CN111851771A - 一种磁力tmd控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁力TMD控制装置。本装置包括质量块、限位装置、弹簧、底板、磁力阻尼耗能减振系统，所述质量块通过限位装置与底板相连接，所述限位装置为伸缩套筒结构，所述限位装置上设置有压缩弹簧；所述磁力阻尼耗能减振系统由上永磁体和下永磁体构成，所述上永磁体安装在质量块底部，所述下永磁体与底板固接；所述上永磁体的下表面和下永磁体的上表面磁性相反。本装置优点是实现了对结构的耗能减振，且对桥梁结构竖向振动进行控制，效果显著。

Description

一种磁力TMD控制装置

技术领域

本发明涉及结构振动控制技术领域，具体地说是一种磁力TMD控制装置。

背景技术

在土木工程领域高速发展的今天，出现了大量轻质、柔性结构，该类结构具有质量小、跨度大、阻尼小、固有频率低等特点。当行人步频和结构固有频率接近，容易引发结构共振，产生较大的响应。轻则引起行人舒适度问题，使人恐惧害怕，头晕呕吐，重则振动导致结构破坏，建筑物倒塌破坏，损害人身和财产安全。为了减少事故的发生率和生命财产的损失，需要对此类大跨度结构进行振动控制。被动控制通常被作为首选，该方法通过增加吸能减振装置增加结构阻尼，进而达到减振的目的。

传统的振动控制方法主要有增加结构阻尼、隔振和吸振的等。竖向减振用的TMD阻尼形式主要为液体粘滞阻尼器(如专利号为201010137516.2公开的“一种悬吊式的调频质量阻尼器”)。但粘滞阻尼器存在不易养护、漏油、以及后期阻尼难调节等问题。橡胶阻尼材料，阻尼材料存在易老化，耐久性差等问题。也有研究者开发了电涡流阻尼TMD(见专利号为201510687582.X，名称为“一种用于天桥的装配式电涡流调谐质量阻尼器及制作方法”),但现有的电涡流阻尼器受导体板大小的影响，致使质量块运动位移较小，且存在漏磁的问题。随着TMD的广泛发展，用来控制冲击荷载的磁力减振器(见专利号为CN201020259888.8，名称为“一种双推磁力器的减震装置”)也应运而生。该装置不仅能提供较高阻尼，而且磁力可增加阻尼器的等效刚度，可降低弹性元件的刚度系数，节约成本。但是刚度受磁力影响，频率也难以确定，因此难以应用到结构工程中。为此本专利对磁力阻尼器重新进行设计，弥补传统方法的不足，使其能够应用到桥梁结构中。

磁力TMD振动控制装置设计与实现是需要结合实际生产应用，并考虑实际工程需要和自身研发设计水平。该装置能减小结构振动达到吸能减振目的，使科技应用于实际工程。此装置可对结构竖向振动进行控制，减小竖向挠度和结构响应，使结构在荷载激励下满足可靠度指标，进而行人安全得到保障。

发明内容

本发明的目的在于提出一种磁力TMD控制装置，本装置可靠性高、工作稳定、使用寿命长且制作简单；本装置能实现对结构竖向振动的控制，对大型冲击荷载下结构的振动具有较好的控制效果，而且不会对环境造成影响。

为实现上述目的，本发明所述一种磁力TMD控制装置，包括质量块、限位装置、弹簧、底板、磁力阻尼耗能减振系统，所述质量块通过限位装置与底板相连接，所述限位装置为伸缩套筒结构，所述限位装置上设置有压缩弹簧；所述磁力阻尼耗能减振系统由上永磁体和下永磁体构成，所述上永磁体安装在质量块底部，所述下永磁体与底板固接；所述上永磁体的下表面和下永磁体的上表面磁性相反。

所述限位装置的伸缩套筒结构由套筒壳及套筒芯组成，所述套筒壳套设于套筒芯外，所述套筒壳的一端与底板相连接，套筒壳的另一端设置有限位卡扣；所述套筒芯的一端与质量块底部相连接，套筒芯的另一端设置有限位凸起，所述限位卡扣与限位凸起相匹配。

所述套筒芯的高度大于等于套筒壳的高度。

所述压缩弹簧设置于限位装置外部，支撑弹簧承受轴向压力后的高度大于套筒芯的高度小于套筒芯与套筒壳高度的和。

所述压缩弹簧设置于套筒壳内，支撑弹簧承受轴向压力后的高度小于套筒壳的高度。

所述限位装置在质量块与底板间设置有四个，分别为第一限位杆、第二限位杆、第三限位杆、第四限位杆，所述第一限位杆、第二限位杆、第三限位杆、第四限位杆均匀分布设置于质量块与底板间。

所述上永磁体通过限位钢板安装在质量块底部，所述限位钢板通过U型固定夹安装在质量块底部，所述限位钢板与U型固定夹通过螺栓铰接。

所述质量块是由六块钢板焊接而成的长方体空腔，长方体空腔内填充物沙子或水。

所述底板为铁板。

所述上永磁体由两块磁极颠倒设置的磁铁组成；所述下永磁体由两块磁极颠倒设置的磁铁组成。

所述压缩弹簧承受质量块的全部重量，同时连接底板4，提供恢复力；所述压缩弹簧能够提供竖向的刚度和控制TMD在竖向的运动。

所述质量块钢板重11Kg，沙子可调质量为9Kg，能够增加整个装置的质量，从而改变TMD固有频率和阻尼。

本装置通过假设试验法来确定磁力TMD的参数确定方法，其设计步骤如下：

根据公式

式中：

μ为TMD质量与结构模态质量的质量比；

f_opt为TMD与结构模态的最优频率比；

计算最优频率比，基于此模型，得到TMD的刚度、质量如下：

m_t＝μm₁

式中：

k_opt为TMD的刚度；

m_t为TMD的质量；

ω₁为结构的一阶频率；

m₁为结构的一阶模态质量。

假设磁力TMD质量块和弹簧刚度不变，振动频率以结构的一阶频率f₁计算。用自由衰减法测量磁力TMD的自由衰减曲线，经过傅里叶变换得到自振频率f，则磁力TMD的刚度公式如下：k＝(2πf)²m_t，式中：k为磁力TMD的总刚度。

由于弹簧和磁力等效弹簧是并联，且磁力方向和弹簧弹力方向相反，所以磁力提供的等效刚度为：

k_m＝k_s-k，式中：k_s为弹簧刚度。

磁力TMD的质量计算公式：

磁力阻尼构件设计可利用永磁体间吸力(附图9)、斥力(附图7)、吸力斥力混合(附图3)。如附图3所示，由四块磁铁组成。上板和底板分别由两块磁铁N，S磁极形成吸引力磁场，增加磁通量。上板和底板之间每侧磁铁N,S两级相对，磁力为吸引力。如果利用斥力，上下磁铁相对面磁性相同即可。

先测量得到磁力TMD的阻尼比，然后无阻尼系统时阻尼系数计算公式：

式中：

为无阻尼系统TMD的阻尼比；

ω₀为无阻尼系统TMD的圆频率；

m为无阻尼系统TMD的质量。

安装上磁力阻尼系统测量磁力TMD的阻尼比，磁力阻尼系数计算公式：

式中:

为安装磁力阻尼系统TMD的阻尼比；

ω_m为安装磁力阻尼系统TMD的圆频率；

m_m为安装磁力阻尼系统TMD的质量。

磁力TMD竖向弹簧的设计：

弹簧参数：螺旋弹簧的刚度计算式为:

式中：

G表示弹簧钢的剪切模量；

D表示弹簧的中径；

n表示弹簧的有效圈数；

d表示弹簧丝的线径；

磁力阻尼系统参数：

确定永磁铁的牌号，尺寸，根据永磁铁间的性质，通过磁场有限元元件进行分析得到上下磁铁间的主磁感应强度，进而分析得出磁力TMD阻尼比。

本发明所述一种磁力TMD控制装置，其有益效果在于：

1、本装置是一种可靠性高、工作稳定、使用寿命长且制作简单的竖向磁力阻尼器，本装置能实现对结构竖向振动的控制，对大型冲击荷载下结构振动具有较好的控制效果，而且不会对环境造成影响；

2、本装置竖向通过光滑套筒结构连接，能够减少竖向摩擦力，达到灵活运动的目的，减振控制效果更佳；

3、本装置磁力TMD的阻尼是四块永磁体构成的磁力阻尼，能够实现结构的竖向减振控制，磁力阻尼连接简单，因构件都是金属，损耗较小，后期维护简单。

4、本装置磁力TMD的磁力能够增加阻尼器的等效刚度，有利于保护弹簧元件，增加弹簧使用寿命。

附图说明

图1为磁力TMD的正视图；

图2为磁力TMD的侧视图；

图3为磁力TMD(永磁体斥力吸力混合)磁感线分布图；

图4为磁力TMD自由衰减时程图；

图5为安装磁力TMD(永磁体斥力吸力混合)前后桥梁位移时程图；

图6为磁力TMD的斥力磁路设计；

图7为安装磁力TMD(斥力)前后桥梁位移时程图；

图8为磁力TMD的吸力磁路设计；

图9为安装磁力TMD(吸力)前后桥梁位移时程图；

图10为限位装置与压缩弹簧安装图；

图中：1-质量块、2-限位装置、2-1-套筒壳、2-2-套筒芯、3-弹簧、4-底板、5-U型固定夹、6-上永磁体、7-限位钢板、8-下永磁体、9-限位卡扣、10-限位凸起。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示，本发明所述一种磁力TMD控制装置，包括质量块1、限位装置2、弹簧3、底板4、磁力阻尼耗能减振系统，所述质量块1通过限位装置2与底板4相连接，所述限位装置2为伸缩套筒结构，所述限位装置2上设置有压缩弹簧3；所述磁力阻尼耗能减振系统由上永磁体6和下永磁体8构成，所述上永磁体6安装在质量块1底部，所述下永磁体8与底板4固接；所述上永磁体6的下表面和下永磁体8的上表面磁性相反。

所述限位装置2的伸缩套筒结构由套筒壳2-1及套筒芯2-2组成，所述套筒壳2-1套设于套筒芯2-2外，所述套筒壳2-1的一端与底板4相连接，套筒壳2-1的另一端设置有限位卡扣6；所述套筒芯2-2的一端与质量块1底部相连接，套筒芯2-2的另一端设置有限位凸起7，所述限位卡扣6与限位凸起7相匹配。

所述套筒芯2-2的高度大于等于套筒壳2-1的高度。

所述压缩弹簧3设置于限位装置2外部，支撑弹簧3承受轴向压力后的高度大于套筒芯2-2的高度小于套筒芯2-2与套筒壳2-1高度的和。

所述限位装置2在质量块1与底板4间设置有四个，分别为第一限位杆、第二限位杆、第三限位杆、第四限位杆，所述第一限位杆、第二限位杆、第三限位杆、第四限位杆均匀分布设置于质量块1与底板4间。

所述上永磁体6通过限位钢板7安装在质量块1底部，所述限位钢板7通过U型固定夹5安装在质量块1底部，所述限位钢板7与U型固定夹5通过螺栓铰接。

所述质量块1是由六块钢板焊接而成的长方体空腔，长方体空腔内填充物沙子或水。

所述底板4为铁板。

所述上永磁体6由两块磁极颠倒设置的磁铁组成；所述下永磁体8由两块磁极颠倒设置的磁铁组成。

使用时，本次选用桥长为10m，宽为1.6m梁模型为控制实验对象，设计磁力TMD质量为18Kg，频率为4Hz，刚度11.25kN/m。测量得到阻尼比为3％。选择用APS400激振器，以激励频率4Hz，激励幅值16VPP对桥梁进行激励，测量得到桥梁安装磁力TMD前后的位移和加速度响应曲线，如图3-9所示。安装磁力TMD(永磁体斥力吸力混合)减振率为88.9％，安装磁力TMD(斥力)减振率为90％，安装磁力TMD(吸力)减振率为92.1％；说明磁力TMD对结构竖向振动控制效果显著。

限位装置2为分别安装在质量块1底部和底板4上的四根竖向磨光钢管，分别为第一限位杆、第二限位杆、第三限位杆、第四限位杆，套筒壳2-1内径与套筒芯2-2外径相差1mm，压缩弹簧3套在套筒壳2-1与套筒芯2-2组成的套筒结构外部，压缩弹簧3承受质量块1的全部重量，提供恢复力，压缩弹簧3同时连接质量块1和底板4，压缩弹簧3能够提供竖向的刚度和控制TMD在竖向的运动，质量块钢板重11Kg，沙子可调质量为9Kg，能够增加整个装置的质量，从而改变TMD固有频率和阻尼。

所述下永磁体8通过双面万能贴粘接在底板4上，能够增大磁铁磁通量。

所述限位装置2中的套筒壳2-1内表面和套筒芯2-2外表面进行磨光处理，表明光滑，减小摩擦。

磁力阻尼器的参数确定方法，其步骤如下：

本装置假设试验改参法来确定磁力TMD的参数；即根据公式：

式中：

μ为TMD质量与结构模态质量的质量比；

f_opt为TMD与结构模态的最优频率比；

基于此模型，得到TMD的刚度、质量如下：

m_t＝μm₁，式中：

k_opt为TMD的刚度；

m_t为TMD的质量；

ω₁为结构的一阶频率；

m₁为结构的一阶模态质量。

据此计算出磁力TMD的刚度和质量。

假设磁力TMD质量块和弹簧刚度不变，振动频率以结构的一阶频率f₁计算。用自由衰减法测量磁力TMD的自由衰减曲线，经过傅里叶变换得到自振频率f，由磁力TMD的刚度公式：

k＝(2πf)²m_t，式中：

k为磁力TMD的总刚度。由于弹簧和磁力等效弹簧是并联，且磁力方向和弹簧弹力方向相反，所以磁力提供的等效刚度为：

k_m＝k_s-k，式中：k_s为弹簧刚度。

磁力TMD的质量计算公式：

磁力阻尼构件设计如图所示，由四块磁铁组成。

上永磁体6和下永磁体8分别由两块磁铁N，S磁极形成对吸，增加磁通量。上永磁体6和下永磁体8之间每侧磁铁N,S两级相对，磁力为吸引力。先测量得到磁力TMD的阻尼比，然后无阻尼系统时阻尼系数计算公式：

式中:

为无阻尼系统TMD的阻尼比；

ω₀为无阻尼系统TMD的圆频率；

m为无阻尼系统TMD的质量。

装上磁力阻尼系统测量磁力TMD的阻尼比，由磁力阻尼系数计算公式：

式中:

为安装磁力阻尼系统TMD的阻尼比；

ω_m为安装磁力阻尼系统TMD的圆频率；

m_m为安装磁力阻尼系统TMD的质量。

磁力TMD竖向弹簧的设计：

弹簧参数：

螺旋弹簧的刚度计算式为:

式中:

G表示弹簧钢的剪切模量；

D表示弹簧的中径；

n表示弹簧的有效圈数；

d表示弹簧丝的线径；

磁铁选择：

钕铁硼(NdFeB)是目前性价比最高的磁铁，磁性极高。试验采用N35牌号NdFeB矩形永磁体，其主要参数有：剩磁感应强度1.2T；最大磁能积为2.8×10⁵Jm^-3；矫顽力与内禀矫顽力分别为8.7×10⁵Am^-1，9.6×10⁵Am^-1；长(a)、宽(b)与高(h)分别为50mm×30mm×10mm。

实施例2

本发明所述一种磁力TMD控制装置，如图1-10所示，同实施例1，所述压缩弹簧3设置于套筒壳2-1内，支撑弹簧3承受轴向压力后的高度小于套筒壳2-1的高度。

Claims (10)

1.一种磁力TMD控制装置，其特征在于：包括质量块(1)、限位装置(2)、弹簧(3)、底板(4)、磁力阻尼耗能减振系统，所述质量块(1)通过限位装置(2)与底板(4)相连接，所述限位装置(2)为伸缩套筒结构，所述限位装置(2)上设置有压缩弹簧(3)；所述磁力阻尼耗能减振系统由上永磁体(6)和下永磁体(8)构成，所述上永磁体(6)安装在质量块(1)底部，所述下永磁体(8)与底板(4)固接；所述上永磁体(6)的下表面和下永磁体(8)的上表面磁性相反。

2.如权利要求1所述一种磁力TMD控制装置，其特征在于：所述限位装置(2)的伸缩套筒结构由套筒壳(2-1)及套筒芯(2-2)组成，所述套筒壳(2-1)套设于套筒芯(2-2)外，所述套筒壳(2-1)的一端与底板(4)相连接，套筒壳(2-1)的另一端设置有限位卡扣(9)；所述套筒芯(2-2)的一端与质量块(1)底部相连接，套筒芯(2-2)的另一端设置有限位凸起(10)，所述限位卡扣(9)与限位凸起(10)相匹配。

3.如权利要求2所述一种磁力TMD控制装置，其特征在于：所述套筒芯(2-2)的高度大于等于套筒壳(2-1)的高度。

4.如权利要求2所述一种磁力TMD控制装置，其特征在于：所述压缩弹簧(3)设置于限位装置(2)外部，支撑弹簧(3)承受轴向压力后的高度大于套筒芯(2-2)的高度小于套筒芯(2-2)与套筒壳(2-1)高度的和。

5.如权利要求2所述一种磁力TMD控制装置，其特征在于：所述压缩弹簧(3)设置于套筒壳(2-1)内，支撑弹簧(3)承受轴向压力后的高度小于套筒壳(2-1)的高度。

6.如权利要求4或5所述一种磁力TMD控制装置，其特征在于：所述限位装置(2)在质量块(1)与底板(4)间设置有四个，分别为第一限位杆、第二限位杆、第三限位杆、第四限位杆，所述第一限位杆、第二限位杆、第三限位杆、第四限位杆均匀分布设置于质量块(1)与底板(4)间。

7.如权利要求4所述一种磁力TMD控制装置，其特征在于：所述上永磁体(6)通过限位钢板(7)安装在质量块(1)底部，所述限位钢板(7)通过U型固定夹(5)安装在质量块(1)底部，所述限位钢板(7)与U型固定夹(5)通过螺栓铰接。

8.如权利要求7所述一种磁力TMD控制装置，其特征在于：所述质量块(1)是由六块钢板焊接而成的长方体空腔，长方体空腔内填充物沙子或水。

9.如权利要求8所述的一种磁力TMD控制装置，其特征在于：所述底板(4)为铁板。

10.如权利要求9所述的一种磁力TMD控制装置，其特征在于：所述上永磁体(6)由两块磁极颠倒设置的磁铁组成；所述下永磁体(8)由两块磁极颠倒设置的磁铁组成。

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