CN203891245U - 混合控制颗粒阻尼器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种混合控制颗粒阻尼器，包括底板、嵌板、侧板、导轨、挡件、挡件伸缩控制器、阻尼器腔体、凸出件、滚轮和颗粒。底板用于固定嵌板，在嵌板上固定挡件，挡件使阻尼器腔体沿底板长轴方向做单向运动。挡件伸缩控制器可以控制挡件的伸出与收缩，触发挡件与阻尼器腔体下部凸出件之间、阻尼器腔体内部颗粒之间和颗粒与阻尼器腔体壁之间发生碰撞，产生与基本结构运动方向相反的控制力，减少基本结构的振动，同时高度非线性的非弹性碰撞也会引起系统机械能的快速耗散。当基本结构运动方向改变时，阻尼器可以在被动控制和半主动控制之间互相转换，颗粒运动的多向性可使阻尼器在不同方向均有较好的减振效果。

Description

混合控制颗粒阻尼器

技术领域

本实用新型涉及一种混合控制颗粒阻尼器，在底板上设置嵌板，侧板上设置导轨，通过控制嵌板上挡件的伸出和收缩，使挡件和阻尼器腔体底部凸出件之间、阻尼器腔体内部颗粒之间及颗粒与阻尼器腔体壁之间发生非弹性碰撞来达到减振目的，属于土木结构（包括高层结构、高耸结构和桥梁结构等）振动控制领域。

背景技术

主动控制质量阻尼器是一种有效的结构减振控制装置，但是土木工程结构在强震和强风作用时经常发生一定程度的非弹性变形，材料的应力应变关系表现为一定的迟滞效应，由于这种材料的非弹性，土木工程结构的主动控制质量阻尼器是有时滞的非定常非线性系统。同时，主动控制质量阻尼器费用高、能耗大、设备需要常年维护，限制了其在土木工程中的推广应用。冲击阻尼器是现阶段应用较为广泛的附加质量式被动控制振动控制装置，然而，被动式冲击阻尼器的减振频带窄，只能对某一特定的频率产生较好的减振效果，并且只能在单方向减振。颗粒阻尼技术是一种广泛应用于航天和机械领域的被动控制技术，由于颗粒运动的随机性，其在不同方向和较宽频带范围内均具有良好的减振效果。因此，将主动控制质量阻尼器、被动控制冲击阻尼器和被动控制颗粒阻尼器结合起来，使其优势互补，并进行改进开发，形成了一种耗能能力强、减振频带宽、价格低廉且在不同方向均能减振的混合控制颗粒阻尼器。

该混合控制颗粒阻尼器可以根据实时监测到的基本结构振动响应的反馈信息，通过控制装置控制阻尼器腔体的运动，可有效地减少基本结构的振动响应。较主动控制系统构造简单，需外部输入的能量较少；较冲击阻尼器减振频带宽、在不同方向均有良好的减振效果。适用于各种线性和非线性结构。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种混合控制颗粒阻尼器，该装置结合主动控制质量阻尼器、被动控制冲击阻尼器和被动控制颗粒阻尼器各自优点，并加以改进，形成一种混合控制颗粒阻尼器。该阻尼器在不同方向均可产生良好的减振效果。当风/和地震作用力与阻尼器底板的长轴方向平行或相交角度较小时，通过引入一个联动的中控系统，运用脉冲控制方法，在适当的时候主动输入很少的外部能量，使挡件与凸出件之间、阻尼器腔体内颗粒之间及颗粒与阻尼器腔体壁之间发生碰撞，此时该阻尼器发挥的是半主动控制阻尼器的作用。当风/和地震作用力与底板长轴方向垂直或相交角度较大时，阻尼器腔体与底板相对静止，此时阻尼器为被动颗粒阻尼器。该阻尼器一方面通过动量交换的方式产生与基本结构运动方向相反的力来抑制基本结构的振动，另一方面通过高度非线性的非弹性碰撞消耗主体结构的振动能量，剧烈的碰撞使系统中的能量发生空间上单向不可逆的转移，通过将能量集中在自身以降低主体结构的反应，同时，碰撞还会使得主体结构的能量在各模态中的分布发生变化，使能量由低阶模态转移至振动频率高、耗能能力强的高阶模态，能够迅速降低主体结构的反应。综合以上减振机制，该混合控制颗粒阻尼器可以达到良好的减振效果。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案。

本实用新型提出一种混合控制颗粒阻尼器，包括：底板1、嵌板2、侧板3、导轨4、挡件5、挡件伸缩控制器6、阻尼器腔体7、凸出件8、滚轮9和颗粒10。底板1可沿不同方向布置多个，每个底板1上沿长轴方向平行布置一对嵌板2，两组挡件5分别安装在嵌板2上，布置方向相反，使阻尼器腔体7沿底板1长轴方向做单向运动；阻尼器腔体7下方两侧设有滚轮9，阻尼器腔体7下方设有凸出件8，侧板3布置于底板1两侧，每个侧板3中间设置一条导轨4，使阻尼器腔体7上的滚轮9可沿导轨4做低阻尼运动；阻尼器腔体7分隔成多个空腔，每个空腔内布置有若干颗粒10；挡件伸缩控制器6连接挡件5，用于控制挡件5的伸出和收缩。在风/和地震等作用下，该装置能够在水平方向上，通过挡件伸缩控制器6脉冲式地控制挡件5的伸出，引发挡件5与凸出件8之间、阻尼器腔体7内部的颗粒10之间和颗粒10与阻尼器腔体7壁之间产生剧烈碰撞，此时为半主动控制阻尼器；当风/和地震作用与底板1长轴垂直时，颗粒10之间和颗粒10与阻尼器腔体7壁之间依然能发生剧烈碰撞，此时为被动控制阻尼器。

本实用新型中，所述挡件伸缩控制器6由单片机11、传感器12、电源13和继电器14组成，传感器12的输出端连接单片机11的输入端，单片机11的输出端连接继电器14的输入端，单片机11、传感器12和继电器14分别连接电源13，所述继电器14的输出端连接挡件5，所述单片机11的输入端连接底板1。

本实用新型中，挡件5和凸出件8宜用恢复系数大于0.7的材料，且挡件5须能被磁铁吸引。

本实用新型中，挡件5安装在嵌板2上，数量为2组，每组有12~24个。

本实用新型中，颗粒10为圆形，直径为2mm~50mm，材料为金属或非金属中的一种或以上。

本实用新型中，每层颗粒10在水平面占用的总面积为阻尼器腔体7底面积的40%~80%，颗粒10的总体积应为阻尼器腔体7总体积的5%~20%。

本实用新型中，在每个挡件5的长度范围内，可在阻尼器腔体7底部均匀布置一个或多个凸出件8。

本实用新型中，所述挡件伸缩控制器6通过内置传感器监测基本结构位移零点及阻尼器腔体7与基本结构的运动方向，触发挡件5的伸出，以触发多种碰撞，产生控制力及耗散系统机械能。

与现有技术相比，本实用新型的优点如下：

1）  本实用新型是一种混合控制颗粒阻尼器，可以根据风/和地震作用的方向自动调整为半主动和被动控制阻尼器，因半主动控制阻尼器较被动控制阻尼器具有更多的耗能途径，可以根据建筑物在不同方向的抗侧能力将阻尼器长轴方向布置在建筑物抗侧能力最弱的方向，提高了阻尼器的减振耗能效率。

2）  本实用新型所需外界输入能量极少，且减振效果远远好于被动式控制装置，可以与主动控制装置相媲美。

3）  本实用新型中引入联动中控系统，通过挡件伸缩控制器脉冲式地控制挡件伸出和收缩，可以在基本结构的位移为零，且附加阻尼器腔体与基本结构运动方向相反时伸出，从而触发挡件与阻尼器腔体底端凸出件的碰撞，产生与基本结构运动方向相反的控制力，减小基本结构的振动，达到理想的减振效果。

4）  本实用新型中引入颗粒阻尼器，颗粒运动的随机性使阻尼器可以在不同方向和较宽频带范围内发挥良好的减振效果。同时，通过颗粒之间及颗粒与阻尼器腔体壁之间高度非线性的非弹性碰撞，使系统中的能量发生空间上单向不可逆的转移，将能量集中于自身以降低结构的反应。碰撞还会使能量由低阶模态转移至振动频率高、耗能能力较强的高阶模态，能够迅速降低结构反应。

5）  本实用新型不同于主动控制质量阻尼器，几乎不需要基本结构的信息，可以适用于各种线性和非线性的基本结构，只需监测基本结构的位移，且控制算法简单，时滞小。

附图说明

图1为本实用新型的混合控制颗粒阻尼器装置的示意图；

图2为本实用新型的混合控制颗粒阻尼器装置的俯视图；

图3为本实用新型的混合控制颗粒阻尼器装置的右视图；

图4为本实用新型的挡件与凸出件的布置关系示意图；

图5为本实用新型的挡件伸缩控制器的工作原理示意图；

图中标号：1为底板，2为嵌板，3为侧板，4为导轨，5为挡件，6为挡件伸缩控制器，7为阻尼器腔体，8为凸出件，9为滚轮，10为颗粒，11为单片机，12为传感器，13为电源，14为继电器。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐明本实用新型，在阅读了本实用新型之后，本领域的技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本实用新型为混合控制颗粒阻尼器，其主要包括底板1、嵌板2、侧板3、导轨4、挡件5、挡件伸缩控制器6、阻尼器腔体7、凸出件8、滚轮9和颗粒10。嵌板2固定于底板1上，两组挡件5分别安装在嵌板2上，布置方向相反，从而可以保证阻尼器腔体7沿底板1长轴方向做单向运动。在每个侧板3的中间设置一条导轨4，使阻尼器腔体7上的滚轮9可以沿导轨4做低阻尼运动，因此导轨4和滚轮9之间的摩擦系数应尽可能的小，同时侧板3应不易发生变形，保证导轨4的平整性。阻尼器腔体7可分隔成多个空腔，如图1所示。空腔的大小和颗粒10的数目要根据不同方向的水平作用力计算确定。挡件伸缩控制器6控制挡件5的伸出和收缩。凸出件8在阻尼器腔体7底部的设置情况如图4所示，凸出件8和挡件5宜用恢复系数大于0.7的材料。

挡件伸缩控制器6工作原理如图5所示，其工作过程如下：首先通过传感器12监测基本结构的位移和速度，并将信号传给单片机11，单片机11将信号进行处理并将处理后的信息传递给继电器14。当基本结构的位移为零，且阻尼器腔体7与基本结构的速度方向相反时，继电器14控制挡件5伸出。控制方式是通过单片机11调整继电器14中电流的有无，使继电器14在适当时候产生磁力，吸引挡件5。底板1上设置方向不同的挡件5，阻尼器腔体7运动方向的不同将导致其与不同方向的挡件5发生碰撞。可以通过传感器12监测不同的速度方向使将要与阻尼器腔体7发生碰撞的挡件5伸出，而另一组则不伸出，从而可以最大程度地提高阻尼器的碰撞效率。

将该阻尼器安装在基本结构的顶部或基本结构中振动幅度较大的部位。当风/和地震作用力与底板1的长轴方向平行或相交角度较小时，阻尼器腔体7随基本结构沿导轨4运动，两者的运动方向相反；挡件伸缩控制器6可以监测基本结构的位移和速度，使挡件5在基本结构的位移为零，且阻尼器腔体7与基本结构的运动方向相反时伸出，从而脉冲式的控制挡件5的伸出，引发挡件5与凸出件8之间、阻尼器腔体7内部的颗粒10之间和颗粒10与阻尼器腔体7壁之间产生剧烈碰撞，此时该阻尼器为半主动控制阻尼器。当风/和地震作用力与底板1长轴方向垂直或相交角度较大时，阻尼器腔体7与底板1相对静止，此时阻尼器为被动颗粒阻尼器，通过颗粒10之间和颗粒10与阻尼器腔体7壁之间发生碰撞耗能。半主动控制阻尼器较被动控制阻尼器的耗能途径多，高层建筑结构在每个方向的抗侧能力具有差异性，可以将该阻尼底板1长边布置在结构抗侧能力最弱的方向，以最大限度的提高阻尼器的阻尼性能。

Claims (6)

1.一种混合控制颗粒阻尼器，包括：底板（1）、嵌板（2）、侧板（3）、导轨（4）、挡件（5）、挡件伸缩控制器（6）、阻尼器腔体（7）、凸出件（8）、滚轮（9）和颗粒（10），其特征在于：底板（1）可沿不同方向布置多个，每个底板（1）上沿长轴方向平行布置一对嵌板（2），两组挡件（5）分别安装在嵌板（2）上，布置方向相反，使阻尼器腔体（7）沿底板（1）长轴方向做单向运动；阻尼器腔体（7）下方两侧设有滚轮（9），阻尼器腔体（7）下方设有凸出件（8），侧板（3）布置于底板（1）两侧，每个侧板（3）中间设置一条导轨（4），使阻尼器腔体（7）上的滚轮（9）可沿导轨（4）做低阻尼运动；阻尼器腔体（7）分隔成多个空腔，每个空腔内布置有若干颗粒（10）；挡件伸缩控制器（6）连接挡件（5），用于控制挡件（5）的伸出和收缩。

2.根据权利要求1所述的混合控制颗粒阻尼器，其特征在于所述挡件伸缩控制器（6）由单片机（11）、传感器（12）、电源（13）和继电器（14）组成，传感器（12）的输出端连接单片机（11）的输入端，单片机（11）的输出端连接继电器（14）的输入端，单片机（11）、传感器（12）和继电器（14）分别连接电源（13），所述继电器（14）的输出端连接挡件（5），所述单片机（11）的输入端连接底板（1）。

3.根据权利要求1所述的混合控制颗粒阻尼器，其特征在于：挡件（5）和凸出件（8）采用恢复系数大于0.7的材料，且挡件（5）须能被磁铁吸引。

4.根据权利要求1所述的混合控制颗粒阻尼器，其特征在于：每组挡件（5）有12~24个。

5.根据权利要求1所述的混合控制颗粒阻尼器，其特征在于：颗粒（10）为圆形，直径为2mm~50mm，材料为金属或非金属中的一种或以上。

6.根据权利要求1所述的混合控制颗粒阻尼器，其特征在于：每层颗粒（10）在水平面占用的总面积为阻尼器腔体（7）底面积的40%~80%，颗粒（10）总体积为阻尼器腔体（7）总体积的5%~20%。