CN111305409A - 一种自适应多维多级减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应多维多级减振装置，弥补传统单一方法控制的缺陷，将被动控制和半主动控制有机结合在一起形成多级控制，既可以弥补被动控制在强度和频带宽度方面的局限性，又能够确保控制的自适应性和可调节性，在节约能量输入的前提下达到良好的减振控制效果。其技术方案为：包括工作箱，所述工作箱顶部安装滑动机构，且滑动机构能够沿工作箱移动；所述滑动机构通过置于工作箱内部的伸缩柱连接惯性质量体；滑动机构下方设有内挑板，所述内挑板底部连接若干压簧；工作箱侧壁低于内挑板位置铺设压电陶瓷；所述工作箱具有多个倾斜面，所述倾斜面安装多层能够相对其转动的D形滚杠；在外力作用下，惯性质量体能够沿D形滚杠移动。

Description

一种自适应多维多级减振装置

技术领域

本发明涉及高耸和大跨结构的振动控制领域，尤其涉及一种自适应多维多级减振装置。

背景技术

在传统的土木工程中，通常通过优化设计提高结构性能，依靠结构自身的耗能能力吸收外界环境荷载的能量。但随着城市人口集中、用地紧张和现代化社会的发展，高耸和大跨结构发展迅速，这些结构通常具有柔性高、质量大等特点，通过结构自身抵抗外界动力荷载较难满足结构安全性和舒适度的要求。而振动控制技术可以有效增加结构的能量耗散，从而改善结构在环境荷载作用下的适用性，近年来得到了广泛关注。

发明人发现，目前对土木工程结构通常采用单一方法控制振动，常用的控制方法有被动控制、半主动控制和主动控制等。被动控制在多种控制方法中由于无需外界能量输入、稳定性较高等特点，已在很多实际应用中取得了良好的控制效果。半主动控制是通过借助少量能量调节作动器，通过改变振动体系的刚度、阻尼等特性实施反馈进行控制。主动控制对结构高频和低频振动均有很强的控制能力，但由于对外部能量输入要求过高，不易实现。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种自适应多维多级减振装置，该装置将被动控制和半主动控制有机结合在一起形成多级控制，既可以弥补被动控制在强度和频带宽度方面的局限性，又能够确保控制的自适应性和可调节性，在节约能量输入的前提下达到良好的减振控制效果。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种自适应多维多级减振装置，其特征在于，包括工作箱，所述工作箱顶部安装滑动机构，且滑动机构能够沿工作箱移动；所述滑动机构通过置于工作箱内部的伸缩柱连接惯性质量体；

滑动机构下方设有内挑板，所述内挑板底部连接若干压簧；工作箱侧壁低于内挑板位置铺设压电陶瓷；所述工作箱具有多个倾斜面，所述倾斜面安装多层能够相对其转动的D形滚杠；在外力作用下，惯性质量体能够沿D形滚杠移动。

作为进一步的实现方式，所述滑动机构包括滑动梁和滑动块，所述滑动块卡合于滑动梁外侧并与伸缩柱相连；所述滑动梁的两端分别与位于内挑板上方的滑动槽滑动连接。

作为进一步的实现方式，所述惯性质量体包括保护箱，保护箱内部设有托板，托板侧面与保护箱侧壁之间设置配重块；所述托板上方放置若干金属球，托板下方与保护箱之间通过多个复位弹簧相连。所述配重块与保护箱、托板相围绕共同形成碰撞腔，所述碰撞腔铺设粘弹性材料。

作为进一步的实现方式，所述D形滚杠包括外壳和设置于外壳内部的多个线圈基柱，所述线圈基柱两侧对称设置配重条。

本发明实施例的工作原理如下：

在外部环境荷载作用下，惯性质量体由于惯性在工作箱底面发生沿任意水平方向的初始运动，带动伸缩柱和滑动梁一起运动。伸缩杆与滑动梁的联合作用能够保证惯性质量体不发生倾斜。

当惯性质量体运动范围超过工作箱底面时，惯性质量体推动底层D形滚杠转动，此时被转动的D形滚杠侧面与惯性质量体的斜侧面贴合，惯性质量体在水平方向的平动转变为沿摩擦角方向的上行运动。

当惯性质量体继续向上运动至其斜侧壁离开下层的D形滚杠时，下层的D形滚杠在自身重力作用下恢复至原始状态。当惯性质量体上升过程中动能减小为零或与压电陶瓷碰撞后，惯性质量体沿着摩擦角方向开始进行下行运动。此时惯性质量体底部棱角推动其下部的D形滚杠转动，使D形滚杠的顶面与保护箱斜侧壁贴合。

当惯性质量体继续向下运动至保护箱的斜侧壁离开上层D形滚杠时，上层的D形滚杠在自身重力作用下恢复至原始状态。与此同时，若受控结构产生竖直方向的振动，惯性质量体内碰撞腔中的钢球跳动，与碰撞腔内表面的粘弹性材料相撞，其动能转化为内能耗散。

本发明实施例对受控结构的分级减振通过下述方法实现：

一级控制：当受控结构振动幅度较小时，惯性质量体所具有的动能不足以使其与压电陶瓷碰撞，此时耗能通过自适应摩擦实现被动控制。惯性质量体上行时与D形滚杠侧壁摩擦系数较小的材料贴合，保证惯性质量体的上行幅度；惯性质量体下行时与D形滚杠顶部摩擦系数较大的材料贴合，保证惯性质量体的下行耗能。

二级控制：当受控结构振动幅度较大时，惯性质量体所具有的动能较大，上行至最大高度并与压电陶瓷产生碰撞，开启电磁控制，此时耗能通过自适应摩擦和电磁实现被动控制与半主动控制结合的混合控制。惯性质量体上行时与紧贴的D形滚杠中磁场方向平行，保证惯性质量体的上行幅度；惯性质量体下行时与紧贴的D形滚杠中磁场方向垂直，保证惯性质量体的下行耗能。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式将被动控制和半主动控制两种方法有机结合在一起形成多级控制，既可以弥补被动控制在强度和频带宽度方面的局限性，又能够确保控制的可调节性，降低能量输入，实现振动的多级控制；

(2)本发明的一个或多个实施方式通过D形滚杠的自适应性，在保证惯性质量体运动幅度的同时增加耗能；且D形滚杠在一组工作完成之后恢复至原始状态，避免了影响其在下组工作时的状态和性能，从而保证减振装置的长期服役有效性和稳定性；

(3)本发明的一个或多个实施方式可以通过改变D形滚杠中心轴平面与水平面的夹角、竖向弹簧的刚度、惯性质量体及碰撞钢球的质量，对该减振装置的竖向、水平振动频率进行调整，可与多种设计需求相匹配，适用性较强；

(4)本发明的一个或多个实施方式通过多个D形滚杠零件按照既定框架安装形成整体减振装置，灵活性高，适应多种设计需求，且十分利于设备维护和检修，具有良好的社会效益和经济效益。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的主视图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的侧视图；

图3(a)是本发明根据一个或多个实施方式的工作箱上层俯视图；

图3(b)是本发明根据一个或多个实施方式的工作箱下层俯视图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的滑动机构结构示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的惯性质量体结构示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的D形滚杠工作状态示意图；

图7是本发明根据一个或多个实施方式的单层D形滚杠结构示意图；

图8(a)是本发明根据一个或多个实施方式的D形滚杠横断面示意图；

图8(b)是本发明根据一个或多个实施方式的D形滚杠内部结构示意图；

其中，1、工作箱，2、惯性质量体，3、支撑柱，4、D形滚杠，5、延长滑道，6、压电陶瓷，7、内挑板，8、压簧，9、滑动槽，10、滑动梁，11、滚珠，12、保护箱，13、配重块，14、托板，15、碰撞腔，16、钢球，17、复位弹簧，18、滚动体，19、伸缩柱，20、滑动块，21、线圈基柱，22、配重条，23、连接轴，24、粘弹性材料，25、外壳，Ⅰ、下层，Ⅱ、中层，Ⅲ、上层。

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、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“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申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“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。

线圈基柱，缠绕有线圈的柱体；

配重条，起配重作用的条状结构。

正如背景技术所介绍的，目前对土木工程结构常用的被动、半主动和主动控制方法各有利弊，综合利用各种控制方法的优点，生成一种稳定性高且具有高效益的多级自适应减振装置，在振动控制的研究和发展过程中是一个关键点。为了弥补传统单一方法控制的缺陷，突破这一关键点。本发明采用了具有自适应性的D形滚杠，该D形滚杠在减振装置内部惯性质量体的不同运动状态下，无需借助外力即可自行调节自身状态，保证惯性质量体运动幅度的同时增加耗能。且本发明将被动控制和半主动控制两种方法有机结合在一起形成多级控制，既可以弥补被动控制在强度和频带宽度方面的局限性，又能够确保控制的自适应性和可调节性，在节约能量输入的前提下达到良好的减振控制效果。

实施例一：

下面结合附图1-图8对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：

本实施例提供了一种自适应多维多级减振装置，包括工作箱1和惯性质量体2，所述惯性质量体2设置于工作箱1内部；工作箱1内部从上至下分为上层Ⅲ、中层Ⅱ和下层Ⅰ。工作箱1由耐久性好、具有磁屏蔽效果的材料制成，以保护内部磁场不受外界干扰。在本实施例中，工作箱1的横截面呈方形，其上层Ⅲ和中层Ⅱ均为矩形环结构，下层Ⅰ为与中层Ⅱ连接为一体四棱台结构。可以理解的，在其他实施例中，工作箱1的横截面也可以为其他多边形结构。

工作箱1的下层Ⅰ形成四个倾斜面，在每个倾斜面均安装多层(以高度相同位置为一层)支撑柱3，为了稳定支撑，每层均设置多个支撑柱3。在本实施例中，相对的两个倾斜面同高度位置分别设置两个支撑柱3，且支撑柱3靠近倾斜面的边缘位置。同高度的两个支撑柱3之间安装有D形滚杠4，所述D形滚杠4与支撑柱3转动连接。

如图7所示，每层共安装有四个围绕一圈的D形滚杠4，所述D形滚杠4沿其中心轴方向安装连接轴23，所述连接轴23与支撑柱3固定连接，通过连接轴23使D形滚杠4能够相对支撑柱3转动。

所述D形滚杠4顶部材料和惯性质量体2所采用的斜侧壁材料的摩擦系数根据整个减振装置的耗能需求计算得出。各层D形滚杠4中心轴线所构成的平面与水平面的夹角，即摩擦角，根据整个减振装置所控制的结构对应模态振动频率计算得出。所述D形滚杠4顶部可采用各层摩擦系数全部相同的材料，也可以采用从低到高摩擦系数阶梯型或间歇性增大的材料。

具体的，如图8(a)和图8(b)所示，所述D形滚杠4包括外壳25、线圈基柱21、配重条22，外壳25为非金属材质，其截面呈D形。具体的，外壳25的截面包括矩形面和弧形面。在本实施例中，外壳25截面由方形面和半圆面组成，D形滚杠4中心轴位置为距D形滚杠4顶部和侧边距离相同处。

沿D形滚杠4内部与轴线垂直方向分布多个间隔均匀的线圈基柱21，线圈基柱21的两侧固定有贯通外壳25长度方向的配重条22。外壳25顶部铺设有摩擦系数较高的材料，其外侧壁采用摩擦系数较低的材料制成。所述线圈基柱21与外壳25底部固定连接，通电线圈缠绕在线圈基柱21的柱体上。线圈电流可采用各层电流强度相等形式，也可采用从低到高电流强度阶梯性或间歇性增大的形式。外壳25端部及线圈基柱21在中心轴位置均打圆孔，通过穿过圆孔的连接轴23与支撑柱3连接。

如图1和图2所示，在工作箱1的中层Ⅱ侧壁固定有延长滑道5，所述延长滑道5在中层Ⅱ的同一平面围成一圈，通过延长滑道5使惯性质量体2完全离开D形滚杠4，从而使D形滚杠4都恢复原始状态；同时也起到运动缓冲的作用。惯性质量体2在运动至最高处D形滚杠4时由于惯性存在向上移动的趋势，延长滑道5形成运动缓冲。延长滑道5顶部采用摩擦系数不小于D形滚杠4顶部摩擦系数的材料。

所述延长滑道5上方的工作箱1内壁铺设有压电陶瓷6。工作箱1内前、后、左、右各方向的压电陶瓷6与附加感应器构成四个感应装置，各个感应装置分别对应一个或多个电流控制器，并与各方向D形滚杠4中的线圈相连。

工作箱1的上层Ⅲ固定有内挑板7，所述内挑板7下部连接多个压簧8，在惯性质量体2向上运动碰撞到压簧8时，压簧8会给惯性质量体2向下的力。内挑板7底部略高于惯性质量体2顶部所能达到的最大高度，以保证压簧8和伸缩柱19的工作空间。

所述内挑板7的形状与工作箱1的中层Ⅱ相适应，内挑板7开设有用于惯性质量体2移动的窗口。在本实施例中，所述窗口为矩形。内挑板7上方两侧对称设置滑动槽9，两个滑动槽9之间连接有滑动梁10，所述滑动梁10通过滑动块20连接伸缩柱19的一端，伸缩柱19的另一端连接惯性质量体2。如图2所示，滑动块20与滑动梁10滑动连接，二者构成滑动机构。惯性质量体2通过滑动块20能够沿滑动梁10移动，所述滑动梁10能够沿滑动槽9移动。

具体的，滑动梁10沿X方向设置，滑动槽9沿Y方向设置，且滑动梁10通过若干滚珠11与滑动槽9内壁相连，滑动梁10通过滚珠11在滑动槽9中沿Y方向滑动。在本实施例中，如图4所示，滑动梁10呈倒T型，滑动块20形状与滑动梁10相适配，卡合于滑动梁10外侧。滑动块20内壁与滑动梁10之间通过若干滚珠11相连，以使滑动块20能够沿滑动梁10移动。

所述伸缩柱19为伸缩结构，其横截面可以为矩形也可以为圆形或其他形状。伸缩柱19垂直于滑动梁10设置，其能够沿竖直方向(Z方向)伸缩，以使惯性质量体2能够沿不同高度的D形滚杠4移动。伸缩柱19的最大长度不小于惯性质量体2在工作箱1底部水平面所需的长度，最小长度应与惯性质量体2达到的最大高度位置时与内挑板7之间的距离相适应。所述伸缩柱19需具备一定的外径，保证惯性质量体2在上升运动过程中不发生倾斜。

如图5所示，惯性质量体2包括保护箱12、托板14、配重块13和金属球，所述保护箱12形状与工作箱1相同，即，包括截面呈矩形的竖直段和由四个倾斜面组成的四棱柱结构，以使惯性质量体2能够沿工作箱1内部的不同高度位置的D形滚杠4移动。所述保护箱12由金属材料制成，保证惯性质量体2的运动受D形滚杠4中磁场控制的同时，防止内部金属球运动受到外部磁场的干扰。

保护箱12的竖直侧壁外部铺设粘弹性材料24，以防保护箱12与压电陶瓷6碰撞损坏。所述托板14水平设置于保护箱12内部，托板14与保护箱12底部通过多个复位弹簧17相连。复位弹簧17的个数根据实际减振要求设定。

所述保护箱12内位于上部位置的前、后、左、右四个方向均固定有配重块13，配重块13与保护箱12、托板14相围绕共同形成碰撞腔15。碰撞腔15的内壁即保护箱12内上表面、配重块13内侧面与托板14上表面均铺设粘弹性材料24。

托板14的上部放置若干金属球，托板14侧面安装有滚动体18，以使托板14能够沿碰撞腔15移动且减小摩擦。在本实施例中，所述金属球为钢球16。可以理解的，在其他实施例中，金属球也可以为其他金属材质。所述滚动体18可以为滚珠或者滚柱。

保护箱12底部设置若干滚珠11，保证惯性质量体2受到水平激励时能够在工作箱1底沿任意水平方向发生初始运动。进一步的，保护箱12底部设有与滚珠11形状相适配的弧形槽，弧形槽包裹于滚珠11外侧使滚珠11不会从保护箱12底部脱出。

在本实施例中，滚珠11、滚动体18、连接轴23与各自所连接处涂润滑油，以减小与其他构件之间的摩擦。优选的，压簧8和复位弹簧17采用形状记忆合金材料制成，保证在长期服役后仍能恢复原状。

本实施例减振装置使用时固定于高耸或大跨结构的顶部，在外部环境荷载作用下，惯性质量体2由于惯性在工作箱1底面发生沿任意水平方向的初始运动，带动伸缩柱19和滑动梁10一起运动。伸缩柱19与滑动梁10的联合作用能够保证惯性质量体2不发生倾斜。

当惯性质量体2运动范围超过工作箱1底面时，保护箱12的竖直侧壁推动底层D形滚杠4转动，此时被转动的D形滚杠4侧面与保护箱12斜侧面贴合，惯性质量体2在水平方向的平动转变为沿摩擦角方向的上行运动。当惯性质量体2继续向上运动至保护箱12的斜侧壁离开下层的D形滚杠4时，下层的D形滚杠4在自身重力作用下恢复至原始状态。

当惯性质量体2上升过程中动能减小为零或与压电陶瓷6碰撞后，惯性质量体2沿着摩擦角方向开始进行下行运动。此时保护箱12底部棱角推动其下部的D形滚杠4转动，使D形滚杠4的顶面与保护箱12斜侧壁贴合。当惯性质量体2继续向下运动至保护箱12的斜侧壁离开上层D形滚杠4时，上层的D形滚杠4在自身重力作用下恢复至原始状态。与此同时，若受控结构产生竖直方向的振动，惯性质量体2内碰撞腔15中的钢球16跳动，与碰撞腔15内表面的粘弹性材料24相撞，其动能转化为内能耗散。

本实施例受控结构的分级减振通过下述方法实现：

一级控制：当受控结构振动幅度较小时，惯性质量体2所具有的动能不足以使其与压电陶瓷6，此时耗能通过自适应摩擦实现被动控制。惯性质量体2上行时与D形滚杠4侧壁摩擦系数较小的材料贴合，保证惯性质量体2的上行幅度；惯性质量体2下行时与D形滚杠4顶部摩擦系数较大的材料贴合，保证惯性质量体2的下行耗能。

二级控制：当受控结构振动幅度较大时，惯性质量体2所具有的动能较大，上行至最大高度并与压电陶瓷6产生碰撞，开启电磁控制，此时耗能通过自适应摩擦和电磁实现被动控制与半主动控制结合的混合控制。惯性质量体2上行时与紧贴的D形滚杠4中磁场方向平行，保证惯性质量体2的上行幅度；惯性质量体2下行时与紧贴的D形滚杠4中磁场方向垂直，保证惯性质量体2的下行耗能。

本实施例通过D形滚杠4的自适应性，在保证惯性质量体2运动幅度的同时增加耗能；且D形滚杠4在一组工作完成之后恢复至原始状态，避免了影响其在下组工作时的状态和性能。此外，D形滚杠4的自适应转动可同时参与被动控制和半主动控制两级控制之中，根据所控制结构的相应振动模态，能够对多个关键参数进行设计，匹配多种控制需求，且装置维护和检修便利，具有较强的适用性。

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)

1.一种自适应多维多级减振装置，其特征在于，包括工作箱，所述工作箱顶部安装滑动机构，且滑动机构能够沿工作箱移动；所述滑动机构通过置于工作箱内部的伸缩柱连接惯性质量体；

滑动机构下方设有内挑板，所述内挑板底部连接若干压簧；工作箱侧壁低于内挑板位置铺设压电陶瓷；所述工作箱具有多个倾斜面，所述倾斜面安装多层能够相对其转动的D形滚杠；在外力作用下，惯性质量体能够沿D形滚杠移动。

2.根据权利要求1所述的一种自适应多维多级减振装置，其特征在于，所述滑动机构包括滑动梁和滑动块，所述滑动块卡合于滑动梁外侧并与伸缩柱相连；所述滑动梁的两端分别与位于内挑板上方的滑动槽滑动连接。

3.根据权利要求2所述的一种自适应多维多级减振装置，其特征在于，所述滑动槽的设置方向与滑动梁长度方向垂直，滑动梁与滑动槽、滑动块之间分别设有若干滚珠。

4.根据权利要求1所述的一种自适应多维多级减振装置，其特征在于，所述D形滚杠包括外壳和设置于外壳内部的多个线圈基柱，所述线圈基柱两侧对称设置配重条。

5.根据权利要求1所述的一种自适应多维多级减振装置，其特征在于，所述惯性质量体包括保护箱，保护箱内部设有托板，托板侧面与保护箱侧壁之间设置配重块；所述托板上方放置若干金属球，托板下方与保护箱之间通过多个复位弹簧相连。

6.根据权利要求5所述的一种自适应多维多级减振装置，其特征在于，所述配重块与保护箱、托板相围绕共同形成碰撞腔，所述碰撞腔铺设粘弹性材料。

7.根据权利要求5所述的一种自适应多维多级减振装置，其特征在于，所述保护箱底部安装多个滚珠，所述托板侧面设置若干滚动体。

8.根据权利要求1所述的一种自适应多维多级减振装置，其特征在于，所述内挑板底部高于惯性质量体顶部所能达到的最大高度。

9.根据权利要求1所述的一种自适应多维多级减振装置，其特征在于，所述伸缩柱最大长度不小于惯性质量体在工作箱底部水平面所需的长度，其最小长度与惯性质量体达到的最大高度位置时与内挑板之间的距离相适应。

10.根据权利要求1所述的一种自适应多维多级减振装置，其特征在于，位于倾斜面最高处的D形滚杠侧面设有延长滑道。

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