CN103290943B - 多用途主动可控的大出力隔震减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多用途主动可控的大出力隔震减振装置，主要包括截锥型工作模块和盘式抗扭工作模块。其中：导磁凹型板、支杆、磁流变弹性体复合导磁板、环形励磁线圈Ⅰ、环式永磁体Ⅰ、纵向导磁环和大变形软磁体组成截锥型工作模块；固定压环大柱、A定位角接触球轴承、抗剪切导磁盘、环形励磁线圈Ⅱ、环盘式永磁体Ⅱ、轴承封圈、B定位推力球轴承和基座槽组成盘式抗扭工作模块。本发明合理设置变截面中心杆，联合截锥型工作模块和盘式抗扭工作模块协同工作。在土木工程方面，克服了现有土木建筑隔震装置转动能力不足、抗拉能力低、竖向抗震能力弱和水平与竖向抗震能力难以同时满足等问题。

Description

多用途主动可控的大出力隔震减振装置

技术领域

本发明公开一种主动可控的大出力隔震减振装置，主要用于土木结构隔震减振混合控制、特种车辆悬架隔震减振混合控制或振动台基座隔震减振混合控制，属于结构振动控制领域。

技术背景

振动问题广泛存在于国民生产的各个领域，特别是在土木及汽车领域。在土木工程领域，基础隔震是土木建筑的主要振动问题，基础隔震技术主要应用于对抗震安全性和使用功能有较高要求或专门要求的建筑的（国家标准GB5001-2010《建筑抗震设计规范》第3.8.1条）。随着抗震理念从计算设计到概念设计，再到基于性能的抗震设计的变迁，结构设计更需要对建筑物（设备）提出更精确性能要求，地震荷载作用下土木工程结构物的结构响应控制，特别是主动控制或者混合控制必然成为隔震技术主要发展方向之一。

现阶段，隔震支座是土木工程隔震减震设计的主要技术，隔震支座能够降低土木结构固有刚度，延长土木结构的自振周期，增大土木结构物的响应位移和耗能，从而达到隔震减震的目的。按照此种传统抗震设计方法设计的结构物不具有自我调节的能力，土木结构的水平变位受偶然因素影响大，特别是被动控制类型的隔震支座，如叠层橡胶隔震支座等，易产生不满足安全性的情况。

常见的隔震支座类型主要有叠层橡胶隔震支座、单摆摩擦型隔震支座和球铰隔震支座三种形式。相对于本发明，现有隔震支座主要有抗拉能力、抗扭能力不足或不易同时满足等技术问题。如专利文献（申请号200910226649.4）描述了一种叠层橡胶隔震支座抗拉机构，该机构克服了传统橡胶隔震支座的低抗拉能力的缺陷，但其转动能力未能得到改善。如专利文献（申请号201210335693.0）公布了一种软钢滚动隔震支座，该装置“在地震作用时，滚珠滚动产生滚动位移，减小结构的地震输入；软钢棒产生滞回变形，消耗地震动能量”。此种做法用高强合金钢滚珠代替了聚四氟乙烯材料，克服了“竖向承载力不足或支座面积过大的问题”，这种类型隔震支座的竖向刚度与高强合金钢滚珠相近，限制了其竖向抗震性能的发挥；四个U型软钢的设计，使得此种支座主要依靠U型软钢直角处的塑形变形来消耗水平地震作用，削弱了其水平抗震的能力。另外，减振技术在车辆行车机动性能保障方面也有应用，如特种车辆（如履带式）悬架减振中对车轮偏移的调整。行驶在崎岖地形条件下的车辆极易产生大幅度颠簸起伏，这对车辆耐久性、稳定性以及操作员的工作条件造成不利影响。车轮偏移允许车辆在颠簸路面上行驶更稳定，但履带车辆的扭杆弹簧悬架由于其线性特性及其导致的不良驾驶性能限制了车辆的机动性。

磁流变液（Magneto-rheological Fluid，MRF）是一种可控液态智能材料，其具备良好的力学性能，如高强度、低粘度、温度稳定性和瞬间模态变化等。在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性，而在强磁场作用下呈现出高粘度、低流动性的Bingham体特性。随着外加磁场变化，其表观粘度能够在毫秒级的时间内改变几个数量级，基本不存在时迟。

本发明利用磁流变液的优良特性，联合截锥型工作模块，能够为土木结构物提供必要的竖向承载力、侧向刚度和阻尼，并实现隔震减震支座刚度可调，避免恒定刚度产生的简谐振动破坏。通过合理的结构设置可以得到较大的初始刚度和较小的屈服刚度，进而保证结构物常规荷载时的稳定性和地震荷载下的高耗能。改变本发明结构参数后，亦可应用于特种车辆（如履带式）悬架减振中对车轮偏移的调整，能够改良悬架中弹簧刚度性能，在增加车辆载重负荷的情况下不降低车辆机动性能。

发明内容

技术问题:

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可以实现主动控制的大出力多向隔震减振装置，较现有隔震减振装置，其水平刚度、竖向刚度、扭转刚度以及阻尼比均可根据其所受动荷载的变化，通过控制器调节外加磁场强度，实现待控结构的主动控制，充分发挥磁流变液和磁流变弹性体的优良特性。本发明各个方向出力可调范围大，且可用于抵抗振动的扭转效应，适于复杂工况下的隔震减振控制。

技术方案：

本发明所述的一种多用途主动可控的大出力隔震减振装置，包括截锥型工作模块和盘式抗扭工作模块。其中：导磁凹型板、支杆、磁流变弹性体复合导磁板、环形励磁线圈Ⅰ、环式永磁体Ⅰ、纵向导磁环和大变形软磁体组成截锥型工作模块；固定压环大柱、A定位角接触球轴承、抗剪切导磁盘、环形励磁线圈Ⅱ、环盘式永磁体Ⅱ、轴承封圈、B定位推力球轴承和基座槽共同组成盘式抗扭工作模块。

在截锥型工作模块中，连接盖板传递外部结构构件动荷载，导磁凹型板与连接盖板固定连接。磁流变弹性体与导磁合金钢板错层交替布置并粘结组成磁流变弹性体复合导磁板，选用硫化处理增加其交联粘结强度，磁流变弹性体复合导磁板经弯曲旋转形成如图2所示的倒截锥型结构。纵向导磁环环绕紧贴倒截锥型结构最大圈钢板***，并与导磁凹型板无缝连接。倒截锥型结构最小圈钢板内侧环绕紧贴变截面中心杆凹槽端，并外露足够长度用于环形励磁线圈Ⅰ和环式永磁体Ⅰ位置预留，环形励磁线圈Ⅰ绕着变截面中心杆凹槽端缠绕线圈，其线圈匝数、输入电流由具体工程实况参数计算确定。大变形软磁***于导磁凹型板和变截面中心杆预留凹槽中，与纵向导磁环、倒截锥型结构一起组成如图4所示的磁路结构。在盘式抗扭工作模块中，A定位角接触球轴承和B定位推力球轴承固定抗剪切导磁盘的两端，抗剪切导磁盘位于固定压环大柱和基座形成的空腔中，并形成两个上下磁流变环形工作通道面，通道间隙的大小根据实际工程需要进行调整。环形励磁线圈Ⅱ位于抗剪切导磁盘***，并有两道隔磁铜环盘改变磁力线走向形成如图5所示的优化磁路结构。抗剪切导磁盘中部填充环盘式永磁体Ⅱ及隔磁铜盘Ⅱ，环盘式永磁体Ⅱ磁场方向与环形励磁线圈Ⅱ相同。抗剪切导磁盘上下盘面通过固定于圆周的键连接，结构详图见图3。截锥型工作模块与盘式抗扭工作模块之间通过布置在固定压环大柱中心的变截面中心杆连接，定向卡圈扣和导向角接触球轴承焊接在固定压环大柱中，用于限制变截面中心杆垂直轴向的位移和转角。隔磁铜环盘Ⅰ位于截锥型工作模块和盘式抗扭工作模块之间的间隙，有效阻止了两个工作模块中环形励磁线圈产生磁场之间的相互干扰。

相比现有技术，本发明具有明显优势：

1、本发明结合磁流变弹性体叠层隔振装置和盘式磁流变减震器二者的优点，利用锥形旋转结构扭转效应把部分轴向压力转化为垂直轴面的扭转，解决了普通叠层隔震支座的抗拉和转动能力欠佳的缺点；由磁流变弹性体复合导磁板螺旋卷曲而成的倒锥型结构整体性强，兼具强力弹簧大出力和叠层橡胶变刚度的特性；旋转结构的倒锥型结构在抵御垂直轴向位移时具有叠层隔振装置的优点，倒锥型结构和盘式抗扭工作模块扩大了本发明轴向刚度变化范围，增强了本发明的竖向隔震能力；与现有筒式磁流变减震器相比，具有体积小、出力大等优点，更适于小空间、大载荷场合下的隔震或减振。

2、装配本发明结构形式的履带车辆的悬架***具有合理的非线性特性，相比履带车辆扭杆弹簧悬架***中的扭杆弹簧，通过控制器算法调节励磁电流，克服履带车辆扭杆弹簧悬架由于其线性特性而导致的车轮偏移与弹簧刚度之间的矛盾。本发明可在低车轮偏移时提供较柔的弹簧刚度，在高车轮偏移时提供较大弹簧刚度，故而消除了车架触底的风险，提高了车辆在重负荷情况下的机动性和平稳性。

3、环形励磁线圈Ⅰ和环形励磁线圈Ⅱ结合本发明特殊的结构形式，通过传感器和控制器反馈信号，实现了水平刚度、竖向刚度和扭转刚度的非线性协同可控，进而使截锥型工作模块与盘式抗扭工作模块的阻尼和储能模量随外部动荷载而改变，主动控制得以实现。隔磁铜环盘设置在截锥型工作模块与盘式抗扭工作模块之间，减少了两模块之间磁场的相互影响。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为截锥型工作模块的倒锥形结构剖面图及侧视图

图3为抗剪切导磁盘剖面图

图4为截锥型工作模块磁路示意图

图5为盘式抗扭工作模块磁路示意图。

图中

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明：

如图1所示一种多功能主动可控的大出力隔震减振装置，它包括连接盖板（1）、导磁凹型板（2）、大变形软磁体（3）、支杆（4）、磁流变弹性体复合导磁板（5）、环形励磁线圈Ⅰ（6）、环式永磁体Ⅰ（7）、纵向导磁环（8）、环盘式推力球轴承（9）、变截面中心杆（10）、定向卡圈扣（11）、导向角接触球轴承（12）、复位弹簧（13）、垫板、压板（15）、隔磁铜环盘Ⅰ（16）、固定压环大柱（17）、A定位角接触球轴承（18）、抗剪切导磁盘（19）、环形励磁线圈Ⅱ（20）、环盘式永磁体Ⅱ（21）、轴承封圈（22）、B定位推力球轴承（23）和基座槽（24）；连接盖板（1）、导磁凹型板（2）、支杆（4）、磁流变弹性体复合导磁板（5）、环形励磁线圈Ⅰ（6）、纵向导磁环（8）和大变形软磁体（3）共同组成截锥型工作模块，磁流变弹性体（52）与导磁合金钢板（51）彼此间隔组成磁流变弹性体复合导磁板（5），磁流变弹性体复合导磁板（5）螺旋卷曲成如图2所示的倒锥形结构形式，截锥型工作模块的倒锥形结构由磁流变弹性体（52）和导磁合金钢板（51）经特定的化学处理黏合剂粘结后螺旋卷曲组成，倒锥形结构的复合板厚、复合板宽和最大最小圈半径可根据本发明具体用途进行调整，实际工程中要求的许用最大位移决定倒锥形结构的螺旋角和轴向节距的具体设置参数，纵向导磁环（8）外贴于倒锥形结构***并与导磁凹型板（2）无缝焊接并设置加强筋，导磁凹型板（2）中部凹槽与变截面中心杆（10）凹槽之间设置大变形软磁体（3），环形励磁线圈Ⅰ（6）置于倒锥形结构空腔中，并沿变截面中心杆凹槽端绕制而成，形成如图4所示的磁路，支杆（4）两端分别与导磁凹型板（2）和压板（15）球铰连接，其中部可根据具体工程应用设置相应的阻尼器；环盘式推力球轴承（9）位于倒锥形结构和固定压环大柱（17）之间，其中，环盘式推力球轴承（9）内部有三至五排滚珠，且有较大的内外径差和较小的厚度，并由压板（15）围绕固定，隔磁铜环盘Ⅰ（16）亦由压板（15）强力螺栓固定，环盘式推力球轴承（9）外径大于倒锥形结构最小圈外径；复位弹簧（13）和其下面的垫板位于变截面中心杆凸轴端，变截面中心杆（10）被定向卡圈扣（11）和导向角接触球轴承（12）限制在固定压环大柱（17）中心，变截面中心杆（10）与抗剪切导磁盘（19）凹槽端通过键（27）连接；抗剪切导磁盘（19）与固定压环大柱（17）和基座槽（24）形成两个环形工作通道间隙，其内充有磁流变液（26），并由多道密封圈（25）密封防漏，通道间隙的大小可根据实际工程应用需要进行调整，环形励磁线圈Ⅱ（20）位于抗剪切导磁盘（19）***，并有两道隔磁铜环改变磁力线走向形成如图5所示的优化磁路；响应信号和控制信号分别由传感器和控制器产生，并由控制导线出口（28）导出，且与外部伺服器相连；抗剪切导磁盘（19）内部设置环盘式永磁体Ⅱ（21），其中心放置隔磁铜盘Ⅱ（29），其结构形式如图3所示；变截面中心杆（10）、固定压环大柱（17）和基座槽（24）均采用导磁材料。

工作原理：

本发明的多功能主动可控大出力隔震减振装置由截锥型工作模块和盘式抗扭工作模块组成。环盘式推力球轴承承载截锥型工作模块，并隔开截锥型工作模块和盘式抗扭工作模块之间的相对位移；倒锥形结构与固定压环大柱同轴设置，两者的中心部位预留变截面中心杆位置，变截面中心杆通过与抗剪切导磁盘凹槽端的键传递来自截锥型工作模块的扭矩，大变形软磁材料可以是易变形永磁合金或者软磁合金，与导磁凹型板和变截面中心杆固定连接不降低截锥型工作模块整体导磁率；截锥型工作模块的主要出力来自于由磁流变弹性体复合导磁板螺旋卷曲而成的倒锥形结构，倒锥形结构的轴向相对往复变形使最大圈与最小圈之间在垂直轴向上有相对往复扭转位移，变截面中心杆通过与抗剪切导磁盘之间的键把往复旋转传递至抗剪切导磁盘，倒锥形结构最大圈与限制在基座压板间的最小圈之间的垂直轴向上的相对位移和扭转转化为倒锥形结构中钢板的弹性势能和磁流变弹性体的变形能。抵御水平地震方面，垂直于运动方向上复合板的交替叠层结构相当于两个竖向放置的半主动叠层橡胶支座，提供了必要的水平向刚度。磁流变弹性体在控制器提供的外加磁场作用下其刚度阻尼系数随磁场大小变化而改变，进而使得磁流变弹性体与导磁合金钢板组成的复合板卷曲而成的倒锥形结构在环形励磁线圈Ⅰ的激励下其水平刚度、竖向刚度和扭转刚度随外部动荷载而实现非线性可控。一般常规动荷载（建筑风荷载、楼地面动荷载和车辆一般行车振动荷载等）情况下，环式永磁体Ⅰ周围磁感应强度使磁流变弹性体具有初始刚度，连同锥形螺旋钢板弹性变形，使得倒锥形结构具有抵御低水平动荷载的能力；在非常规动荷载（地震荷载或者车辆颠簸起伏路行车振动荷载）下，环形励磁线圈Ⅰ通过控制器输入电流强度的变化输出变化的磁场，调节磁流变弹性体的力学性能，保障导磁合金钢板在弹性阶段内工作，使倒锥形结构具有较强的弹性恢复力。A定位角接触球轴承、抗剪切导磁盘和B定位推力球轴承在固定压环大柱和基座槽中；当抗剪切导磁盘受到变截面中心杆扭矩进行旋转时，若没有磁场通过，磁流变液的剪切屈服强度仅为磁流变液的零场粘度，其值很小，此时剪切导磁盘会因为变截面中心杆的旋转而转动，盘式抗扭工作模块出力甚微；加入环盘式永磁体Ⅱ，磁流变液由于工作间隙中产生磁场而出现“硬化”-磁流变效应，从而表现出一定的剪切屈服强度，此时盘式抗扭工作模块输出的扭矩恒定，增大截锥型工作模块一般常规动荷载时的出力；若励磁线圈中有控制器根据外部动荷载输出电流通过，则磁流变液由于工作间隙中产生磁场而出现“硬化”-磁流变效应，而表现出的剪切屈服强度随外部动荷载变化，此时盘式抗扭工作模块输出的扭矩随之波动，抗剪切导磁盘通过变截面中心杆和倒锥形结构共同参与工作，进一步提高本发明的隔震减振性能。在具体的机械结构中，综合考虑建筑物（或履带车辆支重台车悬架所）需求隔震减振能力以及本身的特性，合理设计隔震减振装置的结构形式（包括倒锥形结构的板厚、板宽、最大最小圈半径、螺旋角和轴向节距、磁流变最大剪切屈服强度、线圈匝数、导磁体材料、隔磁材料、工作通道有效长度、工作间隙、变截面中心杆的直径等），以达到理想的隔震减振效果。

Claims (3)

1.一种多用途主动可控的大出力隔震减振装置，它包括连接盖板、导磁凹型板、大变形软磁体、支杆、磁流变弹性体复合导磁板、环形励磁线圈Ⅰ、环式永磁体Ⅰ、纵向导磁环、环盘式推力球轴承、变截面中心杆、定向卡圈扣、导向角接触球轴承、复位弹簧、垫板、压板、隔磁铜环盘Ⅰ、隔磁铜盘Ⅱ、固定压环大柱、A定位角接触球轴承、抗剪切导磁盘、环形励磁线圈Ⅱ、环盘式永磁体Ⅱ、轴承封圈、B定位推力球轴承和基座槽，导磁凹型板、支杆、磁流变弹性体复合导磁板、环形励磁线圈Ⅰ、环式永磁体Ⅰ、纵向导磁环和大变形软磁体组成截锥型工作模块，固定压环大柱、A定位角接触球轴承、抗剪切导磁盘、环形励磁线圈Ⅱ、环盘式永磁体Ⅱ、轴承封圈、B定位推力球轴承和基座槽组成盘式抗扭工作模块，其特征在于：在截锥型工作模块中，连接盖板传递外部结构构件动荷载，导磁凹型板与连接盖板固定连接，支杆两端分别与导磁凹型板和压板球铰连接，磁流变弹性体与导磁合金钢板错层交替布置并粘结组成磁流变弹性体复合导磁板，磁流变弹性体复合导磁板经弯曲旋转形成倒截锥型结构，纵向导磁环环绕紧贴倒截锥型结构最大圈钢板***，并与导磁凹型板无缝连接，倒截锥型结构最小圈钢板内侧环绕紧贴变截面中心杆凹槽端，并外露足够长度用于环形励磁线圈Ⅰ和环式永磁体Ⅰ位置预留，环形励磁线圈Ⅰ绕着变截面中心杆凹槽端缠绕线圈，大变形软磁***于导磁凹型板和变截面中心杆预留凹槽中，与纵向导磁环、倒截锥型结构一起组成磁路结构，截锥型工作模块与盘式抗扭工作模块之间通过布置在固定压环大柱中心的变截面中心杆连接，定向卡圈扣和导向角接触球轴承焊接在固定压环大柱中，隔磁铜环盘Ⅰ位于截锥型工作模块和盘式抗扭工作模块之间的间隙，环盘式推力球轴承位于倒锥形结构和固定压环大柱之间，并由压板围绕固定，隔磁铜环盘Ⅰ亦由压板强力螺栓固定，复位弹簧和其下面的垫板位于变截面中心杆凸轴端，变截面中心杆与抗剪切导磁盘凹槽端通过键连接，抗剪切导磁盘与固定压环大柱和基座槽形成两个环形工作通道间隙，环形励磁线圈Ⅱ位于抗剪切导磁盘***，A定位角接触球轴承和B定位推力球轴承固定抗剪切导磁盘的两端，抗剪切导磁盘中部填充环盘式永磁体Ⅱ及隔磁铜盘Ⅱ。

2. 根据权利要求1所述的多用途主动可控大出力隔震减振装置，其特征在于：截锥型工作模块的倒锥形结构由磁流变弹性体和导磁合金钢板经硫化处理黏合剂粘结后螺旋卷曲组成。

3.根据权利要求1所述的多用途主动可控大出力隔震减振装置，其特征在于：环盘式推力球轴承有三至五排滚珠，且其外径大于倒锥形结构最小圈外径。