CN114775406A - 一种低频主动调谐质量阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及减振技术领域，具体涉及一种低频主动调谐质量阻尼器，该低频主动调谐质量阻尼器，包括：杠杆、质量块、弹簧和阻尼器。杠杆中部可转动地设置在待减振结构上，将杠杆划分为动力臂和阻力臂；质量块设置在动力臂的端部；弹簧一端与阻力臂连接，并可在所述阻力臂上移动，另一端用于与待减振结构连接，以保持动力臂在无振动时水平；阻尼器与杠杆连接，用于在有振动时为杠杆提供保持原状的阻尼。本方案能够解决现有技术中传统的悬吊式TMD在自重下的弹簧净伸长量过大会导致安装空间不满足使用需求和频率调节及适应的问题。
Description
技术领域
本发明涉及减振技术领域，具体涉及一种低频主动调谐质量阻尼器。
背景技术
随着高强轻质材料的使用、新工艺的出现和建造技术的提升，斜拉桥主跨已经突破1000m，悬索桥主跨正在突破2000m，但这类超大跨度桥梁体系轻柔纤细、阻尼小、自振频率低的特点也越来越明显，在脉动风、人、车辆和地震等荷载作用下，易发生各种形式的振动，特别是建设期和运营期的出现的抖振和涡激振动现象，严重影响桥梁的使用寿命和行车安全，振动控制已成为一个重要问题。
大跨度桥梁的固有频率较低而且密集，在常遇风速范围内可能有多阶模态发生振动。此外，大跨度桥梁施工阶段随着主梁的架设，频率不断降低。TMD主要针对特定频率的振动进行调节，但存在频率敏感和调试麻烦的缺点，在结构工程减振领域使用具有一定的局限性。MTMD虽然在一定程度上改善了控制频率单一的缺点，但会增加TMD的用量，大大增加TMD的使用成本和TMD自重对桥梁结构的影响。
TMD可以有效地控制这类大跨桥梁结构的抖振和涡振，调谐质量阻尼器(TMD)主要包括弹簧、质量、阻尼三大构件。然而，在大跨桥梁箱梁内设置TMD，需要足够的净高以满足TMD弹簧的静力伸长与振动时的位移。因此，传统的悬吊式TMD在自重下的大弹簧净伸长度(例如杨浦大桥一阶竖向弯曲频率为0.286Hz，则TMD弹簧的净伸长量
超过3m)会使安装空间不满足，而且TMD的弹簧产生非线性会导致频率失调。2020年陆续出现的鹦鹉洲长江大桥和虎门大桥涡激振动现象，振动频率均低于0.4Hz，都属于超低频振动的范畴。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种低频主动调谐质量阻尼器，能够解决现有技术中传统的悬吊式TMD在自重下的大弹簧净伸长度会导致安装空间不满足的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
本发明提供一种低频主动调谐质量阻尼器，包括：
杠杆，其中部可转动地设置在待减振结构上，将所述杠杆划分为动力臂和阻力臂；
质量块，其设置在所述动力臂的端部；
弹簧，其一端与所述阻力臂连接，并可在所述阻力臂上移动，另一端用于与待减振结构连接，以保持所述动力臂在无振动时水平；
阻尼器，其与所述杠杆连接，用于在有振动时为所述杠杆提供保持原状的阻尼。
在一些可选的方案中，还包括支撑架，其用于设置在待减振结构上，所述杠杆为L型结构，所述L型结构的弯折处可转动地与所述支撑架连接，将所述L型结构划分为动力臂和阻力臂。
在一些可选的方案中，还包括底座，其用于设置在所述待减振结构上，并位于所述动力臂一侧，所述弹簧通过底座设置在所述待减振结构上。
在一些可选的方案中，所述底座上设有滑道，所述弹簧的端部可移动地设置在所述滑道上，所述弹簧的两端可在所述阻力臂和滑道上移动改变伸长量，并保持所述动力臂在无振动时水平。
在一些可选的方案中，滑道为曲线滑道，所述曲线滑道被配置为：所述弹簧的两端在所述阻力臂和曲线滑道上保持始终水平同向移动时，保持所述动力臂在无振动时水平。
在一些可选的方案中，所述弹簧通过电动滑块与所述曲线滑道连接。
在一些可选的方案中，还包括驱动机构，所述阻力臂上设有滑槽，所述弹簧的端部设有与所述滑槽配合的滑块，所述驱动机构与滑块连接，用于驱动所述滑块相对于滑槽移动。
在一些可选的方案中，所述驱动机构包括：
丝杆，其一端穿设在所述滑块上
驱动电机，其设于所述动力臂上，并与所述丝杆连接，用于驱动所述丝杆转动，以带动所述滑块移动。
在一些可选的方案中，所述支撑架为门架，所述L型结构包括两根L型杆，两根所述L型杆分别设在所述门架的两侧，并且所述L型杆的弯折处可转动地与所述门架连接，将所述L型杆划分为动力杆和阻力杆，两个所述L型杆的阻力杆上均设有滑槽，并配有滑块和两根与所述滑块对应的弹簧，且所述底座设有两条与所述弹簧对应的滑道。
在一些可选的方案中，所述阻尼器为粘滞阻尼器、磁流变阻尼器、电涡流阻尼器和浮体阻尼器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：将弹簧一端与阻力臂连接，另一端与待减振结构连接，将质量块设置在动力臂的端部，这样可以相当于将弹簧的刚度放大，弹簧的静力伸长量可缩短为未采用杠杆放大的1/n倍，n为杠杆的放大倍数，弹簧的行程可缩短为质量块行程的1/n倍。相较于传统的悬吊式TMD在自重下的大弹簧净伸长度会导致安装空间不满足，并且TMD的弹簧产生非线性会导致频率失调，本方案中，通过弹簧的静力伸长量可缩短为未采用杠杆放大的1/n倍，行程可缩短为质量块行程的1/n倍，来缩短弹簧的长度，方便安装。通过调整弹簧一端连接在阻力臂上的位置，控制弹簧的伸长量和杠杆放大系数n，进行TMD控制频率调节，并与结构振动频率适应，达到自适应频率调节。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中低频主动调谐质量阻尼器的主视结构示意图；
图2为本发明实施例中低频主动调谐质量阻尼器的三维结构示意图；
图3为本发明实施例中低频主动调谐质量阻尼器的主视剖视结构示意图；
图4为本发明实施例中低频主动调谐质量阻尼器的原理示意图；
图5为本发明实施例中直线滑道低频主动调谐质量阻尼器的示意图；
图6为本发明实施例中常规阻尼器的低频主动调谐质量阻尼器示意图；
图7为本发明实施例中电涡流阻尼器的低频主动调谐质量阻尼器示意图；
图8为本发明实施例中静力平衡不考虑浮力的原理示意图；
图9为本发明实施例中静力平衡考虑浮力的原理示意图。
图中：1、杠杆；11、动力臂；12、阻力臂；2、质量块；3、弹簧；31、滑块；4、阻尼器；41、浮体；42、容器；43、传力杆；5、支撑架；6、底座；61、滑道；62、电动滑块；7、驱动机构；71、丝杆；72、驱动电机。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
如图1至图3所示，本发明提供一种低频主动调谐质量阻尼器，包括：杠杆1、质量块2、弹簧3和阻尼器4。
杠杆1中部可转动地设置在待减振结构上，将杠杆1划分为动力臂11和阻力臂12；质量块2设置在动力臂11的端部；弹簧3一端与阻力臂12连接，并可在阻力臂12上移动，另一端用于与待减振结构连接，以保持动力臂11在无振动时水平；阻尼器4与杠杆1连接，用于在有振动时为杠杆1提供保持原状的阻尼。
在使用该低频主动调谐质量阻尼器时，将弹簧3一端与阻力臂12连接，另一端与待减振结构连接，将质量块2设置在动力臂11的端部，这样可以相当于将弹簧3的刚度放大，弹簧3的静力伸长量可缩短为未采用杠杆放大的1/n倍，n为杠杆的放大倍数，弹簧3的行程可缩短为质量块2行程的1/n倍。相较于传统的悬吊式TMD在自重下的大弹簧净伸长度会导致安装空间不满足，并且TMD的弹簧产生非线性会导致频率失调，本方案中，通过弹簧3的静力伸长量可缩短为未采用杠杆放大的1/n倍，行程可缩短为质量块2行程的1/n倍，来缩短弹簧的长度，方便安装。
动力平衡原理如图4所示，假设忽略运动过程中的阻尼器阻尼力，忽略杠杆和弹簧的质量，质量块在运动过程承受自身重力Mg，惯性力
M为质量，g为重力加速度，弹簧3的弹力Kx，K为弹簧刚度，x为弹簧3的动力伸长量，阻力臂12的长度l，动力臂11的长度L，因此质量块2的惯性矩动力平衡方程为：
其中
可得
y为质量块竖向振动加速度，取杠杆放大系数n＝L/l，若TMD频率f和质量M不变，则弹簧刚度应放大n2倍。根据惯性矩静平衡方程MgL+Kx0l＝0，其中x0为弹簧静力伸长量，可知弹簧3的静力伸长量可缩短为未采用杠杆放大的的1/n倍，弹簧3的行程可缩短为质量块2行程的1/n倍。
由于低频主动调谐质量阻尼器TMD的控制主频
故可通过改变杠杆的放大系数n调整TMD的控制主频。例如通过设置弹簧刚度K和质量M，将n＝1时TMD的控制频率设置为1Hz，则n＝2时TMD的控制频率设置为0.5Hz，则n＝5时TMD的控制频率设置为0.2Hz，故可通过调价杠杆放大系数n调整TMD的控制频率区间，即通过调整弹簧3一端连接在阻力臂12上的位置，调整放大系数，调整弹簧3另一端连接在底座6上的位置，来保持动力臂11在无振动时水平。通过调整弹簧3一端连接在阻力臂12上的位置，控制弹簧3的伸长量和杠杆放大系数n，进行TMD控制频率调节，并与结构振动频率适应，达到自适应频率调节。
在一些可选的实施例中，该低频主动调谐质量阻尼器还包括支撑架5，其用于设置在待减振结构上，杠杆1为L型结构，L型结构的弯折处可转动地与支撑架5连接，将L型结构划分为动力臂11和阻力臂12。
在本实施例中，当待减振结构上正好有可以安装杠杆1的位置时，杠杆1的转动轴心，可以直接与待减振结构连接，只要可以留出阻尼器4和弹簧3的安装空间即可。当没有合适的位置安装杠杆1时，可直接在待减振结构上设置支撑架5，将杠杆1可转动地连接在支撑架5，以满足阻尼器4和弹簧3的安装需求。本例中，杠杆1设计为L型结构，这样可以使在没用振动时，动力臂11处于水平位置，阻力臂12处于竖直位置，此时就可以将弹簧3水平安装，降低了弹簧3的安装空间需求。
再次参见图3和图5所示，在一些可选的实施例中，该低频主动调谐质量阻尼器还包括底座6，其用于设置在待减振结构上，并位于动力臂11一侧，弹簧3通过底座6设置在待减振结构上。
在本实施例中，在待减振结构上设置底座6，可方便弹簧3的安装。
在一些可选的实施例中，底座6上设有滑道61，弹簧3的端部可移动地设置在滑道61上，弹簧3的两端可在阻力臂12和曲线滑道61上移动改变伸长量，并保持动力臂11在无振动时水平。
在本实施例中，将弹簧3的端部可移动地设置在底座6的滑道61上，另一端可移动地设置在阻力臂12。
在本例中，滑道61沿动力臂11的长度方向设置，方便调整弹簧3另一端在滑道61的位置，来保持动力臂11在无振动时水平。
在一些可选的实施例中，滑道61为曲线滑道，曲线滑道被配置为：弹簧3的两端在阻力臂12和曲线滑道上保持始终水平同向移动时，保持动力臂11在无振动时水平。
在本实施例中，由于使在没用振动时，动力臂11处于水平位置，阻力臂12处于竖直位置，将曲线滑道配置为弹簧3的两端在阻力臂12和曲线滑道上保持始终水平同向移动时，保持动力臂11在无振动时水平，可以使弹簧3始终与阻力臂12保持垂直，从而保证弹簧3的弹力均被用来保持动力臂11的平衡，以减小弹簧3的伸长量，利用弹簧3最小的伸长量来保持动力臂11的平衡。
在其他实施例中，也可以采用直线滑道，只要能够保证动力臂11的平衡即可，只是弹簧3的伸长量会变大。
在一些可选的实施例中，弹簧3通过电动滑块62与曲线滑道连接。
在本实施例中，曲线滑道上设置有电动滑块62，可在曲线滑道上移动，并可自行锁止，以调整弹簧3端部在曲线滑道上的位置。当然在其他实施例中，也可以采用其他的方式驱动弹簧3在曲线滑道上移动。
在一些可选的实施例中，该低频主动调谐质量阻尼器还包括驱动机构7，阻力臂12上设有滑槽，弹簧3的端部设有与滑槽配合的滑块31，驱动机构7与滑块31连接，用于驱动滑块31相对于滑槽移动。
在本实施例中，通过驱动机构7驱动滑块31在阻力臂12上的滑槽内移动，以改变连接在滑块31上弹簧3与阻力臂12的相对位置。
在一些可选的实施例中，驱动机构7包括：丝杆71和驱动电机72。丝杆71一端穿设在滑块31上，驱动电机72设于动力臂11上，并与丝杆71连接，用于驱动丝杆71转动，以带动滑块31移动。
在本实施例中，将驱动电机72设置在动力臂11上，通过丝杆71与滑块31连接，滑块31内设有与丝杆71配合的螺纹，驱动电机72驱动丝杆71转动时，就可以带动滑块31移动，以改变连接在滑块31上弹簧3与阻力臂12的相对位置，从而改变杠杆结构中阻力臂的长度。
在一些可选的实施例中，支撑架5为门架，L型结构包括两根L型杆，两根L型杆分别设在门架的两侧，并且L型杆的弯折处可转动地与门架连接，将L型杆划分为动力杆和阻力杆，两个L型杆的阻力杆上均设有滑槽，并配有滑块31和两根与滑块对应的弹簧3，且底座6设有两条与弹簧3对应的滑道61。
在本实施中，采用两根L型杆和两根弹簧3的形式，可以提高整个结构的稳定性，当采用两根L型杆时，两根阻力杆上滑槽内设置的滑块31通过第一连杆连接，L型杆划的动力杆通过第二连杆连接，将驱动电机72设置在第二连杆上，驱动电机72上通过丝杆71与第一连杆螺纹配合连接，驱动电机72驱动丝杆71转动时，就可以带动第一连杆移动，从而带动滑块31移动，以改变连接在滑块31上弹簧3与阻力臂12的相对位置，从而改变杠杆结构中阻力臂的长度，控制弹簧3的伸长量和杠杆放大系数n，进行TMD控制频率调节，并与结构振动频率适应，达到自适应频率调节。
如图6和图7所示，在一些可选的实施例中，阻尼器4为粘滞阻尼器、磁流变阻尼器、电涡流阻尼器和浮体阻尼器。
在本实施例中，若阻尼器4采用滞阻尼器时，一端与动力臂11连接，另一端与待减振结构连接即可。
若阻尼器4采用电涡流阻尼器时，将电涡流阻尼器设置在杠杆1的转轴为位置。
若阻尼器4采用浮体阻尼器时，将容器42设置在动力臂11的下方，浮体41通过传力杆43连接在动力臂11的中部，并将浮体41设置在容器42内，将容器42内盛放阻尼液后就可以提供减振的阻尼。液体可以是水或硅油等，液体完全浸没浮体41，淹没深度应大于阻尼器行程保证浮体41浮力不变。浮体阻尼器构造简单，无需设置球铰，还能提供一定的浮力缩短弹簧伸长量。
常规阻尼器4行程与质量块2位移一致，本发明通过杠杆原理，将阻尼器4的行程缩短为1/m，m＝L/L1，有效降低阻尼器4的行程，便于阻尼器的制造安装，防止阻尼器行程过大导致的破坏。
如图8所示，在配合使用曲线滑道时，静力平衡原理如图8所示，假设忽略运动过程中的阻尼器阻尼力(浮力)，忽略杠杆、弹簧和浮体的质量，质量块重M，距轴承中心距离为L，拉簧刚度K，当弹簧3距轴承中心(即杠杆1的转动中心)距离为l1和12，弹簧3的伸长量分别为x1和x2，根据杠杆原理可知Mg·L＝K·x1·l1＝K·x2·l2，则
可知弹簧伸长量x与拉簧距轴承中心距离l为倒数关系，既
可保证滑块在该倒数曲线上滑动即可保证弹簧3始终处于水平状态。
如图9所示，若考虑浮力的影响，忽略杠杆、弹簧和浮体的质量，浮力F浮＝ρgV排，ρ为液体密度，g为重力加速度，V排为排水体积。根据杠杆原理可知Mg·L-ρgV排·L1＝K·x1·l1＝K·x2·l2，则
可知弹簧伸长量x与拉簧距轴承中心距离l为倒数关系，可保证滑块在该倒数曲线上滑动即可保证弹簧始终处于水平状态。
将阻尼器4放置在距杠杆1的转动中心L1处，可竖向布置在动力臂11上，也可水平布置在阻力臂12上，阻尼器4的行程可缩短为质量块行程的L/L1倍。
若考虑浮力的影响，浮力和重力为不变的常力，不参与动平衡方程，对频率无影响。
综上所述，将弹簧3一端与阻力臂12连接，另一端与待减振结构连接，将质量块2设置在动力臂11的端部，这样可以相当于将弹簧3的刚度放大，弹簧3的静力伸长量可缩短为未采用杠杆放大的1/n倍，n为杠杆的放大倍数，弹簧3的行程可缩短为质量块2行程的1/n倍。相较于传统的悬吊式TMD在自重下的大弹簧净伸长度会导致安装空间不满足，并且TMD的弹簧产生非线性会导致频率失调，本方案中，通过弹簧3的静力伸长量可缩短为未采用杠杆放大的1/n倍，行程可缩短为质量块2行程的1/n倍，来缩短弹簧的长度，方便安装。
通过调整弹簧3一端连接在阻力臂12上的位置，调整放大系数，调整弹簧3另一端连接在底座6上的位置，来保持动力臂11在无振动时水平。通过调整弹簧3一端连接在阻力臂12上的位置，控制弹簧3的伸长量和杠杆放大系数n，进行TMD控制频率调节，并与结构振动频率适应，达到自适应频率调节的目的。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种低频主动调谐质量阻尼器，其特征在于，包括：
杠杆(1)，其中部可转动地设置在待减振结构上，将所述杠杆(1)划分为动力臂(11)和阻力臂(12)；
质量块(2)，其设置在所述动力臂(11)的端部；
弹簧(3)，其一端与所述阻力臂(12)连接，并可在所述阻力臂(12)上移动，另一端用于与待减振结构连接，以保持所述动力臂(11)在无振动时水平；
阻尼器(4)，其与所述杠杆(1)连接，用于在有振动时为所述杠杆(1)提供保持原状的阻尼。
2.如权利要求1所述的低频主动调谐质量阻尼器，其特征在于：还包括支撑架(5)，其用于设置在待减振结构上，所述杠杆(1)为L型结构，所述L型结构的弯折处可转动地与所述支撑架(5)连接，将所述L型结构划分为动力臂(11)和阻力臂(12)。
3.如权利要求2所述的低频主动调谐质量阻尼器，其特征在于，还包括底座(6)，其用于设置在所述待减振结构上，并位于所述动力臂(11)一侧，所述弹簧(3)通过底座(6)设置在所述待减振结构上。
4.如权利要求3所述的低频主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述底座(6)上设有滑道(61)，所述弹簧(3)的端部可移动地设置在所述滑道(61)上，所述弹簧(3)的两端可在所述阻力臂(12)和滑道(61)上移动改变伸长量，并保持所述动力臂(11)在无振动时水平。
5.如权利要求4所述的低频主动调谐质量阻尼器，其特征在于：滑道(61)为曲线滑道，所述曲线滑道被配置为：所述弹簧(3)的两端在所述阻力臂(12)和曲线滑道上保持始终水平同向移动时，保持所述动力臂(11)在无振动时水平。
6.如权利要求5所述的低频主动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述弹簧(3)通过电动滑块(62)与所述曲线滑道连接。
7.如权利要求3所述的低频主动调谐质量阻尼器，其特征在于，还包括驱动机构(7)，所述阻力臂(12)上设有滑槽，所述弹簧(3)的端部设有与所述滑槽配合的滑块(31)，所述驱动机构(7)与滑块(31)连接，用于驱动所述滑块(31)相对于滑槽移动。
8.如权利要求7所述的低频主动调谐质量阻尼器，其特征在于，所述驱动机构(7)包括：
丝杆(71)，其一端穿设在所述滑块上
驱动电机(72)，其设于所述动力臂(11)上，并与所述丝杆(71)连接，用于驱动所述丝杆(71)转动，以带动所述滑块(31)移动。
9.如权利要求8所述的低频主动调谐质量阻尼器，其特征在于，所述支撑架(5)为门架，所述L型结构包括两根L型杆，两根所述L型杆分别设在所述门架的两侧，并且所述L型杆的弯折处可转动地与所述门架连接，将所述L型杆划分为动力杆和阻力杆，两个所述L型杆的阻力杆上均设有滑槽，并配有滑块(31)和两根与所述滑块对应的弹簧(3)，且所述底座(6)设有两条与所述弹簧(3)对应的滑道(61)。
10.如权利要求1所述的低频主动调谐质量阻尼器，其特征在于，所述阻尼器(4)为粘滞阻尼器、磁流变阻尼器、电涡流阻尼器和浮体阻尼器。
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