CN105178467B - 一种混合挤压‑剪切模式的大范围可调磁敏橡胶支座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合挤压‑剪切模式的大范围可调磁敏橡胶支座，该支座包括仿人关节支柱、环形永磁体、励磁线圈以及上下基座。仿人关节支柱由N层磁敏橡胶和N‑1层导磁钢板层叠而成，其侧面为扇形，两端分别与下基座支柱及上基座侧面相连接。下基座四周为四个支柱，中心为导磁钢柱。环形永磁体与励磁线圈绕于导磁钢柱上，位于下基座与导磁钢柱之间，且永磁体置于励磁线圈上方，用不同方向电流产生不同方向的励磁来拓宽磁场变化范围。上基座与下基座导磁钢柱之间为一圆柱形磁敏橡胶。本发明采用仿人关节设计，增强了支座的灵活性，且可用于垂向挤压、横向剪切两种工作模式，使磁敏橡胶支座刚度、阻尼参数大范围可调。采用镂空设计，有效解决了励磁线圈在工作中的散热问题，保证被支撑结构的安全。

Description

一种混合挤压-剪切模式的大范围可调磁敏橡胶支座

技术领域

本发明属于建筑、桥梁、轨道隔振技术领域，涉及一种混合挤压-剪切模式的大范围可调磁敏橡胶支座。

背景技术

冲击振动的巨大能量往往以波的形式释放出来，使得物体产生剧烈晃动而导致其结构遭到损坏，甚至对人民的生命财产造成巨大威胁，所以隔振器件的设计十分有必要。其中，建筑、桥梁、轨道的隔振器件通常位于基础与上部结构之间，一般采用隔震支座，其主要有弹性支座、铅芯橡胶支座、滑动摩擦摆三类。其中最常见的是叠层型铅芯橡胶支座，它具有性能稳定、耐酸性、耐水性好的优点，且应用较早，隔振效果良好，有较为成熟的技术。但这几类支座都是被动支座，虽然在一般的振动载荷下具有良好的隔振性能，当承受高强度冲击时，却不能智能的调节自身刚度来抵抗冲击破坏，也不能改变自身阻尼来耗散冲击能量，这不仅会导致支座自身结构的破坏，还会给被支撑物体带来极大的安全隐患。

磁流变材料是一类具有快速响应特性且性能可逆的智能材料，它主要有磁流变液、磁流变脂、磁敏橡胶三类，其力学特性可随外加磁场的变化而改变。磁流变液由可磁化的固体微粒、载体液、高分子混合物以及表面活性剂混合而成，在外加磁场作用下能够瞬间由具有良好流动性的牛顿流体变为半固体，且这种变化是连续、可控、可逆的，从而能够应对不同强度的冲击力，最大程度上消耗其能量。但在长期使用过程中，磁流变液中的载体液与可磁化固体微粒会发生分离而产生沉淀现象，影响磁流变液的性能。

磁敏橡胶是一种新型智能材料，它是由高分子基体以及填充其中的微米级铁磁颗粒组合而成。铁磁颗粒在外加磁场中被磁化并受磁场力作用，从而在磁场方向上形成链状或层状结构，使其在宏观上表现出材料模量随外载磁场变化的特性。由磁敏橡胶制作的支座与传统铅芯橡胶支座相比具有刚度/ 阻尼同时可控、稳定性好、结构简单的优点，同时它又克服了早期的磁流变液易沉降、使用时需密封的缺点，成为结构、机械智能抗冲减振领域研究的新热点，开始应用于支座之中。

磁敏橡胶支座一般采用外加电流的方式为支座提供磁场，只能单向调节，即增大支座的刚度或阻尼。普通的磁敏橡胶支座，由于受导线参数和支座大小的限制，导致其可调范围较小；由于励磁线圈一般位于支座内部的封闭空间，在工作时因电功率转换为热能会产生大量热量，不易消散，会降低磁敏橡胶的磁致伸缩效应，从而影响支座的隔振性能；由于受磁路形式与磁场方向性的限制，仅能在磁敏橡胶的纵向或横向增强磁流变效应，只能工作于垂向挤压或横向剪切状态，难以满足多向复杂冲击振动下的缓冲隔振要求，给支座自身以及被支撑结构都带来了安全隐患。

因此，设计一种大范围可调，充分考虑其自身散热性能，且同时能工作在垂向挤压和横向剪切状态的磁敏橡胶智能支座，对减小被支撑结构在外部载荷冲击下的振动响应具有十分重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混合挤压-剪切模式的大范围可调磁敏橡胶支座，能够同时工作在垂向挤压和横向剪切两种模式，刚度、阻尼能大范围可调，且具有良好的散热性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种混合挤压- 剪切模式的大范围可调磁敏橡胶支座，包括上基座、磁敏橡胶、导磁钢板、永磁体、下基座支柱、励磁线圈、下基座、圆柱形磁敏橡胶、导磁钢柱、仿人关节支柱。

磁敏橡胶与导磁钢板层叠构成仿人关节支柱，其侧面为具有一定弧度的扇形，是磁敏橡胶支座的核心单元。仿人关节支柱两端分别与下基座支柱以及上基座侧面相连接，当承受不定高强度冲击时，可根据受力方向灵活摇动。上基座与导磁钢柱之间有一圆柱形磁敏橡胶，与上下基座、仿人关节支柱、导磁钢柱共同构成闭合导磁回路，为磁敏橡胶提供磁场；励磁线圈以及环形永磁体绕于导磁钢柱上，并位于导磁钢柱与下基座支柱之间，当其处于工作状态时，可为磁敏橡胶支座提供较大磁场，从而使支座刚度、阻尼能够智能调节，以提高缓冲隔振性能。

仿人关节支柱位于上下基座之间，由磁敏橡胶与导磁钢板层叠而成，其采用Loctite 胶粘连，能在高强度拉伸下保持支柱的牢固状态，从而保证磁敏橡胶支座自身的使用安全。磁敏橡胶由微米级羰基铁粉与软橡胶制备而成，其截面为矩形、六边形或圆形，当外加磁场改变时，磁性铁颗粒将根据磁场强度以及方向重新排列，改变磁敏橡胶的杨氏模量，实现磁敏橡胶支座刚度、阻尼的快速调节，提高结构强度和抗冲击性。

仿人关节支柱由N层磁敏橡胶与N-1层导磁钢板层叠而成，其侧面为有一定的弧度的扇形，支柱截面可为矩形、六边形、圆形。由于仿人关节支柱具有多层结构，当受到外部大载荷冲击时，能更灵活的偏转。其弧形结构使磁敏橡胶感应到的磁场在水平方向和垂直方向上都有分量，从而同时增强其横向和垂向的磁流变效应，使磁敏橡胶支座能够工作于垂向挤压与横向剪切两种状态，扩大了支座的使用范围。

仿人关节支柱有四个，分别位于四个方向，相互之间相距90度角，形成半封闭状态。仿人关节支柱之间有一定距离和空隙，使整个支座呈镂空状态。当励磁线圈处于工作状态时，电功率转化为热能会产生大量热量，而镂空部分可使热量快速消散，从而保证磁敏橡胶支座的结构安全，提高缓冲隔振性能。

支座内部含一环形永磁体，绕于导磁钢柱上，且位于励磁线圈上方，为支座提供一个初始磁场。通过向励磁线圈施加反向电流，可产生与永磁体磁场方向相反的磁场，与永磁体产生的磁场叠加后使支座磁场置零；通过向励磁线圈施加正向电流，可产生与永磁体磁场方向相同的磁场，与永磁体磁场叠加后使磁场强度大幅提高。因而磁敏橡胶支座的刚度、阻尼大范围可调，以适应不定高强度冲击。

上下基座、仿人关节支柱、导磁钢柱、圆形磁敏橡胶构成闭合导磁回路，上下基座可为矩形、圆形、正八边形，使用者可根据不同的场合选择不同形状。

励磁线圈与环形永磁***于仿人关节支柱内侧，并绕于下基座中心的导磁钢柱上。上下基座以及导磁钢柱均为实心，其材料为导磁率较高的低碳钢，能为磁敏橡胶提供较大的磁通。上基座与导磁钢柱之间填充一薄层圆柱形磁敏橡胶。

本发明的有益效果在于：本发明采用磁敏橡胶材料结合仿生学设计了一种仿人关节支柱，当受到外部载荷冲击时，该支柱能更灵活的偏转，能有效避免支座本身被破坏。且仿人关节支柱侧面为圆弧状，该结构使支柱处的磁感线具有水平方向和垂直方向上的分量，从而在磁场作用下，磁敏橡胶横向和纵向的磁流变效应都较强，使磁敏橡胶支座能工作于垂向挤压和横向剪切两种状态，增大了支座的使用范围，能适应复杂的工作环境。此外，本发明采用镂空设计，增大了散热面积。当励磁线圈处于工作状态时，产生的热量更容易消散，保证了支座的自身结构安全。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的剖面图；

其中：1为上基座、2为磁敏橡胶、3为导磁钢板、4为永磁体、5为下基座支柱、6为励磁线圈、7为下基座、8为圆柱形磁敏橡胶、9为导磁钢柱、10为仿人关节支柱。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的结构示意图，如图所示，本发明提供的混合挤压-剪切模式的大范围可调磁敏橡胶支座，包括上基座1、磁敏橡胶2、导磁钢板3、永磁体4、下基座支柱5、励磁

线圈6、下基座7、圆柱形磁敏橡胶8、导磁钢柱9、仿人关节支柱10。所述磁敏橡胶2与导磁钢板3层叠构成仿人关节支柱10。仿人关节支柱10侧面为具有一定弧度的扇形，是磁敏橡胶支座的核心单元，其两端分别与下基座支柱5以及上基座1的侧面相连接，当磁敏橡胶支座承受不定高强度冲击时，可根据受力方向灵活摇动。上基座1 与导磁钢柱3 之间有一圆柱形磁敏橡胶8，与上基座1、下基座支柱5、下基座7、导磁钢柱9、仿人关节支柱10一起构成闭合导磁回路。励磁线圈6以及环形永磁体4绕于导磁钢柱9上，且位于导磁钢柱9与下基座支柱5之间。当励磁线圈6处于工作状态时，可为磁敏橡胶支座提供较大磁场，从而使支座刚度、阻尼能够智能调节，以提高缓冲隔振性能。

如图1所示，所述的仿人关节支柱10位于上下基座之间，由磁敏橡胶2与导磁钢板3层叠而成，并采用Loctite胶粘连。当结构遭遇不定高强度冲击(如地震、***)时，可以极大防止仿人关节支柱发生断裂等情况，保持其固定状态，从而保证磁敏橡胶支座自身的使用安全。磁敏橡胶2由微米级羰基铁粉与软橡胶制备而成，其截面为矩形、六边形或圆形。当外加磁场改变时，磁敏橡胶2中的磁性铁颗粒微观排列也将随磁场强度以及方向改变，从而改变磁敏橡胶的杨氏模量，实现磁敏橡胶支座自适应调节刚度与阻尼，改变结构的固有频率、提高结构强度和抗冲击力。

图2为本发明的剖面图，仿人关节支柱10由N层磁敏橡胶2与N-1层导磁钢板3层叠而成，其侧面为有一定的弧度的扇形。仿人关节支柱10截面可为矩形、六边形、圆形。由于仿人关节10支柱具有多层结构，当受到外部载荷冲击时，能更灵活的偏转。当励磁线圈6处于工作状态时，磁敏橡胶2在仿人关节支柱10处感应到的磁场可正交分解为水平方向和垂直方向的磁感应分量，从而无论当支座承受载荷垂向冲击或是横向剪切时，磁敏橡胶2都能发挥其良好的磁流变效应，这使得磁敏橡胶支座能够适应复杂的工作环境。

仿人关节支柱10有四个，分别位于四个方向，且相互之间相距90度角，形成半封闭状态。仿人关节支柱10之间有一定距离和空隙，使整个支座呈镂空状态。当励磁线圈6工作( 尤其是满负荷运行) 时，电功率转化为热能会产生大量热量让支座处于高温工作状态。长时间高温下磁敏橡胶2可能被软化，使其降低应有的隔振性能。本设计的镂空部分可快速消散励磁线圈6 产生的热量，从而保证磁敏橡胶支座的结构安全和缓冲隔振性能。

支座内部含一环形永磁体4，绕于导磁钢柱9上，且位于励磁线圈6上方，为支座提供一个初始磁场。通过向励磁线圈6施加反向电流，可产生与永磁体4磁场方向相反的磁场，与永磁体4产生的磁场叠加后使支座磁场置零；通过向励磁线圈6施加正向电流，可产生与永磁体4磁场方向相同的磁场，与永磁体4磁场叠加后使磁场强度大幅提高。因而磁敏橡胶支座的刚度、阻尼大范围可调，以适应不定高强度冲击。

上基座1、下基座支柱5、下基座7、圆形磁敏橡胶8、导磁钢柱9、仿人关节支柱10一起构成闭合导磁回路。上基座1、下基座5可为矩形、圆形、正八边形，使用者可根据不同的场合选择不同形状。

励磁线圈6与环形永磁体4位于仿人关节支柱10内侧，并绕于下基座7中心的导磁钢柱9上。上基座1、下基座5以及导磁钢柱9均为实心，其材料为导磁率较高的低碳钢，能为磁敏橡胶提供较大的磁通，使其具有良好的磁流变效应。上基座1与导磁钢柱9之间填充一薄层圆柱形磁敏橡胶8。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。。

Claims (5)

1.一种混合挤压-剪切模式的大范围可调磁敏橡胶支座，其特征在于：包括上基座(1)、磁敏橡胶(2)、导磁钢板(3)、环形永磁体(4)、下基座支柱(5)、励磁线圈(6)、下基座(7)、圆柱形磁敏橡胶(8)、导磁钢柱(9)、仿人关节支柱(10) ；

磁敏橡胶(2)与导磁钢板(3) 层叠构成仿人关节支柱(10)，其侧面为具有一定弧度的扇形，支柱两端分别与下基座支柱(5)以及上基座(1)侧面相连接，在大冲击载荷下可根据受力方向灵活摇动；上基座(1)与导磁钢柱(9)之间有一圆柱形磁敏橡胶(8)，与上基座(1)、下基座(7)、仿人关节支柱(10)、导磁钢柱(9)共同构成闭合导磁回路；励磁线圈(6)以及环形永磁体(4)绕于导磁钢柱(9)上，并位于导磁钢柱(9)与下基座支柱(5)之间，当其处于工作状态时，可为支座提供较大磁场，从而使支座刚度、阻尼能够智能调节，以提高缓冲隔振性能。

2.根据权利要求1所述的一种混合挤压-剪切模式的大范围可调磁敏橡胶支座，其特征在于：仿人关节支柱(10)位于上基座(1)和下基座(7)之间，由N 层磁敏橡胶(2)与N-1层导磁钢板(3)层叠而成，并采用Loctite胶粘连，能在高强度拉伸下保持支柱的牢固状态；磁敏橡胶(2)由微米级羰基铁粉与软橡胶制备而成，其横截面为矩形、六边形或圆形，在磁场作用下磁性铁颗粒可随磁场方向重新排列，提高材料的杨氏模量。

3.根据权利要求1所述的一种混合挤压-剪切模式的大范围可调磁敏橡胶支座，其特征在于：仿人关节支柱(10)的数量为四个，分别位于四个方向，相互之间相距90度角；仿人关节支柱(10)之间有一定距离和空隙，从而磁敏橡胶支座呈镂空状态，使励磁线圈(6)在工作状态时有较大散热面积，保证支座的使用安全。

4.根据权利要求1所述的一种混合挤压-剪切模式的大范围可调磁敏橡胶支座，其特征在于：支座内部设置一个环形永磁体(4)，绕于导磁钢柱(9)上，且位于励磁线圈(6)上方，为支座提供一个初始磁场；通过向励磁线圈(6)施加反向电流，可产生与永磁体磁场方向相反的磁场，使支座磁场置零；通过向励磁线圈(6)施加正向电流，可产生与永磁体磁场方向相同的磁场，与永磁体磁场叠加，从而使支座刚度、阻尼大范围可调，以适应不定高强度冲击。

5.根据权利要求1所述的一种混合挤压-剪切模式的大范围可调磁敏橡胶支座，其特征在于：上基座(1)和下基座(7)采用矩形、圆形或正八边形。