CN117684675B - 一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置，包括一个外箱体，外箱体内部设有惯容阻尼器，准零刚度构件，发电机构，惯容阻尼器由竖向耗能机构和水平向耗能机构构成其中在竖向耗能机构和水平向耗能机构之间增加具有圆孔的铁网，使黏滞阻尼液能够在竖向和水平向耗能机构互相流动。准零刚度构件由囊式气弹簧，连杆机构，传力筒体，金属橡胶构成。囊式气弹簧两侧设有限位挡板，传力筒体和金属橡胶以及圆形活塞相连。滚珠螺母和发电机构的转子轴刚结，滚珠螺母套在螺纹杆的外侧，螺纹杆上下移动，通过滚珠螺母将上下的直线运动转化成滚珠螺母的转动，带动转子轴和转子绕组旋转。减振装置外部设有SMA弹簧刚度调节系统。

Description

一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置

技术领域

本发明涉及土木工程的振动控制领域，特别涉及一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置，主要用于工程结构在振动荷载作用下的振动响应。

背景技术

在建筑设计建造过程中，部分建筑会受到周围环境动荷载，如振动荷载、风荷载等的影响。为了减小振动荷载对工程结构的影响，通常在建筑结构上安装减隔振装置来实现。目前常用的减隔振形式之一是通过在建筑结构上安装阻尼器或减振装置来消耗建筑结构在环境激励作用下的振动能量，一般的线性隔振器只有当激励频率大于隔振系统固有频率的倍时才能起到隔振效果。

目前使用较多的TMD质量调谐阻尼器和TLD液体调谐阻尼器，一般情况下这种阻尼器的振动频率是恒定的，在不同强度的振动作用下，容易导致阻尼器振动频率和主体结构的振动频率相失谐，因此对环境的适应能力差，不具备一定的自我调节能力；而且要使动力响应较大的结构达到理想减振效果，需要较大的空间，为了达到理想减振效果，需要在己建建筑上附加大质量块，从而增加了结构竖向载荷；而且振动荷载作为动荷载，一般情况下会从多个方向作用到建筑上，而已有的减隔振装置通常仅能对单一方向的荷载进行削弱吸收，不能同时吸收多方向的荷载，为了降低系统的隔振起始频率，拓宽隔振频带，需要通过减小系统的刚度或增加负载质量来降低线性隔振系统的固有频率。刚度减小会导致静态位移增大，承载能力降低，并使隔振系统的稳定性降低；增加系统负载质量，会受到空间和结构的限制，实现较为困难。

发明内容

基于以上研究现状，本发明的目的是提供一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置，旨在减小工程结构在振动荷载作用下的多个方向的不同频率范围内的振动响应，并同时对振动能量进行收集利用，该装置既能够在较大频率范围内对结构进行减振，又能减小建筑结构受到的多个方向振动荷载。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提出的一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置，包括一个外箱体，所述的外箱体顶部通过第一金属橡胶与盖板相连；外箱体内部设有惯容阻尼器、准零刚度构件、发电机构和阻尼液内箱体；所述的惯容阻尼器由竖向耗能机构和水平向耗能机构构成，所述的准零刚度构件由囊式气弹簧、连杆机构、传力筒体和第二金属橡胶构成；

所述的阻尼液内箱体安装在外箱体底板上，所述的第二金属橡胶安装在阻尼液内箱体顶部，第二金属橡胶顶部安装传力筒体，阻尼液内箱体、第二金属橡胶以及传力筒体形成连通的竖向阻尼空间和水平阻尼空间，在阻尼空间内盛装黏滞阻尼液，传力筒体的侧壁外通过连杆机构与固定在外箱体内壁上的囊式气弹簧相连；所述的竖向耗能机构位于阻尼空间内且与传力筒体顶部相连，水平向耗能机构连接阻尼液内箱体与外箱体内壁；

所述的传力筒体顶部与盖板之间通过竖向螺纹杆相连，所述的竖向螺纹杆通过滚珠螺母与发电机构的转子相连，发电机构定子安装在外箱体的内壁上。

作为进一步的技术方案，所述的竖向耗能机构包括圆形活塞、活塞杆；圆形活塞水平设置在竖向阻尼空间内，活塞杆一端连接圆形活塞，一端连接传力筒体。

作为进一步的技术方案，在所述的圆形活塞上设置通孔，使黏滞阻尼液能从中通过，提高耗能效果。

作为进一步的技术方案，所述的水平向耗能机构包括弧形活塞、活塞连杆、SMA弹簧、弧形质量块；所述的弧形活塞设置在水平阻尼空间内，其通过活塞连杆与位于内筒外的弧形质量块相连，弧形质量块通过SMA弹簧与外箱体侧壁相连。

作为进一步的技术方案，所述的发电机构产生的电能储存在减震装置外部的蓄电池中；通过滚珠螺母将上下的直线运动转化成滚珠螺母的转动，带动转子轴和转子绕组旋转，使转子绕组相对定子绕组旋转，进行切割磁感线运动产生电能，电能储存在减震装置外部的蓄电池中。

作为进一步的技术方案，减振装置外部还设有SMA弹簧刚度调节系统，其包括温控系统、加速度传感器，蓄电池给温控系统和加速度传感器供能，加速度传感器能够捕获水平振动激励，并将激励转成信号传递给温控系统，温控系统控制温度从而调节SMA弹簧的刚度。

作为进一步的技术方案，在竖向耗能机构和水平向耗能机构之间增加具有圆孔的网片，所述的网片与弧形活塞之间通过复位弹簧相连，网片使黏滞阻尼液能够在竖向和水平向耗能机构互相流动，振动荷载作用时，两部分中的黏滞阻尼液可以相互流动，提高耗能效果。所述的复位弹簧连接在弧形活塞和圆孔铁网中间，给水平向耗能装置提供弹性恢复力。

作为进一步的技术方案，所述的囊式气弹簧设置多个，每个囊式气弹簧通过连杆机构与所述的传力筒体外壁相连。

作为进一步的技术方案，所述的水平向耗能机构包括多个，多个水平向耗能机构沿着内筒圆周方向。

作为进一步的技术方案，所述囊式气弹簧的外侧还设置限位板。

本发明的有益效果是：

（1）本发明用囊式气弹簧和第二金属橡胶构成了准零刚度机构，准零刚度机构是一种具有较高的静态刚度和较低的动态刚度的非线性隔振器，金属橡胶提供正刚度，水平向囊式气弹簧提供负刚度，保证隔振系统具有较高的支承刚度以及极低的运动刚度，系统刚度表现为非线性，使隔振系统的隔振频率范围明显增大。同时气弹簧的特性防止了减振装置大变形的发生。

（2）本发明利用定子绕组和转子绕组组成的发电机构，将振动产生的能量通过发电装置转化为电能，电能储存在蓄电池中，分别给加速度传感器和温控系统提供电能，实现了对振动能量的回收利用。

（3）本发明以金属橡胶作为部分刚度单位，发挥了金属橡胶变刚度、变阻尼、低蠕变特性，使得减振装置在共振区内阻尼显著增大，有效抑制共振峰值，防止了建筑结构共振的发生，低蠕变特性让减振装置在耗能以后充分恢复到初始位置，延长了装置的使用寿命。

（4）本发明中惯容阻尼器的水平向耗能机构和竖向耗能机构共用一个黏滞阻尼液腔体，中间通过圆孔铁网连接，延长了耗能路径，提高了惯容阻尼器耗能能力。

（5）本发明中水平向耗能装置使用SMA弹簧，通过加速度传感器感应水平方向振动激励，将激励信号传给温控系统，温控系统将SMA弹簧调到相应的减振刚度，实现对不同频率的水平振动精确减振。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置的竖向剖面图。

图2为一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置的发电机构的水平向剖面图。

图3为一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置的准零刚度构件的水平向剖面图。

图4为一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置的惯容阻尼器的水平向剖面图。

图5为一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置的SMA弹簧刚度调节机制流程图。

图中：1盖板，2竖向螺纹杆，3第一金属橡胶，4外箱体，5发电机构，6滚珠螺母，7传力筒体，8圆形活塞，9圆孔铁网，10黏滞阻尼液，11减震橡胶板，12连通孔，13复位弹簧，14SMA弹簧，15弧形质量块，16活塞顶杆，17连杆机构，18限位圆角，19囊式气弹簧，20固结螺栓，21限位挡板，22弧形活塞，23球形铰接装置，24定子绕组，25转子绕组，26转子轴，27线圈，28限位垫块，29活塞杆，30阻尼液内箱体，31第二金属橡胶，32气弹簧铰接装置，33连杆。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，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发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，目前的减振装置能发挥作用的频率范围较小， 本发明提供了一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置，通过准零刚度机构使减振装置能够初始频率较低且更大的频率范围内发挥作用。

本申请的一种典型实施方式中，如图1-图5所示，提供了一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置，包括一个外箱体4，外箱体4顶部通过第一金属橡胶3与盖板1相连，形成一个封闭的箱体，在外箱体4内部设有惯容阻尼器、准零刚度构件、发电机构5和连杆机构17；

其中惯容阻尼器由竖向耗能机构和水平向耗能机构构成，竖向耗能机构包括圆形活塞8、活塞杆29、黏滞阻尼液10，活塞杆29与圆形活塞8相连；水平向耗能机构包括弧形活塞22、活塞顶杆16、SMA弹簧14、弧形质量块15，复位弹簧13和黏滞阻尼液10；弧形活塞22与活塞顶杆16相连，活塞顶杆16与弧形质量块15相连，弧形质量块15通过SMA弹簧14与外箱体4侧壁相连；

其中在竖向耗能机构和水平向耗能机构之间增加具有圆孔铁网9，使黏滞阻尼液能够在竖向和水平向耗能机构间互相流动，圆孔铁网9与弧形活塞22之前通过复位弹簧13相连。

在本实施例中，水平向耗能机构包括四组，沿着内筒的外圈分布，如图4所示。

准零刚度构件由囊式气弹簧19、连杆机构17、传力筒体7、第二金属橡胶31构成。第二金属橡胶31是一种均质的弹性多孔物质，它的原材料是金属丝，既具有所选金属固有的特性，又具有像橡胶一样的弹性，第二金属橡胶31顶部与传力筒体7相连，底部和阻尼液内箱体30相连，同时第二金属橡胶31内壁与圆形活塞8配合，活塞杆29与传力筒体7相连，

传力筒体7的外侧通过连杆机构17与囊式气弹簧19相连，所述的连杆机构17包括气弹簧铰接装置32、球形铰接装置23、连杆33，具体的，传力筒体7的外侧设置球形铰接装置23，球形铰接装置23通过连杆33与气弹簧铰接装置32相连，气弹簧铰接装置32安装在囊式气弹簧19上；传力筒体7向下运动时，球形铰接装置23带动连杆33进而带动气弹簧铰接装置32拉动气弹簧19水平向运动提供弹性恢复力，囊式气弹簧19的外侧还设有限位挡板21，第二金属橡胶31作为准零刚度构件的正刚度部分，囊式气弹簧19作为准零刚度构件的负刚度部分。

在本实施例中，传力筒体7的外圈均匀连接有四个囊式气弹簧19，四个囊式气弹簧19固定在外箱体4的内壁上，具体参见图3。

所述的发电机构5包括定子绕组24、转子绕组25、转子轴26、滚珠螺母6、竖向螺纹杆2，所述的滚珠螺母6和转子轴26刚结，滚珠螺母6套在螺纹杆2的外侧，螺纹杆2顶部与盖板1相连，底部与传力筒体7相连，当盖板1上下运动时，带动螺纹杆2上下移动，通过滚珠螺母6将竖向直线运动转化成滚珠螺母的转动，带动转子轴26和转子绕组25旋转，使转子绕组25相对定子绕组24旋转，进行切割磁感线运动产生电能，电能储存在减震装置外部的蓄电池中。减振装置外部设有SMA弹簧14刚度调节系统，包括蓄电池，温控系统，加速度传感器，蓄电池给温控系统和加速度传感器供能，加速度传感器能够捕获水平振动激励，并将激励转成信号传递给温控系统，温控系统控制温度从而调节SMA弹簧的刚度。

进一步的，所述的惯容阻尼器中圆形活塞8和弧形活塞22上均开有连通孔12，使黏滞阻尼液10能从中通过，增强耗能效果。

进一步的，所述的惯容阻尼器的竖向耗能机构和水平向耗能机构之间具有带有圆孔铁网9，黏滞阻尼液可以从圆孔铁网中通过，惯容阻尼器箱体为铁制，强度足够承受黏滞阻尼液产生的压强。振动荷载作用时，两部分中的黏滞阻尼液10可相互流动，提高耗能效果。

进一步的，所述的复位弹簧13连接在弧形活塞22和圆孔铁网9中间，给水平向耗能装置提供弹性恢复力。

进一步的，所述的准零刚度构件中的囊式气弹簧19作为准零刚度构件中的负刚度构件，第二金属橡胶31作为准零刚度构件中的正刚度构件，两部分通过传力筒体7连接，实现准零刚度机构发挥作用，囊式气弹簧19两侧设有限位挡板21，防止囊式气弹簧19在非作用方向上晃动，影响其发挥作用，囊式气弹簧19通过气弹簧铰接装置32、球形铰接装置23、连杆33和传力筒体7相连，传力筒体7向下移动时，通过连杆机构17使囊式气弹簧19通过水平运动提供斜向弹力。进一步的，限位挡板21与囊式气弹簧19之间通过限位圆角18相连。

进一步的，所述的发电机构5中定子有12个绕组，转子有8个绕组，定子绕组24固定在外箱体4内壁上（具体参见图3），转子绕组25由限位垫块28固定在和定子绕组24同一高度上，当竖向螺纹杆2向下移动时，由于限位垫块28限制，滚珠螺母6和转子绕组25不能和竖向螺纹杆2共同向下运动，螺纹间的相互作用使竖向螺纹杆2的平动变为滚珠螺母6的转动，进而带动转子绕组25旋转，转子绕组25和定子绕组24相对转动，产生电能，在减震装置外部设有蓄电池，发电机构产生的电池储存在蓄电池中供后续使用。

进一步的，所述的惯容阻尼器竖向通过传力筒体7推动圆形活塞8向下运动，黏滞阻尼液10从圆形活塞8的连通孔12中通过实现耗能。

进一步的，所述的惯容阻尼器水平向使用SMA弹簧14，SMA弹簧自身具有刚度随温度变化的特点，通过温控系统的调节，当受到不同频率的水平振动激励作用时，加速度传感器将接收到的振动信号传递给温控系统，温控系统调节SMA 弹簧14至减小该频率水平振动的刚度，实现对振动激励的精确减振。

进一步的，发电机构和限位垫块28，囊式气弹簧19和限位挡板21中间涂有润滑剂，使装置在发挥作用时可以更灵敏的运动。

上述减振装置的使用方法如下：

将该减振装置安装工程结构基础上，当建筑结构受到环境中的振动荷载激励时，振动荷载中的竖向振动通过上部建筑结构传递到盖板1上，通过盖板1传递给竖向螺纹杆2，螺纹杆2向下平动将振动传递给传力筒体7，传力筒体7带动准零刚度机构发挥作用，准零刚度机构中的负刚度构件囊式气弹簧19和正刚度构件第二金属橡胶31分别被拉伸和压缩，提供竖向刚度。竖向螺纹杆2向下运动时，由于限位垫块28的存在限制转子绕组25不能向下运动，螺纹杆2和滚珠螺母6的作用使螺纹杆2的平动变为滚珠螺母6的转动，带动转子绕组25进行转动，转子绕组25和定子绕组24相对转动，切割磁感线产生电能，电能储存到装置外部的蓄电池中，蓄电池给加速度传感器和温控系统供能，消耗部分竖向振动能量。竖向螺纹杆2向下运动，推动传力筒体7向下运动，进而推动圆形活塞8向下运动，黏滞阻尼液10通过从圆形活塞8的连通孔12通过以及从圆孔铁网9的小孔中流向惯容阻尼器的水平腔体实现耗能。受到水平振动激励时，激励被安装在建筑结构上的加速度传感器捕捉，加速度传感器给温控系统传递信号，温控系统调节温度令SMA弹簧14达到相应的减振刚度，同时激励使管廊产生水平向振动，由于减振装置和管廊结构刚结，惯性作用带动弧形质量块15水平运动，弧形质量块15的运动被SMA弹簧14限制同时推动弧形活塞在黏滞阻尼液中运动，实现水平振动耗能。

当振动结束后，由于盖板1下和传力筒体7下的第二金属橡胶31和水平向囊式气弹簧19都具有强恢复性的特点，在弹性恢复力作用下，减振装置充分恢复到初始位置；在囊式气弹簧19、SMA弹簧和复位弹簧13的弹性恢复力作用下 ，减振装置在水平方向上恢复到初始位置，等待下一次振动荷载进行耗能。

该装置用囊式气弹簧和第二金属橡胶构成了准零刚度机构，准零刚度机构是一种具有较高的静态刚度和较低的动态刚度的非线性隔振器，金属橡胶提供正刚度，水平向囊式气弹簧提供负刚度，保证隔振系统具有较高的支承刚度以及极低的运动刚度，系统刚度表现为非线性，使隔振系统的隔振频率范围明显增大。同时气弹簧的特性防止了减振装置大变形的发生。定子绕组和转子绕组组成的发电机构，将振动产生的能量通过发电装置转化为电能，电能储存在蓄电池中，分别给加速度传感器和温控系统提供电能，实现了对振动能量的回收利用。金属橡胶作为部分刚度单位，发挥了金属橡胶变刚度、变阻尼、低蠕变特性，使得减振装置在共振区内阻尼显著增大，有效抑制共振峰值，防止了建筑结构共振的发生，低蠕变特性让减振装置在耗能以后充分恢复到初始位置，延长了装置的使用寿命。惯容阻尼器的水平向耗能机构和竖向耗能机构共用一个黏滞阻尼液腔体，中间通过圆孔铁网连接，延长了耗能路径，提高了惯容阻尼器耗能能力。水平向耗能装置使用SMA弹簧，通过加速度传感器感应水平方向振动激励，将激励信号传给温控系统，温控系统将SMA弹簧调到相应的减振刚度，实现对不同频率的水平振动精确减振。

本专利的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本专利的实施方式不限于此，凡此种种根据本专利的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本专利上述基本技术思想前提下，对本专利上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置，其特征在于，包括一个外箱体，所述的外箱体顶部通过第一金属橡胶与盖板相连；

外箱体内部设有惯容阻尼器、准零刚度构件、发电机构和阻尼液内箱体，

所述的惯容阻尼器由竖向耗能机构和水平向耗能机构构成，所述的准零刚度构件由囊式气弹簧、连杆机构、传力筒体和第二金属橡胶构成；

所述的阻尼液内箱体安装在外箱体底板上，所述的第二金属橡胶安装在内筒顶部，第二金属橡胶顶部安装传力筒体，内筒、第二金属橡胶以及传力筒体形成向连通的竖向阻尼空间和水平阻尼空间，在阻尼空间内盛装黏滞阻尼液，传力筒体的侧壁外通过连杆机构与固定在外箱体内壁上的囊式气弹簧相连；所述的竖向耗能机构位于阻尼空间内且与传力筒体顶部相连，水平向耗能机构连接内筒内部与外箱体内壁；

所述的传力筒体顶部与盖板之间通过竖向螺纹杆相连，所述的竖向螺纹杆通过滚珠螺母与发电机构的转子相连，发电机构定子安装在外箱体的内壁上；

所述的竖向耗能机构包括圆形活塞、活塞杆；圆形活塞水平设置在竖向阻尼空间内，活塞杆一端连接圆形活塞，一端连接传力筒体；在所述的圆形活塞上设置通孔；

所述的水平向耗能机构包括弧形活塞、活塞连杆、SMA弹簧、弧形质量块；所述的弧形活塞设置在水平阻尼空间内，其通过活塞连杆与位于内筒外的弧形质量块相连，弧形质量块通过SMA弹簧与外箱体侧壁相连；

所述囊式气弹簧的外侧还设置限位板。

2.如权利要求1所述的基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置，其特征在于，所述的发电机构产生的电能储存在减震装置外部的蓄电池中。

3.如权利要求2所述的基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置，其特征在于，减振装置外部还设有SMA弹簧刚度调节系统，其包括温控系统、加速度传感器，蓄电池给温控系统和加速度传感器供能，加速度传感器能够捕获水平振动激励，并将激励转成信号传递给温控系统，温控系统控制温度从而调节SMA弹簧的刚度。

4.如权利要求1所述的基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置，其特征在于，在竖向耗能机构和水平向耗能机构之间增加具有圆孔的网片，所述的网片与弧形活塞之间通过复位弹簧相连。

5.如权利要求1所述的基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置，其特征在于，所述的囊式气弹簧设置多个，每个囊式气弹簧通过连杆机构与所述的传力筒体外壁相连。

6.如权利要求1所述的基于准零刚度的自供能宽频域多维减振装置，其特征在于，所述的水平向耗能机构包括多个，多个水平向耗能机构沿着内筒圆周方向。