CN111173878A - 一种具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，属于结构减震技术领域；包括阻尼器缸体、插电式蓄电池、速度传感器、动态控制器和电动比例伺服阀，所述插电式蓄电池用于给所述动态控制器提供电压，所述动态控制器从所述速度传感器接收速度信号后转换为电压信号，然后将电压信号传递给所述电动比例伺服阀，再通过所述电动比例伺服阀控制所述阻尼器缸体输出的阻尼力；本发明提出的新型粘滞阻尼器采用了双缸设计，活动活塞和塞轴一体组成的整体活塞在主缸内往复运动时，达到了两个阻尼器并联工作的效果。实现实时调节导流管中粘滞流体的有效流经截面积，从而改变导流管内粘滞流体的流量，进而实时自适应调节阻尼的大小。

Description

一种具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器
技术领域
本发明属于结构减震技术领域，具体涉及一种具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器。
背景技术
粘滞阻尼器是一种速度相关型阻尼器,最早应用于机械、军工、航空等领域，用于控制设备的振动与冲击。随着技术不断进步，粘滞阻尼器现逐步推广到建筑结构和桥梁等民用工程，用于耗散地震荷载、风荷载等对结构输入的能量。粘滞阻尼器主要包含阻尼系数、阻尼指数、最大阻尼力等几个技术指标。常规的粘滞阻尼器的阻尼系数为固定值，无法满足实际使用中不同工况下需要不同阻尼力的需求，阻尼力较小，为保证足够的阻尼力导致阻尼器尺寸过大，且阻尼器工作后若不处于开始工作前的平衡位置则不能复位到工作前的平衡状态。
专利201310693362.9的名称《可调式粘滞阻尼器》，在活塞杆内外杆上郡设有阻尼孔，重合的阻尼孔作为阻尼通道，并在活塞杆上设置有调节螺母，通过调节螺母调节阻尼孔道的大小，使得阻尼器产生不同阻尼力效果。但该专利无法根据设备的实时振动对阻尼力进行调整，且不能完成自复位。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，活塞在外荷载的作用下在主缸1-9内作往复运动，并不断挤压空间100-1、100-2、101-1和101-2中的粘滞流体，粘滞流体在流经阻尼孔1-13和导流管1-8时，通过速度传感器2对测点速度的实时监测并将数据传递给动态控制器3，进而动态控制器控制电动比例伺服阀1-14阀门的有效开度，进而改变粘滞流体的有效流经截面积，从而改变导流管内粘滞流体的流量，进而实现该新型粘滞阻尼器阻尼的自动调节。当该新型粘滞阻尼器停止工作且活塞不处于平衡位置时，此时高强弹簧1-2处在压缩或伸长的状态，则会为活塞复位到平衡状态提供一个额外的恢复力，以驱动活塞复位。该型阻尼器在充分发挥其耗能减震能力的同时，扩大了其使用范围并有效提高了结构的减震效果和安全性能。
本发明的技术方案是：一种具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，其特征在于：包括阻尼器缸体、插电式蓄电池、速度传感器、动态控制器和电动比例伺服阀，所述插电式蓄电池用于给所述动态控制器提供电压，所述动态控制器从所述速度传感器接收速度信号后转换为电压信号，然后将电压信号传递给所述电动比例伺服阀，再通过所述电动比例伺服阀控制所述阻尼器缸体输出的阻尼力；
所述阻尼器缸体包括副缸、主缸、左缸盖、右缸盖、活塞、导流管和高强弹簧；所述主缸为两端开口的圆筒结构，其两端开口处均设置有法兰盘，其内沿径向设置有隔板，将主缸内分为两个腔体；所述隔板上开有中心孔，其端面上相对于其中心轴对称设置有两个阻尼孔；所述左缸盖和右缸盖均为开有中心孔的圆形板状结构，分别设置于所述主缸的两端；所述副缸为一端开口的圆筒结构，其开口端设置有法兰盘；所述副缸的法兰盘、左缸盖和主缸一端的法兰盘通过多个缸体连接螺栓同轴固定连接，所述右缸盖和主缸另一端的法兰盘通过多个缸体连接螺栓同轴固定连接；所述导流管为U型管结构，其两端口分别固定于所述主缸壁面的两个通孔的孔口处，用于连通所述主缸内的两个腔体；所述电动比例伺服阀安装与所述导流管上，通过调节其阀门的开启高度，改变所述导流管内粘滞流体的有效流经截面积；
所述活塞包括活动活塞和塞轴一体，所述塞轴一体为圆柱杆，其一端沿轴向开有螺纹孔，另一端设置有连接耳座，同轴依次穿过所述右缸盖、主缸和左缸盖的中心孔；所述塞轴一体靠近所述连接耳座一端沿周向设置有环状凸台，位于所述主缸内靠近右缸盖的腔体内，作为固定活塞；所述活动活塞为开有中心通孔的圆柱体，同轴固定于所述塞轴一体的靠近所述螺纹孔一端，位于所述主缸内靠近左缸盖的腔体内；所述右缸盖、主缸和左缸盖的中心孔的孔壁上均开有环形凹槽，以及所述固定活塞的外周面和活动活塞的内、外周面上均开有环形凹槽，分别用于安装导杆密封圈和活塞密封圈，进而实现所述塞轴一体与右缸盖、主缸、左缸盖的密封连接，所述活动活塞与塞轴一体、主缸的密封连接；
所述高强弹簧的一端通过高强弹簧固定螺栓与所述副缸封闭端的内壁面固定连接，另一端通过高强弹簧固定螺栓与所述塞轴一体的螺纹孔连接。
本发明的进一步技术方案是：所述导流管的两端口与所述主缸壁面的两个通孔的孔口焊接固定。
本发明的进一步技术方案是：所述导流管与所述电动比例伺服阀通过螺纹连接。
本发明的进一步技术方案是：所述右缸盖、主缸和左缸盖的中心孔的孔壁均开有两个环形凹槽。
本发明的进一步技术方案是：所述副缸的法兰盘、左缸盖和主缸两端的法兰盘上均沿周向均布8个螺栓通孔，用于安装所述缸体连接螺栓。
本发明的进一步技术方案是：所述活动活塞为台阶圆柱体，其大径段与所述主缸内壁间隙配合，其小径段沿周向均布三个径向螺纹通孔，与所述塞轴一体上开设的螺纹通孔相对，通过三个活动活塞固定螺栓将所述活动活塞固定于所述塞轴一体上。
本发明的进一步技术方案是：所述主缸两端的法兰盘端面上均开有环形凹槽，用于安装缸体密封圈，实现所述左缸盖、右缸盖与主缸两端的法兰盘的密封连接。
本发明的进一步技术方案是：所述插电式蓄电池的输入为220V/50Hz，输出为24V/5A。
本发明的进一步技术方案是：所述速度传感器测速范围为-50mm/s～+50mm/s。
本发明的进一步技术方案是：所述动态控制器的电源输入为24V/5A，输出电压为0～5V，且内置速度v——电压V转换控制算法，能够将所述速度传感器输入的速度信号转换为0～5V区间内的电压信号并传递给所述电动比例伺服阀。
有益效果
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出的新型粘滞阻尼器具有实时自适应调节阻尼的特性，通过速度传感器实时监测测点的运动速度并传入动态控制器中完成速度(v)——电压(V)的信号转换，再将电压(V)信号输入到电动比例伺服阀中完成电压(V)——开启高度(H)的指令转换，从而实现实时调节导流管中粘滞流体的有效流经截面积，从而改变导流管内粘滞流体的流量，进而实时自适应调节阻尼的大小；
(2)本发明提出的新型粘滞阻尼器具有自复位特性，高强弹簧通过固定螺栓与塞轴一体和副缸固定连接。塞轴一体在主缸内往复运动的同时驱动高强弹簧在副缸内被往复压缩和拉伸，高强弹簧恢复时提供恢复力，从而驱使新型自适应粘滞阻尼器恢复至平衡状态；
(3)本发明在提出的新型粘滞阻尼器上设置的高强弹簧在提供额外恢复力的同时能有效减小结构的残余变形；
(4)本发明提出的新型粘滞阻尼器采用了双缸设计，活动活塞和塞轴一体组成的整体活塞在主缸内往复运动时，达到了两个阻尼器并联工作的效果。与传统粘滞阻尼器相比，增大了输出的阻尼力，减小了阻尼器的径向尺寸，节约空间；
(5)本发明采用充电——蓄电的插电式蓄电池为动态控制器供电，有效避免了因停电引起的设备停机的弊端；
(6)本发明可根据特定结构的减震需求修改动态控制器和电动比例伺服阀中的转换控制算法，进而改变速度(v)——电压(V)的转换标定值和电压(V)——开启高度(H)的转换标定值，从而有效扩大了该新型粘滞阻尼器的适用范围。
附图说明
图1是新型粘滞阻尼器——自动调节示意图；
图2是新型粘滞阻尼器——整体装配图；
图3是速度(v)——电压(V)转换标定图；
图4是电压(V)——开启高度(H)转换标定图；
图5是新型粘滞阻尼器——自动调节流程图；
附图标记说明：1-阻尼器缸体，2-速度传感器，3-动态控制器，4-插电式蓄电池；1-1-副缸，1-2-高强弹簧，1-3-高强弹簧固定螺栓,1-4-左缸盖，1-5-缸体连接螺栓，1-6-缸体密封圈，1-7-导杆密封圈，1-8-导流管，1-9-主缸，1-10-活动活塞固定螺栓，1-11-活塞密封圈，1-12-活动活塞，1-13-阻尼孔，1-14-电动比例伺服阀，1-15-塞轴一体，1-16-右缸盖，1-17-高强弹簧垫片，1-18-左耳座，1-19-右耳座，1-20-排空螺纹孔。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。
参照图1，一种具有自复位功能的新型自适应粘滞阻尼器，其组成部件包括：阻尼器缸体1、速度传感器2、动态控制器3、插电式蓄电池4、电动比例伺服阀1-14。所述速度传感器2实时监测该型阻尼器安装端点的运动速度并将测得的-50mm/s～50mm/s范围的速度信号传递给动态控制器3；所述插电式蓄电池4的输入电源为220V/50Hz，输出为24V/5A，并为动态控制器3持续供电；所述动态控制器3的输入电源为24V/5A，内置的速度(v)——电压(V)转换控制算法，能快速将-50mm/s～50mm/s范围的速度信号转换为0～5V的电压信号并传递个电动比例伺服阀；所述电动比例伺服阀1-14内置的电压(V)——开启高度(H)转换控制算法，能快速将0～5V范围的电压信号转换为0～8mm范围开启高度的调节指令，并调节阀门的开启高度H。
参照图2，所述阻尼器缸体1包括副缸1-1、高强弹簧1-2、高强弹簧固定螺栓1-3、左缸盖1-4、缸体连接螺栓1-5、缸体密封圈1-6、导杆密封圈1-7、导流管1-8、主缸1-9、活动活塞固定螺栓1-10、活塞密封圈1-11、活动活塞1-12、阻尼孔1-13、电动比例伺服阀1-14、塞轴一体1-15、右缸盖1-16、高强弹簧垫片1-17。
所述导流管1-8与主缸1-9为焊接连接，与电动比例伺服阀1-14为螺纹连接，并关闭阀门；所述主缸1-9两端均沿周向设有八个缸体连接螺栓孔，呈8*45°分布，并开有两道缸体密封槽，且槽内安装O型缸体密封圈1-6，其内沿径向设置有隔板，将主缸内分为两个腔体；所述隔板上开有中心孔，其端面上相对于其中心轴对称设置有两个阻尼孔1-13，隔板中心孔内壁设置有两道导杆密封槽。
所述左缸盖1-4和右缸盖1-16均沿周向设有八个缸体连接螺栓孔，呈8*45°分布；左缸盖1-4和右缸盖1-16的中心孔内壁均开有两道导杆密封槽，且槽内安装O型导杆密封圈1-7。
所述塞轴一体1-15左端设有一个高强弹簧固定螺栓螺纹孔、中部设有三个活动活塞固定螺栓螺纹孔呈3*120°分布、右端设有一个连接耳座，靠近连接耳座一端沿周向设置有环形凸台，所述环形凸台的外周面设置有一道活塞密封槽，活塞密封槽内安装O型活塞密封圈1-11；所述塞轴一体1-15的左端从主缸1-9的左端穿入直至与主缸1-9内缸壁贴合，再将主缸1-9的左端竖直朝下，向空间101-2内注入二甲基硅油至液面与主缸1-9右端面平齐，再将右缸盖1-16从塞轴一体1-15的右端套入并与主缸1-9的右端面贴合，最后用缸体连接螺栓将二者固定连接，并保证密封效果。
所述活动活塞1-12内环面上设有一道导杆密封槽且槽内安装O型导杆密封圈1-7、外周面上设有一道活塞密封槽且槽内安装O型活塞密封圈1-11，还设置有一个排空螺纹孔和三个活动活塞固定螺纹孔呈3*120°分布。将所述主缸1-9的右端面竖直向下，向空间101-2和101-1内注入二甲基硅油直至液面与塞轴一体1-15上的三个活动活塞固定螺栓孔平齐，再将活动活塞1-12从塞轴一体1-15的左端套入直至与液面贴合并排空，再用活动活塞固定螺栓将活动活塞1-12和塞轴一体1-15固定连接，最后用排空孔密封螺栓密封排空螺纹孔1-20。
在将主缸1-9的右端竖直朝下的基础上，打开阀门，向空间100-1内注入二甲基硅油直至液面与主缸1-9的左端面平齐，再将左缸盖1-4从塞轴一体1-15的左端套入直至与主缸1-9的左端面贴合，再用两个缸体连接螺栓对称分布将右缸盖1-4和主缸1-9固定连接。
所述副缸1-1封闭端外端面上设有左耳座1-18，内端面开有高强弹簧固定螺栓螺纹孔，其开口端的法兰盘沿周向均布六个缸体连接螺栓孔，呈8*45°分布；所述高强弹簧1-2的左、右两端上均设有一个高强弹簧固定螺栓孔。
所述高强弹簧1-2的左端与副缸1-1通过高强弹簧固定螺栓固定连接；然后将左耳座1-18和右耳座1-19的侧平面旋转到同一个平面；再将高强弹簧1-2的右端与塞轴一体1-15的左端通过高强弹簧固定螺栓固定连接；最后，再用六个缸体连接螺栓将副缸1-1、左缸盖1-4和主缸1-9进行固定连接。至此，完成了新型粘滞阻尼器1的整体装配。
参照图1，首先将插电式蓄电池4的电源线接入220V/50Hz电源；其次，待插电式蓄电池4的输出稳定后，将其输出端接入动态控制器3的电源输入端；然后，将速度传感器2的输出端接入动态控制器3的信号输入端，再将动态控制器3的信号输出端接入电动比例伺服阀1-14的输入端。再者，在本实施例中，对于单输入——单输出情形，利用动态控制器3安装在PC端的配套软件通过其USB接口对其内置的速度(v)——电压(V)转换控制算法参照图3进行标定；最后，利用电动比例伺服阀1-14安装在PC端的配套软件通过其USB接口对其内置的电压(V)——开启高度(H)转换控制算法参照图4进行标定。
进一步，电动比例伺服阀1-14的阀门开启高度(H)与阀门有效通径D和阀门有效流经面积(S)具有如下关系：
Figure BDA0002377824190000071
进一步，将该新型粘滞阻尼器整体安装在结构需要进行减震控制的部位，并将速度传感器安装在需要监控的测点(可安装在阻尼器安装测点或非阻尼器安装测点上)，再根据结构的减震需求标定动态控制器4和电动比例伺服阀中1-14内置的转换控制算法即可。
参照图5，具有自复位功能的新型自适应粘滞阻尼器阻尼的自动调节和自复位功能的实现包括以下步骤：
(1)速度传感器2实时监测该新型粘滞阻尼器安装测点的运动速度，并把测得的实时速度信号传递给动态控制器3；
(2)动态控制器3在插电式蓄电池4提供电力的基础上，将接受到的速度信号转换成与速度信号对应的电压信号并传递给电动比例伺服阀1-14；
(3)电动比例伺服阀1-14将接受到的电压信号转换为调节阀门有效开启开度的指令，并调节阀门的有效开启高度，以改变导流管1-8内粘滞流体的有效流经截面积，从而改变导流管内粘滞流体的流量，进而改变新型粘滞阻尼器输出的阻尼力，从而实现阻尼的自动调节。
(4)在上述(1)～(3)的调节过程中，活动活塞1-12和塞轴一体1-15组成的整体活塞在主缸1-9内往复运动的同时驱动高强弹簧1-2在副缸1-1内被往复压缩和拉伸，高强弹簧1-2恢复时提供恢复力，从而实现新型粘滞阻尼器的自复位。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，其特征在于：包括阻尼器缸体、插电式蓄电池、速度传感器、动态控制器和电动比例伺服阀，所述插电式蓄电池用于给所述动态控制器提供电压，所述动态控制器从所述速度传感器接收速度信号后转换为电压信号，然后将电压信号传递给所述电动比例伺服阀，再通过所述电动比例伺服阀控制所述阻尼器缸体输出的阻尼力；
所述阻尼器缸体包括副缸、主缸、左缸盖、右缸盖、活塞、导流管和高强弹簧；所述主缸为两端开口的圆筒结构，其两端开口处均设置有法兰盘，其内沿径向设置有隔板，将主缸内分为两个腔体；所述隔板上开有中心孔，其端面上相对于其中心轴对称设置有两个阻尼孔；所述左缸盖和右缸盖均为开有中心孔的圆形板状结构，分别设置于所述主缸的两端；所述副缸为一端开口的圆筒结构，其开口端设置有法兰盘；所述副缸的法兰盘、左缸盖和主缸一端的法兰盘通过多个缸体连接螺栓同轴固定连接，所述右缸盖和主缸另一端的法兰盘通过多个缸体连接螺栓同轴固定连接；所述导流管为U型管结构，其两端口分别固定于所述主缸壁面的两个通孔的孔口处，用于连通所述主缸内的两个腔体；所述电动比例伺服阀安装与所述导流管上，通过调节其阀门的开启高度，改变所述导流管内粘滞流体的有效流经截面积；
所述活塞包括活动活塞和塞轴一体，所述塞轴一体为圆柱杆，其一端沿轴向开有螺纹孔，另一端设置有连接耳座，同轴依次穿过所述右缸盖、主缸和左缸盖的中心孔；所述塞轴一体靠近所述连接耳座一端沿周向设置有环状凸台，位于所述主缸内靠近右缸盖的腔体内，作为固定活塞；所述活动活塞为开有中心通孔的圆柱体，同轴固定于所述塞轴一体的靠近所述螺纹孔一端，位于所述主缸内靠近左缸盖的腔体内；所述右缸盖、主缸和左缸盖的中心孔的孔壁上均开有环形凹槽，以及所述固定活塞的外周面和活动活塞的内、外周面上均开有环形凹槽，分别用于安装导杆密封圈和活塞密封圈，进而实现所述塞轴一体与右缸盖、主缸、左缸盖的密封连接，所述活动活塞与塞轴一体、主缸的密封连接；
所述高强弹簧的一端通过高强弹簧固定螺栓与所述副缸封闭端的内壁面固定连接，另一端通过高强弹簧固定螺栓与所述塞轴一体的螺纹孔连接。
2.根据权利要求1所述具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，其特征在于：所述导流管的两端口与所述主缸壁面的两个通孔的孔口焊接固定。
3.根据权利要求1所述具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，其特征在于：所述导流管与所述电动比例伺服阀通过螺纹连接。
4.根据权利要求1所述具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，其特征在于：所述右缸盖、主缸和左缸盖的中心孔的孔壁均开有两个环形凹槽。
5.根据权利要求1所述具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，其特征在于：所述副缸的法兰盘、左缸盖和主缸两端的法兰盘上均沿周向均布8个螺栓通孔，用于安装所述缸体连接螺栓。
6.根据权利要求1所述具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，其特征在于：所述活动活塞为台阶圆柱体，其大径段与所述主缸内壁间隙配合，其小径段沿周向均布三个径向螺纹通孔，与所述塞轴一体上开设的螺纹通孔相对，通过三个活动活塞固定螺栓将所述活动活塞固定于所述塞轴一体上。
7.根据权利要求1所述具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，其特征在于：所述主缸两端的法兰盘端面上均开有环形凹槽，用于安装缸体密封圈，实现所述左缸盖、右缸盖与主缸两端的法兰盘的密封连接。
8.根据权利要求1所述具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，其特征在于：所述插电式蓄电池的输入为220V/50Hz，输出为24V/5A。
9.根据权利要求1所述具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，其特征在于：所述速度传感器测速范围为-50mm/s～+50mm/s。
10.根据权利要求1所述具有自复位功能的自适应粘滞阻尼器，其特征在于：所述动态控制器的电源输入为24V/5A，输出电压为0～5V，且内置速度v——电压V转换控制算法，能够将所述速度传感器输入的速度信号转换为0～5V区间内的电压信号并传递给所述电动比例伺服阀。
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