CN113137446A - 管片螺栓自适应阻尼装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管片螺栓自适应阻尼装置，包括活塞筒、弹性地支撑在活塞筒内腔中的活塞头、同轴地设置在活塞头两端的螺栓连接活塞杆以及弹性地外套在活塞筒上的管片连接环套。采用以上技术方案的管片螺栓自适应阻尼装置，结构新颖，设计巧妙，能够实时监测管片螺栓的实际受力情况，同时根据实际受力情况自适应调节阻尼大小，达到更好的减振抗冲效果，延长了管片螺栓的疲劳寿命，避免因管片螺栓发生过载损坏而导致隧道损毁。

Description

管片螺栓自适应阻尼装置
技术领域
本发明涉及阻尼装置技术领域，具体涉及一种管片螺栓自适应阻尼装置。
背景技术
盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是城市地铁盾构隧道的最内层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些交变载荷的作用。将盾构管片组合在一起能够形成衬砌管道，相邻盾构管片之间需要通过管片螺栓进行连接紧固。
目前，管片螺栓通常直接连接在盾构管片上，或仅在二者之间增加一个防松垫片。但是无论采取以上哪种方式，由于盾构机在开挖过程中，会对隧道周围土石进行挤压，造成盾构管片周围的流体场、应力场会持续地发生变化，从而不仅使盾构管片的受力大小和方向无法预计，而且受力还是一个动态变化的过程。最终导致管片螺栓疲劳寿命短，时有发生因管片螺栓过载损坏而导致隧道损毁的情况。
发明内容
为解决以上的技术问题，本发明提供了一种管片螺栓自适应阻尼装置。
其技术方案如下：
一种管片螺栓自适应阻尼装置，其要点在于，包括活塞筒、弹性地支撑在活塞筒内腔中的活塞头、同轴地设置在活塞头两端的螺栓连接活塞杆以及弹性地外套在活塞筒上的管片连接环套；
所述活塞头与两根螺栓连接活塞杆具有同轴贯穿的螺栓过孔，并能够克服弹力同步地相对活塞筒轴向移动，所述活塞头与活塞筒的内腔腔壁之间充满磁流变液，两根螺栓连接活塞杆均向外穿出活塞筒；
所述活塞筒的外周面上分布有均向外凸出的安装座，所述管片连接环套与活塞筒之间留有间隙，并具有与对应安装座相适应的安装槽，各个安装座分别插入对应的安装槽中，并设置有用于检测活塞筒受力变化的压力检测组件；
在所述活塞筒的内腔中设置有励磁线圈，所述压力检测组件能够将检测数据传递给控制组件，使控制组件调节励磁线圈的电流，从而调节励磁线圈激发的磁场强度，以改变磁流变液的流动特性。
采用以上结构，管片螺栓安装在螺栓过孔中，管片螺栓受到的作用力经活塞头和螺栓连接活塞杆传递给活塞筒，再经安装座传递给管片连接环套，最终由管片连接环套传递到盾构管片上；通过压力检测组件检测各个安装座的受力变化，并将检测数据传递给控制组件，传递给控制组件能够计算出活塞头与螺栓连接活塞杆的受力大小与方向，从而调节励磁线圈的电流，即改变励磁线圈激发的磁场强度，实现改变磁流变液流动特性的目的，当磁流变液的流动特性发生变化，磁流变液对活塞头和螺栓连接活塞杆的阻尼大小就会相应的发生改变，最终实现自适应调节阻尼大小的功能，达到更好的减振抗冲效果，延长了管片螺栓的疲劳寿命，避免因管片螺栓发生过载损坏而导致隧道损毁。
作为优选：所述压力检测组件包括沿活塞筒径向设置在安装座外端的径向力检测单元、沿活塞筒转动方向设置在安装座两侧的转动力检测单元以及沿活塞筒轴向分别设置在在安装座两侧的轴向力检测单元和减振垫，所述径向力检测单元、转动力检测单元、轴向力检测单元和减振垫均支撑在对应安装座和安装槽之间。采用以上结构，能够通过径向力检测单元、转动力检测单元、轴向力检测单元的检测数据，计算得到管片螺栓的受力的大小和方向，精确度高；并且，由于管片螺栓在安装时，活塞筒的轴向上只有一个方向的作用力，因此，只在一侧设置轴向力检测单元，另一侧设置减振垫，能够降低成本和控制组件的算法难度。
作为优选：所述压力检测组件包括沿活塞筒径向设置在安装座外端的径向力检测单元、沿活塞筒转动方向设置在安装座两侧的转动力检测单元以及沿活塞筒轴向设置在安装座两侧的轴向力检测单元，所述径向力检测单元、转动力检测单元和轴向力检测单元均支撑在对应安装座和安装槽之间。采用以上结构，能够通过径向力检测单元、转动力检测单元、轴向力检测单元的检测数据，计算得到管片螺栓的受力的大小和方向，精确度高；并且，由于沿活塞筒的轴向在两侧均设置有轴向力检测单元，因此，使阻尼装置的安装不再具有方向性，避免装配出错。
作为优选：所述活塞筒上外套有两个传力弹簧，两个传力弹簧分别位于各个安装座的两侧，其一端支撑在各个安装座上，另一端支撑在连接环上。采用以上结构，简单可靠，既能够提供回位的弹力，又能够进行力的传递。
作为优选：所述控制组件包括数据采集器、控制器和可调直流电源，所述控制器能够根据数据采集器采集到的压力检测组件的输出信号，调节可调直流电源供向励磁线圈的电流大小。采用以上结构，成本低廉，易于实现，能够稳定可靠地调节励磁线圈的电流大小。
作为优选：所述活塞头与活塞筒的内腔腔壁之间形成对称设置在活塞头两端的两个缓冲环段以及用于连通两个缓冲环段的连通环段，所述励磁线圈设置在连通环段中。采用以上结构，将励磁线圈设置在两个缓冲环段，通过一组线圈就能够两个缓冲环段的磁场强度，且磁场分布完全对称，保证了阻尼效果的稳定。
作为优选：所述缓冲环段的截面宽度朝着靠近连通环段的方向逐渐增大。采用以上结构，缓冲环段和连通环段之间形成渐变间隙，使磁流变液的作用力更加平滑，阻尼效果更佳。
作为优选：所述活塞头与活塞筒均采用导磁材料制成，所述螺栓连接活塞杆与管片连接环套均采用非导磁材料制成。采用以上结构，使磁场被限制在一定范围内，使励磁线圈激发的磁场能够更好地覆盖及作用于磁流变液。
作为优选：所述励磁线圈通过线圈保持架安装在活塞筒内腔的腔壁上。采用以上结构，简单可靠，易于实现。
作为优选：所述螺栓连接活塞杆上均套装有复位压簧，所述复位压簧的一端与活塞头的对应端面抵接，另一端与活塞筒的内腔腔壁抵接。采用以上结构，简单可靠，既能够提供回位的弹力，又能够进行力的传递。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的管片螺栓自适应阻尼装置，结构新颖，设计巧妙，能够实时监测管片螺栓的实际受力情况，同时根据实际受力情况自适应调节阻尼大小，达到更好的减振抗冲效果，避免管片螺栓损坏发生损坏，延长了管片螺栓的疲劳寿命，避免因管片螺栓发生过载损坏而导致隧道损毁。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1去除管片连接环套一侧盖板的示意图；
图3为压力检测组件为实施例1时，本发明的内部结构示意图(已充磁流变液)；
图4为压力检测组件为实施例2时，本发明的内部结构示意图(未充磁流变液)。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1-图4所示，一种管片螺栓自适应阻尼装置，其主要包括活塞筒1、活塞头2、螺栓连接活塞杆3和管片连接环套4，活塞筒1和管片连接环套4设置有用于检测活塞筒1受力变化的压力检测组件。其中，活塞头2与活塞筒1均采用导磁材料制成，螺栓连接活塞杆3与管片连接环套4均采用非导磁材料制成。活塞筒1与活塞头2之间填充满磁流变液5，在活塞筒1的内腔中设置有励磁线圈6，压力检测组件能够将检测数据传递给控制组件，使控制组件调节励磁线圈6的电流，从而调节励磁线圈6激发的磁场强度，以改变磁流变液5的流动特性。当磁流变液5的流动特性发生变化，磁流变液5对活塞头2和螺栓连接活塞杆3的阻尼大小就会相应的发生改变，最终实现自适应调节阻尼大小的功能，达到更好的减振抗冲效果。
其中，两根螺栓连接活塞杆3同轴地固定安装在活塞头2的两端，且均向外穿出活塞筒1；并且，活塞头2与两根螺栓连接活塞杆3具有同轴贯穿的螺栓过孔A，管片螺栓安装在该螺栓过孔A中。
螺栓连接活塞杆3上均套装有复位压簧16，复位压簧16的一端与活塞头2的对应端面抵接，另一端与活塞筒1的内腔腔壁抵接，从而使活塞头2弹性地支撑在活塞筒1内腔中。因此，活塞头2与两端的螺栓连接活塞杆3能够克服弹力同步地相对活塞筒1轴向移动，同时在失去外力以后，能够在两个复位压簧16弹力的作用下复位。
请参见图1-图4，活塞筒1的外周面上分布有均向外凸出的安装座1a，管片连接环套4与活塞筒1之间留有间隙B，并具有与对应安装座1a相适应的安装槽4a，各个安装座1a分别插入对应的安装槽4a中，并设置有用于检测活塞筒1受力变化的压力检测组件。活塞筒1上外套有两个传力弹簧11，两个传力弹簧11分别位于各个安装座1a的两侧，其一端支撑在各个安装座1a上，另一端支撑在管片连接环套4上，从而使管片连接环套4弹性地外套在活塞筒1上。
请参见图3和图4，为了便于内部零件的装配，活塞筒1由对称的两个子活塞筒1’组成，管片连接环套4由连接环本体4’以及位于连接环本体4’两侧的盖板4”组成。
其中，压力检测组件有两种实施方式，具体如下：
压力检测组件实施例1：
压力检测组件包括沿活塞筒1径向设置在安装座1a外端的径向力检测单元7、沿活塞筒1转动方向设置在安装座1a两侧的转动力检测单元8以及沿活塞筒1轴向分别设置在在安装座1a两侧的轴向力检测单元9和减振垫10，径向力检测单元7、转动力检测单元8、轴向力检测单元9和减振垫10均支撑在对应安装座1a和安装槽4a之间。由于管片螺栓在安装时，活塞筒1的轴向上只有一个方向的作用力，因此，该实施例只在一侧设置轴向力检测单元9，另一侧设置减振垫10，能够降低成本和控制组件的算法难度。
压力检测组件实施例2：
压力检测组件包括沿活塞筒1径向设置在安装座1a外端的径向力检测单元7、沿活塞筒1转动方向设置在安装座1a两侧的转动力检测单元8以及沿活塞筒1轴向设置在安装座1a两侧的轴向力检测单元9，径向力检测单元7、转动力检测单元8和轴向力检测单元9均支撑在对应安装座1a和安装槽4a之间。该实施例由于沿活塞筒1的轴向在两侧均设置有轴向力检测单元9，因此，使阻尼装置的安装不再具有方向性，避免装配出错。
请参见图3和图4，活塞头2与活塞筒1的内腔腔壁之间充满磁流变液5，具体地说，活塞头2与活塞筒1的内腔腔壁之间形成对称设置在活塞头2两端的两个缓冲环段C以及用于连通两个缓冲环段C的连通环段D，励磁线圈6通过线圈保持架15设置在连通环段D中，连通环段D与两个缓冲环段C中充满磁流变液5。
其中，缓冲环段C的截面宽度朝着靠近连通环段D的方向逐渐增大，使缓冲环段C和连通环段D之间形成渐变间隙，从而使磁流变液5的作用力更加平滑，阻尼效果更佳。
控制组件包括数据采集器12、控制器13和可调直流电源14，控制器13能够根据数据采集器12采集到的压力检测组件的输出信号，调节可调直流电源14供向励磁线圈6的电流大小。管片螺栓安装在螺栓过孔A中，管片螺栓受到的作用力经活塞头2和螺栓连接活塞杆3传递给活塞筒1，再经安装座1a传递给管片连接环套4，最终由管片连接环套4传递到盾构管片上。因此，通过各个径向力检测单元7、转动力检测单元8和轴向力检测单元9能够检测各个安装座1a在径向、轴向和转动方向上的受力变化，并将检测数据传递给数据采集器12，数据采集器12再将信号传递给控制器13，控制器13能够计算出活塞头2与螺栓连接活塞杆3的受力大小与方向(即能够实时获知管片螺栓的受力大小与方向)，从而能够据此信息适应性地调节可调直流电源14的输出电流大小(即励磁线圈6的电流大小)，改变励磁线圈6激发的磁场强度，实现改变磁流变液5流动特性的目的，最终实现自适应调节阻尼大小的功能，起到更好的减振抗冲效果。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管片螺栓自适应阻尼装置，其特征在于：包括活塞筒(1)、弹性地支撑在活塞筒(1)内腔中的活塞头(2)、同轴地设置在活塞头(2)两端的螺栓连接活塞杆(3)以及弹性地外套在活塞筒(1)上的管片连接环套(4)；
所述活塞头(2)与两根螺栓连接活塞杆(3)具有同轴贯穿的螺栓过孔(A)，并能够克服弹力同步地相对活塞筒(1)轴向移动，所述活塞头(2)与活塞筒(1)的内腔腔壁之间充满磁流变液(5)，两根螺栓连接活塞杆(3)均向外穿出活塞筒(1)；
所述活塞筒(1)的外周面上分布有均向外凸出的安装座(1a)，所述管片连接环套(4)与活塞筒(1)之间留有间隙(B)，并具有与对应安装座(1a)相适应的安装槽(4a)，各个安装座(1a)分别插入对应的安装槽(4a)中，并设置有用于检测活塞筒(1)受力变化的压力检测组件；
在所述活塞筒(1)的内腔中设置有励磁线圈(6)，所述压力检测组件能够将检测数据传递给控制组件，使控制组件调节励磁线圈(6)的电流，从而调节励磁线圈(6)激发的磁场强度，以改变磁流变液(5)的流动特性。
2.根据权利要求1所述的管片螺栓自适应阻尼装置，其特征在于：所述压力检测组件包括沿活塞筒(1)径向设置在安装座(1a)外端的径向力检测单元(7)、沿活塞筒(1)转动方向设置在安装座(1a)两侧的转动力检测单元(8)以及沿活塞筒(1)轴向分别设置在在安装座(1a)两侧的轴向力检测单元(9)和减振垫(10)，所述径向力检测单元(7)、转动力检测单元(8)、轴向力检测单元(9)和减振垫(10)均支撑在对应安装座(1a)和安装槽(4a)之间。
3.根据权利要求1所述的管片螺栓自适应阻尼装置，其特征在于：所述压力检测组件包括沿活塞筒(1)径向设置在安装座(1a)外端的径向力检测单元(7)、沿活塞筒(1)转动方向设置在安装座(1a)两侧的转动力检测单元(8)以及沿活塞筒(1)轴向设置在安装座(1a)两侧的轴向力检测单元(9)，所述径向力检测单元(7)、转动力检测单元(8)和轴向力检测单元(9)均支撑在对应安装座(1a)和安装槽(4a)之间。
4.根据权利要求2或3所述的管片螺栓自适应阻尼装置，其特征在于：所述活塞筒(1)上外套有两个传力弹簧(11)，两个传力弹簧(11)分别位于各个安装座(1a)的两侧，其一端支撑在各个安装座(1a)上，另一端支撑在管片连接环套(4)上。
5.根据权利要求1所述的管片螺栓自适应阻尼装置，其特征在于：所述控制组件包括数据采集器(12)、控制器(13)和可调直流电源(14)，所述控制器(13)能够根据数据采集器(12)采集到的压力检测组件的输出信号，调节可调直流电源(14)供向励磁线圈(6)的电流大小。
6.根据权利要求1所述的管片螺栓自适应阻尼装置，其特征在于：所述活塞头(2)与活塞筒(1)的内腔腔壁之间形成对称设置在活塞头(2)两端的两个缓冲环段(C)以及用于连通两个缓冲环段(C)的连通环段(D)，所述励磁线圈(6)设置在连通环段(D)中。
7.根据权利要求6所述的管片螺栓自适应阻尼装置，其特征在于：所述缓冲环段(C)的截面宽度朝着靠近连通环段(D)的方向逐渐增大。
8.根据权利要求6所述的管片螺栓自适应阻尼装置，其特征在于：所述活塞头(2)与活塞筒(1)均采用导磁材料制成，所述螺栓连接活塞杆(3)与管片连接环套(4)均采用非导磁材料制成。
9.根据权利要求6所述的管片螺栓自适应阻尼装置，其特征在于：所述励磁线圈(6)通过线圈保持架(15)安装在活塞筒(1)内腔的腔壁上。
10.根据权利要求1所述的管片螺栓自适应阻尼装置，其特征在于：所述螺栓连接活塞杆(3)上均套装有复位压簧(16)，所述复位压簧(16)的一端与活塞头(2)的对应端面抵接，另一端与活塞筒(1)的内腔腔壁抵接。
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