CN113027970A - 一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置 - Google Patents

一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，用于调谐质量阻尼，包括气弹簧系统和气压控制系统，所述气弹簧系统包括气弹簧和黏滞阻尼器两部分，所述气弹簧设有气弹簧腔体，所述气弹簧腔体设有进气及出气阀门，通过所述进气及出气阀门与所述气压控制系统相连接，所述气压控制系统对所述气弹簧腔体进行气压调整，自适应改变气弹簧系统的刚度。本发明可调式气弹簧装置，阻尼和刚度一体化设计，简化传统TMD的原有配置，还可以通过气压控制系统调节弹簧系统的刚度，进一步为变频TMD的设计提供技术支持，对传统TMD进行了升级，相比传统TMD，其工作冲程优势更显著。

Description

一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置
技术领域
本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置。
背景技术
传统调谐质量阻尼技术存在自身缺陷，主要体现在两点，一方面，调谐频率单一，TMD一旦设计生产完成，其调谐频率便无法改变，在正常使用过程中，结构累计损伤的发展会导致结构的频率下降，结构的实际频率与其计算频率可能存在差异，而且结构的使用功能也可能会发生变化，这些因素都会使TMD的频率偏离控制结构，削弱了TMD的振动控制效果；另一方面，传统TMD的工作行程较大，对于具有空间局限性的结构而言TMD的使用受到了限制，这极大的限制了其实际工程应用。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，通过气压控制系统调控气弹簧腔体内的气压，实现气弹簧刚度的调节功能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，用于调谐质量阻尼，包括气弹簧系统和气压控制系统，所述气弹簧系统包括气弹簧和黏滞阻尼器两部分，所述气弹簧设有气弹簧腔体，所述气弹簧腔体设有进气及出气阀门，通过所述进气及出气阀门与所述气压控制系统相连接，所述气压控制系统对所述气弹簧腔体进行气压调整，自适应改变气弹簧系统的刚度。
本发明形成了一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，通过调谐功能将主结构的振动能量传递至阻尼系统，进而利用黏滞阻尼系统将能量耗散，利用气压控制系统改变气弹簧的刚度进一步调节阻尼系统的调谐频率，实现阻尼器自适应变频调谐的功能。
进一步地，所述气弹簧和黏滞阻尼器之间通过紧固机构连接。
进一步地，所述紧固机构为连接板件。
进一步地，所述黏滞阻尼器内部充满阻尼介质，并设有带孔活塞，所述气弹簧腔体内设有活塞，所述气弹簧腔体内的活塞与所述黏滞阻尼器内部的带孔活塞通过同轴的活塞杆连接，且所述活塞杆与阻尼滑动质量块连接。
进一步地，所述气弹簧腔体内端部设有阻挡装置。
进一步地，所述气压控制系统包括指令控制器，气压控制器，气罐或压缩机，所述气压控制器设有出气口以及回气口，分别与所述气弹簧腔体的进气、出气阀门连通，所述指令控制器与所述气压控制器连接用于指令控制，所述气罐或压缩机与所述气压控制器连接用于输送压力气体，所述气压控制器还设有放气阀。
进一步地，所述的气弹簧腔体内部气体是空气、氮气或氦气，按需选择，刚度大小与气压关系密切，可根据理想气体状态方程推算，仅活塞一侧有气体，另一侧与外界联通；
进一步地，所述的黏滞阻尼器内部阻尼介质包括填充油性介质，按需选择，相关阻尼系数的设定可通过公式计算，活塞为带孔圆盘活塞，液体可经孔流动。
气弹簧是一种充满压缩气体的密封容器，依靠非线性回复力来实现其弹性效应，本发明优势在于可以结合指令控制器、气压控制系统和电磁阀实现刚度自适应调节的功能，从而形成了一种变刚度气弹簧系统；此外，在这种变刚度气弹簧系统基础上，附加一个黏滞阻尼系统，构造上拆装方便，可进一步实现刚度和阻尼一体的功能。可根据指令对气弹簧系统进行气压调整，从而改变气弹簧系统的刚度，气压控制系统由指令控制器、气压控制器和气罐或压缩机等协调工作，可以根据需求对气弹簧系统进行气压控制操作，从而改变系统的调谐刚度。
进一步地，所述气弹簧系统设有一对，对称位于阻尼滑动质量块的两侧。
本发明将所提出的自带阻尼刚度可调式气弹簧系统引入传统调谐质量阻尼系统，形成了自适应变刚度气弹簧调谐质量阻尼器(Adaptive Variable Stiffness Gas SpringTuned Mass Damper,AVS-GSTMD)，以解决传统TMD调谐频率单一的问题，所提出的AVS-GSTMD可以根据控制器指令改变气弹簧腔体内的气压从而调节系统的调谐刚度，实现阻尼器自适应变刚度调节功能。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明提出了一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，能够通过气压控制器根据需求调整气弹簧系统的气压，实现自适应变刚度功能，为变频率调谐TMD研发提供核心技术；
2、本发明提出的气弹簧系统具有强非线性特性，所提出的阻尼器系统具有非恒定的固有频率，能够实现“瞬态共振捕捉”效应，其减振频带较TMD更宽；
3、本发明所提出的自适应变刚度气弹簧调谐质量阻尼器，针对性的弥补了传统TMD单一调谐的缺陷，能够根据结构自振频率自适应的调节阻尼器调谐频率与之一致，稳步提升阻尼系统的振动控制效果；
4、本发明对风荷载或/和地震作用等均有良好的控制效果，安装位置灵活，应用气弹簧代替原有普通钢弹簧，降低阻尼器工作过程中的噪音，适用于高层建筑和高耸结构，能够产生较好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明自带阻尼刚度可调式气弹簧装置的结构示意图；
图2为本发明气弹簧系统的示意图；
图3、4、5分别为图2中A-A、B-B、C-C的截面示意图；
图6为本发明自带阻尼刚度可调式气弹簧装置的应用示意图；
图中：
1-1-指令控制器，1-2-气压控制器，1-3-气罐或压缩机、1-4气阀；
2-1-气弹簧，2-2-气弹簧活塞，2-3-阻挡装置，2-4-进气阀门，2-5-出气阀门，2-6-黏滞阻尼器，2-7-带孔活塞，2-8-活塞杆、2-9-紧固机构；
1-气压控制系统，2-气弹簧系统，3-质量块，4-滑轨、5-固定支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1，一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，包括气压控制系统和气弹簧系统，气压控制系统主要包括指令控制器1-1，气压控制器1-2，气罐或压缩机1-3以及气阀1-4；气弹簧系统由气弹簧2-1，气弹簧活塞2-2，阻挡装置2-3，进气阀门2-4，出气阀门2-5，黏滞阻尼器2-6，带孔活塞2-7，活塞杆2-8和紧固机构2-9组成。
气压控制系统1中指令控制器1-1主要用于信号接收与命令的指派，进一步配合气压控制器1-2和气罐或压缩机1-3对气弹簧系统2进行气压的控制，从而改变其刚度；气压控制器1-2主要用于反馈当前状态下的气压值以及接收指令控制器1-1传来的充放气体的命令，通过控制电磁阀完成一系列操作；气罐或压缩机1-3主要用于提供所需气体，并可通过气阀1-4对气弹簧进行放气。
如图2-5，气弹簧系统2由两部分组成，气弹簧2-1和黏滞阻尼器2-6，两者通过紧固机构2-9组装在一起，便于拆装，组合式气弹簧系统2具备刚度和阻尼一体的功能；气弹簧2-1中活塞2-2一侧充满气体(氮气、氦气或者空气)，一侧与外界连通，弹性回复力下可自由回复，阻挡装置2-3主要用于阻挡活塞2-2，避免与阀门2-4和2-5碰撞；黏滞阻尼器2-6为封闭腔体，内部充满阻尼介质，活塞2-7为带孔圆盘，活塞运动时介质可经孔流动，活塞杆2-8与活塞2-7固结，一端连接质量块一端连接气弹簧活塞2-2，可通过螺纹旋转固定，亦可嵌入，气弹簧为预压工作状态，嵌入连接不会脱落。
如图6，为自带阻尼刚度可调式气弹簧装置的阻尼器，由5部分组成：气压控制系统1，气弹簧系统2，质量块3，滑轨4和固定支架5。质量块3形状为工字型，腹板中间开圆形孔，可以嵌入活塞杆2-8的端部，底板斜对称开孔，减少质量损失，用于连接滑轨4。所述滑轨4由滑块和导轨组成，滑块上部有螺栓孔，便于安装质量块3。所述固定支架5主要包括中间支架和边缘支架，其中，中间支架由上盖板、中空U型板及底板组成，上盖板用于固定气弹簧系统2，气弹簧系统2卡在U型板中间，底板开矩形洞，可架在滑轨4上，底板带有螺栓孔，用于固定；边缘支架由开槽半圆形型板和底板组成，槽深为板厚的1/2，底板带有螺栓孔，用于固定。
具体使用时，将滑轨、中间支架和边缘支架装配于底板，利用支架将气弹簧系统固定在预先设定的位置，质量块用螺栓安装在滑块上方，气弹簧进行预压后将端部嵌入质量块的中间位置，气压控制系统可放置在装置一侧或上方置物架(可选择安装)。
具体流程如下：
(1)根据结构初期的自振频率，初步设定阻尼器的调谐频率，并换算气弹簧系统缸体内的气压值；
(2)当地震和风荷载激励时，自适应变刚度气弹簧调谐质量阻尼器开始工作，首先通过调谐功能将主结构的能量传递至阻尼系统，质量块3沿滑轨4来回滑动，带动气弹簧系统2的活塞杆左右运动，此过程中，其中，气弹簧的活塞及活塞杆2-8压缩气弹簧缸体2-1内的气体，产生系统所需的弹性回复力；与此同时，黏滞阻尼器2-6中的活塞2-7随质量块运动，腔体内的阻尼介质流经活塞上的圆孔，进而产生阻尼力，耗散振动能量；
(3)当结构服役一段时间后，因其使用该功能发生变化或结构损伤累积到一定程度，导致结构自振频率发生变化(增大或减小)，此时，指令控制器1-1发出指令至气压控制器1-2，通过调节气弹簧系统2内的气压值(充放气)，改变气弹簧2-1的刚度，从而将阻尼系统的调谐频率调整至与结构频率保持一致，确保阻尼器减振效果最佳。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，用于调谐质量阻尼，其特征在于，包括气弹簧系统和气压控制系统，
所述气弹簧系统包括气弹簧和黏滞阻尼器两部分，所述气弹簧设有气弹簧腔体，所述气弹簧腔体设有进气及出气阀门，通过所述进气及出气阀门与所述气压控制系统相连接，所述气压控制系统对所述气弹簧腔体进行气压调整，自适应改变气弹簧系统的刚度。
2.根据权利要求1所述的一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，其特征在于，所述气弹簧和黏滞阻尼器之间通过紧固机构连接。
3.根据权利要求2所述的一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，其特征在于，所述紧固机构为连接板件。
4.根据权利要求1所述的一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，其特征在于，所述黏滞阻尼器内部充满阻尼介质，并设有带孔活塞，所述气弹簧腔体内设有活塞，所述气弹簧腔体内的活塞与所述黏滞阻尼器内部的带孔活塞通过同轴的活塞杆连接，且所述活塞杆与阻尼滑动质量块连接。
5.根据权利要求4所述的一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，其特征在于，所述气弹簧腔体内端部设有阻挡装置。
6.根据权利要求1所述的一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，其特征在于，所述气压控制系统包括指令控制器，气压控制器，气罐或压缩机，所述气压控制器设有出气口以及回气口，分别与所述气弹簧腔体的进气、出气阀门连通，所述指令控制器与所述气压控制器连接用于指令控制，所述气罐或压缩机与所述气压控制器连接用于输送压力气体，所述气压控制器还设有放气阀。
7.根据权利要求1所述的一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，其特征在于，所述的气弹簧腔体内部气体是空气、氮气或氦气。
8.根据权利要求1所述的一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，其特征在于，所述的黏滞阻尼器内部阻尼介质包括填充油性介质。
9.根据权利要求1所述的一种自带阻尼刚度可调式气弹簧装置，其特征在于，所述气弹簧系统设有一对，对称位于阻尼滑动质量块的两侧。
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