CN105887661A - 可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，包括外筒，内筒，阻尼部分。外筒和内筒均为同心圆柱筒体，内筒套在外筒内。外筒两端安装法兰盘。阻尼部分安装在内筒内部，主要包括底板，端竖板，电磁铁，基础导体质量块，调节导体质量块，螺旋弹簧和次螺旋弹簧。使用次螺旋弹簧和螺旋弹簧将导体质量块分别与底板和端竖板相连。本发明采用将阻尼部分与内筒固定在一起实现了多角度抗振，通过外筒上的法兰盘连接可实现多个阻尼器串联组装，通过调整导体质量块或弹簧可调节TMD固有频率。通过调节永磁电磁铁与导体块之间的间距或控制电磁铁磁场强度的大小控制TMD的阻尼比。TMD振动完全由弹簧控制，无摩擦阻尼。

Description

可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器

技术领域

本发明涉及一种耗能减振的被动控制装置，具体涉及到一种可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，属于土木工程结构振动控制领域。用于减小桥梁结构在地震、风、车辆等外荷载作用下的振动响应。

背景技术

随着土木工程中设计技术和建筑材料的发展，现代桥梁结构越来越往长、细、轻、柔与低阻尼方向发展，，各地建成许多轻型大跨的桥梁。这类桥梁在地震、风、车辆等动力荷载作用下，容易产生大的变形和振动。桥梁结构的振动是引起桥梁损坏(破坏)的一个重要因素。引起桥梁振动的因素主要有：地震引起的振动、荷载引起的振动及车-桥耦合作用引起的振动。振动使桥梁的内部应力增大，降低它的耐久性。大跨度桥梁的大量兴建和高效能建桥材料的广泛应用，桥梁结构的振动问题日趋突出。

土木工程结构振动控制就是在土木工程结构的特定部位装设某种装置(如隔振垫等)或某种机构(如消能支撑、消能剪力墙、消能节点、消能器等)或某种子结构(如调频质量等)或施加外力(如外部能量输入)或调整结构的动力特性，在地震(或风)的作用下，使其结构的动力响应(如加速度、速度、位移)得到合理的控制，确保结构本身及结构中的人员仪器设备的安全和处于正常的使用环境状况。土木工程结构振动控制可分为被动控制、主动控制、混合控制和智能控制四类。

目前，在土木工程中广泛应用的振动控制方式是被动控制。被动控制是通过某种装置、某种机构或某种子结构改变工程结构***的动力响应，以达到隔离、调谐、吸能或耗能减振目的的控制技术。它不需要外部能量，且技术简单，造价低廉、性能可靠、修复和更换方便。被动控制又分为隔振，耗能减振和吸能减振。为此，设计一种多角度抗振的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器属于结构振动控制中的被动控制，且以耗能减振的方式对桥梁采取振动控制，已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：针对现有阻尼器只能实现单方向振动控制的问题，本发明提供一种多角度抗振的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，通过改变不同的工作角度，实现多角度耗能减振。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，包括筒体和阻尼部分，所述筒体包括内筒和外筒，所述外筒上具有用于串联组装的连接件，所述内筒可旋转地套设于外筒中，所述阻尼部分安装在内筒中。内筒和外筒是由铝合金制成的薄壁筒体。

作为优选，所述阻尼部分包括箱体、盖板和TMD***，所述TMD***包括导体质量块、弹簧和电磁铁，所述弹簧安装在箱体和导体质量块之间，所述电磁铁安装在盖板上。

作为优选，所述阻尼部分通过连接件与内筒固定连接。

作为优选，所述箱体上具有移动槽，所述移动槽内安装有承重条固定螺栓，所述承重条固定螺栓与承重条连接，所述承重条与盖板连接。移动槽用于调整承重条与导体质量块距离。

作为优选，所述箱体由底板和端竖板组成，所述端竖板正方形，其面积略小于内筒内接正方形的面积，所述移动槽开设于端竖板上。

作为优选，所述电磁铁数量为两个或四个，所述电磁铁的铁芯采用永磁体，采用相邻电磁铁磁极交错布置的方式。即一个N极朝向导体块的电磁铁与一个S极朝向导体块的电磁铁相邻布置。

作为优选，所述导体质量块是由螺栓连接在一起的基础导体质量块和调节导体质量块，所述导体质量块通过主螺旋弹簧与端竖板相连，通过次螺旋弹簧与底板相连。主、次螺旋弹簧的有效长度可以调节。调节导体质量块为片状标准质量块。

作为优选，所述主螺旋弹簧是对称分布的八个，连接于四面端竖板和导体质量块之间；所述次螺旋弹簧是对称分布的四个，连接于底板和导体质量快之间。螺旋弹簧的有效长度通过旋转压环，在压环调整螺栓的范围内调整

作为优选，所述阻尼部分安装有8组红外线发射/接受器，其中有4组布置在盖板和底板上；另外4组布置在端竖板上导体质量块的上方和下方。

使用时，外筒和内筒为薄壁同心圆筒。为利于阻尼部分散热，筒体材料采用铝合金制成。外筒起固定和连接的作用，外筒两端安装法兰盘，通过法兰盘可将多个筒体串联到一起。内筒套在外筒内，并可以以圆筒轴线为轴旋转到指定角度。阻尼部分通过连接件与内筒固定在一起，可随内筒一起旋转到指定角度。

阻尼部分由底板，端竖板a，端竖板b，盖板和TMD部分组成。端竖板安装在底板上，与底板共同组成一个箱体。端竖板b上安装连接件。端竖板a有开孔作为移动槽，承重条固定螺栓的位置可以在移动槽内上下调整。

TMD部分由导体质量块(包括基础导体质量块和调节导体质量块)，主螺旋弹簧、次螺旋弹簧及电磁铁构成。

导体质量块由基础导体质量块和调节导体质量块构成，兼具质量块和导体块的功能，充分利用有效质量。将二者通过长螺栓固定在一起，保证二者共同运动。可以根据实际需要选择调节导体质量块的数量。基础导体质量块和调节导体质量块采用相同的低电阻纯铜材料制成，且底面为面积相同的正方形，通过次螺旋弹簧安装在底板上，使底板的中心与导体质量块的中心在同一条竖直直线上。

电磁铁的铁芯采用高矫顽力的硬磁材料，即永磁体。这样可以保证TMD***在无电力供应的情况下也可以正常工作。电磁铁通电后，使外部绕制线圈中电流产生的磁场轴线与永磁体磁场轴线重合，控制电流大小和方向，即可改变磁场强弱。

将电磁铁安装在盖板上，盖板搭接在承重条上，使用固定螺栓将二者连接。承重条的位置可以通过改变承重条固定螺栓的位置进行调整，改变电磁铁与导体块的间距。其他条件相同的情况下，磁铁与导体的距离越近，在导体处产生的磁场越强，就会产生更大的电涡流，增大TMD的阻尼比。

安装8组红外线监控装置，每组装置由红外线发射器和红外线接收器组成。红外线发射器持续将红外线信号发射给与之对应的红外线接收器。其中4组布置在盖板和底板，红外线发射器安装在盖板，对应的红外线接收器安装在底板，若导体质量块在水平方向的运动幅度过大，阻断其中任意一组红外装置的信号传输时，流过电磁铁的电流增大，磁场增强，在导体质量块内产生更大的电涡流抑制导体质量块的运动，增强阻尼效果。同理，另外4组安装在端竖板上，其中2组的位置在导体质量块以上，2组在导体质量块以下。限制导体质量块在竖向运动的幅度。

在无电力供应的桥梁上，可以使用太阳能作为电磁铁的能量来源，将太阳能电池板上的电缆接到阻尼器的插座上即可使用。除太阳能之外，还可以使用风能，水力等其他环保清洁能源。或者直接使用电磁铁的铁芯——永磁铁，保证阻尼器正常工作。

主螺旋弹簧连接竖板和导体质量块。次螺旋弹簧连接底板和导体质量块。主螺旋弹簧安装前进行预拉伸。主、次螺旋弹簧的有效长度可以通过旋转压环在压环调整螺栓的范围内调整。由于导体质量块的运动完全由弹簧控制，其摩擦阻尼为零。

发明原理：TMD的工作过程中，导体质量块的运动与桥梁的振动同时发生，导体质量块与电磁铁之间产生相对运动，穿过导体质量块的磁通量发生变化。由电磁感应原理，将在导体质量块内部产生像漩涡一样的电涡流。感应电涡流也会产生一个电磁场与电磁铁磁场产生电磁阻尼效应来阻碍导体质量块的运动。在这个过程中，电涡流在导体质量块内做功将产生大量的热，从而将振动的机械能转化为热能耗散掉。

具体地，是阻尼器随着桥梁振动时，导体质量块(包括基础导体质量块和调节导体质量块)将在由电磁铁产生的磁场中运动。由电磁感应原理，穿过导体质量块的磁通量发生变化，导体质量块内部会产生像漩涡一样的电流回路，称为电涡流，感应电涡流也会产生一个电磁场与电磁铁的磁场产生电磁阻尼效应来阻碍导体质量块的运动。在这一过程中，电涡流在导体质量块内部做功产生大量的热量，将振动的机械能转化为热能耗散掉，达到耗能减振的目的，在这一过程中电涡流表现出了良好的粘性阻尼特性，并且通过自身的耗能加速了振动的消减。

有益效果：本发明通过将阻尼部分与内筒固定在一起，通过旋转内筒到不同的角度实现多角度抗振。通过使用外筒的法兰盘连接，实现了多个阻尼器串联组装的目的。解决了只能在单一方向振动控制的问题。通过调整调节导体质量块的数量，更换弹簧，改变弹簧的有效长度改变TMD的固有频率。通过调节磁铁与导体质量块的间距或控制电磁铁电流的大小，可以很容易地调节阻尼比。导体质量块的振动完全由弹簧控制，消除了采用导轨***中都不可避免的摩擦阻尼，避免TMD组成元件的磨损，提高了TMD使用的耐久性，消除了启动延迟问题。提高了启动灵敏度，避免了构件的局部磨损，实现了阻尼和刚度完全分离

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例中筒体外观底面图；

图2是筒体外观侧面图；

图3是图1的A-A剖面图；

图4是图1的F-F剖面图；

图5是阻尼器外观主视图；

图6是阻尼器外观左视图；

图7是阻尼器外观俯视图；

图8是图5的B-B剖面图；

图9是图7的C-C剖面图；

图10是图7的D-D剖面图；

图11是盖板示意图；

图12是主螺旋弹簧安装示意图；

图13是太阳能电池供电示意图；

图14是阻尼器与筒体组装示意图；

图15是图14的E-E剖面示意图；

图16是两阻尼器以不同角度串联组装的示意图；

图中：1外筒，2内筒，3法兰盘，4底板，5端竖板a，6端竖板b，7盖板，8基础导体质量块，9调节导体质量块，10电磁铁，11主螺旋弹簧，12次螺旋弹簧，13a连接件a，13b连接件b，14承重条，15承重条调整螺栓，16移动槽，17固定螺栓，18压环，19压环调整螺栓，20a红外线发射器，20b红外线接收器，21长螺栓，22太阳能电池，23a电缆插头，23b电缆插座。

具体实施方式

实施例：

本实施例的多角度抗振的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器用于抵抗桥梁结构在地震、风、车辆等外荷载作用下的竖向振动响应，水平振动相应以及多方向组合的三维振动响应。包括筒体和阻尼部分两大部分。

筒体如图1-图4所示，包括外筒1、内筒2、法兰盘3和连接件a13a.

阻尼部分安装在筒体内部，如图5-图10所示。阻尼部分由底板4，端竖板a5，端竖板b6，盖板7和TMD部分组成。四块端竖板安装底板上，与底板共同构成一个箱体。其中端竖板a5的形状为正方形，略小于内筒的内接正方形。端竖板b6上安装条形连接件13b。使用承重条固定螺栓15和垫板将承重条14与端竖板a5固定在一起，承受安装在其上的用于固定电磁铁的盖板7。电磁铁10安装在盖板上，出于散热需要，盖板大小只要满足使用即可，不必完全将箱体封住。电磁铁安装时采用相邻电磁铁磁极交错布置的方式，即一个N极朝向导体质量块的电磁铁与一个S极朝向导体质量块的电磁铁相邻布置，使相邻磁体的磁场闭合，充分利用磁能，增大磁通量的变化量。承重条固定螺栓15的位置可在移动槽16内上下移动和固定，以改变承重条的位置，进而改变电磁铁与导体质量块之间的间距，间距越小，电磁铁在导体质量块处产生的磁场越强。可根据实际需要进行适当调整。

TMD部分主要包括基础导体质量块8，调节导体质量块9，主螺旋弹簧11，次螺旋弹簧12和电磁铁10。

基础导体质量块8和调节导体质量块9均为底面面积相同的铜块，通过长螺栓固定在一起共同运动。二者均由相同的低电阻纯铜材料制成，既是质量块又是导体块，充分利用有效质量。通过螺旋弹簧和次螺旋弹簧分别与端竖板和底板连接。可根据实际需要增加或减少调节导体质量块的数量微调TMD的固有频率。

如图12所示，主螺旋弹簧11是主弹性元件，次螺旋弹簧是辅助弹性元件，即导体质量块的运动主要由主螺旋弹簧11控制，次螺旋弹簧主要限制导体质量块在沿垂直底板方向上的运动幅度过大。主螺旋弹簧11一端连接在基础导体质量块上，另一端嵌套在压环18上。可以通过旋转调整压环在调整螺栓19上的位置，改变弹簧的有效长度。主螺旋弹簧11的刚度可以通过更换弹簧调节，或通过旋转压环18改变弹簧的有效长度实现微调。

电磁铁铁芯采用高矫顽力的硬磁材料，即永磁体。电磁铁通电后，使外部绕制线圈中电流产生的磁场轴线与永磁体磁场轴线重合，控制电流大小和方向，即可改变磁场强弱。可以保证TMD***在无电力供应的情况下也可以正常工作。在有电力供应的桥梁上使用桥梁上的电源作为电磁铁的能量来源，使用时需要将桥梁上的交流电转换为直流电使用。如图13所示，在无电力供应的桥梁上，可以使用太阳能电池22作为能量来源(或风能等其他环保清洁能源)，只需将太阳能电池的电缆23a与阻尼器上的电缆插座23b接通即可。

导体质量块的振动完全通过弹簧控制，避免了采用导向装置的阻尼器都存在摩擦阻尼的问题。保证了TMD的启动和桥梁的振动同时发生，消除了TMD启动延迟的问题，达到了良好的控制效果。避免了TMD构件的磨损问题，提高了TMD使用的耐久性。

筒体由外筒1和内筒2组成，二者为薄壁同心圆筒。为利于阻尼部分散热，筒体材料采用铝合金制成。外筒起固定和连接的作用，外筒两端安装法兰盘3，通过法兰盘可将多个筒体串联到一起。内筒套在外筒内，可以以圆筒轴线为轴旋转并固定。内筒内壁安装一对连接件13a，如图5和图6，与阻尼部分的连接件13b搭接，并使用螺栓固定，即可将阻尼部分与内筒固定在一起，如图14和图15。通过旋转内筒到不同的角度实现多角度抗振。

安装8组红外线监控装置，每组装置由红外线发射器20a和红外线接收器20b组成。红外线发射器持续将红外线信号发射给与之对应的红外线接收器。如图8、图9、图10和图11，其中4组布置在盖板和底板，红外线发射器安装在盖板，对应的红外线接收器安装在底板，若导体质量块在水平方向的运动幅度过大，阻断其中任意一组红外装置的信号传输时，流过电磁铁的电流增大，磁场增强，在导体质量块内产生更大的电涡流抑制导体质量块的运动，增强阻尼效果。同理，另外4组安装在端竖板上，其中2组的位置在导体质量块以上，2组在导体质量块以下。限制导体质量块在竖向运动的幅度。两阻尼器以不同角度串联组装后如图16所示。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：包括筒体和阻尼部分，所述筒体包括内筒和外筒，所述外筒上具有用于串联组装的连接件，所述内筒可旋转地套设于外筒中，所述阻尼部分安装在内筒中。

2.根据权利要求1所述的可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述阻尼部分包括箱体、盖板和TMD***，所述TMD***包括导体质量块、弹簧和电磁铁，所述弹簧安装在箱体和导体质量块之间，所述电磁铁安装在盖板上。

3.根据权利要求1所述的可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述阻尼部分通过连接件与内筒固定连接。

4.根据权利要求2所述的可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述箱体上具有移动槽，所述移动槽内安装有承重条固定螺栓，所述承重条固定螺栓与承重条连接，所述承重条与盖板连接。

5.根据权利要求1所述的可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述内筒和外筒是由铝合金制成的薄壁筒体。

6.根据权利要求4所述的可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述箱体由底板和端竖板组成，所述端竖板正方形，其面积略小于内筒内接正方形的面积，所述移动槽开设于端竖板上。

7.根据权利要求2所述的可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述电磁铁数量为两个或四个，所述电磁铁的铁芯采用永磁体，相邻电磁铁磁极交错布置。

8.根据权利要求6所述的可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：导体质量块是由螺栓连接在一起的基础导体质量块和调节导体质量块，导体质量块与端竖板之间连接有主螺旋弹簧，导体质量块与底板之间连接有次螺旋弹簧。

9.根据权利要求8所述的可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述主螺旋弹簧是对称分布的八个，连接于四面端竖板和导体质量块之间；所述次螺旋弹簧是对称分布的四个，连接于底板和导体质量快之间。

10.根据权利要求1所述的可串联组装的频率可调的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述阻尼部分安装有8组红外线发射/接受器，其中有4组布置在盖板和底板上，另外4组布置在端竖板上导体质量块的上方和下方。