一种滑轮组件位移放大型调谐质量惯容阻尼器 |
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| 申请号 | CN202311822035.9 | 申请日 | 2023-12-27 | 公开(公告)号 | CN117905844A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 长沙理工大学; | 发明人 | 韩艳; 彭文林; 李凯; 仇志雄; 宋俊; 胡朋; 田静莹; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 滑轮 组件位移放大型调谐 质量 惯容阻尼器，该阻尼器包括设置在被控件上的调谐质量惯容阻尼器本体，所述调谐质量惯容阻尼器本体包括第一驱动装置、阻尼控制系统、第二驱动装置和智能控制系统，所述阻尼控制系统通过滑轮组分别与第一驱动装置和第二驱动装置连接。本发明通过设置滑轮组可以大幅放大TMD与 桥梁 之间的相对位移，使阻尼器的工作效率得到极大的能提高，只需要较小参数的阻尼器，就能满足实际减振的需要。同时本发明将位移导出TMD外部，使阻尼器的安装更为方便，不再受TMD运动振幅的限制。最后还能将直线运动改为转动，利用转动形成惯质器增加阻尼器效果或者直接作为阻尼器。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种滑轮组件位移放大型调谐质量惯容阻尼器，包括设置在被控件(1)上的调谐质量惯容阻尼器本体(2)，所述调谐质量惯容阻尼器本体(2)包括质量块(201)，所述质量块(201)与被控件(1)之间通过第一弹簧(202)连接；其特征在于： |
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| 说明书全文 | 一种滑轮组件位移放大型调谐质量惯容阻尼器技术领域背景技术[0002] 桥梁结构作为交通重要的组成部分，对人们的生活出行以及经济的发展具有不可或缺的作用。随着新技术、新材料的兴起，桥梁也越往大跨度发展，大跨度桥梁具有极小的阻尼以及频率，因此非常容易受到风荷载的影响，发生大幅振动。较大幅度的振动会影响桥梁结构的行车舒适性，造成恐慌，如果不对其进行控制，可能还会发展为颤振，引发桥梁动力失稳，致使桥梁倒塌。 [0003] 阻尼器作为振动控制的利器，在建筑抗震、斜拉索减振中均有广泛的应用，它主要是用来耗散掉结构振动的能量来减小结构振幅。阻尼器产生效果必须要阻尼器两端有相对位移，然而阻尼器的安装距离有限，这意味着它不能直接安装在桥梁跨中，只能安装在桥梁端部，桥梁端部的振动往往很小，因此产生的效果有限。为应对这一难题，往往会通过在桥梁结构上附加一个振子系统，也即调谐吸振器，再在桥梁结构与振子质量块之间附加阻尼器形成调谐质量阻尼器(TMD)。 [0004] 中国发明专利CN116163200A公开的一种主动调谐质量阻尼器及主动调谐方法，该主动调谐质量阻尼器包括：调谐质量阻尼器、第一振动传感器、第二振动传感器、作动器和控制器。调谐质量阻尼器包括：质量块、弹簧和阻尼件，其中，弹簧，其一端与质量块连接，另一端与被减振结构连接；阻尼件设在质量块和被减振结构之间；第一振动传感器在质量块上，第二振动传感器设置被减振结构上；作动器一端与质量块连接，另一端与被减振结构连接；控制器根据第一振动传感器、第二振动传感器检测的振动信号，控制作动器向质量块施加外力的大小。该专利虽然解决了调谐质量阻尼器不能根据受控结构的频率主动进行控制频率调整，适应性差的技术问题，并且调谐质量阻尼器在正确调谐之后具有良好的减振效果，但调谐质量阻尼器安装在桥梁箱梁内部，因此质量块的设计运动振幅只能受限于主梁的高度，这大大限制了阻尼器的应用。 发明内容[0005] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可以大幅放大TMD与桥梁之间的相对位移，使阻尼器的工作效率得到极大的能提高，只需要较小参数的阻尼器，就能满足实际减振的需要的滑轮组件位移放大型调谐质量惯容阻尼器。 [0006] 为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下： [0007] 一种滑轮组件位移放大型调谐质量惯容阻尼器，该阻尼器包括设置在被控件上的调谐质量惯容阻尼器本体，所述调谐质量惯容阻尼器本体包括质量块，所述质量块与被控件之间通过第一弹簧连接； [0008] 所述质量块与被控件之间还设有第一驱动装置、阻尼控制系统、第二驱动装置和智能控制系统； [0009] 所述阻尼控制系统包括安装在所述被控件上的支撑架，安装在所述支撑架上的转轴，所述转轴上设有齿轮，所述齿轮上啮合有一根铰链，所述铰链的一端通过安装在所述质量块下表面的第一滑轮组件与所述第一驱动装置连接，所述铰链的另一端通过安装在所述质量块下表面的第二滑轮组件与所述第二驱动装置连接，所述转轴在齿轮的两侧还间隔设有若干金属板和磁体板； [0010] 所述智能控制系统包括控制器及若干个设置在所述调谐质量惯容阻尼器本体上的传感器，所述传感器、第一驱动装置及第二驱动装置均与所述控制器电连接。 [0011] 由此，本发明提出采用滑轮组件安装阻尼器，在调谐质量阻尼器上应用滑轮组件实现阻尼器运动的放大与安装位置的调整。本发明的滑轮组件主要作用包括了以下三个方面：1、调整传力路径。滑轮组件的拉索在经过滑轮组件时，只改了力的方向，不改变力的大小，根据这一特点可以将相对位移传导至箱梁内部任意方向，实现阻尼器的自由安装。2、放大TMD与桥梁之间的相对位移。通过在TMD与桥梁之间添加滑轮组件，当TMD与主梁发生相对运动时，滑轮组件之间的拉索也会伸缩，而上下穿越的拉索会一起将伸缩量累加至最拉索末端，实现位移的放大；相应地，位移放大也意味着阻尼器的控制力被放大，使阻尼器的效率提高。3、将直线运动转换为转动，将拉索与铰链相连，并将铰链与设置在转轴上的齿轮啮合，那么就能将竖向运动变为转动，利用转动可以做成惯质器或者转动阻尼器。 [0012] 根据上述的功能，本发明可以大幅放大TMD与桥梁之间的相对位移，使阻尼器的工作效率得到极大的能提高，只需要较小参数的阻尼器，就能满足实际减振的需要。同时本发明将位移导出TMD外部，使阻尼器的安装更为方便，不再受TMD运动振幅的限制。最后还能将直线运动改为转动，利用转动形成惯质器增加阻尼器效果或者直接作为阻尼器。 [0013] 进一步，所述质量块与被控件之间还连接有第二阻尼器。 [0014] 进一步，所述第一滑轮组件和第二滑轮组件均由固定在所述质量块上的定滑轮和缠绕在定滑轮上的拉索构成，所述铰链分别与所述第一滑轮组件和第二滑轮组件的拉索连接。 [0015] 再进一步，所述传感器为加速度传感器。 [0019] 此外，所述第二驱动装置包括升降板，所述升降板与被控件之间通过第一阻尼器连接，所述第一阻尼器的外侧设有若干作动器，所述作动器的缸体安装在被控件上，所述作动器的杆体贯穿所述升降板并向上延伸，所述杆体在其延伸端设有搭板，所述缸体外套设有复位弹簧，所述复位弹簧一端抵接在被控件上，所述复位弹簧另一端抵接在所述升降板的下表面，所述升降板的上表面设有连接装置，所述连接装置通过所述第二滑轮组件与所述铰链连接，所述第二滑轮组件带动所述升降板在竖直方向移动过程中可与所述搭板抵接。 [0020] 本发明的一种滑轮组件位移放大型调谐质量惯容阻尼器具有以下优点： [0021] 本发明的滑轮组件位移放大型调谐质量惯容阻尼器可以应用在桥梁箱梁内部，它可以大幅放大TMD中质量块与主结构之间的位移，大幅提高阻尼器的工作效率，减小阻尼器的花费，只需要较小的阻尼器系数就能满足工作需要；同样地，在主动控制时所需要的控制力也会大幅降低；并且能将竖向位移转化为铜板的转动，利用铜板转动可以制成惯质器和电涡流阻尼器，增加位移的利用效率；同时拉索的受力方向可根据滑轮组件自定义，这使得阻尼器的安装位置不在受限于TMD内部，大大方便了阻尼器的安装，并且使阻尼器的行程摆脱TMD运动振幅的限制。本发明装置同时具备被动控制功效和主动控制功效，当桥梁运动较小时，装置处于被动控制状态；当桥梁发生大幅振动时，装置可以开启主动控制，因此该装置具备自适应控制功能。附图说明 [0022] 图1为本发明的滑轮组件位移放大型调谐质量惯容阻尼器结构示意图； [0023] 图2为本发明的阻尼控制系统正视图； [0024] 图3为本发明的阻尼控制系统侧视图； [0025] 图4为本发明的第一驱动装置结构示意图； [0026] 图5为本发明的第二驱动装置结构示意图； [0027] 图6为本发明的智能控制系统结构示意图； [0028] 图7为滑轮组放大原理图； [0029] 图8为本发明的滑轮组件位移放大型调谐质量惯容阻尼器简化模型。 [0030] 图中标记说明：1、被控件；2、调谐质量惯容阻尼器本体；3、第一驱动装置；4、阻尼控制系统；5、第二驱动装置；6、智能控制系统；101、等效质量；102、等效刚度；103、等效阻尼；201、质量块；202、第一弹簧；203、第二阻尼器；204、第一滑轮组件；2041、导向滑轮；205、第二滑轮组件；301、形状记忆合金；302、保温器；303、温度调节器；401、连接点；402、铰链；403、金属板；404、磁体板；405、支撑架；406、空心轴承；407、转轴；408、齿轮；409、螺杆；410、螺帽；501、连接装置；502、升降板；503、复位弹簧；504、作动器；505、第一阻尼器；506、搭板； 507、缸体；508、杆体；601、控制器；602、传感器；603、信号线。 具体实施方式[0031] 为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。 [0032] 如图1所示，本发明的一种滑轮组件位移放大型调谐质量惯容阻尼器包括设置在被控件1上的调谐质量惯容阻尼器本体2，图1为被控件1的简化图，所述被控件1包括等效质量101、等效刚度102和等效阻尼103。所述调谐质量惯容阻尼器本体2包括质量块201，所述质量块201与被控件1之间通过第一弹簧202连接。所述质量块201与被控件1之间还设有第一驱动装置3、阻尼控制系统4、第二驱动装置5、智能控制系统6。优选地，所述质量块201与被控件1之间还连接有第二阻尼器203。 [0033] 如图2和图3所示，所述阻尼控制系统4包括安装在所述被控件1上的支撑架405，安装在所述支撑架405上的转轴407，所述转轴407上设有齿轮408，所述齿轮408上啮合有一根铰链402，所述铰链402的一端通过安装在所述质量块201下表面的第一滑轮组件204与所述第一驱动装置3连接，所述铰链402的另一端通过安装在所述质量块201下表面的第二滑轮组件205与所述第二驱动装置5连接。具体地，所述第一滑轮组件204和第二滑轮组件205均由固定在所述质量块201上的定滑轮和缠绕在定滑轮上的拉索构成，所述铰链402分别与所述第一滑轮组件204和第二滑轮组件205的拉索连接。所述转轴407在齿轮408的两侧还间隔设有若干金属板403和磁体板404。具体地，所述转轴407包括设置在支撑架405上的两个空心轴承，以及连接两个所述空心轴承的导杆。所述铰链402运动时可以带动齿轮408转动，齿轮408转动可以带动转轴407转动，从而带动金属板403转动。优选地，所述金属板403为圆形铜板，所述磁体板404为强磁性永磁体，所述齿轮408两侧的所述金属板403和磁体板404相互交替设置，位于所述齿轮408两侧的磁体板404分别通过紧固件连接。具体地，所述紧固件包括螺杆409和螺帽410，所述螺杆409和螺帽410均采用非导体材料制成。 [0034] 如图4所示，所述第一驱动装置3包括设置在保温器302内的形状记忆合金301和温度调节器303，所述形状记忆合金301通过第一滑轮组件204与所述铰链402连接。所述第一驱动装置3的主要工作原理为形状记忆合金301能在记忆温度以上恢复以前的形状，因此可以通过调节温度从而调节第一滑轮组件204拉索的长短。 [0035] 如图5所示，所述第二驱动装置5包括升降板502，所述升降板502与被控件1之间通过第一阻尼器505连接，所述第一阻尼器505的外侧设有若干作动器504，所述作动器504的缸体507安装在被控件1上，所述作动器504的杆体508贯穿所述升降板502并向上延伸，所述杆体508在其延伸端设有搭板506，所述缸体507外套设有复位弹簧503，所述复位弹簧503一端抵接在被控件1上，所述复位弹簧503另一端抵接在所述升降板502的下表面，所述升降板502的上表面设有连接装置501，所述连接装置501通过所述第二滑轮组件205与所述铰链 402连接，所述第二滑轮组件205带动所述升降板502在竖直方向移动过程中可与所述搭板 506抵接。具体地，所述杆体508由作动器504驱动可上下伸缩，作动器可选择液压驱动，或其他方式。杆体508经由所述升降板502上的小孔穿过升降板502，并在末端焊接搭板506。当升降板502向上运动直至接触搭板506后，作动器可以即可施加作用力于升降板502上，即作动器处于工作状态。应当注意的是，杆体508本身也可运动，因此作动器是否处于工作状态可由第一驱动装置3和作动器一起决定。 [0036] 如图6所示，所述智能控制系统6包括控制器601及若干个设置在所述调谐质量惯容阻尼器本体2上的传感器602，所述传感器602、温度调节器303及作动器504均与所述控制器601电连接。具体地，所述传感器602配置在TMD的质量块201以及被控件1上，加速度传感器接接收加速度信号，并将信号反馈至控制器601，控制器601根据信号做出控制策略，并输出行动信号给温度调节器303和作动器504。优选地，所述传感器602为加速度传感器。 [0037] 当实施例的滑轮组件位移放大型调谐质量惯容阻尼器安装在实桥时，受限于桥梁箱梁内部的阻尼器安装空间，图1中的实施方式不能完全利用滑轮组极高的位移放大效果。为此可利用滑轮组的另一个特性：只改变力的方向不改变力的大小。如图6所示，第二驱动装置5放置在TMD外部，同时拉索在穿过装置的最后一个滑轮时，经由导向滑轮2041连接至第二驱动装置5，此时第二驱动装置5即不受安装位置的限制，允许产生大幅的工作位移。类似的阻尼控制系统4也能依照上述方式安装在TMD外。 [0038] 本实施例中利用到了滑轮组件的放大效应，在此对该原理进行介绍。如图7所示，在上下底板之间，依次间隔装有多个定滑轮，拉索可以从某一底板依次上下穿过定滑轮，尾端即为装置的位移放大输出点，上下底板为位移输入。由于拉索本身只能承受拉力，无法形成往复运动，因此本发明提出采用预拉弹簧为拉索内部提供初始预拉力，此时在上下底板相互运动时，滑轮组件可以将该位移放大多倍。具体放大倍数计算公式为： [0039] [0040] 式中k为弹簧刚度， 为拉索刚度(E为材料弹性模量，A为拉索横截面，L为拉索总长度)，n为上下滑轮组件的个数。在考虑拉索刚度远大于弹簧刚度时 放大倍数N即为上下定滑轮的个数，或者为拉索上下穿过定滑轮的次数。 [0041] 本实施例的滑轮组件位移放大型调谐质量惯容阻尼器还能放大力的作用，例如图8所示，假设滑轮索组处于预拉的平衡状态，固定上下底板，在拉索尾端施加一个向下的力F，那么拉索所有的变形为 索的内力则增大 复位弹簧的内力则减小kδ；滑 轮组件只改变了力的方向，不改变拉索内力的大小，因此索力累加，则上底板所受力的变化为 下底板所受力的变化为 即表现为力F的放大作用。 [0042] 在本实施例中，假设桥梁发生单个模态的振动，那么桥梁可以简化为图8所示的单自由度模型，me为等效质量，ce为等效阻尼，ke为等效刚度，附加本装置后，整个系统的运动方程可写为： [0043] [0044] 式中m1为质量块的质量，Fp为质量块与主结构之间的动力，x1为主结构的位移，x2为质量块的位移，k为滑轮组外部刚度，c为滑轮组外部阻尼，k1为滑轮组内部复位弹簧刚度，b为惯容的表观质量，c1为转动(电涡流)阻尼器的阻尼器系数，c2为第二驱动装置中的阻尼器系数，n1为阻尼控制系统的位移放大倍数，n2为第二驱动装置的位移放大倍数，Fc为第二驱动装置所施加的主动控制力。 [0045] 将上式写成矩阵方程： [0046] [0047] 式中： [0048] [0049] 其中总体惯质b′＝n1b，总体阻尼c′＝c+n1c1+n2c2，总体刚度k’＝k+n2k1。再将式(2)化为状态方程： [0050] [0051] 当作动器不工作时，Fc＝0。此时装置为被动控制。其中m1，b′为预先确定，因此系统中包含2个控制参数c′，k’： [0052] [0053] 即只有总体刚度k′和总体阻尼c′需要进行优化。选择优化指标Q一般取 此时J的物理意义为主结构做自由运动的能 量累计。根据LQR被动优化理论，J计算方式如下： [0054] KTA+ATK+Q＝0 (5a) [0055] J(c′，k′)＝Z0TKZ0 (5b) [0056] 式中Z0为初始状态，采用上述方法可以快速计算出J，再配合优化算法(例如遗传算法等只需要知道目标计算结果就能进行优化的算法)，可以快速优化出使J最小的参数c′，k′，即得到了系统在Z0状态下自由运动能量最小的参数。 [0057] 在得到参数c′，k′后，根据c′＝c+n1c1+n2c2，k’＝k+n2k1设置n1、n2、k、k1、c、c1、c2。 |
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