CN105525697B - 叠层压电驱动器调节的智能旁路式黏滞阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种叠层压电驱动器调节的智能旁路式黏滞阻尼器，包括具有主缸和副缸的缸筒，以及位于缸筒内的活塞、推动活塞运动的导杆，所述导杆与所述活塞固定连接；所述缸筒内部装有黏滞液体阻尼材料；所述缸筒上具有旁通管路，所述旁通管路的两端口均与所述主缸连通，且连通位置分别位于所述活塞两侧；所述旁通管路具有调节部，调节部上安装有叠层压电驱动器，所述调节部在所述叠层压电驱动器驱动下调节所述旁通管路的流通管径。本发明能够减少时滞影响并提高输出力，从而满足土木工程在地震作用下减震控制的需求。

Description

叠层压电驱动器调节的智能旁路式黏滞阻尼器
技术领域
本发明涉及土木工程结构消能减震半主动控制技术领域，具体是涉及一种具有大出力、可调倍数高和响应速度快的智能旁路式黏滞阻尼器，其采用基于叠层压电驱动器的压电阀调节黏滞阻尼力。
背景技术
黏滞流体消能阻尼器(Viscous Fluid Damper,即VFD，简称黏滞阻尼器),是指通过黏滞液体在活塞孔和/或间隙中流动产生阻尼，耗散振动能量，黏滞流体力学的相关研究表明，这种阻尼力主要与活塞的运动速度相关，所以是一种速度相关型消能阻尼器。该类型阻尼器一般如图1所示，由缸筒(包括主缸1和副缸2)、活塞3、阻尼孔4、主导杆5和副导杆6等部分组成，缸筒内装满黏滞流体，为产生较大阻尼力，还利用缸筒的密封形成最大可达200MPa左右的油压(该油压的具体值由减震所需阻尼力的大小决定)，此时活塞沿缸筒纵向做往复运动，而活塞上有适量小孔成为阻尼孔(和/或活塞与缸筒间的机械配合间隙)，黏滞流体阻尼材料从活塞阻尼孔中高速通过，能够产生较大的黏滞阻尼力。土木工程结构用黏滞阻尼器的缸筒一般由大型的品牌机械厂设计制造(这与摩擦阻尼器由建筑施工企业设计和现场安装明显不同)，缸筒材料往往可以采用高强度合金钢，具有很好的密封性和耐压能力，所以缸筒能承受很大的油压，能提供很大的阻尼(阻尼力比摩擦阻尼器大一个数量级)，因而能有效地减少土木工程结构的振动，因为相对于机械工程领域的阻尼器，土木工程的特点是结构物的质量特别巨大，需要的阻尼也往往比机械领域大几个数量级。同样是由于机械加工厂高精度生产的原因，它还有产品性能稳定、阻尼力出力精度高(大大提高了结构地震响应的可控性，并且便于结构地震响应的计算)、耐久性和温度稳定也特别好等优点。
上述优点表明，在土木工程结构抗震和抗风控制中黏滞阻尼器有广阔的应用前景；从20世纪70年代以来，已经逐步广泛应用于土木工程结构的消能减震控制。在这个过程中，美国、日本和欧洲的意大利等发达经济体国家已率先将其应用于实际工程，然后世界各国的中心城市，特别是地震高烈度的城市，也先后在其标志性建筑的减震控制中投入实际工程应用。近年来，我国的高烈度地区的中心城市(特别是北京和天津等特大型城市)也逐渐开始工程实际应用，其中美国泰勒公司(Taylor Devices Inc.)、上海材料研究所和柳州欧唯姆公司等的产品在国内应用相当广泛，特别是在大型桥梁的振动控制应用中已经比较普及，例如：北京***盘古大观高层建筑、北京火车西客站抗震加固，杭州湾跨海大桥和正在建设中的港珠澳大桥等。
目前的黏滞阻尼器设计的黏滞阻尼力不可调节，导致其土木工程结构的减震效果非常有限，大大限制了黏滞阻尼器的应用范围。例如美国隔震领域的顶尖学者Kelly早就指出在隔震层安装黏滞阻尼器，将导致在小震和中震时放大隔震层上部结构的加速度和层间位移，也就是说减小了隔震效果甚至将隔震效果降为零,再加上安装黏滞阻尼器费用昂贵的特点，导致其工程应用范围受到很大影响。
1998年美国的Patten W.等人在美国Okahoma的公路桥上安装了利用传统电磁阀来控制的可变小孔黏滞阻尼器，并进行了现场实测，实测结果表明，该半主动控制能大幅度减少车辆导致的桥梁结构振动，从而在原有基础上延长了公路桥的使用年限达40年。2000年，世界上第一栋智能混合隔震建筑在日本Keio大学建成，是该大学工程学院院楼，这个办公与试验大楼就是采用了可变小孔黏滞阻尼器与叠层橡胶隔震支座作为地震防护***。
但是传统的电磁阀受到磁滞以及机械惯性的影响，响应速度很难满足土木工程在地震作用下减震控制的需求。再者，电磁马达的输出力也不够大，导致直接驱动阀芯困难，而不得不采用二级伺服阀，通过液压控制方式将小功率的电信号放大，其响应时间被液压***进一步拉长，故以前的可变孔黏滞阻尼器的减震控制设计与分析均需要考虑时滞。哈工大李惠等人的试验证明，电磁阀可变孔阻尼器的应用频率在2Hz以下，时滞影响明显。
发明内容
按照现代压电理论，压电陶瓷材料的电致变形量与施加在其上的电场强度成正比，利用这个被称为逆压电效应的原理，本发明的目的在于设计一种包括有旁通管路和叠层压电驱动器的智能黏滞阻尼器，利用叠层压电驱动器来调节旁通管路的流通管径，以调节黏滞阻尼力，该智能黏滞阻尼器能够减少时滞影响并提高输出力，从而满足土木工程在地震作用下减震控制的需求。
具体地，本发明提出的一种叠层压电驱动器调节的智能旁路式黏滞阻尼器，包括具有主缸和副缸的缸筒，以及位于缸筒内的活塞、推动活塞运动的导杆，所述导杆与所述活塞固定连接；所述缸筒内部装有黏滞液体阻尼材料；所述缸筒上具有旁通管路，所述旁通管路的两端口均与所述主缸连通，且连通位置分别位于所述活塞两侧；所述旁通管路具有调节部，调节部上安装有叠层压电驱动器，所述调节部在所述叠层压电驱动器驱动下调节所述旁通管路的流通管径。
在本发明的进一步优选方案中，所述调节部为所述旁通管路中一段软管，其管径在所述叠层压电驱动器驱动下相应改变，以实现对所述旁通管路的流通管径的调节。
在本发明的进一步优选方案中，所述缸筒、活塞和导杆均为高强度不锈钢材。
在本发明的进一步优选方案中，所述调节部具体为不锈钢软管；所述旁通管路包括所述不锈钢软管，以及分别连接在所述不锈钢软管两端的两段高强度不锈钢管。
在本发明的进一步优选方案中，还包括控制***，所述控制***与所述叠层压电驱动器电连接。
有益效果：本发明提出的叠层压电驱动器调节的智能旁路式黏滞阻尼器，其包括有旁通管路和叠层压电驱动器，可由叠层压电驱动器驱动旁通管路的调节部以调节流通管径从而实现对黏滞阻尼力的调节，这种由叠层压电驱动器驱动的阀门具有定位精度高(可达纳米级)和响应速度快(可达微秒数量级)的特点，能够减少时滞影响并提高输出力，从而满足土木工程在地震作用下减震控制的需求。
附图说明
图1是现有技术的黏滞阻尼器的结构示意图。
图2是实施例提出的叠层压电驱动器调节的智能旁路式黏滞阻尼器的结构示意图。
图2中，10-主缸，20-副缸，30-活塞，40-导杆，50-旁通管路，51-调节部，60-叠层压电驱动器。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步描述。
请参阅图2，本实施例提出的一种叠层压电驱动器调节的智能旁路式黏滞阻尼器，包括具有主缸10和副缸20的缸筒，以及位于缸筒内的活塞30、推动活塞30运动的导杆40，所述导杆40与所述活塞30固定连接；所述缸筒内部装有黏滞液体阻尼材料；所述缸筒上具有旁通管路50，所述旁通管路50的两端口均与所述主缸10连通，且连通位置分别位于所述活塞30两侧；所述旁通管路50具有调节部51，调节部51上安装有叠层压电驱动器60，所述调节部51在所述叠层压电驱动器60驱动下调节所述旁通管路50的流通管径。
本实施例中所述调节部51具体可以是所述旁通管路50中一段软管，其管径在所述叠层压电驱动器60驱动下相应改变，以实现对所述旁通管路50的流通管径的调节。为了确保强度，本实施例中所述缸筒、活塞30和导杆4均为高强度不锈钢材。同时，所述调节部51具体可以是不锈钢软管；所述旁通管路50包括所述不锈钢软管，以及分别连接在所述不锈钢软管两端的两段高强度不锈钢管。
此外，本实施例还可进一步包括控制***(图未示出)，所述控制***与所述叠层压电驱动器60通过电线连接，并连接叠层压电驱动器专用直流电源。通过在控制***中设置电压，包括设置电压的大小或电压的正负，使叠层压电驱动器60驱动调节部51相应扩张或缩小其管径，也即调节所述旁通管路50的流通管径，从而实现对黏滞阻尼力的调节。本实施例中，叠层压电驱动器60位移为1时，调节部51的伸缩半径可放大到3-4倍。
本实施例提出的叠层压电驱动器调节的智能旁路式黏滞阻尼器是一种可调倍数大的半主动控制装置，适用于地震动的强随机性，例如安装在隔震层，无论小震、中震和大震都能保证隔震效果，并且响应速度非常快，可以减少时滞影响，响应速度完全能跟上地震动，同时提高了输出力。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种叠层压电驱动器调节的智能旁路式黏滞阻尼器，包括具有主缸和副缸的缸筒，以及位于缸筒内的活塞、推动活塞运动的导杆，所述导杆与所述活塞固定连接；所述缸筒内部装有黏滞液体阻尼材料，所述缸筒、活塞和导杆均为高强度不锈钢材；其特征在于，所述缸筒上具有旁通管路，所述旁通管路的两端口均与所述主缸连通，且连通位置分别位于所述活塞两侧；所述旁通管路具有调节部，调节部上安装有叠层压电驱动器，所述调节部在所述叠层压电驱动器驱动下调节所述旁通管路的流通管径，所述调节部为所述旁通管路中一段软管，其管径在所述叠层压电驱动器驱动下相应改变，以实现对所述旁通管路的流通管径的调节，所述调节部具体为不锈钢软管；所述旁通管路包括所述不锈钢软管，以及分别连接在所述不锈钢软管两端的两段高强度不锈钢管。
2.根据权利要求1所述的叠层压电驱动器调节的智能旁路式黏滞阻尼器，其特征在于，还包括控制***，所述控制***与所述叠层压电驱动器电连接。
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