CN113356386B - 一种基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于结构振动控制技术领域，并具体公开了一种基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器及其应用，其包括支撑结构、弧形导轨、滑动圆盘和固定圆盘，其中：所述弧形导轨固定在所述支撑结构下端，该弧形导轨包括相对安装的两条永磁体导轨，两条永磁体导轨的磁极相反，且该永磁体导轨的中部内凹、两侧外扩；所述滑动圆盘两侧均设有凸起的圆台，两个圆台分别安装在两条永磁体导轨上，且该圆台半径由内向外逐渐减小；所述固定圆盘安装在所述支撑结构上端，且由所述滑动圆盘带动旋转。本发明结合电涡流阻尼器和滚动质量调谐阻尼器的优点，使得在受到不同大小的外力时，产生不同的阻尼力，实现阻尼器阻尼力的自适应调节，并提高阻尼器的抗振效果。

Description

一种基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器及其应用
技术领域
本发明属于结构振动控制技术领域，更具体地，涉及一种基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器及其应用。
背景技术
在土木工程领域，随着建造技术以及建造工艺的不断进步，建筑物越来越高，建筑物在风荷载及地震等横向水平荷载下的振动问题越来越突出，因此结构的振动控制也显得愈加重要，多种可靠的阻尼装置应运而生。结构控制领域常用的阻尼装置多为传统的粘滞、粘弹性阻尼器，但该类阻尼器随着时间推移存在易漏液、耐久性低、后期阻尼参数调节困难等问题。电涡流阻尼器则可以有效解决以上问题，具有无接触、低摩擦，维护方便、寿命长、工作原理简单、控制方便、可靠性高，以及对环境不会造成污染等优点。电涡流阻尼器利用电磁感应原理，当导体圆板切割磁力线时会在导体圆板中产生电涡流，电涡流与原磁场相互作用，产生阻碍导体圆板运动的洛伦兹力，同时导体圆板将获得的动能通过电涡流转换为热能耗散出去。
除此之外，调谐阻尼器或调谐质块阻尼器(TMD)也多运用在结构控制领域，其主要包括质量块、刚度系统和阻尼系统。实际应用过程中，安放在建筑物较高位置，通过调整阻尼器的各项参数(质量、刚度和阻尼)以使阻尼器和主结构的固有频率相近。当有外荷载作用于主结构引起主结构振动时，阻尼器可以吸收主结构的振动能量，达到主结构减振的目的。滚动质量调谐阻尼器相比于传统的振荡式调谐阻尼器或摆锤式调谐阻尼器，其可以达到和它们相类似的减振效果，同时，其具有构造简单、无需外部能源、安装维护成本低、纯机械式、性能稳定等优点，近年来逐渐被采用。但目前的滚动质量调谐阻尼器只依靠滚动质量块的运动耗散主结构的振动能量，当所要求的减振效果较高时，往往需要非常大的滚动质量块才能满足要求，但在实际工程应用中，常常因为主结构顶部安装空间不足，主结构支撑刚度不足等原因，导致无法使用大的滚动质量块，进一步导致其减振效果不佳。此外，传统的TMD仅能有效地控制结构某一方向速度大小不同时产生的振动，但在实际情况下，根据结构振动的幅度及加速度不同时，需要不同的阻尼，即结构振幅与加速度越大，所需阻尼越大，而考虑到结构的复杂性，传统的TMD无法很好的满足工程振动控制的需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器及其应用，其目的在于，实现阻尼器阻尼力的自适应调节，并提高阻尼器的抗振效果。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器，包括支撑结构、弧形导轨、滑动圆盘和固定圆盘，其中：
所述弧形导轨固定在所述支撑结构下端，该弧形导轨包括相对安装的两条永磁体导轨，两条永磁体导轨的磁极相反，且该永磁体导轨的中部内凹、两侧外扩；所述滑动圆盘两侧均设有凸起的圆台，两个圆台分别安装在两条永磁体导轨上，且该圆台半径由内向外逐渐减小；所述固定圆盘安装在所述支撑结构上端，且由所述滑动圆盘带动旋转。
作为进一步优选的，所述永磁体导轨为两侧高、中间低的弧形。
作为进一步优选的，所述滑动圆盘和固定圆盘外侧均设有齿轮，且滑动圆盘上的齿轮与固定圆盘上的齿轮相互啮合。
作为进一步优选的，所述支撑结构包括两个平行设置的A字型钢板，该两个A字型钢板分别从两侧对弧形导轨和固定圆盘进行固定。
作为进一步优选的，所述固定圆盘与所述A字型钢板通过圆盘连接件无刚度无阻尼连接。
作为进一步优选的，所述滑动圆盘和固定圆盘均采用铁制成。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器的应用，将所述支撑结构固定在主结构顶部，当主结构在外力作用下振动时，滑动圆盘以不同速率在弧形导轨上移动，从而产生与外力相适应的阻尼力，该阻尼力通过弧形导轨和固定圆盘传递主结构，从而限制主结构的振动。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明结合了电涡流阻尼器和普通滚动质量调谐阻尼器的优点，并通过对弧形导轨和滑动圆盘的巧妙设计，使得在受到不同大小的外力时，滑动圆盘在弧形导轨上的位置不同，使其旋转速率不同，进而产生不同的阻尼力，来达到阻尼力的自适应调节效果。
2.本发明基于旋转质量的惯性放大机理，设计了与滑动圆盘相连的固定圆盘，使得较小的滑动圆盘能够产生较大的旋转惯性，有效节约耗材，并提高了阻尼器的抗振效果；同时，本发明还配合将导轨设计为两侧高、中间低的弧形，使得滑动圆盘在滑轨运动过程中，能够始终与固定圆盘的齿轮相互咬合，并推动固定圆盘的转动，达到增大滑动圆盘转动惯量及质量放大的目的。
3.本发明可根据实际要求，调整滑动圆盘两侧圆台的长度、弧形导轨的纵向弧度和横向开口幅度，以及永磁体制的弧形导轨的磁力大小等参数来控制阻尼力的大小；还可以通过控制固定圆盘的质量、固定圆盘连接件的质量等参数来控制阻尼力的大小，增大阻尼器的适用范围。
4.本发明阻尼器为纯机械连接，且构造简单直接，无需外部能源，制造、安装及维护简单，使用时性能更稳定，且易于拆卸并能重复使用。
附图说明
图1为本发明实施例基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器结构示意图；
图2为本发明实施例自适应电涡流阻尼器正视图；
图3为本发明实施例自适应电涡流阻尼器侧视图；
图4为本发明实施例自适应电涡流阻尼器俯视图；
图5为本发明实施例自适应电涡流阻尼器中圆盘连接件结构示意图；
图6为本发明实施例自适应电涡流阻尼器中固定圆盘结构示意图；
图7为本发明实施例自适应电涡流阻尼器中滑动圆盘结构示意图；
图8为本发明实施例自适应电涡流阻尼器中弧形导轨结构示意图；
图9为本发明实施例自适应电涡流阻尼器中支撑结构的结构示意图；
图10为本发明实施例自适应电涡流阻尼器中导轨连接件结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-圆盘连接件，2-固定圆盘，3-滑动圆盘，4-弧形导轨，5-支撑结构，6-导轨连接件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器，如图1至图4所示，包括支撑结构5、弧形导轨4、滑动圆盘3和固定圆盘2，其中：
所述支撑结构5包括两个平行设置的A字型钢板，如图9所示，该两个A字型钢板分别从两侧对弧形导轨4和固定圆盘2进行固定。
所述弧形导轨4固定在所述支撑结构5下端，如图8所示，该弧形导轨4包括相对安装的两条永磁体导轨，两条永磁体导轨的磁极相反，使两条永磁体导轨之间充满磁场。具体的，永磁体导轨为在永磁体上开口形成，永磁体导轨为两侧高、中间低的弧形，且永磁体导轨的中部内凹、两侧外扩；导轨沿纵向的弧线设计，使得所述滑动圆盘3在运动时恰好与上部固定圆盘2的齿轮相咬合；横向上，所述弧形导轨4随着与中心轴距离的增加，向两侧张开的幅度也随之增加。所述弧形导轨4通过导轨连接件6固定在所述支撑结构5下端，如图10所示，该导轨连接件6还起到传递结构振动以及阻尼力的作用。
所述滑动圆盘3为圆盘形，外侧边缘带有齿轮，且滑动圆盘3两侧均设有凸起的圆台，如图7所示，两个圆台分别安装在两条永磁体导轨上，且该圆台半径由内向外逐渐减小；当主结构在外力作用下振动时，所述滑动圆盘3沿弧形导轨4运动。
所述固定圆盘2为圆盘形，且外侧边缘带有齿轮结构，其安装在所述支撑结构5上端，如图6所示，滑动圆盘3上的齿轮与固定圆盘2上的齿轮相互啮合，使其可由所述滑动圆盘3带动旋转，利用该固定圆盘2可放大滑动圆盘3的转动惯量。具体的，如图5所示，所述固定圆盘2与所述A字型钢板通过圆盘连接件1无刚度无阻尼连接，该圆盘连接件1为圆盘形，且通过改变该圆盘连接件1质量可增加固定圆盘2的转动惯量，以此改变结构的阻尼。
进一步的，所述滑动圆盘3采用能在磁场中产生涡流的材料制成，综合考虑成本和重量，所述滑动圆盘3和固定圆盘2均采用铁制成。
上述基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器使用时，将所述支撑结构5固定在主结构顶部，当主结构在外力作用下振动时，滑动圆盘3沿弧形导轨4运动，并切割弧形导轨之间的磁感线，产生洛伦兹力。由于弧形导轨4随着与中心轴距离的增加，向两侧张开的幅度也随之增加，使得滑动圆盘3在弧形导轨上运动时，弧形导轨与滑动圆盘两侧圆台的接触位置改变，从而使得滑动圆盘在不同位置转速不同(距离中心轴越远，弧形导轨4外扩的幅度越大，滑动圆盘3转速越快)，进而切割磁感线的速率不同，产生不同大小的洛伦兹力，从而提供能够适应外力变化的不同大小的阻尼力，滑动圆盘产生的阻尼力通过弧形导轨4、导轨连接件6，以及固定圆盘2、圆盘连接件1传递给支撑结构5，进而传递给主结构，从而限制主结构的振动；同时，由于导轨为两侧高、中间低的弧形，使得滑动圆盘3在滑动过程中能够始终与固定圆盘2咬合，并能够借固定圆盘2和圆盘连接件1增加自身转动惯量。
此外，可根据工程实际要求，可通过调整滑动圆盘3两侧圆台长度，以及永磁体制作的弧形导轨4的磁力大小来控制阻尼力的大小；还可以通过调整弧形导轨4的纵向弧度和横向开口幅度，以及固定圆盘2的质量、圆盘连接件1的质量来控制阻尼力的大小。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器，其特征在于，包括支撑结构(5)、弧形导轨(4)、滑动圆盘(3)和固定圆盘(2)，其中：
所述弧形导轨(4)固定在所述支撑结构(5)下端，该弧形导轨(4)包括相对安装的两条永磁体导轨，两条永磁体导轨的磁极相反，且该永磁体导轨的中部内凹、两侧外扩；所述滑动圆盘(3)两侧均设有凸起的圆台，两个圆台分别安装在两条永磁体导轨上，且该圆台半径由内向外逐渐减小；从而当滑动圆盘在弧形导轨上的位置不同，则滑动圆盘旋转速率不同，进而产生不同的阻尼力；
所述固定圆盘(2)安装在所述支撑结构(5)上端，且由所述滑动圆盘(3)带动旋转。
2.如权利要求1所述的基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器，其特征在于，所述永磁体导轨为两侧高、中间低的弧形。
3.如权利要求1所述的基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器，其特征在于，所述滑动圆盘(3)和固定圆盘(2)外侧均设有齿轮，且滑动圆盘(3)上的齿轮与固定圆盘(2)上的齿轮相互啮合。
4.如权利要求1所述的基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器，其特征在于，所述支撑结构(5)包括两个平行设置的A字型钢板，该两个A字型钢板分别从两侧对弧形导轨(4)和固定圆盘(2)进行固定。
5.如权利要求4所述的基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器，其特征在于，所述固定圆盘(2)与所述A字型钢板通过圆盘连接件(1)无刚度无阻尼连接。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器，其特征在于，所述滑动圆盘(3)和固定圆盘(2)均采用铁制成。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的基于惯性放大机理的自适应电涡流阻尼器的应用，其特征在于，将所述支撑结构(5)固定在主结构顶部，当主结构在外力作用下振动时，滑动圆盘(3)以不同速率在弧形导轨(4)上移动，从而产生与外力相适应的阻尼力，该阻尼力通过弧形导轨(4)和固定圆盘(2)传递主结构，从而限制主结构的振动。
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