CN112196939A - 一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，包括横向隔震层和竖向隔震层，横向隔震层包括第一支撑筒体以及第一磁流变弹性体和第一漆包线圈，第一支撑筒体的侧壁上安装有第二磁流变弹性体，第一漆包线圈位于第一磁流变弹性体和第二磁流变弹性体之间；竖向隔震层包括第二支撑筒体、容纳于第二支撑筒体内部腔室中的第三磁流变弹性体和第二漆包线圈、以及支撑底座，第三磁流变弹性体至少设置有两个，所有第三磁流变弹性体配合支撑于支撑底座下方，第二漆包线圈套于所有第三磁流变弹性体的外侧。本发明提出的基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，可以通过改变磁场大小来控制隔震支座的刚度与阻尼，有效的避免了共振现象的发生。

Description

一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座
技术领域
本发明涉及减震装置领域，尤其涉及一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座。
背景技术
在现有的针对文物抗震的水平隔震装置中，高阻尼叠层橡胶已经得到了较为广泛的应用。高阻尼叠层橡胶的构造简单，性能稳定，变形能力强，且叠层橡胶的使用有效的避免了橡胶体积过大受压时容易鼓出的问题。这种被动控制的减震方法可靠性较强，但是由于地震波的类型多种多样，在不同地震波输入时，结构无法根据不同类型的地震波输入调整自身的刚度和阻尼，在长期地震作用下，结构可能引发共振，从而导致结构破坏。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，旨在便于调整磁流变弹性体的阻尼与刚度，以避免共振现象的发生。
为实现上述目的，本发明提供一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，包括横向隔震层以及位于其上方的竖向隔震层，其中，
所述横向隔震层包括第一支撑筒体以及容纳于第一支撑筒体内部腔室中的第一磁流变弹性体和第一漆包线圈，第一支撑筒体的侧壁上安装有第二磁流变弹性体，第一漆包线圈位于第一磁流变弹性体和第二磁流变弹性体之间，第一磁流变弹性体包括竖向设置的硅钢板叠层；
所述竖向隔震层包括位于第一支撑筒体上方的第二支撑筒体、容纳于第二支撑筒体内部腔室中的第三磁流变弹性体和第二漆包线圈、以及位于第三磁流变弹性体上方的支撑底座，第三磁流变弹性体至少设置有两个，所有第三磁流变弹性体配合支撑于支撑底座下方，支撑底座上用于放置隔震物品，第二漆包线圈套于所有第三磁流变弹性体的外侧，第三磁流变弹性体包括倾斜设置的硅钢板叠层。
优选地，所述第一支撑筒体包括顶板、底板以及位于顶板和底板之间的第一套筒和第二套筒，第二磁流变弹性体位于第一套筒和第二套筒之间，第一磁流变弹性体位于第一套筒和第二套筒内部。
优选地，所述底板的外部套有锚固套筒，锚固套筒上开设有用于支座锚固的螺纹孔。
优选地，所述第一磁流变弹性体的上、下两端均安装有圆柱体砌块，两圆柱体砌块分别与顶板和底板刚性连接。
优选地，所述第一套筒的侧壁上开设通孔以供漆包铜线穿过。
优选地，所述第一漆包线圈与第一磁流变弹性体和第二磁流变弹性体横向上均设置有间隙。
优选地，所述竖向隔震层还包括四棱锥型砌块，四棱锥型砌块的侧面上支撑有四个第三磁流变弹性体，第二漆包线圈套于四棱锥型砌块外部。
优选地，所述支撑底座包括位于第三磁流变弹性体上方的三棱柱型砌块以及位于三棱柱型砌块上方的垫板，每一第三磁流变弹性体对应设置有一三棱柱型砌块，垫板上安装有螺纹孔。
优选地，所述第二支撑筒体包括第三套筒以及安装于第三套筒上部开口处的上层连接板，上层连接板的中部开设有安装孔以供安装垫板，第三磁流变弹性体和第二漆包线圈均位于第三套筒内部。
优选地，所述支撑底座与第二支撑筒体之间设有高阻尼橡胶层。
本发明提出的基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，提出的文物智能隔震支座，具有以下优点：
1、拥有传统的高阻尼叠层橡胶隔震支座的优点，其构造简单且变形能力强；
2、相比于被动控制，半主动控制的可控性更强，支座的刚度和阻尼大小可以通过电流大小来控制，从而不会出现与地震波共振的现象，隔震效果更为显著；
3、设计的灵活性高，可根据文物的不同调整线圈匝数和磁流变弹性体的材料配比，从而得到更加合适的阻尼控制范围；
4、本三维隔震可有效预防地震的竖直方向的分量的作用。
附图说明
图1为本发明一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座的正视结构示意图；
图2为本发明一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座的A-A截面结构示意图；
图3为本发明一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座的俯视结构示意图；
图4为本发明一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座的B-B截面结构示意图；
图5为本发明一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座的C-C截面结构示意图；
图6为本发明一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座的D-D截面结构示意图；
图7为本发明一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座的截面磁路图。
图中：1-顶板，2-圆柱体砌块，3-第一磁流变弹性体，4-第一套筒，5-第二磁流变弹性体，6-第一漆包线圈，7-第二套筒，8-通孔，9-垂直间隙，10-锚固套筒，11-螺纹孔，12-垫板，13-三棱柱型砌块，14-第三磁流变弹性体，15-上层连接板，16-第二漆包线圈，17-四棱锥型砌块，18-高阻尼橡胶层，19-底板，20-第三套筒。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，并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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参照图1至图7，本优选实施例中，一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，包括横向隔震层以及位于其上方的竖向隔震层，其中，
横向隔震层包括第一支撑筒体以及容纳于第一支撑筒体内部腔室中的第一磁流变弹性体3和第一漆包线圈6（数匝漆包线圈），第一支撑筒体的侧壁上安装有第二磁流变弹性体5，第一漆包线圈6位于第一磁流变弹性体3和第二磁流变弹性体5之间，第一磁流变弹性体3包括竖向设置的硅钢板叠层；
竖向隔震层包括位于第一支撑筒体上方的第二支撑筒体、容纳于第二支撑筒体内部腔室中的第三磁流变弹性体14和第二漆包线圈16、以及位于第三磁流变弹性体14上方的支撑底座，第三磁流变弹性体14至少设置有两个，所有第三磁流变弹性体14配合支撑于支撑底座下方，支撑底座上用于放置隔震物品，第二漆包线圈16套于所有第三磁流变弹性体14的外侧，第三磁流变弹性体14包括倾斜设置的硅钢板叠层。
横向隔震层的具体结构如下。第一支撑筒体包括顶板1、底板19以及位于顶板1和底板19之间的第一套筒4和第二套筒7，第二磁流变弹性体5位于第一套筒4和第二套筒7之间，第一磁流变弹性体3位于第一套筒4和第二套筒7内部。第一套筒4和第二套筒7通过与第二磁流变弹性体5相连，且两个套筒分别与顶板1和底板19相连使磁路闭合。第一漆包线圈6是绕在第一磁流变弹性体3周围的数匝线圈，通电后即可为磁流变弹性体提供磁场。
第二磁流变弹性体5是由橡胶与羰基铁粉混合制成，这是一种现有技术。硅钢板叠层采用橡胶和羰基铁粉混合制成的橡胶层与硅钢板交叠粘接制成，这在现有技术中普遍应用于建筑隔震中。
另外，底板19的外部套有锚固套筒10，锚固套筒10上开设有用于支座锚固的螺纹孔11（设置有8个）。
具体地，第一磁流变弹性体3的上、下两端均安装有圆柱体砌块2，两圆柱体砌块2分别与顶板1和底板19刚性连接。
第一套筒4的侧壁上开设通孔8以供漆包铜线穿过。漆包线圈使用漆包铜线匝绕，通过套筒上的通孔8与外部电源相连。
第一漆包线圈6与第一磁流变弹性体3和第二磁流变弹性体5横向上均设置有间隙。在线圈四周留有间隙为中间的第一磁流变弹性体3和第二磁流变弹性体5提供变形空间，
竖向隔震层的具体结构如下。竖向隔震层还包括四棱锥型砌块17，四棱锥型砌块17的侧面上支撑有四个第三磁流变弹性体14，第二漆包线圈16套于四棱锥型砌块17外部。同样，在第二漆包线圈16四周留有间隙为中间的竖向隔震支座提供变形空间。第二漆包线圈16是绕在第三磁流变弹性体14周围的数匝线圈，通电后即可为磁流变弹性体提供磁场。
支撑底座包括位于第三磁流变弹性体14上方的三棱柱型砌块13以及位于三棱柱型砌块13上方的垫板12，每一第三磁流变弹性体14对应设置有一三棱柱型砌块13，垫板12上安装有螺纹孔11（设置有8个）用来文物柜锚固。
第二支撑筒体包括第三套筒20以及安装于第三套筒20上部开口处的上层连接板15，上层连接板15的中部开设有安装孔以供安装垫板12，第三磁流变弹性体14和第二漆包线圈16均位于第三套筒20内部。
进一步地，支撑底座与第二支撑筒体之间设有高阻尼橡胶层18。
顶板1，底板19，圆柱体砌块2，第一套筒4，第二套筒7，锚固套筒10，垫板12，三棱柱型砌块13，上层连接板15，四棱锥型砌块17和第三套筒20均使用一般工程钢材，第一磁流变弹性体3和第三磁流变弹性体14中的钢材使用硅钢。
由四棱锥型砌块17、第三磁流变弹性体14和三棱柱型砌块13组成的竖向隔震支座受力产生竖向相对位移和水平相对位移，使得竖向隔震支座中的第三磁流变弹性体14在水平方向和竖直方向发生剪切变形产生剪切力。
本文物智能隔震支座工作原理如下：顶板1和底板19受力产生水平相对位移，由于顶板1和底板19与圆柱体砌块2刚性连接，圆柱体砌块2有同样的相对位移，使得圆柱体砌块2的第一磁流变弹性体3在水平方向发生剪切变形产生剪切力。同理，第三套筒20与顶板1刚性连接，顶板1产生水平位移导致连接两个套筒的磁流变弹性体水平方向发生剪切变形产尘剪切力。
如图7所示，对励磁线圈通电后，磁感线穿过磁流变弹性体（硅钢板叠层），通过砌块、连接板、套筒、磁流变弹性体形成回路，且磁感线垂直穿过外围的磁流变弹性体，增加了磁场的利用率。
本发明隔震装置具体使用方法如下：
一、在文物柜下方布置本隔震装置，并在文物柜中设置一个水平加速度传感器和竖直加速度传感器，用以检测文物柜的水平加速度和竖直加速度。
二、当文物柜受到地震作用时，隔震支座的第二层受到水平力与竖向力，使得竖向隔震支座中的第三磁流变弹性体14受到水平剪切力和竖向剪切力，此时第三磁流变弹性体14为结构提供阻尼力，起到水平隔震和竖直隔震的作用，但是竖向隔震支座中的第三磁流变弹性体14体积较小，所起到的横向隔震效果有限，该层主要起到竖向隔震作用。隔震支座第一层受到的水平力使得支座的顶板和底板产生相对位移，从而使得连接顶板和底板的第一磁流变弹性体3和外围磁流变弹性体受到水平剪切力，此时第一磁流变弹性体3与外围磁流变弹性体为结构提供阻尼力，从而起到水平隔震的效果。
三、根据步骤一中得到的加速度，通过卡尔曼滤波器得到绝对速度，从而可以使用半主动控制改变输入激励线圈的电流大小来改变磁场大小，从而改变磁流变弹性体—硅钢板叠层和外围磁流变弹性体的阻尼与刚度，用以避免与地震产生共振。
由于第二磁流变弹性体5本身也是高阻尼橡胶（磁流变弹性体就是在高阻尼橡胶中混入铁粉，这样可以让材料在磁场作用下有不同的阻尼和刚度。在没有磁场时，就相当于高阻尼橡胶），所以该隔震支座在不通电的时候也具有较好的隔震效果。
本实施例提出的文物智能隔震支座，具有以下优点：
1、拥有传统的高阻尼叠层橡胶隔震支座的优点，其构造简单且变形能力强；
2、相比于被动控制，半主动控制的可控性更强，支座的刚度和阻尼大小可以通过电流大小来控制，从而不会出现与地震波共振的现象，隔震效果更为显著；
3、设计的灵活性高，可根据文物的不同调整线圈匝数和磁流变弹性体的材料配比，从而得到更加合适的阻尼控制范围；
4、本三维隔震可有效预防地震的竖直方向的分量的作用。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，其特征在于，包括横向隔震层以及位于其上方的竖向隔震层，其中，
所述横向隔震层包括第一支撑筒体以及容纳于第一支撑筒体内部腔室中的第一磁流变弹性体和第一漆包线圈，第一支撑筒体的侧壁上安装有第二磁流变弹性体，第一漆包线圈位于第一磁流变弹性体和第二磁流变弹性体之间，第一磁流变弹性体包括竖向设置的硅钢板叠层；
所述竖向隔震层包括位于第一支撑筒体上方的第二支撑筒体、容纳于第二支撑筒体内部腔室中的第三磁流变弹性体和第二漆包线圈、以及位于第三磁流变弹性体上方的支撑底座，第三磁流变弹性体至少设置有两个，所有第三磁流变弹性体配合支撑于支撑底座下方，支撑底座上用于放置隔震物品，第二漆包线圈套于所有第三磁流变弹性体的外侧，第三磁流变弹性体包括倾斜设置的硅钢板叠层。
2.如权利要求1所述的一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，其特征在于，所述第一支撑筒体包括顶板、底板以及位于顶板和底板之间的第一套筒和第二套筒，第二磁流变弹性体位于第一套筒和第二套筒之间，第一磁流变弹性体位于第一套筒和第二套筒内部。
3.如权利要求2所述的一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，其特征在于，所述底板的外部套有锚固套筒，锚固套筒上开设有用于支座锚固的螺纹孔。
4.如权利要求2所述的一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，其特征在于，所述第一磁流变弹性体的上、下两端均安装有圆柱体砌块，两圆柱体砌块分别与顶板和底板刚性连接。
5.如权利要求2所述的一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，其特征在于，所述第一套筒的侧壁上开设通孔以供漆包铜线穿过。
6.如权利要求1所述的一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，其特征在于，所述第一漆包线圈与第一磁流变弹性体和第二磁流变弹性体横向上均设置有间隙。
7.如权利要求1所述的一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，其特征在于，所述竖向隔震层还包括四棱锥型砌块，四棱锥型砌块的侧面上支撑有四个第三磁流变弹性体，第二漆包线圈套于四棱锥型砌块外部。
8.如权利要求1所述的一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，其特征在于，所述支撑底座包括位于第三磁流变弹性体上方的三棱柱型砌块以及位于三棱柱型砌块上方的垫板，每一第三磁流变弹性体对应设置有一三棱柱型砌块，垫板上安装有螺纹孔。
9.如权利要求8所述的一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，其特征在于，所述第二支撑筒体包括第三套筒以及安装于第三套筒上部开口处的上层连接板，上层连接板的中部开设有安装孔以供安装垫板，第三磁流变弹性体和第二漆包线圈均位于第三套筒内部。
10.如权利要求1至9中任意一项所述的一种基于磁流变弹性体的文物智能隔震支座，其特征在于，所述支撑底座与第二支撑筒体之间设有高阻尼橡胶层。
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