一种具有能量回收的多功能减振器
阅读说明：本技术 一种具有能量回收的多功能减振器 (Multifunctional shock absorber with energy recovery function ) 是由 刘玉萍 马震 刘俊才 田利 孟祥瑞 罗贤超 王晓阳 杨萌 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了的提供了一种具有能量回收的多功能减振器,包括上、下两层筒体；上层筒体被划分为相互连通的中间腔和功能腔,中间腔里面充满空气弹簧；功能腔位内部设有质量块活塞,质量块活塞与上层筒体内壁通过弹簧连接；下层筒体包括内筒体和外筒体,在外筒体内侧安装有两块永磁体。内筒体被划分为相互连通的中间腔和功能腔,中间腔位于内筒体的中心位置,里面充满空气弹簧；功能腔位于中间腔的四周；相邻的功能腔之间设有金属叶片；功能腔被分隔成了四个小的腔室,里面分别设有能量收集装置、转轮并充满磁流变液、空气弹簧以及丝杠螺母副,丝杠螺母副螺旋杆件贯穿四个腔室并与功能腔两端连接；两个中间腔通过轴承连接。(The invention discloses a multifunctional shock absorber with energy recovery, which comprises an upper layer of cylinder body and a lower layer of cylinder body; the upper layer cylinder body is divided into a middle cavity and a functional cavity which are communicated with each other, and an air spring is filled in the middle cavity; a mass block piston is arranged in the functional cavity and connected with the inner wall of the upper-layer cylinder through a spring; the lower layer cylinder comprises an inner cylinder and an outer cylinder, and two permanent magnets are arranged on the inner side of the outer cylinder. The inner cylinder body is divided into a middle cavity and a functional cavity which are communicated with each other, the middle cavity is positioned at the center of the inner cylinder body, and the air spring is filled in the middle cavity; the functional cavity is positioned around the middle cavity; metal blades are arranged between the adjacent functional cavities; the functional cavity is divided into four small cavities, an energy collecting device and a rotating wheel are respectively arranged in the functional cavity, magnetorheological fluid, an air spring and a screw nut pair are filled in the functional cavity, and a screw rod of the screw nut pair penetrates through the four cavities and is connected with two ends of the functional cavity; the two intermediate chambers are connected by a bearing.)
技术领域
本发明涉及土木工程的振动控制领域，特别涉及一种具有能量回收的多功能减振器，主要用于减小高耸或大跨度空间结构在环境激励作用下的振动响应。
背景技术
由于普遍使用轻质、高强材料，因而新建高耸建筑结构物通常具有质量轻、强度高、高宽比大和固有振动频率低的特性；所以，这些高耸建筑物对环境动态激励(如风，波浪、地震等)影响变得越来越敏感。在季风和台风激励作用下，高耸建筑物的风激振动破坏以及建筑物内居民的不舒适感和居住设施损坏现象日益严重。开展高耸建筑结构物抗风与风振控制的研究已成为当今工程学者必须面对的一项迫切和重要的任务。
目前现有的技术之一是通过在建筑结构上安装阻尼器或减振装置来消耗建筑结构在环境激励作用下的振动能量，但是目前的振动控制技术多以被动式为主，如使用较多的TMD质量调谐阻尼器和TLD液体调谐阻尼器，在不同强度的振动作用下，容易导致阻尼器振动频率和主体结构的振动频率相失谐，因此对环境的适应能力差，不具备一定的自我调节能力；而且要使动力响应较大的结构物达到理想减振效果，需要较大的空间，为了达到理想减振效果，需要在己建建筑顶部附加大质量块，从而增加了结构竖向载荷；此外，在风振或地震作用下，具有大质量块的高层建筑会产生鞭梢效应。
发明内容
基于以上研究现状，本发明目的是提供一种具有能量回收的多功能减振器，旨在减小高层建筑结构在环境动态激励作用下的水平方向振动响应达到耗能减振的目的。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提出的一种具有能量回收的多功能减振器，包括上、下两层筒体；上层筒体被划分为相互连通的第一中间腔和第一功能腔，第一中间腔位于上层筒体的中心位置，里面充满空气弹簧；第一功能腔位于第一中间腔的四周，内部设有质量块活塞，质量块活塞与上层筒体内壁通过弹簧连接；所述的下层筒体包括内筒体和外筒体，在外筒体内侧安装有两块永磁体；内筒体被划分为相互连通的第二中间腔和第二功能腔，第二中间腔位于内筒体的中心位置，里面充满空气弹簧；第二功能腔位于第二中间腔的四周；相邻的第二功能腔之间设有金属叶片；第二功能腔沿着径向方向，由外向内依次被分隔成了为Ⅰ腔室、Ⅱ腔室、Ⅲ腔室、Ⅳ腔室，Ⅰ腔室内设有能量收集装置；Ⅱ腔室内设有转轮，并充满磁流变液；Ⅲ腔室与Ⅳ腔室之间通过丝杠螺母分隔；同时Ⅳ腔室内设有空气弹簧；第二功能腔里设有与丝杠螺母配合的螺旋杆件，螺旋杆件贯穿四个腔室并与功能腔两端连接；上层筒体固定，第一中间腔通过轴承与第二中间腔连接，使所述内筒体通过轴承绕第一中间腔旋转，且第一、第二中间腔空气弹簧流通。
作为进一步的技术方案，所述的能量收集装置由转子和定子组成，转子与螺旋杆件固定；转子外周为定子铁芯，铁芯上设有定子绕组，定子铁芯外部紧固连接有定子外壳，定子外壳与Ⅰ腔室内壁固定接触；定子绕组通过导线与整流器相连，整流器与蓄电池连接，蓄电池与气压传感器、控制器和通电线圈组成串联控制电路。
作为进一步的技术方案，所述的金属叶片上设有弧形电刷导电导轨，与电刷接触，电刷固定安装在上层筒体底部的两端，且相互对称的两个电刷分别连接所述蓄电池的两极；导轨与导线通电接口相连，金属叶片转动带动导轨转动时，蓄电池通过电刷、弧形电刷导电导轨、导线通电接口为线圈绕组通电。
作为进一步的技术方案，所述的线圈绕组，其导线出入口对应导线通电接口和与其对称布置的另一个导线通电接口，且导线的一圈经过金属叶片a，绕过轴承半圈，再经过金属叶片c后再绕过轴承的另一半圈回到金属叶片a，按此路径缠绕；所述的金属叶片a、金属叶片c为相对的两个金属叶片。
作为进一步的技术方案，所述的第一功能腔、第二功能腔内均设有限位挡板。
作为进一步的技术方案，所述的两块永磁体，极性相反，呈半环形沿着下层外筒体的圆周方向布置，产生固定方向的磁场。
作为进一步的技术方案，第一功能腔的横截面积大于第二功能腔的横截面积。
作为进一步的技术方案，第一功能腔与第一中间腔、第二功能腔与第二中间腔之间分别设有预留通道，使功能腔和中间腔里的空气弹簧互相联通，形成惯容元件。作为进一步的技术方案，所述的螺旋杆件两端设有圆形限位凹槽，使得旋转杆件能够在圆形限位凹槽内转动而不发生移动。
作为进一步的技术方案，所述的各层筒体内壁上涂一层润滑油，保证活塞和滚珠丝杠副运动时有较小阻力。
作为进一步的技术方案，所述的弹簧采用具有恢复变形能力的形状记忆合金材料制作而成。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用滚珠丝杠副结构将磁流变阻尼器活塞杆的线性运动转换为转轮叶片的旋转运动，相比传统的传动机械有更高的联动效率。
(2)本发明将磁流变液阻尼器和基于电磁感应原理的能量收集装置相结合，实现了半主动控制。
(3)本发明将磁流变液阻尼器和惯容元件，空气弹簧相结合，组成惯容系统，惯容和弹簧可以调节结构的惯性和刚度特性，即通过调频以避免主结构与外部激励的共振，作为一个完整的动力学系统，惯容减振系统内部的振动与主体结构并不同步，这种异步振动可以使惯容系统内部耗能装置的有效变形得以放大，从而起到耗能增效的作用以进一步抑制响应。
(4)本发明上层结构与中间腔相连的四个腔室以空气弹簧相通，实现了水平x和y轴方向振动的相互转化，进而达到耗能减振的目的。
(5)本发明上层结构和下层结构通过中间腔体连接，又通过空气弹簧相通，既实现了惯容阻尼器的效果，又极大的减轻了整个装置的重量，所以给输电线带来的负担较小，设计合理，安装方便，效果明显。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为一种具有能量回收的多功能减振器上层示意图；
图2为一种具有能量回收的多功能减振器1-1剖面图；
图3为一种具有能量回收的多功能减振器下层示意图；
图4为一种具有能量回收的多功能减振器2-2剖面图；
图5为一种具有能量回收的多功能减振器示意图中能量收集装置；
图6为一种具有能量回收的多功能减振器中磁流变液内转轮示意图；
图7为一种具有能量回收的多功能减振器滚珠丝杠副装置示意图；
图8为一种具有能量回收的多功能减振器圆形限位凹槽示意图；
图9为一种具有能量回收的多功能减振器控制电路示意图；
图中：1形状记忆合金弹簧，2腔室，3隔板B1，4空气弹簧，5隔板B2，6质量块活塞,7限位挡板，8空气弹簧，9限位挡板，10Ⅲ腔室，11Ⅳ腔室，12螺旋杆件，13滚珠丝杠副，14圆形限位凹槽，15限位挡板，16滚珠轴承，17永磁体，18弧形导电导轨，19导线通电接口，20空隙，21Ⅰ腔室，22圆形限位凹槽，23能量收集装置，24电刷，25隔板B3，26线圈绕组，27扇形金属叶片，28Ⅱ腔室，29转轮，30通电线圈，31隔板B4，32转子磁轭，33永磁体凸极，34齿，35槽，36定子铁芯，37凸极转子，38定子绕组，39轴承，40叶片，41滚珠螺母，42滚珠，43保险，44整流器，45气压传感器，46蓄电池，47控制器，48总开关，49上层筒体，50下层筒体，51内层筒体，52外层筒体。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有减振装置多采用被动式，对高层建筑的减振效果并不明显，为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种具有能量回收的多功能减振器，将基于电磁感应原理的能量收集装置和磁流变液阻尼器相结合，实现了半主动控制。
本申请的一种典型的实施方式中,如图1-图9所示,提供了一种具有能量回收的多功能减振器，包括上、下两层筒体；所述的上层筒体装有数个隔板B13和B25，将上层筒体49划分为一个中间腔和四个功能腔，所述的中间腔充满空气弹簧8；所述的功能腔设有质量块活塞6，质量块活塞6与筒体内壁通过弹簧1连接；本实施中，每个功能腔内的弹簧1包括上下两层，每层包括两个弹簧，且所述的弹簧采用形状记忆合金弹簧。
进一步的，所述的下层筒体50包括内、外两层筒体，内筒体51放置在外筒体52内部，外筒体52安装有两块永磁体17；内筒体51装有数个隔板B325和B431，将内筒体51划分为一个中间腔和四个功能腔和a、b、c、d四个金属叶片27，所述的中间腔充满空气弹簧8；所述功能腔里通过固定两块挡板9，将功能腔分成Ⅰ腔室21、Ⅱ腔室28、Ⅲ腔室10、Ⅳ腔室11四个部分，Ⅰ腔室21内设有能量收集装置23；Ⅱ腔室28内设有转轮29，并充满磁流变液28，Ⅲ腔室10内设有滚珠螺母41，且Ⅲ腔室10与Ⅳ腔室11以滚珠螺母41为界，同时Ⅳ腔室11内设有空气弹簧8；所述的功能腔里设有滚珠丝杠副13的螺旋杆件12，螺旋杆件12贯穿四个腔室并与功能腔两端连接；
上层筒体49与筒壁固定连接，并且上层筒体49的中间腔通过隔板B25和隔板B431间的滚珠轴承16与下层筒体50的中间腔连接，使下层内筒体51可通过滚珠轴承16绕中间腔旋转，且上、下层中间腔空气弹簧8流通；上层功能腔的横截面积大于下层功能腔的横截面积，上层功能腔的横截面积以1.5-2倍下层功能腔的横截面积为宜；隔板B25或者B431之间留有预留通道，使功能腔和中间腔里的空气弹簧8互相联通，形成惯容元件，与空气弹簧8和磁流变液阻尼装置组成惯容阻尼系统；在内筒体51和外筒体52之间留有一定的空隙20，以减小下层筒体50转动阻力；
能量收集装置23，由转子和定子组成，转子由永磁体凸极33和转子磁轭32组成，转子与螺旋杆件12固定；转子外周为定子铁芯36，铁芯36上设有定子绕组38，所述的定子绕组38缠绕在定子铁芯36的数个齿34上，并卡在内槽35中以固定位置，所述的定子铁芯36外部紧固连接有定子外壳，所述的定子外壳与Ⅰ腔室21内壁固定接触；定子外壳上设有导线出口，导线由导线出口伸出经过保险43外接固定在Ⅰ腔室Ⅰ21内壁的整流器44，所述的整流器44与外部增设的蓄电池46连接。所述的蓄电池46与气压传感器45、控制器47和通电线圈30组成串联控制电路。所述的气压传感器45固定在内筒51内壁上。
磁流变液阻尼装置，包括磁流变液28和转轮29，转轮29由轴承39和叶片40组成；转子、转轮11、滚珠丝杠副16，均连接到螺旋杆件12上；
其中，滚珠丝杠副13，由滚珠螺母41、螺旋杆件12和滚珠42组成，滚珠螺母41可以沿内筒体51壁移动而不发生旋转(以图2所示的方位为例，滚珠螺母41水平移动)，通过内部的滚珠42带动螺旋杆件12转动；螺旋杆件12的两端设有圆形限位凹槽(14和22)，使得螺旋杆件12能够在圆形限位凹槽(14和22)内转动而不发生移动。且装有磁流变液28的挡板9上设有橡胶密封圈，防止磁流变液8溢出。
进一步的，本实施例中，在上层筒体和下层筒体的功能腔内设有数个限位挡板，防止活塞6和滚珠丝杠副13在运动过程中与筒壁发生剧烈碰撞；且各层筒体内壁上涂一层润滑油，保证活塞6和滚珠丝杠副13运动时有较小阻力。
进一步的，本实施例中的弹簧1采用具有恢复变形能力的形状记忆合金材料制作而成；
进一步的，本实施例中的下层外筒体52的两块永磁体17，极性相反，呈半环形固定在下层外筒体52内圈；且两块永磁体组合在一起形成一个圆，产生固定方向的磁场；所述的金属叶片27上设有弧形电刷导电导轨18，与电刷24接触，电刷24固定安装在上层筒体49底部的两端，且相互对称的两个电刷24分别连接蓄电池46的两极；导轨18与导线通电接口19相连，金属叶片转动带动导轨转动时，蓄电池46通过电刷24、弧形电刷导电导轨18、导线通电接口19为线圈绕组26通电；线圈绕组26，其导线出入口对应导线通电接口19和与其对称布置的另一个导线通电接口，且导线的一圈经过a金属叶片27，绕过轴承16半圈，在经过c金属叶片27后再绕过轴承16的另一半圈回到a金属叶片27，按此路径缠绕；这样金属叶片2、功能腔就组成了转向器，在电刷24为线圈绕组26通电后，线圈绕组26电流产生的磁场与外界磁场方向相反，磁力推动内筒体51通过轴承16以中间腔为轴持续转动；
将该减振装置安装在建筑物上，在环境荷载激励作用下，该装置发生水平方向振动时，质量块活塞6在功能腔中移动，带动形状记忆合金弹簧1压缩或伸长，以形状记忆合金弹簧1伸长为例。功能腔里的空气弹簧4受到挤压，空气通过预留通道从功能腔被压入中间腔，进一步流入下层功能腔Ⅳ腔室11，推动滚珠丝杠副13发生直线运动；由于上层功能腔室横截面面积大于下层功能腔室横截面面积，滚珠螺母41位移大于质量块活塞6位移，形成气压惯容系统；滚珠螺母41的移动带动螺旋杆件12快速转动；螺旋杆件12的快速转动带动转轮29在Ⅱ腔室内转动，转轮29带动磁流变液28流动；螺旋杆件12的快速转动同时带动由永磁体33和转子磁轭32组成转子转动，定子铁芯36上的定子绕组38切割磁感线，产生感应电流，经整流器44整流后储存在蓄电池46中。根据导线的振动幅值，通过气压传感器45感应空气压强，并通过控制器47调节通电线圈30的电流大小；通电线圈30通电后产生的磁场强度不断变化，使磁流变液28的流动性粘度发生变化，提高转轮叶片40转动的阻尼力，进而达到耗能减振的目的；此外，蓄电池46还通过电刷24为a、b、c、d四块扇形金属叶片27上的线圈绕组26通电，形成与半环形永磁体17相反方向的磁场，磁场力推动内筒51基于轴承16以中间腔为轴转动，转过半圈以后，内筒51可以作为转向器，由于惯性，扇形金属叶片27继续旋转，线圈绕组26的正负极电源接入口对调，蓄电池46通过电刷24为金属叶片27上的线圈绕组26提供电流方向不变，但是金属叶片27上的线圈绕组26的电流流向改变，依旧产生与半环形永磁体17相反方向的磁场，使内筒51持续转动，该装置将振动的能量转化为电能并进一步转化为机械能，进而达到耗能减振的目的；形状记忆合金弹簧1随着活塞6的移动而伸长，进一步提高了该防舞动装置的减振能力。当形状记忆合金弹簧1压缩时，空气由下层的功能腔经中间腔室流入上层功能腔，推动滚珠螺母41发生直线移动，使得螺旋杆件12快速转动，此时与形状记忆合金弹簧1伸长时该减振装置的工作原理相同。通过气压惯容和液体阻尼相结合，实现建筑物高效减振的目的。
当振动结束后，形状记忆合金弹簧1恢复其原来长度，由于气压差使得滚珠丝杠副13被推送到其原来位置，能量收集装置23捕获的电能储存在蓄电池46内，等待下一次减振工作的开始。
该装置将磁流变液阻尼器和基于电磁感应原理的能量收集装置相结合，实现了半主动控制；功能腔与中间腔内的空气弹簧通过隔板间的预留通道互相联通，既实现了惯容阻尼器的效果，又极大的减轻了整个装置的重量，还实现了水平向x轴和y轴两个垂直方向振动的相互转化，减振效果明显，可以有效地提高高层建筑的风、地震等环境激励作用下的抗振性能。
本专利的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本专利的实施方式不限于此，凡此种种根据本专利的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本专利上述基本技术思想前提下，对本专利上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本专利的保护范围之内。
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