CN117552544A - 一种基于流体弹簧的半主动控制tmd - Google Patents

Abstract

一种基于流体弹簧的半主动控制TMD，涉及阻尼器技术领域，包括质量块、流体弹簧、阻尼器、底板、附属部件；质量块与底板上下相对，在质量块和底板之间安装有流体弹簧和阻尼器，流体弹簧包括用以与质量块连接的上连接板、用以与底板连接的下连接板、固定设于下连接板顶端的套筒、密封固定连接于套筒顶端的盖板，贯穿盖板并与盖板滑动连接的活塞轴、固定连接于活塞轴底端的活塞，活塞轴的顶端与上连接板底端固定连接，活塞下端与下连接板上端之间且位于套筒内设有减振弹簧，套筒通过附属部件连接有变刚度控制机构。本发明构造简单，安装养护成本低，刚度线性度高，宽频域控制结构震动，可有效地提高装置在面对复杂工况时的减振耗能性能。

Description

一种基于流体弹簧的半主动控制TMD

技术领域

本发明涉及阻尼器技术领域，具体涉及一种基于流体弹簧的半主动控制TMD。

背景技术

地震对建筑物的影响主要由振动引起，破坏多见于动力破坏，即建筑物因主体结构强度不足或者结构丧失稳定性而破坏。传统抗震结构主要利用主体结构构件屈服时产生塑性变形而耗能，但因构件的耗能能力有限，结构在强震作用下易产生严重破坏，震后难以修复。针对上述问题，在结构外部设置调谐质量阻尼器能够减小结构的震动，有效减轻震后损伤。此外，由于调谐质量阻尼器具有维护更换方便、维修成本较低的优点，近年来使用愈加频繁，受到行业广泛关注。

由于传统抗震设计存在一定的局限性，许多学者又提出了新的抗震设计方法—结构振动控制方法，即在建筑结构上布置耗能或减震装置减轻或抑制结构的动力响应。其中包含给整体结构加装大型阻尼器，来提高结构在震动中的阻尼比，进而降低结构在振动荷载作用下产生的振幅并使得振动能量在阻尼器的运动中耗散。而最为广泛应用的便是调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)，其种类繁多，应用理论和系统优化不尽相同，目前公认为能够有效地减小结构的振动。变刚度TMD装置能够实现对结构宽频域减震控制的效果，并且相比于ATMD有更好的稳定性。

由于常见的TMD装置一旦安装完成，其频率范围等动力学特性固定不变。装有主动控制系统的TMD装置又增加了维修养护成本，且对时滞也比较敏感。装有半主动控制系统的TMD装置存在刚度非线性的问题，从而使TMD在面对复杂激励的情况下，其性能是不稳定的，此外，现有的TMD频域控制范围相对狭窄，在面临设计范围以外的频率时，难以起到很好的减震效果。

发明内容

本发明公开了一种基于流体弹簧的半主动控制TMD，该装置构造相对简单，安装养护成本低，刚度线性度高，宽频域控制结构震动，可有效地提高装置在面对复杂工况时的性能。

为实现上述目的，本实用发明采取了如下技术方案：

一种基于流体弹簧的半主动控制TMD，包括质量块、流体弹簧、阻尼器、底板、附属部件；所述的质量块与底板上下相对，在质量块和底板之间安装有流体弹簧和阻尼器，所述的流体弹簧包括用以与质量块连接的上连接板、用以与底板连接的下连接板、固定设于下连接板顶端的套筒、密封固定连接于套筒顶端的盖板，贯穿盖板并与盖板滑动连接的活塞轴、固定连接于活塞轴底端的活塞，所述的活塞轴的顶端与上连接板底端固定连接，所述的活塞下端与下连接板上端之间且位于套筒内设有减振弹簧，所述的套筒通过附属部件连接有变刚度控制机构。

优选的，所述的质量块下端的一侧设有第一连接座，与第一连接座上下相对的底板上表面固定设有第二连接座，所述的阻尼器两端分别与第一连接座和第二连接座连接。

优选的，所述的流体弹簧设于质量块与底板之间且远离阻尼器的一侧，所述的上连接板和下连接板分别通过螺栓与质量块或底板固定连接。

优选的，所述的变刚度控制机构通过改变套筒内气体压力或者液体压力的方式调节流体弹簧的减振能力；所述的套筒两侧的底部分别设有输入孔和输出孔，所述的输入孔和输出孔分别设有电磁流量调节阀。。

优选的，当变刚度控制机构通过改变套筒内气体压力的方式调节流体弹簧的减振能力时，所述的变刚度控制机构包括固定设于底板上端的高压气泵及第一控制器，所述的高压气泵通过管路与输入孔连接，在盖板上还设有贯通套筒内部的贯通孔。

优选的，当变刚度控制机构通过改变套筒内液体压力的方式调节流体弹簧的减振能力时，所述的变刚度控制机构包括固定设有底板上端的流体贮存腔、高压泵及第二控制器，所述的附属部件包括管路一、管路二及管路三，所述的液体贮存腔底部设有出液口及进液口，所述的进液口通过管路一与输出孔连接，所述的出液口通过管路三与高压泵的输入端连接，所述的高压泵的输出端与输入孔通过管路二连接。

优选的，所述的附属部件还包括加速度传感器，所述的加速度传感器固定连接于质量块的下表面中部，所述的加速度传感器通过导线与第一控制器或第二控制器信号连接，所述的第一控制器通过导线与电磁流量调节阀、高压气泵电连接；所述的第二控制器通过导线与电磁流量调节阀、高压泵电连接。

优选的，所述的阻尼液体选用三类基础油，在基础油中加入0.1％复合抗泡剂和高粘度硅油以提高其消泡能力，提高其减震效果；为了增大流体的密度，提高流体弹簧的减震效果，在基础油中加入0.2％的溴化亚铜；由于TMD用于外界环境，良好的剪切稳定性和低温性能也会影响TMD的减震效果，在基础油中加入粘度指数改进剂PMA。

一种基于流体弹簧的半主动控制TMD的使用方法，包括如下步骤：

将质量块和底板分别与上部结构、下部结构连接，通过连接上部结构和下部结构进行减振，当振动开始时，加速度传感器将振动数据传输给控制器，控制器判断振动是否在当前状态下的可控范围内，如果是，不动作，通过流体弹簧及阻尼器进行减振；如果不是，则启动变刚度控制机构，即当振动频率或幅度大于当前状态下的可控范围时，控制器打开输入孔一侧的电磁流量调节阀(即充压阀)对套筒内的阻尼气体或阻尼液体加压；如果振动频率或振动幅度小于当前状态下的可控范围时，控制器打开输出孔一侧的电磁流量调节阀(即泄压阀)对套筒内的阻尼气体或阻尼液体泄压，通过变刚度控制机构的调控直至加速度传感器的数值回到设定的安全范围。

本发明一种基于流体弹簧的半主动控制TMD的有益效果：

本发明构造简单，安装养护成本低，刚度线性度高，宽频域控制结构震动，可有效地提高装置在面对复杂工况时的减振耗能性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，并且构成说明书的一部分，与本实用发明的实施例一起用于解释本实用发明，并不构成对本实用发明的限制。

图1：本发明的侧视结构示意图；

图2：本发明图1的A-A向的剖视结构图；

图3：本发明的俯视结构示意图；

图4：本发明的立体结构示意图；

图5：本发明质量块的仰视结构示意图；

图6：本发明质量块的侧视结构示意图；

图7：本发明质量块的立体结构示意图；

图8：本发明流体弹簧的俯视结构示意图；

图9：本发明图8的A-A向的剖视结构图；

图10：本发明流体弹簧的立体结构示意图；

图11：本发明底板的俯视结构示意图；

图12：本发明底板的侧视结构示意图；

图13：本发明图12的A-A向的剖视结构图；

图14、本发明附属部件的结构图；

图15、本发明的实施原理示意图；

1、质量块；101、用以与上部结构连接的第一螺栓孔；102、用以与上连接板连接的第二螺栓孔；103、第一连接座；104、用以安装加速度传感器的螺栓孔；2、流体弹簧；201、上连接板；20101、用以与质量块连接的第一螺纹孔；20102、用以与质量块连接的第二螺纹孔；202、活塞轴；203、盖板；20301、贯通孔；20302、滑孔；204、套筒；20401、输入孔；20402、输出孔；205、下连接板；20501、用以与底板连接的第一螺纹孔；20502、用以与底板连接的第二螺纹孔；206、减振弹簧；3、阻尼器；4、底板；401、用以与下连接板连接的螺栓孔；402、控制器预留位(用以安装第一控制器或第二控制器)；403、高压泵或高压气泵预留位；404、流体贮存腔；405、第二连接座；406、用以与下部结构连接的螺栓孔；5、附属部件；501、管路一；502、管路二；503、管路三；504、加速度传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于流体弹簧的半主动控制TMD，如图1-14所示，包括质量块1、流体弹簧2、阻尼器3、底板4、附属部件5；所述的质量块1与底板4上下相对，在质量块1和底板4之间安装有流体弹簧2和阻尼器3，所述的流体弹簧2包括用以与质量块1连接的上连接板201、用以与底板4连接的下连接板205、固定设于下连接板205顶端的套筒204、密封固定连接于套筒204顶端的盖板203，贯穿盖板203并与盖板203滑动连接的活塞轴202、固定连接于活塞轴202底端的活塞，所述的活塞轴的顶端与上连接板201底端固定连接，所述的活塞下端与下连接板205上端之间且位于套筒204内设有减振弹簧206，所述的套筒204通过附属部件5连接有变刚度控制机构。

实施例2

基于实施例1，本实施例公开了：

如图5、6所示，所述的质量块1下端的一侧设有第一连接座103，如图11所示，与第一连接座103上下相对的底板4上表面固定设有第二连接座405，所述的阻尼器3两端分别与第一连接座103和第二连接座405连接。

本发明的阻尼器3可以任何类型的现有阻尼器结构，其作用是为结构提供常规范围内的减振耗能。

实施例3

基于实施例2，本实施例公开了：

如图1、2、4所示，所述的流体弹簧2设于质量块1与底板4之间且远离阻尼器3的一侧，所述的上连接板201和下连接板205分别通过螺栓与质量块1或底板4固定连接。

本发明的流体弹簧2和阻尼器3分别布置于底板和质量块之间的两侧，共同承担结构的减振耗能工作。

实施例4

基于实施例3，本实施例公开了：

如图1-14所示，所述的变刚度控制机构通过改变套筒204内气体压力或者阻尼液体压力的方式调节流体弹簧2的减振能力；所述的套筒204两侧的底部分别设有输入孔20401和输出孔，所述的输入孔和输出孔分别设有电磁流量调节阀。该电磁流量调节阀也可以设置于附属部件的管路一、管路二、管路三内，也可达到相同目的。

本发明位于输入孔一侧的电磁流量调节阀作为充压阀使用，作为输出孔一侧的电磁流量调节阀作为泄压阀使用。通过改变套筒内的阻尼气体或阻尼液体的压力调节流体弹簧的频域，从而使本发明能够适用于复杂的振动场景。

实施例5

基于实施例4，本实施例公开了：

如图1-14所示，当变刚度控制机构通过改变套筒204内气体压力的方式调节流体弹簧2的减振能力时，所述的变刚度控制机构包括固定设于底板4上端的高压气泵(图中未画出，可参考高压泵的位置)及第一控制器，所述的高压气泵通过管路与输入孔20401连接，在盖板上还设有贯通套筒内部的贯通孔20301。

本实施例公开了本发明的一种实施方式，即流体弹簧通过气体提供阻尼，通过高压气泵为套筒内充压以提高气体的阻尼能力，通过打开泄压阀为套筒内的阻尼气体泄压以降低阻尼气体的阻尼能力，如此达到双向调节的目的。

实施例6

基于实施例4，本实施例公开了：

如图1-14所示，当变刚度控制机构通过改变套筒204内液体压力的方式调节流体弹簧2的减振能力时，所述的变刚度控制机构包括固定设有底板4上端的流体贮存腔404、高压泵及第二控制器，所述的附属部件包括管路一501、管路二502及管路三503，所述的液体贮存腔404底部设有出液口及进液口，所述的进液口通过管路一501与输出孔连接，所述的出液口通过管路三503与高压泵的输入端连接，所述的高压泵的输出端与输入孔通过管路二连接。

本实施例给出了通过充放液体的方式调节流体弹簧2的阻尼频域的方案，其具体原理与实施例5相同，需注意的是，本实施例中不设置贯通孔20301。

实施例7

基于以上实施例，本实施例公开了：

如图1、2、5、14所示，所述的附属部件5还包括加速度传感器504，所述的加速度传感器504固定连接于质量块1的下表面中部，所述的加速度传感器504通过导线与第一控制器或第二控制器信号连接，所述的第一控制器通过导线与电磁流量调节阀、高压气泵电连接；所述的第二控制器通过导线与电磁流量调节阀、高压泵电连接。

本实施例针对本发明的两种实现方式(气体及液体调节阻尼力)的控制形式做出了说明，其中控制器采用根据结构的动力特性进行编程的电子元件，通过电子元件的制造厂提供代码。电磁流量调节阀、加速度传感器、高压气泵及高压泵均可采用市售产品。

实施例8

基于以上实施例，本实施例公开了：

所述的阻尼液体选用三类基础油，在基础油中加入0.1％复合抗泡剂和高粘度硅油以提高其消泡能力，提高其减震效果；为了增大流体的密度，提高流体弹簧的减震效果，在基础油中加入0.2％的溴化亚铜；由于TMD用于外界环境，良好的剪切稳定性和低温性能也会影响TMD的减震效果，因此，在基础油中加入粘度指数改进剂PMA。该流体油良好的粘性和抗泡性，当应用于具体场景时，应根据不同使用环境对流体进行改良。

实施例9

基于以上实施例，本实施例公开了：

一种基于流体弹簧的半主动控制TMD的使用方法，如图15所示，包括如下步骤：

将质量块和底板分别与上部结构、下部结构连接，通过连接上部结构和下部结构进行减振，当振动开始时，加速度传感器将振动数据传输给控制器，控制器判断振动是否在当前状态下的可控范围内，如果是，不动作，通过流体弹簧及阻尼器进行减振；如果不是，则启动变刚度控制机构，即当振动频率或幅度大于当前状态下的可控范围时，控制器打开输入孔一侧的电磁流量调节阀(即充压阀)对套筒内的阻尼气体或阻尼液体加压；如果振动频率或振动幅度小于当前状态下的可控范围时，控制器打开输出孔一侧的电磁流量调节阀(即泄压阀)对套筒内的阻尼气体或阻尼液体泄压，通过变刚度控制机构的调控直至加速度传感器的数值回到设定的安全范围。

Claims (9)

1.一种基于流体弹簧的半主动控制TMD，其特征为：包括质量块、流体弹簧、阻尼器、底板、附属部件；所述的质量块与底板上下相对，在质量块和底板之间安装有流体弹簧和阻尼器，所述的流体弹簧包括用以与质量块连接的上连接板、用以与底板连接的下连接板、固定设于下连接板顶端的套筒、密封固定连接于套筒顶端的盖板，贯穿盖板并与盖板滑动连接的活塞轴、固定连接于活塞轴底端的活塞，所述的活塞轴的顶端与上连接板底端固定连接，所述的活塞下端与下连接板上端之间且位于套筒内设有减振弹簧，所述的套筒通过附属部件连接有变刚度控制机构。

2.如权利要求1所述的一种基于流体弹簧的半主动控制TMD，其特征为：所述的质量块下端的一侧设有第一连接座，与第一连接座上下相对的底板上表面固定设有第二连接座，所述的阻尼器两端分别与第一连接座和第二连接座连接。

3.如权利要求2所述的一种基于流体弹簧的半主动控制TMD，其特征为：所述的流体弹簧设于质量块与底板之间且远离阻尼器的一侧，所述的上连接板和下连接板分别通过螺栓与质量块或底板固定连接。

4.如权利要求3所述的一种基于流体弹簧的半主动控制TMD，其特征为：所述的变刚度控制机构通过改变套筒内气体压力或者阻尼液体压力的方式调节流体弹簧的减振能力；所述的套筒两侧的底部分别设有输入孔和输出孔，所述的输入孔和输出孔分别设有电磁流量调节阀。。

5.如权利要求4所述的一种基于流体弹簧的半主动控制TMD，其特征为：当变刚度控制机构通过改变套筒内气体压力的方式调节流体弹簧的减振能力时，所述的变刚度控制机构包括固定设于底板上端的高压气泵及第一控制器，所述的高压气泵通过管路与输入孔连接，在盖板上还设有贯通套筒内部的贯通孔。

6.如权利要求4所述的一种基于流体弹簧的半主动控制TMD，其特征为：当变刚度控制机构通过改变套筒内阻尼液体压力的方式调节流体弹簧的减振能力时，所述的变刚度控制机构包括固定设有底板上端的流体贮存腔、高压泵及第二控制器，所述的附属部件包括管路一、管路二及管路三，所述的液体贮存腔底部设有出液口及进液口，所述的进液口通过管路一与输出孔连接，所述的出液口通过管路三与高压泵的输入端连接，所述的高压泵的输出端与输入孔通过管路二连接。

7.如权利要求5或6所述的一种基于流体弹簧的半主动控制TMD，其特征为：所述的附属部件还包括加速度传感器，所述的加速度传感器固定连接于质量块的下表面中部，所述的加速度传感器通过导线与第一控制器或第二控制器信号连接，所述的第一控制器通过导线与电磁流量调节阀、高压气泵电连接；所述的第二控制器通过导线与电磁流量调节阀、高压泵电连接。

8.如权利要求7所述的一种基于流体弹簧的半主动控制TMD，其特征为：所述的阻尼液体选用三类基础油，在基础油中加入0.1％复合抗泡剂和高粘度硅油以提高其消泡能力，提高其减震效果；为了增大流体的密度，提高流体弹簧的减震效果，在基础油中加入0.2％的溴化亚铜；由于TMD用于外界环境，良好的剪切稳定性和低温性能也会影响TMD的减震效果，在基础油中加入粘度指数改进剂PMA。

9.如权利要求8所述的一种基于流体弹簧的半主动控制TMD的使用方法，其特征为：包括如下步骤：

将质量块和底板分别与上部结构、下部结构连接，通过连接上部结构和下部结构进行减振，当振动开始时，加速度传感器将振动数据传输给控制器，控制器判断振动是否在当前状态下的可控范围内，如果是，不动作，通过流体弹簧及阻尼器进行减振；如果不是，则启动变刚度控制机构，即当振动频率或幅度大于当前状态下的可控范围时，控制器打开输入孔一侧的电磁流量调节阀对套筒内的阻尼气体或阻尼液体加压；如果振动频率或振动幅度小于当前状态下的可控范围时，控制器打开输出孔一侧的电磁流量调节阀对套筒内的阻尼气体或阻尼液体泄压，通过变刚度控制机构的调控直至加速度传感器的数值回到设定的安全范围。