CN111576214B - 可调式变惯性质量阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调式变惯性质量阻尼器。本发明包括变惯性质量系统，以及通过变速装置与变惯性质量系统下部连接的转动系统；所述转动系统的滚珠丝杆顶部与变速装置的输入轴底部连接，转动系统的滚珠丝杆套筒底部设有连接环；所述变惯性质量系统的主动轴底部通过联轴器与变速装置的输出轴顶部连接，变惯性质量系统的从动轴顶部通过联轴器与旋转质量块连接，阻尼器上部结构外壳的顶部设有上端连接环；所述变惯性质量系统的主动轴和从动轴与电磁粉式变惯性装置联接。本发明根据土木结构减振需求，以较小的外界输入电流，实现可调变惯性质量系数和滑差摩擦力的大小，利用惯性质量与滑差摩擦力提升惯性质量阻尼器对土木工程结构振动控制效果。

Description

可调式变惯性质量阻尼器
技术领域
本发明属于土木工程结构振动控制技术领域，具体涉及一种可调式变惯性质量阻尼器。
背景技术
土木工程结构在强风、地震、波浪等外部因素作用下，容易产生大幅振动，影响结构的安全和舒适性，为了减轻或抑制结构由于动力荷载所引起的响应，迄今国内外学者研究并开发了众多结构振动控制技术。常用的控制措施根据是否需要外部能源可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制等。半主动控制兼顾了被动控制和主动控制的优点，只需外部输入很少的能量对结构进行反馈控制，当外部能量供给中断时还能起被动控制作用。
根据半主动控制特点，本申请旨在提出一种基于磁粉离合器滑差功能实现惯性质量系数实时可调的半主动减振装置。目前，备受关注的惯性质量阻尼器作为一种新型的阻尼器，其主要特点为可以提供与阻尼器两终端加速度成正比的较大惯性力，从而提升阻尼器的惯性质量减振的性能。
本申请的核心构件是借鉴于汽车变速装置中的电磁粉式离合器。该离合装置通过控制输入电流的大小，控制励磁线圈吸附的磁粉数量，当电流较弱时，离合器间隙间磁粉链数量较少，主动构件的传力扭矩即滑差摩擦力较小，使得从动构件与主动构件之间以一定的差速转动；当加大电流大小，间隙间充斥的磁粉链增多，传力扭矩增大，使得主动构件与从动构件之间的差速值变小，当电流增大到一定程度时，大量磁粉链产生的传力力矩已经足够大，主动构件与从动构件完全固结，形成同步转动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调式变惯性质量阻尼器，根据土木结构减振需求，以较小的外界输入电流，实现可调变惯性质量系数和滑差摩擦力的大小，利用惯性质量与滑差摩擦力提升惯性质量阻尼器对土木工程结构振动控制效果。
本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该可调式变惯性质量阻尼器，它包括变惯性质量系统，以及通过变速装置与变惯性质量系统下部连接的转动系统；所述转动系统的滚珠丝杆顶部与变速装置的输入轴底部连接，转动系统的滚珠丝杆套筒底部设有连接环；所述变惯性质量系统的主动轴底部通过联轴器与变速装置的输出轴顶部连接，变惯性质量系统的从动轴顶部通过联轴器与旋转质量块连接，阻尼器上部结构外壳的顶部设有上端连接环；所述变惯性质量系统的主动轴和从动轴与电磁粉式变惯性装置联接；当滚珠丝杆套筒做直线运动时，滚珠丝杆套筒内的滚珠丝杆做旋转运动，变速装置将滚珠丝杆的转动加速传递到变惯性质量系统的主动轴，当主动轴转动时，通过外接输入电流控制电磁粉式变惯性装置的传递力矩大小来实现主动轴、从动轴的差速转动，从动轴带动旋转质量块差速转动，通过调节输入电流大小，来实现阻尼器的惯性质量系数与滑差摩擦力的双调节。
具体的，所述变惯性质量系统，包括安装于上部结构外壳内的电磁粉式变惯性装置；所述电磁粉式变惯性装置包括磁粉室外壳，磁粉室外壳的中部外通过励磁线圈连接件安装有励磁线圈，磁粉室外壳的内部通过主动轴连接件连接有主动轴、通过从动轴连接件连接有从动轴，主动轴和从动轴分别通过滚珠轴承安装于磁粉室外壳的中心轴孔内的下部和上部并穿过中心轴孔，主动轴连接件与从动轴连接件之间为磁粉室，励磁线圈端部连接有外接电源线；所述主动轴底部通过联轴器与变速装置的输出轴顶部连接，所述从动轴顶部通过联轴器与旋转质量块连接，所述上部结构外壳的顶部设有上端连接环。
具体的，所述转动系统，包括通过套筒定位轴承安装并穿过下部结构外壳底面中心轴孔的滚珠丝杆套筒，滚珠丝杆套筒上部外围设有环形连接件，环形连接件外部通过滑块连接于下部结构外壳内，滚珠丝杆套筒内部与滚珠丝杆啮合，滚珠丝杆顶部与变速装置的输入轴底部连接，变速装置的输入轴通过转动轴承安装于下部结构外壳顶面的中心孔内；所述滚珠丝杆套筒的底部设有连接环。
具体的，所述变速装置包括外壳、输入轴、输出轴和传递齿轮，输入轴通过转动轴承安装于下部结构外壳顶面的中心孔内并与滚珠丝杆顶部连接，输出轴通过联轴器与变惯性质量系统的主动轴底部连接；变速装置通过半径不同的差速齿轮将输入轴的转速加速后由输出轴传递。
本发明的可调式变惯性质量阻尼器，其下部的转动系统通过滚珠丝杆把阻尼器两端的线性位移转换成旋转运动，再通过变速装置加速转动，传递到上部的变惯性质量系统。调节变惯性质量系统的输入电流，即可实现惯性质量系数和滑差摩擦力双调节减振功能。
本发明与传统的惯性质量阻尼器相比，具有如下的有益效果：
(1)本发明通过外接电流的控制并以磁粉为连接载体，能够迅速、阶跃的改变阻尼器的旋转惯性质量。
(2)通过外接电流的控制并以磁粉为连接载体，改变了本发明装置的滑差摩擦力，通过提供不同的滑差摩擦力改变了装置的摩擦阻尼。
(3)能够根据外激励及振动结构的系统需求，能够实现半主动控制，根据半主动控制算法，提供相应的阻尼及惯性系数来提供有效的控制效果。
(4)与现有变惯性质量阻尼器相比，本发明装置具备构造简单，易于控制的特点。
附图说明
图1为本发明实施例的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，本实施例的可调式变惯性质量阻尼器，它包括上部的变惯性质量系统，以及通过变速装置与变惯性质量系统下部连接的转动系统。变惯性质量系统，包括安装于上部结构外壳2内的电磁粉式变惯性装置；从图1中可见，电磁粉式变惯性装置包括磁粉室外壳17，磁粉室外壳17的中部外通过励磁线圈连接件5安装有励磁线圈6，磁粉室外壳17的内部通过主动轴连接件7连接有主动轴21、通过从动轴连接件18连接有从动轴4，主动轴21和从动轴4分别通过滚珠轴承16安装于磁粉室外壳17的中心轴孔内的下部和上部并穿过中心轴孔，主动轴21上连接的主动轴连接件7与从动轴4上连接的从动轴连接件18相对应，两个连接件之间存在一定间隙，间隙内含磁粉为磁粉室20，磁粉室20外即设有对应的环形励磁线圈6，励磁线圈6端部连接有外接电源线19。主动轴21底部通过联轴器8与变速装置的输出轴22顶部连接，从动轴4顶部通过联轴器15与旋转质量块3连接，上部结构外壳2的顶部设有上端连接环1。主动轴21通过联轴器8连接在输出轴22上，主动轴21带动主动轴连接件7转动，当外接电源线19对励磁线圈6无输入电流时，磁粉室20内磁粉完全处于松散状态，主动轴连接件7与从动轴连接件18之间无传递力矩，此时从动轴4不发生转动；当外接电源线19逐步增大输入电流时，励磁线圈6产生磁场，在磁场作用下，磁粉逐步在磁粉室20中形成连接主动轴连接件7和从动轴连接件18的磁粉链，该磁粉链的数量决定着主动轴带动从动轴的传递扭矩的大小，此时有了传递力矩的作用，从动轴连接件18发生转动，并带动从动轴4一同转动；输入不同电流大小时，该磁粉链数量将会发生变化，传递力矩也相应变化，则传递力矩同样发生变化，进而主从构件的传动比也会不同；当输入电流达到峰值时，主从动连接件完全固结在一起，主从动轴同步转动；从动轴4经联轴器15后与连接旋转质量块3一同转动。
参见图1，转动系统，包括通过套筒定位轴承14安装并穿过下部结构外壳11底面中心轴孔的滚珠丝杆套筒13，滚珠丝杆套筒13外设有环形连接件12；环形连接件12为一个环形的金属构件，环形连接件12内侧固定在滚珠丝杆套筒13外围顶端，环形连接件12外侧固定在滑块25上，滑块25位于结构外壳11内壁上；滚珠丝杆套筒13内部与滚珠丝杆26啮合，滚珠丝杆26顶部与变速装置的输入轴10底部连接，变速装置的输入轴10通过转动轴承24安装于下部结构外壳11顶面的中心孔内；滚珠丝杆套筒13的底部设有连接环27。上端连接环1和下端的连接环27分别连接土木结构振动位置的两端，当两端位置发生相对位移时，连接环27发生直线运动，滚珠丝杆套筒13运动，带动滑块25以及环形连接件12沿着下部结构外壳11的内壁滑动，由于滚珠丝杆套筒13内部有螺纹，从而致使滚珠丝杆26发生旋转运动。
参见图1，变速装置，包括外壳9、输入轴10、输出轴22和传递齿轮23，变速装置通过其外壳9固定在其上部的变惯性质量系统上，输入轴10通过转动轴承24安装于下部结构外壳11顶面的中心孔内并与滚珠丝杆26顶部连接，输出轴22通过联轴器8与变惯性质量系统的主动轴21底部连接；传递齿轮23下端与输入轴10连接，传递齿轮23上端与输出轴22连接，由于输入轴齿轮半径大于输出轴齿轮半径，变速装置通过半径不同的差速齿轮将输入轴10的转速加速后由输出轴22传递。当滚珠丝杆套筒13做竖直方向的直线运动时，滚珠丝杆套筒13内的滚珠丝杆26做旋转运动，通过连接上下部分的变速装置，将下部分滚珠丝杆26的转动传递到上部的转动构件，通过外接的电源输入，可以线性调节变惯性质量系数与滑差摩擦力。
以本发明可调式变惯性质量阻尼器应用于大跨度斜拉桥斜拉索振动控制为例，其实施过程如下：
大跨度斜拉桥受外界激励引发斜拉索振动时，可调式变惯性质量阻尼器可以实施于斜拉索的振动控制。此时，可调式变惯性质量阻尼器上端连接环1通过锚固装置与斜拉索连接；下端的连接环27与埋置于桥面的刚性连接件连接，将可调式变惯性质量阻尼器的外接电源线19接在固定电源上。
当斜拉索发生振动时，两端连接环位置产生了相对位移，滚珠丝杆套筒13开始带动滑块25沿着下部结构外壳11内的滑槽运动，在滚珠丝杆套筒13内的螺纹作用下，滚珠丝杆26发生转动，滚珠丝杆26上端部连接变速装置的输入轴10，输入轴10通过变速装置半径不同的差速齿轮加速转动，通过输出轴22带动上部变惯性质量系统的主动轴21及主动轴连接件7转动，此时可通过外接电源线19调节励磁线圈6的磁场强度来控制磁粉室20内磁粉链的数量，改变主从连接件之间的传递力矩，带动从动轴4及从动轴连接件18差速转动，从动轴4末端连接旋转质量块3一同转动；当调节固定电源提供不同的电流时，装置的传力力矩和磁粉摩擦力发生改变，即改变了装置的惯性质量系数与阻尼力，通过对该拉索的响应分析，使用该响应下最合适的电流；当外激励发生改变时，可以根据所变化的激励状况选用合适的控制电流，提供优化的阻尼力和惯性质量系数，使得在不同激励下均能提供有效的控制性能。

Claims (1)

1.一种可调式变惯性质量阻尼器，其特征在于：它包括变惯性质量系统，以及通过变速装置与变惯性质量系统下部连接的转动系统；所述转动系统的滚珠丝杆顶部与变速装置的输入轴底部连接，转动系统的滚珠丝杆套筒底部设有连接环；所述变惯性质量系统的主动轴底部通过联轴器与变速装置的输出轴顶部连接，变惯性质量系统的从动轴顶部通过联轴器与旋转质量块连接，阻尼器上部结构外壳的顶部设有上端连接环；所述变惯性质量系统的主动轴和从动轴与电磁粉式变惯性装置联接；当滚珠丝杆套筒做直线运动时，滚珠丝杆套筒内的滚珠丝杆做旋转运动，变速装置将滚珠丝杆的转动加速传递到变惯性质量系统的主动轴，当主动轴转动时，通过外接输入电流控制电磁粉式变惯性装置的传递力矩大小来实现主动轴、从动轴的差速转动，从动轴带动旋转质量块差速转动，通过调节输入电流大小，来实现阻尼器的惯性质量系数与滑差摩擦力的双调节；
所述变惯性质量系统，包括安装于上部结构外壳内的电磁粉式变惯性装置；所述电磁粉式变惯性装置包括磁粉室外壳，磁粉室外壳的中部外通过励磁线圈连接件安装有励磁线圈，磁粉室外壳的内部通过主动轴连接件连接有主动轴、通过从动轴连接件连接有从动轴，主动轴和从动轴分别通过滚珠轴承安装于磁粉室外壳的中心轴孔内的下部和上部并穿过中心轴孔，主动轴连接件与从动轴连接件之间为磁粉室，励磁线圈端部连接有外接电源线；所述主动轴底部通过联轴器与变速装置的输出轴顶部连接，所述从动轴顶部通过联轴器与旋转质量块连接，所述上部结构外壳的顶部设有上端连接环；
所述转动系统，包括通过套筒定位轴承安装并穿过下部结构外壳底面中心轴孔的滚珠丝杆套筒，滚珠丝杆套筒上部外围设有环形连接件，环形连接件外部通过滑块连接于下部结构外壳内，滚珠丝杆套筒内部与滚珠丝杆啮合，滚珠丝杆顶部与变速装置的输入轴底部连接，变速装置的输入轴通过转动轴承安装于下部结构外壳顶面的中心孔内；所述滚珠丝杆套筒的底部设有连接环；
所述变速装置包括外壳、输入轴、输出轴和传递齿轮，输入轴通过转动轴承安装于下部结构外壳顶面的中心孔内并与滚珠丝杆顶部连接，输出轴通过联轴器与变惯性质量系统的主动轴底部连接；变速装置通过半径不同的差速齿轮将输入轴的转速加速后由输出轴传递。
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