CN111236460A - 一种多维自供电式磁流变减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维自供电式磁流变减振装置，包括外部限位箱，衔接部和内部耗能桶三部分；内部耗能桶又包括外套筒和内旋转轮，外套筒固定在整个耗能桶外壁上。内旋转轮由第一滚轴，金属圆管，中空环形桶三部分焊接而成，在第一滚轴上从左到右焊接四组，每组四根金属圆管，左右每两组圆管端部焊接一中空环形桶。两环形桶中间设置两个不同磁极的磁体，两磁体中间设置一金属环形盘，在金属环形盘左右两侧对称设置电能提取与存储单元和控制器，从控制器引出励磁线圈缠绕金属圆管上。所述衔接部由弹簧，螺旋丝杆，齿轨组成，一端连接内部耗能桶，一端连接滑块，滑块可在外部限位箱箱壁内嵌轨道内滑动。外部限位箱固定在结构物上。

Description

一种多维自供电式磁流变减振装置

技术领域

本发明属于土木工程专业的结构耗能减振领域，具体涉及一种多维自供电式磁流变减振装置。

背景

自然灾害一直以来都不是人为可控的，人们只是在能力所及范围内对不可控的灾害进行降级，通过各种有效措施使因灾害而造成的破坏降到最低，建筑结构在自然灾害比如地震，飓风等的作用下发生振动，如不对结构振动采取一定的减振措施，人们的生命财产安全将会受到威胁，给国家及社会稳定发展带来严重影响。传统的抗震设计是利用结构本身的抗震性能抵御地震作用，以达到抗震的目的，这是一种“硬碰硬”的方式，是消极被动的抗震方法，耗能减振技术作为一种被动控制措施，是在结构物某些部位(如支撑，剪力墙，节点，连接缝或连接件，楼层空间，相邻建筑间，主附结构间等)设置耗能装置(或元件)，通过耗能装置产生摩擦，弯曲(或剪切，扭转)弹塑性(或粘弹性)滞回变形耗能来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减小主体结构的地震反应，从而保证主体结构的安全。

发明人发现调谐质量阻尼器是比较常用的耗能减震装置，但其要取得良好的减振效果需要质量体有较大的重量，如将整个减震装置置于建筑物顶端，其必将加重整个建筑物的负担，传统的摩擦耗能减震装置摩擦段小，方向单一，复位能力弱，尚具有一定的不足。

发明内容

基于目前的研究现状，本发明提供了一种多维自供电式磁流变减振装置。将地震作用下的水平运动转化为旋转运动，增加其耗能距离，旨在减小地震作用时结构各方向的振动效应，实现缓冲能量、吸收能量、消耗能量的功能，最终达到抑制振动的目的；

本发明采用下述技术方案：

本发明提出的一种多维自供电式磁流变减振装置，该装置包括外部限位箱，衔接部和内部耗能桶三部分；

所述的内部耗能桶与外部限位箱之间通过衔接部相连，且内部耗能桶可沿外部限位箱箱壁内嵌轨道前后、左右滑动；

所述内部耗能桶包括外套筒和内旋转轮，所述的外套筒为一个两端封闭的环形筒，所述的内旋转轮由一个第一滚轴、多个金属圆管和两个中空环形桶组成，两个中空环形桶并列设置，且均与外套筒同轴，每个中空环形桶内端通过一个环形金属片固定在外套筒内壁上；两个环形金属片上设有不同极性的磁铁，在不同极性的磁铁之间设置金属环形盘，金属环形盘固定在第一滚轴上，在金属环形盘侧设有电能提取与存储单元以及控制器；

所述第一滚轴与中空环形桶同轴设置，且第一滚轴两端穿过外套筒；沿第一滚轴上的轴向和圆周方向均设有多根金属圆管，金属圆管位于中空环形桶内，从所述控制器外引出励磁线圈缠绕金属圆管上。

作为进一步的技术方案，所述衔接部包括横向衔接部和纵向衔接部；所述的横向衔接部为左右两部分，左端部分为两根形状记忆合金弹簧，弹簧一端连接内部耗能桶，另外一端连接滑块，滑块可在外部限位箱箱壁内嵌轨道上纵向滑动；右端部分为螺旋丝杆，丝头与第一滚轴为一体，螺母连接一滑块，滑块可在外部限位箱箱壁内嵌轨道上纵向滑动。

纵向衔接部包括左、右两个齿轨，两个齿轨与第二滚轴上的齿轮啮合，第二滚轴外套在第一滚轴上，且第二滚轴上沿圆周固定多个叶片，左、右两齿轨两端都分别连接同一滑块，该滑块可在外部限位箱箱壁内嵌轨道上横向滑动。

进一步的技术方案为：所述的纵向衔接部还包括两根形状记忆合金弹簧，弹簧一端连接内部耗能桶，另外一端连接滑块，滑块可在外部限位箱箱壁内嵌轨道上横向滑动。

进一步的技术方案为：本发明各部分除特别注明外均为不锈钢材料，防腐蚀且具有一定质量。

进一步的技术方案为：衔接部与外部限位箱的轨道连接处涂上润滑油，保持二者间有足够大的光滑度，很容易发生相对运动。

进一步的技术方案为：所述金属圆管，中空环形桶均为薄壁构件，整个内部耗能桶在左右运动时，第一滚轴能带动金属圆管和中空环形桶发生旋转。

进一步的技术方案为：所述磁体与金属圆盘发生相对旋转运动，产生感应电流，通过电能感应与收集装置进行电能的收集和储存，再通过控制器将电能外放到励磁线圈中。

进一步的技术方案为：励磁线圈依次缠绕在16根金属圆管上，金属圆管内充入磁流变液体，金属圆管内置一个可以上下运动的方形质量体，质量体与管壁间留有一定间隙，保证其能在圆管中往复运动。

进一步的技术方案为：所述中空环形桶内沿圆周等距焊接8个隔板，隔板将环形桶分割成8个扇环形空间，在每个空间里放入4个空心球，空心球外包碰撞吸能材料，如弹性橡胶、碳纤维复合材料等。

进一步的技术方案为：所述中空环形桶的一端在桶壁上沿圆周固定8个挡片，挡片与环形桶连接的一端为弹性橡胶，另一端为金属橡胶(DCLAN材料)，金属橡胶在无外力作用时呈现柔软状态，在发生撞击时能瞬间变硬并吸收大量能量。

进一步的技术方案为：所述中空环形桶的外壁及侧壁上，外套筒的内壁上均覆有一层粘弹性材料，在第一滚轴带动金属圆管和中空环形桶旋转时，中空环形桶与外套筒之间发生相对旋转运动，通过增大摩擦力来加速耗能。

进一步的技术方案为：所述的外套筒内装有一环形质量体，质量体沿圆周等距设置12个贯通圆孔，质量体左右两侧等距设置六根弹簧，另一端与耗能桶壁相连，外套筒内充满磁流变液体。

进一步的技术方案为：所述的第二滚轴上连接的叶片为形状记忆合金材料，在第二滚轴连同叶片一起旋转时，叶片端部与中空环形桶上的挡片发生碰撞，吸收大量能量

进一步的技术方案为：所述的弹簧由具有良好变形恢复能力的形状记忆合金材料制成。当内部耗能桶不再发生前后左右运动时，由于弹簧的变形恢复能力，耗能减振结构恢复原位。

进一步的技术方案为：齿轨底部设置有卡槽，通过卡槽限制齿轨与内部耗能桶的横向相对运动，卡槽上涂上一层润滑油。

进一步的技术方案为：内部耗能桶底端的四个角上安装上球形滚轮，保证内部耗能桶能在水平面内的各个方向运动。

具体的，本发明的工作原理如下：

结构在风、地震等外力作用下发生振动时，该装置的内部耗能桶通过衔接部进行前后左右的往复运动，横向是通过滚珠丝杆将横向水平运动转化为旋转运动，通过摩擦，颗粒小球，阻尼液体等方式耗散能力。纵向是通过齿轨与齿轮的啮合将纵向水平运动转化为旋转运动，通过碰撞耗散能力。此外利用电涡流发电，通过电能提取与存储单元储存电能，再通过控制器将电流导出到励磁线圈中，励磁线圈缠绕在装有磁流变液的金属圆管上，其通过第一滚轴转动速度的大小来改变磁场强弱，即转速越快，质量体所受的阻尼力越大。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用滚珠丝杆和齿轨分别将振动体的横向和纵向运动转化为旋转运动，即使在水平运动较小的情况下，也能得到较大的旋转位移，从而增强了耗能响应，达到更好的减震耗能效果。

(2)本发明中将横向与纵向水平运动转化为旋转的方式互不影响，解决了了将横向和纵向水平运动转化为同一物体的旋转运动而造成的相互抵制效果，能最大程度的消耗建筑体传来的能量。

(3)本发明中金属圆管在一个面内呈九十度设置四根，每根圆管内都充满磁流变液体，圆管外缠绕励磁线圈，圆管内的质量体在圆管内往复运动耗能，四根圆管朝向不同方向，此外外套筒内的质量体以及中空环形桶内的小球能水平运动，因此实现了整个装置在水平、竖向与斜向的多方向耗能。

(4)本发明将装置自身运动机械能转化成电能，通过电能收集装置进行收集，再通过控制器导出到励磁线圈中，励磁线圈缠绕在装有磁流变液的金属圆管上，通过改变磁流变液刚度来改变阻尼力的大小，实现了半主动控制效果和能源的合理利用。

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为一种多维自供电式磁流变减振装置俯视图。

图2为一种多维自供电式磁流变减振装置内部耗能桶部分俯视图。

图3为一种多维自供电式磁流变减振装置内部耗能桶剖面图。

图4为一种多维自供电式磁流变减振装置外观正视图。

图5为一种多维自供电式磁流变减振装置外观侧视图。

图中：1为控制器，2为环形质量体，3为金属圆管，4为电能提取与存储单元，5为磁流变液，6为磁体，7为金属环形盘，8为中空环形桶，9为叶片，10形状记忆合金弹簧，11为齿轨，12为螺旋丝杆，13为第一滚轴，14为齿轮，15为金属滚球，16为滑块，17为滚珠螺母，18为外部限位箱，19为挡片，20为方形质量体，21为第二滚轴，22为励磁线圈，23为粘弹性材料，24为隔板，25为圆孔,26为卡槽，27为球形滚轮。

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，本文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，除非上下文另外明确指出，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。

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施方式。

本发明具体结构如下：

本发明提出的一种多维自供电式磁流变减振装置如图1所示。该装置由外部限位箱、衔接部和内部耗能桶三部分组成。

其中，外部箱体的形状如图4所示，其为一个顶部敞口的矩形箱体结构。内部耗能桶放置在外部箱体内，通过衔接部与外部箱体相连。

内部耗能桶包括外套筒和内旋转轮，衔接部由横向和纵向两部分共同组成。

内部耗能桶结构如图2所示，由外套筒和内旋转轮两部分组成，整个桶体两端封闭，第一滚轴13由两端穿出，外套筒包裹着内旋转轮，内旋转轮由一个第一滚轴13，多个金属圆管3，两个中空环形桶8三者焊接而成。在外套筒的底部设有球形滚轮，球形滚轮可以沿着外部限位箱的底部滚动。

此外，如图3所示，外套筒为一个两端封闭的圆柱形的环形桶，其包括内层外层，一共两层，其轴线方向如图1所示，为水平方向，且在外层和内层形成的环形腔内充入粘滞阻尼液；在外层和内层内放置一环形质量体2，环形质量体2与环形筒同轴设置；且质量体上沿圆周设置12个贯通圆孔25，用于磁流变液的流动，环形质量体两侧沿其圆周方向各布置6根弹簧10，一共是12根弹簧；弹簧10的一端与环形质量体2相连，另一端与外套筒的桶壁相连，且在外层和内层形成的环形腔内充入粘滞阻尼液。当然不难理解的，弹簧10的数量不限于本实施例中的12根，具体数量可以根据实际需要进行设置。

在外套筒内设有两个与其同轴的中空环形桶，两个中空环形桶沿着外套筒的轴线方向依次设置，两个中空环形筒之间预留有间隙，中空环形筒为一个封闭结构；且每个中空环形桶内沿圆周布置8个隔板24，将环形桶分成8个空间，每个空间里放置4个空心金属滚球15，滚球外包裹一层碰撞吸能材料。

当然不难理解的，隔板24与空心金属滚球15的数量不限于本实施例中的8个和4个，具体数量可以根据实际需要进行设置。

在外套筒的中心轴线位置设置第一滚轴，第一滚轴的两端穿过外套筒，且第一滚轴通过多个金属圆管3与中空环形桶的内层相连，在第一滚轴的轴线方向上，多个弹性装置均匀设置，在第一滚轴的圆周方向上，多个弹性装置也均匀设置；例如在图1中，沿着第一滚轴的轴线方向上，设置四列弹性装置，每一列包括四个弹性装置，四个弹性装置沿第一滚轴的圆周方向均匀设置；在金属圆管3内放置一方形质量体20，质量体20的两端各连接一个弹簧，弹簧的一端与质量块相连，弹簧的另一端连接到中空环形桶的内层壁上，且在金属圆管内充满磁流变液5。

两个中空环形筒的内端各通过一个圆环形金属薄片焊接到外套筒上，在两金属薄片上粘有不同磁极的磁体6，两磁体6中间设置一金属环形盘7，金属环形盘7焊接到第一滚轴13上，在金属环形盘7左、右两侧(见图1)对称设置电能提取与存储单元4和控制器1。从控制器引出励磁线圈22缠绕金属圆管3上。外套筒与中空环形桶8的接触处布置粘弹性材料23，以增大摩擦。

所述衔接部可分为横向和纵向，横向衔接部又分左右两部分(以图1的方位参考)，如图1、图4所示，左端部分为两根形状记忆合金弹簧10，一端连接内部耗能桶，一端连接滑块16，滑块可在外部限位箱18箱壁内嵌轨道上前后滑动。右端部分为螺旋丝杆12，丝头与第一滚轴13连为一体，滚珠螺母17连接一滑块16，滑块可在外部限位箱箱壁内嵌轨道上前后滑动(以图1的方位参考)。

纵向衔接部为左右两个齿轨11，齿轨与第二滚轴21安装的齿轮14啮合，第二滚轴外套在第一滚轴上，且第二滚轴上沿圆周还固定有6个叶片9，叶片9位于齿轮14的内侧，且左右两齿轨两端各连接有一个滑块，滑块可在外部限位箱箱壁内嵌轨道上左右滑动(以图1的方位参考)。外部限位箱18固定在结构物上。

且纵向衔接部还包括在图1中前后设置的弹簧，一端连接内部耗能桶，一端连接滑块，滑块可在外部限位箱箱壁内嵌轨道上左右滑动。上述第二滚轴21上安装的叶片个数在本实施例中是6片，不难理解的，在其他实施例中叶片的个数还可以是5片、4片、7片等，具体个数需要根据实际情况进行设定。进一步的，衔接部与外部限位箱18的轨道连接处，齿轨11底部的卡槽26上均涂上一层润滑油，保持相对之间有足够大的光滑度，很容易发生相对运动。

进一步的，所述金属圆管3，中空环形桶8均为薄壁构件，整个内部耗能桶在左右运动时，第一滚轴13能带动金属圆管3和中空环形桶8发生旋转。

进一步的，所述磁体6与金属环形盘7发生相对旋转运动，产生感应电流，通过电能感应与收集装置4进行电能的收集和储存，再通过控制器将电能外放到励磁线圈22中。励磁线圈依次缠绕在16根金属圆管上，金属圆管内充入磁流变液体5，金属圆管内置一个可以上下运动的方形质量体20，质量体与管壁间留有一定间隙，保证其能在圆管中往复运动。

进一步的，所述中空环形桶8的一端在桶壁上沿圆周固定8个挡片19，挡片与环形桶连接的一端为弹性橡胶，另一端为金属橡胶(DCLAN材料)，金属橡胶在无外力作用时呈现柔软状态，在发生撞击时能瞬间变硬并吸收大量能量。

进一步的，所述的第二滚轴21上连接的叶片为形状记忆合金材料，在第二滚轴连同叶片一起旋转时，叶片端部与中空环形桶上的挡片发生碰撞，吸收大量能量

进一步的，所述的弹簧10由具有良好变形恢复能力的形状记忆合金材料制成，其具有良好的自复位能力。

进一步的，齿轨底部设置有卡槽26，通过卡槽限制齿轨11与内部耗能桶的横向相对运动，卡槽上涂上一层润滑油。

具体的工作过程如下：

将该多向复合阻尼耗能减振装置安装在高层建筑物的顶部，在环境荷载激励作用下，整个结构发生横向、纵向等多方向的振动。外部限位箱18固定在结构物上，随着建筑物一起振动，内部耗能桶相当于一个质量体，其在建筑物振动时有保持自身静止的惯性，通过衔接部所连接的滑块16与外部限位箱的轨道，内部耗能桶能发生横向和纵向的水平移动，因此内部耗能桶与外部限位箱之间就发生了相对运动。外部能量由外部限位箱和衔接部传递给内部耗能桶，当结构发生横向水平运动时，衔接部的螺旋丝杆12将水平运动转化为旋转运动，第一滚轴13带动金属圆管3和中空环形桶8一起旋转，环形桶中的金属滚球15发生碰撞耗散能量，金属圆管中的方形质量体20在圆管往返运动，通过励磁线圈22调节阻尼液5刚度，实现半主动控制来最大化的消耗振动能量，中空环形桶与外套筒之间的粘弹性材料23增大了二者之间的摩擦力，实现摩擦耗能，此外环形质量体在阻尼液中左右运动也实现了能量的快速耗散。当结构发生纵向水平运动时，内部耗能桶在齿轨11上前后晃动，齿轨与第二滚轴21上的齿轮14啮合，带动第二滚轴以及与其相连的叶片9一起旋转，叶片与固结在中空环形桶上的挡片19发生碰撞消耗能量。此外，金属圆管随着第一滚轴旋转到不同方向，其覆盖到一个面内的360度角，故金属圆管内的方形质量体20能实现全方位的运动耗能。

该耗能减振装置利用滚珠丝杆和齿轨分别将振动体的横向和纵向运动转化为旋转运动，即使在水平运动较小的情况下，也能得到较大的旋转位移，从而增强了耗能响应，达到更好的减震耗能效果。

该耗能减振装置中将横向与纵向水平运动转化为旋转的方式互不影响，解决了了将横向和纵向水平运动转化为同一物体的旋转运动而造成的相互抵制效果，能最大程度的消耗建筑体传来的能量。

该耗能减振装置中金属圆管在一个面内呈九十度设置四根，每根圆管内都充满磁流变液体，圆管外缠绕励磁线圈，圆管内的质量体在圆管内往复运动耗能，四根圆管朝向不同方向，此外外套筒内的质量体以及中空环形桶内的小球能水平运动，因此实现了整个装置在水平、竖向与斜向的多方向耗能。

该耗能减振装置将装置自身运动机械能转化成电能，通过电能收集装置进行收集，再通过控制器导出到励磁线圈中，励磁线圈缠绕在装有磁流变液的金属圆管上，通过改变磁流变液刚度来改变阻尼力的大小，实现了半主动控制效果和能源的合理利用。

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 (10)

1.一种多维自供电式磁流变减振装置，其特征在于，包括外部限位箱，衔接部和内部耗能桶三部分；所述的内部耗能桶与外部限位箱之间通过衔接部相连，且内部耗能桶可沿外部限位箱箱壁内嵌轨道前后、左右滑动；

所述内部耗能桶包括外套筒和内旋转轮，所述的外套筒为一个两端封闭的环形筒，所述的内旋转轮由一个第一滚轴、多个金属圆管和两个中空环形桶组成，两个中空环形桶并列设置，且均与外套筒同轴，每个中空环形桶内端通过一个环形金属片固定在外套筒内壁上；两个环形金属片上设有不同极性的磁铁，在不同极性的磁铁之间设置金属环形盘，金属环形盘固定在第一滚轴上，在金属环形盘侧设有电能提取与存储单元以及控制器；

所述第一滚轴与中空环形桶同轴设置，且第一滚轴两端穿过外套筒；沿第一滚轴上的轴向和圆周方向均设有多根金属圆管，金属圆管位于中空环形桶内，从所述控制器外引出励磁线圈缠绕金属圆管上。

2.如权利要求1所述的一种多维自供电式磁流变减振装置，其特征在于，

所述衔接部包括横向衔接部和纵向衔接部；所述的横向衔接部为左右两部分，左部分为两根形状记忆合金弹簧，弹簧一端连接内部耗能桶，另外一端连接滑块，滑块可在外部限位箱箱壁内嵌轨道上纵向滑动；右端部分为螺旋丝杆，丝头与第一滚轴为一体，螺母连接一滑块，滑块可在外部限位箱箱壁内嵌轨道上纵向滑动。

纵向衔接部包括左、右两个齿轨，两个齿轨与第二滚轴上的齿轮啮合，第二滚轴外套在第一滚轴上，且第二滚轴上沿圆周固定多个叶片，左、右两齿轨两端都分别连接同一滑块，该滑块可在外部限位箱箱壁内嵌轨道上横向滑动。

3.如权利要求2所述的一种多维自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述的纵向衔接部还包括两根形状记忆合金弹簧，弹簧一端连接内部耗能桶，另外一端连接滑块，滑块可在外部限位箱箱壁内嵌轨道上横向滑动。

4.如权利要求1所述的一种多维自供电式磁流变减振装置，其特征在于，励磁线圈依次缠绕在金属圆管上，在金属圆管内充入磁流变液体，金属圆管内置一个可以沿金属圆管轴向方向运动的方形质量体，方形质量体与管壁间留有一定间隙，且方形质量体通过弹簧与中空环形桶、第一滚轴相连。

5.如权利要求1所述的一种多维自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述中空环形桶内沿圆周等距焊接多块隔板，隔板将环形桶分割成多个空间，在每个空间里放入多个空心球，空心球外包碰撞吸能材料。

6.如权利要求1所述的一种多维自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述中空环形桶的一端在桶壁上沿圆周固定多个挡片，挡片与环形桶连接的一端为弹性橡胶，另一端为金属橡胶。

7.如权利要求1所述的一种多维自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述中空环形桶的外壁及侧壁上、外套筒的内壁上均覆有一层粘弹性材料。

8.如权利要求1所述的一种多维自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述的外套筒内装有一环形质量体，质量体与外套筒同轴设置，沿着质量体的圆周方向等距设置多个贯通圆孔，质量体左右两侧等距设置多根弹簧，弹簧的一端连接在环形质量体上，另一端与外套筒的侧壁相连，外套筒内充满磁流变液体。

9.如权利要求1所述的一种多维自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述的齿轨底部设置有卡槽，通过卡槽限制齿轨与内部耗能桶的横向相对运动，卡槽上涂上一层润滑油。

10.如权利要求1所述的一种多维自供电式磁流变减振装置，其特征在于，内部耗能桶底端的四个角上安装上球形滚轮。

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