CN209620291U - 磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器。本实用新型的技术要点是，它包括质量块、限位装置、弹簧、磁悬浮系统及耗能减振内壁；磁悬浮系统由上、下两部分磁性体构成，其下部分磁性体与阻尼器底座固接，其上部分磁性体与质量块连接构成一个整体；弹簧径向均匀安装于质量块的上面，弹簧的内端与质量块上的中心凸块连接，弹簧的外端与耗能减振内壁连接；上部分磁性体的下表面与下部分磁性体的上表面相对且磁性相同；限位装置为若干根径向均匀安装于阻尼器的上盖下表面的柱状体，柱状体下端部与质量块的上表面相接触。本实用新型实现了低频减振，增加了耗能减震材料，使减振控制效果更好，适用范围更广，而且不会对环境造成污染。

Description

磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器

技术领域

本实用新型属于结构振动控制技术领域，具体是涉及一种磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器。

背景技术

风能作为一种迅速发展的可再生能源，已经引起了人们的密切关注，其总

储量非常巨大，且分布广泛，作为一种可开发利用的重要能源，在一定的技术条件下，可以通过风力发电机将风能转换为电能。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。广义地说，风能也是太阳能，所以也可以说风力发电机，是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发电机。现代风力发电机多由细长、灵活、轻微阻尼的叶片和塔架组成，它们对振动具有很高的敏感性。这些大型柔性结构容易受到外界振动的影响，如风、海浪和地震的激发。而自然环境中强风、暴雨、地震等作用无处不在，往往在这些荷载作用下，此类结构容易产生较为强烈的振动，增加了结构的损伤，影响了结构的安全性和舒适性，减少了结构的使用年限。为了保证这些结构的安全，就要减轻风力发电机组的动力响应。近几年来，塔架的体积和成本都在不断增加，因此有必要对这些结构进行保护，使其免受湍流气动载荷的影响，导致机组传动轴疲劳损坏，不利于机组的长期服役。

如何减少外界动力荷载对此类结构引起的振动响应问题，成为了国内外学者研究的热点。迄今为止，国内外学者研究并开发了众多结构控制技术，主要分为三类：主动控制、半主动控制以及被动控制。传统的被动控制减震装置由质量块、弹簧和阻尼器并联构成，这一装置已被广泛应用于土木工程结构的振动控制，但由于传统调谐质量阻尼器的弹簧和阻尼的组成的单一频率减振系统，因而限制了传统调谐质量阻尼器对各种频率和形式外界激励的适应能力；主动控制减震装置由于其结构复杂、耗能高、成本高等，其研究还并没有得到广泛应用。为了使调谐质量阻尼器具有更好的减振性能，使得阻尼参数更加稳定可调，众多研究者从调谐质量阻尼器调频和调阻尼比以及调谐方面展开了研究。如专利号为201810306210.1，授权号为CN108316506A，名称为“一种两层式磁悬浮万向型水平调谐质量阻”，由上层建筑结构、下层建筑结构、拉杆和磁悬浮基座等组成，可以根据受控结构不同方向不同的振动频率，调整相应方向调谐质量阻尼器振动频率，在一定程度上可以达到全方位调谐减振的效果，但是由于该阻尼器采用封闭式的磁流变装置，可能存在密封漏磁流变液的问题，而且需占用较多的竖向空间，装置比较复杂，成本偏高。专利号为201810292867.7，授权号为CN108316504A，名称为“一种磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器”，由竖向环板、水平基座、固定件、阻尼器、弹簧、质量块和基座组成，可以根据受控结构不同方向的振动频率，调整相应方向的振动频率，但是其改变磁场强度范围是有限的，在阻尼调节上存在一定的问题，而且振动的灵敏度不高，无法实现更精准的控制，影响减振性能。专利号为201410430234.X，授权号CN104264854A，名称为“一种磁悬浮式水平调谐质量阻尼器”由质量块，竖板，横梁，支座底板，导轨，滑块，阻尼器，压簧和矩形永磁体组成，虽然在一定程度上减小了滑块与直线导轨的摩擦力，延长了滑块与直线导轨的使用寿命，但由于该阻尼器采用封闭式的磁流变装置，存在密封漏磁流变液的问题，而且运动质量块的惯性力有可能会小于其静摩擦力，从而使调谐质量阻尼器处于锁定状态，暂时丧失了吸能减振的功能。从上述文献分析，调谐质量阻尼器一般存在一定的摩擦力，无法保证各向的减振频率，更重要的一点，现在的控制技术中，大部分调谐质量阻尼器装置对微小振动不敏感，较难实现低频减振性能。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可靠性较高、系统寿命长、施工简单的磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器。它根据功能需求设置各向的减振频率均相同，实现了低频减振，增加了耗能减震材料，使减振控制效果更好，适用范围更广，而且不会对环境造成污染。

本实用新型的目的是通过如下的技术方案来实现的：该磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器，它包括质量块、限位装置、弹簧、磁悬浮系统及安装于阻尼器外壁内的耗能减振内壁；所述磁悬浮系统由上、下两部分磁性体构成，其下部分磁性体的下表面与阻尼器底座固接，其上部分磁性体的上表面与所述质量块连接构成一个整体；所述弹簧径向均匀安装于质量块的上面，弹簧的内端与质量块上的中心凸块连接，弹簧的外端与耗能减振内壁连接；所述上部分磁性体的下表面与下部分磁性体的上表面相对且磁性相同，使由弹簧、质量块和上部分磁性体构成的磁悬浮质量块系统悬浮并能在水平方向移动；所述限位装置为若干根径向均匀安装于阻尼器的上盖下表面的柱状体，柱状体下端部与质量块的上表面相接触，防止悬浮起来的质量块翻转。

具体的，所述磁悬浮系统的上、下两部分磁性体由永久磁体制成。

具体的，所述耗能减振内壁由吸能减震材料制成。

具体的，所述限位装置柱状体的下端部为半球形。

具体的，所述质量块采用质量比较大的金属材料制成，并使其质量处于磁悬浮系统所提供磁力能承载磁悬浮质量块系统悬浮的范围之内。

具体的，所述弹簧采用金属材料或电磁式材料制成，沿质量块的上面径向均匀分布有三根以上；采用焊接或螺栓螺母固定连接于质量块上中心凸块与阻尼器耗能减振内壁之间。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果体现如下：

(1)本实用新型的磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器根据功能需求，解决了外部激励较小情况下调谐质量阻尼器不易启动，不能发挥作用的问题，实现了低频和低能耗减振，而且结构简单，控制性能好，达到全方位调谐减振的最佳效果，满足使用需求，提高了调谐质量阻尼器的灵敏度。若利用四根各向相同的弹簧刚度k，则阻尼器各向的减振频率均为其具体计算步骤如下：

如图3所示，在不考虑电磁和碰撞的影响下，四根弹簧位于同一平面内，每一根弹簧之间的夹角为90°，只考虑微小位移，并设弹性恢复力分别为R₁、R₂、R₃、R₄，弹簧刚度分别为k₁、k₂、k₃、k₄，且k₁＝k₂＝k₃＝k₄＝k，则其运动微分方程为其中，m为质量块系统的总重量，为x方向的加速度，为y方向的加速度，α_i为弹簧与x方向的夹角，Q_x、Q_y分别为此时质量块系统在x方向、y方向所受到的力。

式中：弹性恢复力R_i＝-k(xcosα_i+ysinα_i)；

将R_i的值代入运动微分方程，写成矩阵形式为：

将α在0°，90°，180°，270°的值和k₁＝k₂＝k₃＝k₄＝k代入刚度矩阵，得：

代入总质量m的运动微分方程为：

特征值问题为：

由此得固有频率为

(2)本实用新型利用磁力使质量块悬浮，脱离其基座，减少了与其他部分的接触，克服了传统调谐质量阻尼器所固有的摩擦力，最大限度地降低了摩擦力的不利影响，降低了损耗，延长了阻尼器的使用寿命。

(3)本实用新型利用限位装置，使质量块的相对位置固定，防止翻转，保证了装置内部的安全稳定，提高了阻尼器的可靠性；采用吸能减震材料，增加了耗能减振内壁，降低了噪声的产生。

(4)本实用新型制造简单，安装方便，功能性强；易于维护，减振效果更加稳定；节省空间，施工简单，运输和安装更加方便，适用范围广，不会对环境造成污染。

附图说明

图1是本实用新型实施例的外观结构示意图。

图2是本实用新型实施例的内部结构示意图。

图3是图2中质量块与上部分磁性体部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的描述。

参见图1至图3，本实用新型实施例包括质量块8、限位装置6、弹簧7、磁悬浮系统及安装于阻尼器外壁3内的耗能减振内壁2，耗能减振内壁2由吸能减震材料如天然橡胶、塑胶、纤维树脂等材料制成，因此耗能减振内壁2拥有较好的吸能减震性能，在一定程度上可以起到碰撞减振的作用。从图2中可见，磁悬浮系统由上部分磁性体9和下部分磁性体4构成，上、下两部分磁性体由永久磁体如永磁铁制成；下部分磁性体4的下表面与阻尼器底座5固接，上部分磁性体9的上表面与质量块8连接构成一个整体。四根弹簧7径向均匀安装于质量块8的上面，弹簧7的内端与质量块8上的中心凸块连接，弹簧7的外端与耗能减振内壁2连接；弹簧7采用金属材料或电磁式材料如碳钢、铜合金、钛合金或纤维强化塑胶等材料制成，采用焊接或螺栓螺母固定连接于质量块8上中心凸块与阻尼器耗能减振内壁2之间，用来辅助系统的减振，本实施例中，每一根弹簧7之间的夹角为90°，经计算，此时其各个方向上的减振频率均相同，保证了其在各个方向上的减震效果。上述弹簧7、质量块8和磁悬浮系统的上部分磁性体9构成本实用新型的磁悬浮质量块系统，上部分磁性体9的下表面与下部分磁性体4的上表面相对且磁性相同，使磁悬浮质量块系统接受磁悬浮系统的下部分磁性体4对其产生的磁力并悬浮起来；质量块8采用质量比较大的金属材料如锰钢、碳素钢等材料制成，并使其质量处于磁悬浮系统所提供磁力能承载磁悬浮质量块系统悬浮的范围之内；质量块8与耗能减振内壁保持合适的间隙，使其具有足够的运动空间；因而，磁悬浮质量块系统能在水平方向移动，可以通过共振现象有效控制主体结构的振动，克服了传统调谐质量阻尼器的摩擦力。限位装置6为四根径向均匀安装于阻尼器的上盖1下表面的柱状体，并与质量块8的上表面相接触，防止悬浮起来的质量块8翻转，保证了结构的整体安全性能；本实施例中，限位装置6柱状体的下端部设计为半球形，减少了对质量块8工作时的阻碍作用，使其运动的时候更加流畅。

当振动作用于主体结构时，激励能量在主体结构与磁悬浮质量块系统中重新分配，通过将主体结构振动的一部分能量传递给磁悬浮质量块系统，降低主体结构的振动效应；此时磁悬浮质量块系统会产生相应的惯性力，其方向与主体结构的振动方向相反；从而使振动反应衰减，减小结构振动反应并且耗散能量。

本实用新型上述实施例的磁悬浮阻尼器外壁3为圆筒形结构，上部分磁性体9和下部分磁性体4均为圆形块状结构，质量块8为中心处带一凸块的圆形块状结构，耗能减振内壁2由吸能减震材料构成。当质量块8发生相对运动撞击到耗能减振内壁2时，可以调整质量块结构的振动频率，使之接近主体结构的基本频率或激振频率；也可以吸收质量块中的部分能量，对结构振动产生控制作用，保护主体结构性能的稳定。

Claims (6)

1.一种磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器，其特征在于：它包括质量块、限位装置、弹簧、磁悬浮系统及安装于阻尼器外壁内的耗能减振内壁；所述磁悬浮系统由上、下两部分磁性体构成，其下部分磁性体的下表面与阻尼器底座固接，其上部分磁性体的上表面与所述质量块连接构成一个整体；所述弹簧径向均匀安装于质量块的上面，弹簧的内端与质量块上的中心凸块连接，弹簧的外端与耗能减振内壁连接；所述上部分磁性体的下表面与下部分磁性体的上表面相对且磁性相同，使由弹簧、质量块和上部分磁性体构成的磁悬浮质量块系统悬浮并能在水平方向移动；所述限位装置为若干根径向均匀安装于阻尼器的上盖下表面的柱状体，柱状体下端部与质量块的上表面相接触，防止悬浮起来的质量块翻转。

2.根据权利要求1所述磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器，其特征在于：所述磁悬浮系统的上、下两部分磁性体由永久磁体制成。

3.根据权利要求1所述磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器，其特征在于：所述耗能减振内壁由吸能减震材料制成。

4.根据权利要求1所述磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器，其特征在于：所述限位装置柱状体的下端部为半球形。

5.根据权利要求1所述磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器，其特征在于：所述质量块采用质量比较大的金属材料制成，并使其质量处于磁悬浮系统所提供磁力能承载磁悬浮质量块系统悬浮的范围之内。

6.根据权利要求1所述磁悬浮式多向碰撞调谐质量阻尼器，其特征在于：所述弹簧采用金属材料或电磁式材料制成，沿质量块的上面径向均匀分布有三根以上；采用焊接或螺栓螺母固定连接于质量块上中心凸块与阻尼器耗能减振内壁之间。