CN113074211B - 频率相关被动型智能变阻尼控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种频率相关被动型智能变阻尼控制装置，包括液压阻尼器系统和双振子控制系统，液压阻尼器系统包括上销头(1)、活塞杆(2)、导向套(3)、活塞(5)、液压缸体(6)、反力板(8)、下销头(9)；双振子控制系统包括控制缸体(16)及内部控制机构，内部控制机构包括单摆轴(19)、周期特性不同的单摆一和单摆二、单摆一轴承(24)、单摆二轴承(25)；在单摆一圆盘(20)和单摆二圆盘(21)相对应的位置分别设置有单摆一节流口(22)和单摆二节流口(23)，单摆一圆盘(20)和单摆二圆盘(21)之间紧密贴合但存在缝隙。本发明稳定可靠，安全性高。

Description

频率相关被动型智能变阻尼控制装置

技术领域

本发明属于土木工程以及机械工程领域和减振技术领域，涉及一种通过被动减振形式实现智能减振控制的被动型智能变阻尼控制装置，适用于土木工程领域的工业与民用建筑、桥梁、地下建筑等的减震，同样也适用于对仪器、文物等的减振防护。

背景技术

我国是一个地震灾害多发的国家，在土木工程领域对建筑工程进行隔震、减震设计是一个重要问题和发展方向。结构振动控制是现代抗震设计领域的重要研究方向之一，对减震控制装置的研发是抗震控制的载体和实现形式。

从控制角度看，现有的阻尼器可分为：1)被动型阻尼器。如金属阻尼器、液压阻尼器及库伦摩擦阻尼器等。被动型阻尼器的结构简单，阻尼参数固定，可靠性、经济性均较好，在实际工程中已被广泛应用；2)半主动型阻尼器。如磁流变阻尼器、压电摩擦阻尼器等，半主动型阻尼器一般需配备相应的能源供应系统和控制系统，相比于被动型阻尼器，半主动型阻尼器可采用智能算法对阻尼进行调节，控制效果更好，但半主动型阻尼器的结构较复杂，生产成本较高，此外也依赖于能源供应，这也降低了整体控制系统的稳定性。由于半主动型阻尼器的上述缺点，制约了其进一步工程推广和应用。

由此可见，有必要研发一种集被动和半主动型阻尼器优点于一身的被动型智能变阻尼控制装置。该装置可通过被动方式实现智能控制效果，一方面具有被动型装置的可靠性、经济性和稳定性，另一方面又具备半主动控制装置的智能控制效果。被动型智能变阻尼控制装置以机械的方式实现智能控制，具备无需外部能源供能，无需配备相应控制器、执行器等特点，具有广阔的工程应用前景。

发明内容

本发明的目的是以被动形式实现半主动型阻尼器的控制效果，一方面具有被动型阻尼器的无需能源供应、无需外部信号采集系统、响应迅速、简单可靠等优点，另一方面又可实现半主动型阻尼器的智能控制效果。本发明是一种集成现有被动型和半主动型阻尼器优点的频率相关被动型智能变阻尼控制装置。技术方案如下：

一种频率相关被动型智能变阻尼控制装置，包括液压阻尼器系统和双振子控制系统，其特征在于，

液压阻尼器系统包括上销头1、活塞杆2、导向套3、活塞5、液压缸体6、反力板8、下销头9，活塞杆2的一端与上销头1连接，另一端伸入液压缸体6并固定有反力板8，活塞5将液压缸体6分为液压缸室一4及液压缸室二7，液压缸室一4的缸体上设置有液压缸室一导管连接口10，液压缸室二7的缸体上设置有液压缸室二导管连接口11，下销头9连接到液压缸体6；

双振子控制系统包括控制缸体16及内部控制机构，控制缸体16两侧设有控制缸体导管一连接口17和控制缸体导管二连接口18，内部控制机构包括单摆轴19、周期特性不同的单摆一和单摆二、单摆一轴承24、单摆二轴承25；单摆一包括单摆一圆盘20、单摆一摆杆26和单摆一摆锤28，单摆一圆盘20通过单摆一摆杆26与单摆一摆锤28连接，单摆二包括单摆二圆盘21、单摆二摆杆27和单摆二摆锤29，单摆二圆盘21通过单摆二摆杆27与单摆二摆锤29连接，单摆一圆盘20和单摆二圆盘21分别通过单摆一轴承24及单摆二轴承25套设在单摆轴19上；在单摆一圆盘20和单摆二圆盘21相对应的位置分别设置有单摆一节流口22和单摆二节流口23，单摆一圆盘20和单摆二圆盘21之间紧密贴合但存在缝隙；

来自液压缸室一4内的流体通过导管一12及单摆一圆盘20上的单摆一节流口22，单摆二圆盘21上的单摆二节流口23，最终通过导管二13回流到液压缸室二7内，整个流动过程中流体在液压缸体6和控制缸体16之间串流；导管一12连接在液压缸室一4与双振子控制系统的控制缸体导管一连接口17之间，导管二13连接在液压缸室二7与双振子控制系统的控制缸体16另一侧的控制缸体导管二连接口18之间。

优选地，单摆一摆杆26和单摆二摆杆27的长度可调节。单摆一摆锤28和单摆二摆锤29可为实心或空心饼状、球状或柱状。

本发明频率相关被动型智能变阻尼控制装置具有以下优点：

1.本发明所述频率相关被动型智能变阻尼控制装置，以纯机械的被动形式实现了频率相关智能变阻尼控制效果。装置可根据外部振动情况，随动改变装置的阻尼性能。相比于半主动控制装置，避免了复杂的控制器、传感器和执行器布置，装置结构一体化程度更高。

2.本发明所述频率相关被动型智能变阻尼控制装置，避免了控制器以及相应执行元件的设计，结构简单且不会因为控制器、传感器、执行器中某一个或多个元件的出错而导致控制失效的问题，稳定可靠，安全性更高。

3.本发明所述频率相关被动型智能变阻尼控制装置，实现形式灵活多样，可根据装置所服务的结构及位置，根据实际需求设定双振子控制系统的参数，可实现对不同结构的控制。装置包容性强，参数数值的可实现范围较大。

附图说明

图1为本发明频率相关被动型智能变阻尼控制装置的三维立体图。

图2为该新型装置的总体结构示意图。

图3为该新型装置的单摆结构示意图。

图4为该新型装置的控制缸体结构示意图。

图5为双振子控制系统的节流作用原理示意图。

图中各部件标记如下：1、上销头；2、活塞杆；3、导向套；4、液压缸室一；5、活塞；6、液压缸体；7、液压缸室二；8、反力板；9、下销头；10、液压缸室一导管连接口；11、液压缸室二导管连接口；12、导管一；13、导管二；14、支架一；15、支架二；16、控制缸体；17、控制缸体导管一连接口；18、控制缸体导管二连接口；19、单摆轴；20、单摆一圆盘；21、单摆二圆盘；22、单摆一节流口；23、单摆二节流口；24、单摆一轴承；25、单摆二轴承；26、单摆一摆杆；27、单摆二摆杆；28、单摆一摆锤；29、单摆二摆锤。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明频率相关被动型智能变阻尼控制装置的核心是双振子控制系统。所述双振子控制系统是利用两个单自由度振子的形式来控制外部导管的流通面积，其作用类似于一个可控节流装置。所述双振子控制系统内的单自由度弹簧振子可通过灵活多样的形式实现，较常见的是弹簧-质量块的形式，此外，单摆体系在一定程度上类似于一个单自由度振子系统。此处以两个单摆形式的双振子控制系统技术方案为例进行表述：

所述技术方案装置包括液压阻尼器系统、双振子控制系统和连接系统三部分。液压阻尼器系统包括上销头1、活塞杆2、导向套3、活塞5、液压缸体6、反力板8、下销头9。活塞5将液压缸体分为液压缸室一4及液压缸室二7，液压缸室一4的缸体上设置有液压缸室一导管连接口10，液压缸室二7的缸体上设置有液压缸室二导管连接口11。上销头1与活塞杆2通过螺栓连接或者螺纹连接或焊接，下销头9与液压缸体6通过螺纹连接或焊接。

双振子控制系统包括控制缸体16及内部控制机构。控制缸体16两侧设有控制缸体导管一连接口17和控制缸体导管二连接口18。内部控制机构包括单摆轴19、单摆一圆盘20、单摆二圆盘21、单摆一节流口22、单摆二节流口23、单摆一轴承24、单摆二轴承25、单摆一摆杆26、单摆二摆杆27、单摆一摆锤28、单摆二摆锤29。单摆一圆盘20和单摆二圆盘21分别通过单摆一轴承24及单摆二轴承25套在单摆轴19上，可以实现两个单摆的自由摆动，其中单摆一圆盘20和单摆二圆盘21之间缝隙较小的紧密贴合，可以实现如附图4所示的液压油流动功能，来自液压缸室一4内的液压油通过导管一12及单摆一圆盘20上的单摆一节流口22，单摆二圆盘21上的单摆二节流口23，最终通过导管二13回流到液压缸室二7内，整个流动过程中液压油在两个液压缸室之间的串流，实现装置的阻尼耗能功能。单摆的结构方面，以其中一个单摆为例。单摆一摆杆26在单摆一圆盘20下部固定，并且可以灵活调节单摆一摆杆26的长度。单摆一摆杆26下端通过螺纹或焊接与单摆一摆锤28相连。单摆一摆锤28为实心或空心饼状、球状或柱状，单摆一摆锤28的外形会影响其在双振子控制系统的缸体内的阻尼大小。

连接系统包括导管一12、导管二13、支架一14、支架二15。其中导管一12连接了液压缸室一4与双振子控制系统的控制缸体导管一连接口17，导管二13连接了液压缸室二7与双振子控制系统的控制缸体16另一侧的控制缸体导管二连接口18，可以使油液在液压缸体6与双振子控制系统的控制缸体16之间流动，连接接口密封连接并保证在受到强震时保持不漏油。

装置的上销头1和下销头9一般固定在所服务的结构端及振动来源地面端，装置的内部充满了液压油。装置正常状态下，由于装置未受到外部振动影响处于静止待命状态。双振子控制系统的两个单摆摆锤28(29)保持静止，两个单摆圆盘20(21)上的节流口22(23)均保持全部流通，此时节流口的开口为最大状态，此时装置的阻尼最小。当装置受到外部振动荷载时，比如来自地面端的地震或其它形式的各类振动。此时装置开始工作，液压阻尼系统的液压缸体6受到来自下销头9传递来的外部荷载，由于双振子控制系统部分固定在液压缸体6上，从而双振子控制系统也随液压缸体6同步运动。双振子控制系统内部的两个单摆也随之振动，单摆一摆锤28及单摆二摆锤29会通过所连接的摆杆绕着单摆轴19做单摆运动。附图5表现了装置的变阻尼控制的节流作用原理，由于两个单摆的周期特性不同，在受到外部振动后，二者的运动也存在差异。这种运动的差异，就形成了两个单摆在运动的不同时刻的位移差不同，两个单摆节流口24处的相对位移会时刻变化。由两个单摆交错运动形成的节流口24相对位移的变化，形成了导管内的油液流通状态的变化。进一步，单摆一节流口22及单摆二节流口23相互错动。当两个节流口相对位移较小时，该位置液压油的流通截面面积较大，则装置的阻尼较小。相反，当两个单摆的节流口发生错动，则液压油的流通截面面积变小，装置的节流作用变大，阻尼变大。不同频率特性的外部振动所产生的两个单摆的运动特性不同，通过两个单摆对节流口处的流量控制，进一步两单摆的节流口处发生的节流作用不同，进而实现频率相关变阻尼控制的功能。

所述装置利用双振子控制装置对液压缸体两油腔之间的油液流通流量来控制阻尼的变化。所述装置提供的阻尼力可通过下式进行计算：

其中：

式中v₀表示活塞5运动的速度，L表示活塞5的长度，μ表示油液的动力粘度，D表示液压缸体6的内径，D₀表示活塞5直径，d表示活塞杆2直径，d₁表示外部导管的内径，L_p表示外部导管的等效长度，∑ζ表示装置各处局部阻力系数，ζ^*表示双振子控制系统的局部阻力系数。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，应注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，凡是利用本说明书原理及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，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 (3)

1.一种频率相关被动型智能变阻尼控制装置，包括液压阻尼器系统和双振子控制系统，其特征在于，

液压阻尼器系统包括上销头（1）、活塞杆（2）、导向套（3）、活塞（5）、液压缸体（6）、反力板（8）、下销头（9），活塞杆（2）的一端与上销头（1）连接，另一端伸入液压缸体（6）并固定有反力板（8），活塞（5）将液压缸体（6）分为液压缸室一（4）及液压缸室二（7），液压缸室一（4）的缸体上设置有液压缸室一导管连接口（10），液压缸室二（7）的缸体上设置有液压缸室二导管连接口（11），下销头（9）连接到液压缸体（6）；

双振子控制系统包括控制缸体（16）及内部控制机构，控制缸体（16）两侧设有控制缸体导管一连接口（17）和控制缸体导管二连接口（18），内部控制机构包括单摆轴（19）、周期特性不同的单摆一和单摆二、单摆一轴承（24）、单摆二轴承（25）；单摆一包括单摆一圆盘（20）、单摆一摆杆（26）和单摆一摆锤（28），单摆一圆盘（20）通过单摆一摆杆（26）与单摆一摆锤（28）连接，单摆二包括单摆二圆盘（21）、单摆二摆杆（27）和单摆二摆锤（29），单摆二圆盘（21）通过单摆二摆杆（27）与单摆二摆锤（29）连接，单摆一圆盘（20）和单摆二圆盘（21）分别通过单摆一轴承（24）及单摆二轴承（25）套设在单摆轴（19）上；在单摆一圆盘（20）和单摆二圆盘（21）相对应的位置分别设置有单摆一节流口（22）和单摆二节流口（23），单摆一圆盘（20）和单摆二圆盘（21）之间紧密贴合但存在缝隙；来自液压缸室一（4）内的流体通过导管一（12）及单摆一圆盘（20）上的单摆一节流口（22），单摆二圆盘（21）上的单摆二节流口（23），最终通过导管二（13）回流到液压缸室二（7）内，单摆一节流口（22）及单摆二节流口（23）相互错动，整个流动过程中流体在液压缸体（6）和控制缸体（16）之间串流；导管一（12）连接在液压缸室一（4）与双振子控制系统的控制缸体导管一连接口（17）之间，导管二（13）连接在液压缸室二（7）与双振子控制系统的控制缸体（16）另一侧的控制缸体导管二连接口（18）之间。

2.根据权利要求1所述的变阻尼控制装置，其特征在于，单摆一摆杆（26）和单摆二摆杆（27）的长度可调节。

3.根据权利要求1所述的变阻尼控制装置，其特征在于，单摆一摆锤（28）和单摆二摆锤（29）为实心或空心饼状、球状或柱状。

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