CN113389838B - 一种惯容-阻尼-刚度的流体式实现装置 - Google Patents

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Abstract

针对包含惯容、阻尼及弹簧的惯容减振系统机械式实现装置的结构复杂，耐久性差和承载能力有限的缺点，本发明提供一种惯容‑阻尼‑刚度的流体式实现装置，包括：流体式惯容器工作部分、阻尼工作部分、液压活塞机构和橡胶膜工作部分，实现惯容减振装置提升工程结构减振性能的同时能够承受高负荷、具有高耐久、结构紧凑的优点。

Description

一种惯容-阻尼-刚度的流体式实现装置
技术领域
本发明涉及工程结构减振领域，具体涉及一种惯容-阻尼-刚度的流体式实现装置。
背景技术
近年来随着新材料和新体系的迅猛发展，工程结构体系不断向着柔性化、轻量化方向发展，因而对风，地震及其它人工振源等引起的振动越来越敏感。如何有效提高结构减振能力是工程领域一直以来的热点问题，其中基于振动控制的结构减振方法受到了高度关注。相比于半主动和主动控制，被动控制在空间、成本和鲁棒性等方面具有独特的优势。然而传统的被动控制系统受元件种类和固有结构的制约，在振动控制性能方面有很大限制，因此不断探究新的被动控制系统结构，研发被动控制新技术是提升工程结构减振性能的关键。
英国剑桥大学Smith教授在2002年将惯性耦合于传动机构内部，发明了一种新型元件—惯容器。惯容器是一种具有两个独立自由端点的装置，并且其两端等大反向的力与两端的相对加速度成正比。惯容器的出现，突破了传统减振形式，形成了“惯容-弹簧-阻尼”的被动控制系统新体系，这里将其定义为惯容系统。近年来,惯容系统已被证明可以显著提升各种工程结构的减振性能，如建筑物、桥梁、汽车等。如何物理实现惯容系统，形成惯容减振装置是实现惯容在工程结构中应用的重要基础。
但目前现有的惯容减振系统大都采用机械式实现方式，其中惯容、阻尼及刚度分别用滚珠丝杠惯容器、粘滞阻尼器及弹簧实现。机械式实现装置结构复杂、耐久性差且承载力有限，难以在工程实际中广泛应用。因此，工程上迫切需要一种性能优良，结构简单，布置灵活的集惯容、阻尼与刚度于一体的惯容减振装置，搭建理论与实践的桥梁，真正将惯容系统推向工程应用。
发明内容
针对包含惯容、阻尼及弹簧的惯容减振系统机械式实现装置的结构复杂，耐久性差和承载能力有限的缺点，本发明提供一种惯容-阻尼-刚度的流体式实现装置，实现惯容减振装置提升工程结构减振性能的同时能够承受高负荷、具有高耐久、结构紧凑的优点。
为了实现上述目的，本发明是通过以下方案予以实现的：一种惯容-阻尼-刚度的流体式实现装置，所述装置包括：流体式惯容器工作部分、阻尼工作部分、液压活塞机构；其中，所述液压活塞机构包括活塞7、活塞杆11、液压缸10，所述活塞7将所述液压缸10分成上液压工作缸10-1和下液压工作缸10-2；所述流体式惯容器工作部分包括螺旋管道9，通过所述螺旋管道9将上液压工作缸10-1与下液压工作缸10-2相连通；阻尼工作部分包括阻尼阀5和第二管道6；所述装置还包括：橡胶膜工作部分，其中，所述橡胶膜工作部分包括油液缸4以及橡胶薄膜3，所述橡胶薄膜3将所述油液缸4分为上油液腔41和下油液腔42；其中，上油液腔41通过第一管道2与上液压工作缸10-1连通，下油液腔42经过第二管道6后与下液压工作缸10-2连通；所述阻尼阀5设置在第二管道6中。
进一步地，所述上下两个油液腔41、42内充满传力介质油液，当所述上下油液腔41、42产生压力差时，所述橡胶薄膜3变形产生刚度效应。
进一步地，所述螺旋管道9环绕液压缸10设置。
进一步地，所述螺旋管道9设置在液压缸10的一侧。
进一步地，所述装置还包括外保护部分，所述外保护部分包括防护罩8和外接筒1，其中防护罩8通过密封结构固定在液压缸10一端，外接筒1则焊接在液压缸10另一端。
还提出一种用于上述惯容-阻尼-刚度的流体式实现装置的力学建模方法，所述装置中的液体模型为：
AΔv＝Q1+Q2 (1)，
其中，A为活塞杆11的面积，Δv为活塞杆11与外接筒1之间的相对速度，Q1为螺旋管道9中的液体流速，Q2为第一管道2和第二管道6中的液体流速；
活塞杆11受力F为：
F＝A(p1-p2) (2)，
其中，p1为上液压工作缸10-1中的压强，p2为下液压工作缸10-2中的压强；
螺旋管道9两边压强差为：
p1-p2＝IdQ1/dt (3)，
其中，I为螺旋管道9中的流体惯质；
对于橡胶薄膜工作部分，满足：
C(p1-p3)＝∫Q2dt (4)，
其中，p3为下油液腔42中的压强，C为橡胶薄膜3的顺应性；
阻尼阀5的力学模型为：
p3-p2＝RQ2 (5)，
其中，R为流体阻尼；
对上述公式(1)-(5)进行拉普拉斯变换，并根据公式(4)和(5)可得：
p1-p2＝(R+1/Cs)Q2(6)，s为拉式变量，
再根据公式(3)和(6)，可得：
Q2＝(Is/(R+1/Cs))Q1(7)，s为拉式变量，
将公式(7)带入公式(1)中，同时将公式(3)带入公式(2)中，可得活塞杆受力F与相对速度Δv之间的拉普拉斯关系为：
Figure GDA0003724410780000021
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
将惯容系统中的刚度元件用可集成于流体式惯容器与粘滞阻尼器的弹性橡胶膜实现，形成集惯容，阻尼与刚度的一体化流体式装置，相比于传统机械式装置，其具有结构简单，耐久性强及承载高负荷的优点，进而可以进一步将减振性能优越的惯容系统推广应用到工程实践中。同时，相比于传统粘滞阻尼器，惯容-阻尼-刚度流体式装置具有阻尼效应的同时还具有惯性与弹簧效应，利用惯容“通高频，阻低频”和弹簧“通低频、阻高频”特性，可以在全频范围内有效抑制结构振动，进一步增强阻尼耗能。
附图说明
图1为本发明流体式实现装置的示意图。
图2为本发明流体式实现装置的等效液压网络。
图3为本发明流体式实现装置的流体路径示意图。
图4为本发明流体式实现装置的力学结构简图。
图中各附图标记解释为：
1-外接筒；2-第一管道；3-橡胶薄膜；4-油液缸；41-上油液腔；42-下油液腔；5-阻尼阀；6-第二管道；7-活塞；8-保护罩；9-螺旋管道；10-液压缸；10-1-上液压工作缸；10-2-下液压工作缸；11-活塞杆。
具体实施方式
下面结合说明书附图及具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1所示为一种集成惯容、阻尼与刚度的流体式实现装置，包括橡胶膜工作部分、流体式惯容器工作部分、阻尼工作部分、液压活塞机构以及外保护部分。
其中，橡胶膜工作部分包括油液缸4以及橡胶薄膜3，橡胶薄膜3将油液缸4分为上油液腔41和下油液腔42，上下两个油液腔41、42内充满传力介质油液，当上下油液腔41、42产生压力差时，橡胶薄膜3变形产生刚度效应。
流体式惯容器工作部分包括螺旋管道9，通过螺旋管道9将上液压工作缸10-1与下液压工作缸10-2相连通，利用封闭在管道内的油液流动产生的惯性提供惯容。
阻尼工作部分包括阻尼阀5、第一管道2和第二管道6，通过第二管道6将下油液腔42、阻尼阀5与下液压工作缸10-2相连通，通过油液流经阻尼阀5产生阻尼。
液压活塞机构包括活塞7、活塞杆11、液压缸10，活塞7将液压缸10分成上液压工作缸10-1和下液压工作缸10-2，通过活塞7上下运动改变液压缸10压强，从而使油液流经各工作部分，产生惯容-阻尼-刚度耦合工作机构。
外保护部分包括防护罩8和外接筒1，其中防护罩8通过密封结构固定在液压缸10一端，外接筒1则焊接在液压缸10另一端，其内部空间需保证活塞杆在运动行程范围内中不会碰到连接件。
其中，上油液腔41通过第一管道2与上液压工作缸10-1连通，下油液腔42经过阻尼阀5、第二管道6后与下液压工作缸10-2连通。
下面结合该装置的工作过程来进一步说明。
图2为本发明流体式实现装置的等效液压网络。图3为本发明流体式实现装置的流体路径示意图。
在工作过程中，装置两端点即活塞杆11与外接筒1发生相对压缩或拉伸运动，其相对速度为Δv，油液通过螺旋管道9与第一管道2、第二管道6在上液压工作缸10-1与下液压工作缸10-2之间流动，假设螺旋管道9中流速为Q1，第一管道2和第二管道6中流速为Q2，活塞7面积为A，则有：
AΔv＝Q1+Q2 (1)
同时，假设液压缸10上下压强为p1,p2，则活塞杆受力为：
F＝A(p1-p2) (2)
考虑螺旋管道9中的油液流动并定义其流体惯质为I,则管道两边压强差为：
p1-p2＝IdQ1/dt (3)
对于橡胶薄膜工作部分，上油液腔41与上液压工作缸10-1相连则压强为p1,下油液腔42假设为p3,考虑油液以Q2流速引起橡胶薄膜3拉伸弯曲，并假设其顺应性为C，则有：
C(p1-p3)＝∫Q2dt (4)
同时，油液以Q2流速流经阻尼阀5，并通过第二管道6回到下液压工作缸10-2，假设流体阻尼为R，其力学模型为：
p3-p2＝RQ2 (5)
对上述公式(1)-(5)进行拉普拉斯变换，并根据公式(4)和(5)可得：
p1-p2＝(R+1/Cs)Q2 (6)
再根据公式(3)和(6)，可得：
Q2＝(Is/(R+1/Cs))Q1 (7)
将公式(7)带入公式(1)中，同时将公式(3)带入公式(2)中，可得活塞杆受力F与装置两端点相对速度Δv之间的拉普拉斯关系为：
Figure GDA0003724410780000041
根据上式(8)，应用无源网络综合理论，可得上述拉普拉斯方程对应的机械结构简图如图4所示，其中b＝IA2，c＝RA2，k＝A2/C。以上分析可以发现图3中的装置实现了阻尼器与弹簧并联后再与惯容器串联的工作效果。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种惯容-阻尼-刚度的流体式实现装置，所述装置包括：流体式惯容器工作部分、阻尼工作部分、液压活塞机构；其中，
所述液压活塞机构包括活塞(7)、活塞杆(11)、液压缸(10)，所述活塞(7)将所述液压缸(10)分成上液压工作缸(10-1)和下液压工作缸(10-2)；
所述流体式惯容器工作部分包括螺旋管道(9)，通过所述螺旋管道(9)将上液压工作缸(10-1)与下液压工作缸(10-2)相连通；
阻尼工作部分包括阻尼阀(5)和第二管道(6)；
其特征在于，
所述装置还包括：橡胶膜工作部分，其中，所述橡胶膜工作部分包括油液缸(4)以及橡胶薄膜(3)，所述橡胶薄膜(3)将所述油液缸(4)分为上油液腔(41)和下油液腔(42)；
其中，上油液腔(41)通过第一管道(2)与上液压工作缸(10-1)连通，下油液腔(42)经过第二管道(6)后与下液压工作缸(10-2)连通；所述阻尼阀(5)设置在第二管道(6)中。
2.根据权利要求1所述的一种惯容-阻尼-刚度的流体式实现装置，其特征在于，所述上下两个油液腔(41)、(42)内充满传力介质油液，当所述上下油液腔(41)、(42)产生压力差时，所述橡胶薄膜(3)变形产生刚度效应。
3.根据权利要求1或2所述的一种惯容-阻尼-刚度的流体式实现装置，其特征在于，所述螺旋管道(9)环绕液压缸(10)设置。
4.根据权利要求1或2所述的一种惯容-阻尼-刚度的流体式实现装置，其特征在于，所述螺旋管道(9)设置在液压缸(10)的一侧。
5.根据权利要求1或2所述的一种惯容-阻尼-刚度的流体式实现装置，其特征在于，所述装置还包括外保护部分，所述外保护部分包括防护罩(8)和外接筒(1)，其中防护罩(8)通过密封结构固定在液压缸(10)一端，外接筒(1)则焊接在液压缸(10)另一端。
6.一种用于权利要求1-5任一项所述的惯容-阻尼-刚度的流体式实现装置的力学建模方法，其特征在于，
所述装置中的液体模型为：
AΔv＝Q1+Q2 (1)，
其中，A为活塞杆(11)的面积，Δv为活塞杆(11)与外接筒(1)之间的相对速度，Q1为螺旋管道(9)中的液体流速，Q2为第一管道(2)和第二管道(6)中的液体流速；
活塞杆(11)受力F为：
F＝A(p1-p2) (2)，
其中，p1为上液压工作缸10-1中的压强，p2为下液压工作缸10-2中的压强；
螺旋管道(9)两边压强差为：
p1-p2＝IdQ1/dt (3)，
其中，I为螺旋管道(9)中的流体惯质；
对于橡胶薄膜工作部分，满足：
C(p1-p3)＝∫Q2dt (4)，
其中，p3为下油液腔(42)中的压强，C为橡胶薄膜(3)的顺应性；
阻尼阀(5)的力学模型为：
p3-p2＝RQ2 (5)，
其中，R为流体阻尼；
对上述公式(1)-(5)进行拉普拉斯变换，并根据公式(4)和(5)可得：
p1-p2＝(R+1/Cs)Q2 (6)，s为拉式变量，
再根据公式(3)和(6)，可得：
Q2＝(Is/(R+1/Cs))Q1 (7)，s为拉式变量，
将公式(7)带入公式(1)中，同时将公式(3)带入公式(2)中，可得活塞杆受力F与相对速度Δv之间的拉普拉斯关系为：
Figure FDA0003724410770000021
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