CN112805489B - 一种双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种双出杆压电‑磁流变复合智能阻尼器，包括工作缸（6），其两端对应安装有左端盖（5）和右端盖（10）；工作缸（6）内装有活塞（12）；活塞（12）的两端对应固定连接有第一活塞杆（1）和第二活塞杆（11）；活塞（12）将工作缸（6）分隔为分别位于活塞（12）两端侧的第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体内充满磁流变液（9）；工作缸（6）内壁设有压电陶瓷（8），在压电陶瓷（8）与活塞（12）之间形成工作间隙（7），工作间隙（7）连通第一腔体和第二腔体；工作间隙（7）一侧设有磁场发生装置，满足了土木工程在地震作用下减震控制的要求。还涉及该双出杆压电‑磁流变复合智能阻尼器的控制方法。

Description

一种双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器及其控制方法，属于阻尼器领域，尤其涉及一种用于大型土木工程结构抗震(振)的阻尼器。

背景技术

强烈的地震给世界各国人民造成了巨大的灾害。地震中建筑物的大量破坏与倒塌，是造成地震灾害的直接原因。我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，全国约450个城市中，位于地震区的占74.5％。28个百万以上人口的大城市中，有85.7％位于地震区。并且随着国家经济的发展，目前大型土木工程结构(主要集中在高层建筑结构、高耸构筑结构、大跨空间结构、桥梁结构、水坝等重要结构形式)的应用日益增多，所采用的材料趋向轻质高强，这就使结构柔度增加、阻尼下降，对风力及地震作用更为敏感。为保证结构的完整性与其它要求(如建筑物中人的舒适性等)，往往要对环境外载(如风、地震等)引起的响应进行控制。所以有关大型土木工程的抗震及减振问题更显突出，而通过在土木工程结构上设置控制机构，由控制结构与结构共同抵御地震动等动力荷载，使结构的动力响应减小的结构振动控制的研究有重要现实意义。

磁流变液是一种性能优良的智能材料，在磁场的作用下能够在瞬间从牛顿流体转变为剪切屈服能力较高的粘塑性体，且这种转变连续可逆。磁流变阻尼器是应用磁流变液在强磁场下的快速可逆流变特性而制造的一种新型振动控制装置。具有结构简单、相变快、阻尼力大而且连续可调等优点。根据结构的实际变形和外部地震(风振)激励，按照特定的控制规律，控制外加磁流变阻尼器的力学性能，从而在瞬间内改变结构系统的特性参数以使结构达到最好的控制效果。

压电材料是一种具有压电效应的特殊材料。所谓压电效应是指在压力作用下材料的两个表面会出现符号相反的束缚电荷(称为正压电效应)，或者在电场作用下材料产生与电场强度成比例的变形或应力(称为逆正压电效应)。压电材料可分为压电晶体、压电纤维、压电陶瓷和压电聚合物等几类。在土木T程结构控制领域得到较多关注的是压电陶瓷，其中锆钛酸铅(PZT)是最常用的压电陶瓷。

利用压电陶瓷可制作适用于土木工程结构智能控制的压电陶瓷驱动器和压电变摩擦阻尼器。

磁流变液阻尼器是一种以磁流变液为工作液的阻尼可调器件，磁流变液阻尼器的力学特性可以由外加磁场连续控制。其中的工作液为磁流变液，主要由载液、磁性颗粒及添加剂三部分组成，没有外加磁场作用时，该磁性液体表现为低粘度流体特性，一旦加入外加磁场，将呈现为高粘度的半固体状态。由于磁流变液阻尼器具有可调范围宽、响应速度快、功耗低、结构简单等优点，在机械振动、车辆、建筑结构等振动控制领域具有广泛的应用前景。

目前国内外开发耗能器和阻尼器大多是利用单一的耗能机制或单一的耗能元件和材料耗能，所提供的阻尼力和初始刚度有限。因此所需耗能器(阻尼器)数量较多，布置起来较麻烦，施工程序和周期增加，且影响建筑使用空间，如中国专利申请CN201110131422.9，这种阻尼器存在问题：一是动态时间较长，直接影响了磁流变液阻尼器的应用范围和减振效果；二是阻尼力调整范围有限，导致其土木工程结构的减震效果有限，大大限制了磁流变阻尼器的应用范围。另外现有的磁流变阻尼器普遍把阻尼孔设计在液压缸的内部，阻尼孔为液压缸的活塞与液压缸缸筒内壁之间，并且此间隙通常不可调节。

现有技术：

1、著作：《磁流变液智能材料与器件及结构振动的智能控制》[瞿伟廉著]2013年；

2、期刊：电流变液与压电陶瓷复合的自耦合阻尼器赵晓鹏，2006年2月。

发明内容

本发明旨在提供一种双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器及其控制方法，该阻尼器可以实现阻尼孔大小可调，从而满足土木工程在地震作用下减震控制的要求。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器，包括工作缸，该工作缸的两端对应安装有左端盖和右端盖；所述工作缸内装有活塞；其结构特点是：

所述活塞的两端对应固定连接有第一活塞杆和第二活塞杆，所述第一活塞杆穿过左端盖并伸出，所述第二活塞杆穿过右端盖并伸出；所述活塞将工作缸分隔为分别位于活塞两端侧的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和第二腔体内充满磁流变液；

所述工作缸内壁设有压电陶瓷，在压电陶瓷与活塞之间形成工作间隙，该工作间隙连通第一腔体和第二腔体；

所述工作缸、第一活塞杆和第二活塞杆均为不导磁材料制成的；

所述工作间隙一侧设有用于在工作间隙处产生磁场的磁场发生装置。

按照现代压电理论，压电陶瓷材料的电致变形量与施加在其上的电场强度成正比，利用这个被称为逆压电效应的原理，本发明的巧妙地设计处一种双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器，利用压电陶瓷来调节工作间隙的流通管径，利用磁场发生装置调整磁流变液的粘度，从而调节阻尼力的大小，以更好地满足土木工程在地震作用下减震控制的要求。

本发明提供一种能够发挥磁流变液和压电陶瓷两种不同性质的材料各自性能的优势，从而更有效地调节磁流变通道中的阻尼力。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

为了方便控制工作间隙处的磁场力大小，所述磁场发生装置为电磁场发生装置。优选地，所述电磁场发生装置包括安装在活塞上的励磁线圈，该励磁线圈通过引出线与电源电连接。

为了方便引线，所述第一活塞杆或第二活塞杆上开有轴向设置的通孔，所述引出线穿过所述通孔并与所述电源电连接。

为了避免励磁线圈因导线断裂而不方便更换，所述引出线引出后与接线柱的一端相连，该接线柱的通过导线与电源电连接。

优选地，所述压电陶瓷通过引线与电源电连接。

为了方便调整工作间隙的大小，从而调整磁流变液的通流量，所述工作间隙为通流量可调的环形间隙。

优选地，所述左端盖和右端盖上均开有供相应的活塞杆伸出的孔，在孔内安装有滑动轴承和密封装置。

优选地，所述工作缸、第一活塞杆和第二活塞杆均为不锈钢材料制成。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种所述的双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器的控制方法，其包括如下过程：

当第二活塞杆推动活塞在工作缸内向第一腔体运动时，磁场发生装置不工作，使工作间隙的磁流变液的粘度不变，同时压电陶瓷不通电，工作间隙不变；

当第一活塞杆推动活塞在工作缸内向第二腔体运动时，磁场发生装置工作，使工作间隙的磁流变液的粘度增大，同时压电陶瓷通电，工作间隙变小，阻尼增大。

本发明创造性地提出的压电-磁流变复合智能阻尼器包括有压电陶瓷，除了通过改变进入活塞中励磁线圈内的电流，使工作间隙中电磁场强度的改变，来调整其间磁流变液的粘度来调整阻尼力大小，还可通过控制压电陶瓷上的电压大小(压电陶瓷材料的电致变形量与施加在其上的电场强度成正比，利用这个被称为逆压电效应的原理)来控制工作间隙的管径大小从而实现对阻尼力的调节，能够减小时滞影响并提高输出力，从而满足土木工程在地震作用下减震控制的需求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明降低了阻尼器的成本，进而提高了阻尼器的工作可靠性。

2、本发明通过控制励磁线圈电流的大小和压电陶瓷上电场的大小，使两种材料发挥各自优良性能，协同作用，从而更好地改变阻尼力的大小。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图；

图2是图1的横截面示意图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“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。

一种压电-磁流变复合智能阻尼器，参见图1和图2，主要包括工作缸6，压电陶瓷8，活塞12，第一活塞杆1，第二活塞杆11，励磁线圈14，磁流变液9，其中由不导磁材料构成的工作缸6为圆筒形，在工作缸6的两端固定有左端盖5和右端盖10，在左端盖5和右端盖10的中心有孔，在孔内安装有密封装置4和滑动轴承3；在活塞12中部绕有励磁线圈14，在励磁线圈14外加装有保护层13，该保护层13与活塞12外周壁齐平；活塞12安装在工作缸6内，活塞12的外径小于工作缸6的内径，并在压电陶瓷8与活塞12之间留有磁流变液9的工作间隙7，压电陶瓷8布满工作缸6上下两侧，由不导磁材料构成的第一活塞杆1与第二活塞杆11的一端分别与活塞12的两端固定，第一活塞杆1和第二活塞杆11的另一端通过工作缸6的左、右端盖5、10上的密封装置4和滑动轴承3，然后从工作缸6的两端伸出，在第一活塞杆1的中心有通孔2，励磁线圈14的引出线15通过第一活塞杆1的通孔2从工作缸6内引出；在工作缸6内、活塞12外周壁与压电陶瓷8之间的工作间隙7都充满了磁流变液9。

现在结合图1和图2对本发明的压电-磁流变复合智能阻尼器作进一步描述：压电陶瓷8通过引线16与控制电源17连接，活塞12的励磁线圈14通过引出线15与控制电源17连接；当第二活塞杆11推动活塞12在工作缸6内向左运动时，活塞11将挤压工作缸6内左端的磁流变液9向工作缸6内的右端流动，当控制电源17没有向励磁线圈14与压电陶瓷8输出电流时，工作间隙7中没有电磁场，所以工作间隙7中的磁流变液9粘度较低，当第二活塞杆11推动活塞12在工作缸内左运动时，工作缸6内左端的磁流变液9受到的阻尼力较小。

当控制电源17向励磁线圈14与压电陶瓷8都输出电流后，励磁线圈14会使工作间隙7中产生较强的电磁场，使工作间隙7的磁流变液9的粘度较高，此外通过控制压电陶瓷8的电压大小(压电陶瓷材料的电致变形量与施加在其上的电场强度成正比)来调节工作间隙7的流通管径(管径越小，阻尼力越大)，当第二活塞杆11推动活塞12在工作缸6内向左运动时，工作间隙7内的磁流变液所受到的阻尼力较大；因此，通过调整控制电源17输入到励磁线圈14的电流大小和压电陶瓷8的电压大小，两者协同作用，可使工作间隙7内的磁流变液9所受到的阻尼力得到调整，从而使结构振动响应减小，保证主体结构的安全。

当某一活塞杆推动活塞在工作缸内运动时，活塞将挤压工作缸内一端的磁流变液向工作缸内的另一端流动，在励磁线圈14及压电陶瓷8没有通电时，工作间隙7中没有电磁场，所以工作间隙7的磁流变液粘度较低，当某一活塞杆推动活塞在工作缸内运动时，工作缸内一端的磁流变液受到的阻尼力较小。当励磁线圈14与压电陶瓷8都通电后，励磁线圈会使工作间隙中产生较强的电磁场，使工作间隙的磁流变液的粘度较高，通过控制压电陶瓷8的电压大小来调节工作间隙的流通管径(管径越小，阻尼力越大)，两者协同作用，可使工作间隙内的磁流变液所受到的阻尼力得到调整，从而使结构振动响应减小，保证主体结构的安全。

本实施例采用了磁场防泄漏技术，工作缸、活塞和导杆均为高强度不锈钢材。由于MR阻尼器的有效磁极与MR液体材料是接触的，并且两种材料都是导磁性材料，磁场必然会从活塞边端磁极旁泄漏。这将大大影响MR阻尼器的磁流变阀的磁场强度，这是影响MR阻尼器能否实现大出力的关键技术。为此，在MR阻尼器的磁路设计过程中很有必要考虑防止磁漏的设计。在这一问题上，本发明采用了不锈钢来防止磁场的泄漏。由于不锈钢导磁性极低，将不锈钢挡板安放在MR阻尼器磁芯两侧，磁力线几乎不会从磁芯两旁泄漏。

本发明创造性地采用了引线保护技术。考虑到大型土木工程的设计基准期通常为100年，MR阻尼器在结构服役期间要保证励磁线圈，特别是其引线在缸体内来回运动长时间摩擦而不折断是不可能的，因此对于线圈及其引线的保护或者方便更换对于MR阻尼器在土木工程结构上的长期应用是很关键的。

为此，本发明在阻尼器的引线连接端安装接线柱，这样，励磁线圈的引线牵出后与接线柱一端相连，而从接线柱的另一端引两根导线就使MR阻尼器线圈的内外线分离，这样即便是外部导线发生摩擦导致折断，也只需要更换外部的引线就可以实现MR阻尼器的持续工作，而励磁线圈将不受任何影响。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种用于地震中减震控制的双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器，包括工作缸（6），该工作缸（6）的两端对应安装有左端盖（5）和右端盖（10）；所述工作缸（6）内装有活塞（12）；其特征在于：

所述活塞（12）的两端对应固定连接有第一活塞杆（1）和第二活塞杆（11），所述第一活塞杆（1）穿过左端盖（5）并伸出，所述第二活塞杆（11）穿过右端盖（10）并伸出；所述活塞（12）将工作缸（6）分隔为分别位于活塞两端侧的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和第二腔体内充满磁流变液（9）；

所述工作缸（6）内壁布满压电陶瓷（8），在压电陶瓷（8）与活塞（12）之间形成环形的工作间隙（7），该工作间隙（7）连通第一腔体和第二腔体；

所述工作缸（6）、第一活塞杆（1）和第二活塞杆（11）均为不导磁材料制成的；

所述工作间隙（7）一侧设有用于在工作间隙（7）处产生磁场的电磁场发生装置；

当第一活塞杆（1）或第二活塞杆（11）推动活塞在工作缸内运动时，活塞将挤压工作缸内一端的磁流变液向工作缸内的另一端流动，在电磁场发生装置及压电陶瓷通电时，电磁场发生装置使工作间隙中产生电磁场，使工作间隙的磁流变液的粘度增大，工作间隙（7）变小，阻尼增大。

2.根据权利要求1所述的用于地震中减震控制的双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器，其特征在于，所述电磁场发生装置包括安装在活塞（12）上的励磁线圈（14），该励磁线圈（14）通过引出线（15）与电源（17）电连接。

3.根据权利要求2所述的用于地震中减震控制的双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器，其特征在于，所述引出线（15）引出后与接线柱的一端相连，该接线柱通过导线与电源（17）电连接。

4.根据权利要求2所述的用于地震中减震控制的双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器，其特征在于，所述第一活塞杆（1）或第二活塞杆（11）上开有轴向设置的通孔（2），所述引出线（15）穿过所述通孔（2）并与所述电源（17）电连接。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的用于地震中减震控制的双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器，其特征在于，所述压电陶瓷（8）通过引线（16）与电源（17）电连接。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的用于地震中减震控制的双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器，其特征在于，所述工作间隙（7）为通流量可调的环形间隙。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的用于地震中减震控制的双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器，其特征在于，所述左端盖（5）和右端盖（10）上均开有供相应的活塞杆伸出的孔，在孔内安装有滑动轴承（3）和密封装置（4）。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的用于地震中减震控制的双出杆压电-磁流变复合智能阻尼器，其特征在于，所述工作缸（6）、第一活塞杆（1）和第二活塞杆（11）均为不锈钢材料制成。

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