒13的直径和耗能滚球21的数量来调整滚筒滚球阻尼机构的频率，并尽可能与主结构X 方向的振动频率相一致，达到最优的减振效果。同时，将滚筒13耗能和滚球21 耗能相结合，实现多重减振的目的。

空气弹簧2和阻尼腔17开孔处分别设有平面轴承Ⅰ7和平面轴承Ⅱ15且作密封处理。

凹槽体10的下部开孔并且还设置有导向杆12，导向杆12两端固定在磁流变阻尼装置上，即对应的壳体上；进一步的需要说明的是，导向杆12的个数可以根据需要进行选择，一般设置两个。

叶片23与阻尼腔17内壁之间留有阻尼通道，且叶片23远端切割成曲面，避免当叶片23转动时因阻尼通道宽度变窄而导致磁流变液16发生堵塞；这里所述的远端是指未与滚珠丝杆14相连的一端。该减振装置通过将空气弹簧负刚度机构并联到磁流变阻尼器正刚度机构中，并根据激励荷载形式和主结构响应状态，采用半主动控制技术实时调整空气弹簧的空气压力和磁流变液的流动特性，保证质量块发生变化时仍具有最佳的减振作用，实现正负刚度可调的智能减振目的。

该减振装置利用滚珠丝杠副结构将磁流变阻尼器活塞杆的线性运动转换为叶片的旋转运动，相比传统的传动机械有更高的联动效率。同时，主体结构的高幅值、低幅值的水平振动均可转化为叶片的高速旋转，增大了磁流变阻尼器的阻尼调节范围。

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。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，其特征在于，包括一个保护筒，在所述的保护筒内设有凹槽体、正负刚度并联阻尼机构以及滚筒滚球阻尼机构；所述的正负刚度并联阻尼机构包括两个空气弹簧和两个磁流变阻尼装置；两个空气弹簧位于凹槽体的其中两侧，两个磁流变阻尼装置位于凹槽体的另外两侧，所述的空气弹簧内部设有活动挡板，活动挡板中部连有刚性杆的一端，所述刚性杆的另一端穿过空气弹簧通过连杆和万向球铰与凹槽体连接；所述的凹槽体下部开孔并设有滚珠丝杠副，凹槽体与滚珠螺母固定连接，滚珠丝杆穿过滚珠螺母并延伸到两个磁流变阻尼装置内部；所述的磁流变阻尼装置内部的滚珠丝杆上设有多个叶片，且磁流变阻尼装置内部空间充满磁流变液；

所述的滚筒滚球阻尼机构包括滚筒、隔板和耗能滚球；所述的滚筒放置在凹槽体的凹槽中，滚筒内部中空并设有隔板，每个隔间内部放置耗能滚球。

2.如权利要求1所述的一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，其特征在于，所述的空气弹簧和阻尼腔开孔处设有平面轴承且作密封处理。

3.如权利要求1所述的一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，其特征在于，所述的凹槽体下部开孔并导向杆，导向杆两端固定在磁流变阻尼装置上。

4.如权利要求1所述的一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，其特征在于，所述的耗能滚球外部贴附一层具有吸收能量、耗能减振作用的粘弹性材料层；所述的隔板两个侧面均贴附粘弹性材料层。

5.如权利要求1所述的一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，其特征在于，所述的凹槽体两端设有封板，封板与滚筒的接触光滑。

6.如权利要求1所述的一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，其特征在于，所述的空气弹簧内部设有弹簧，弹簧两端分别固定在活动挡板和空气弹簧底板上；空气弹簧可以通过控制器调节内部气体压力。

7.如权利要求6所述的一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，其特征在于，所述的弹簧采用具有超弹性效应的智能材料形状记忆合金制作而成。

8.如权利要求1所述的一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，其特征在于，所述的磁流变阻尼装置包括一个壳体，所述的壳体内部形成阻尼腔，所述的叶片与阻尼腔内壁之间留有阻尼通道。

9.如权利要求8所述的一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，其特征在于，所述的叶片远端切割成曲面。

10.如权利要求8所述的一种半主动正负刚度并联自协调减振装置，其特征在于，所述的壳体外侧缠绕通电线圈，通电线圈外接通过控制器外接电源，实时控制磁流变阻尼装置的阻尼力。

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