一种具有阻尼放大功能的复合式多维减振装置
阅读说明：本技术 一种具有阻尼放大功能的复合式多维减振装置 (Combined type multidimensional vibration damping device with damping amplification function ) 是由 刘玉萍 孟祥瑞 刘俊才 田利 罗贤超 王晓阳 杨萌 马震 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有阻尼放大功能的复合式多维减振装置,包括外部筒体,筒体内部有水平减振耗能系统和竖向减振耗能系统；水平减振耗能系统由中央质量体、活塞式阻尼器和吸振层组成；竖向减振耗能系统由中央质量体、电磁旋转耗能机构和摩阻层组成；本发明实现了结构的多维减振控制,增强了减振装置的减振耗能效果；通过引入充满磁流变液的活塞式阻尼器和电磁旋转耗能装置实现了振动过程中的阻尼可调性和耗能能力可调性；通过压电陶瓷将一部分振动能量转换为电能,直接供予通电线圈,由结构振动本身通过能量转换的形式,实时调节减振装置的阻尼力和耗能能力,实现了减振装置的全自动调节和能量自给。(The invention discloses a composite multidimensional vibration damping device with a damping amplification function, which comprises an external cylinder, wherein a horizontal vibration damping and energy dissipation system and a vertical vibration damping and energy dissipation system are arranged in the cylinder; the horizontal vibration reduction energy consumption system consists of a central mass body, a piston type damper and a vibration absorption layer; the vertical vibration reduction and energy consumption system consists of a central mass body, an electromagnetic rotation energy consumption mechanism and a friction layer; the invention realizes the multidimensional vibration damping control of the structure and enhances the vibration damping and energy consumption effects of the vibration damping device; the piston type damper filled with magnetorheological fluid and the electromagnetic rotating energy consumption device are introduced to realize the adjustability of damping and energy consumption capacity in the vibration process; a part of vibration energy is converted into electric energy through piezoelectric ceramics, the electric energy is directly supplied to the electrified coil, the damping force and the energy consumption capacity of the vibration damping device are adjusted in real time through structural vibration in an energy conversion mode, and full-automatic adjustment and energy self-sufficiency of the vibration damping device are achieved.)
技术领域
本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种具有阻尼放大功能的复合式多维减振装置，主要应用于控制大跨结构和高耸结构的振动响应，减少振动对建筑物或构筑物的损害。
技术背景
大跨结构和高耸结构由于自身的构造特点，通常具有较高的柔度，且其自振频率往往与地震、强风和常见活荷载的运动频率相接近，因此其在服役过程中往往会出现影响结构安全性和舒适性的振动。大跨结构和高耸结构因其独特的艺术性、优异的视觉效果和良好的经济价值倍受青睐，其数量和建筑规模也越来越大。如何控制大跨结构和高耸结构在荷载作用下的振动响应，提升其安全性和舒适性成为该类结构形式面临的主要问题之一。
减振装置成为控制结构振动的主要工具，目前的主流减振装置有调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、悬挂质量摆等。主流阻尼减震装置多为被动减振，构造相对简单，具有很好的可靠性和耐久性，但该类减振装置减振效果欠佳，耗能方式单一，在结构剧烈振动时可能会出现减振和耗能能力不足的情况；在被动减振基础上研制的主动减振装置通常需要外界能量输入和额外的结构动态监测系统，结构复杂，成本偏高。
发明内容
基于以上研究现状，本发明的目的是提供一种具有阻尼放大功能的复合式多维减振装置，旨在减小高耸结构、大跨网壳及桥梁等大跨度空间结构在风荷载及地震作用下各个方向的振动响应，以达到耗能减振的目的；同时，将结构振动的部分能量收集，输入到耗能和阻尼调节系统，实现该减振装置自动调节、能量自给的目的。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种具有阻尼放大功能的复合式多维减振装置，包括外部筒体，在所述的外筒体内设有一个中央质量体，中央质量体的顶部和底部分别通过电磁旋转耗能减振机构与外部筒体顶部、底部接触；中央质量体的侧面通过活塞式阻尼器与外部筒体的侧面接触；所述的中央质量体由圆柱型金属体和其内部的上、中、下三个空腔组成；所述的上、下空腔充满磁流变液，通过橡胶导管与活塞式阻尼器的阻尼腔相连；所述的中部空腔设置耗能滚珠，其表面附着微粘性橡胶层，中部空腔内壁设置压电陶瓷；所述的压电陶瓷与活塞式阻尼器和电磁旋转耗能减振机构的通电线圈相连。
进一步的技术方案为：所述的活塞式阻尼器由金属缸体、活塞、活塞杆、水平弹簧、橡胶导管、通电线圈和固定脚轮组成；所述活塞杆一端与圆柱型金属体焊接，另一端延伸到金属缸体内与连接活塞相连；水平弹簧连接活塞与金属缸体内底部；所述的橡胶导管将中央质量体的上空腔或下空腔与金属缸体同活塞组成的封闭阻尼腔连通；所述的橡胶导管内部设置阻尼网，外部缠绕通电线圈；所述的固定脚轮与金属缸体外底面连接，固定脚轮直接与吸振层接触，可沿吸振层竖向滑动。
进一步的技术方案为：还包括吸振层，所述的吸振层由软质橡胶和薄钢板组成；橡胶层贴于外部筒体内壁，薄钢板贴于橡胶层表面。
进一步的技术方案为：所述的电磁旋转耗能减振机构由位移转换装置和电磁耗能装置组成。
进一步的技术方案为：所述的位移转换装置由螺纹丝杠、滚珠金属缸体、竖向弹簧、机械转盘组成；所述的螺纹丝杠一端与中央质量体固定，另一端伸入滚珠金属缸体与竖向弹簧连接；所述的竖向弹簧一端连接螺纹丝杠，另一端连接机械转盘；所述的机械转盘固定于滚珠金属缸体底部，可不随滚珠金属缸体转动。
进一步的技术方案为：所述的滚珠金属缸体内设置金属滚珠，滚珠按螺纹状排列，螺纹丝杠上下移动可带动滚珠金属缸体转动。
进一步的技术方案为：所述的电磁耗能装置由通电线圈、硅铁柱、耗能万向球和支撑板组成；所述的支撑板与滚珠金属缸体焊接；所述的硅铁柱接于支撑板和耗能万向球之间，通电线圈缠绕其上；所述的耗能万向球环形排列，直接与摩阻层接触；所述的摩阻层贴于筒体盖板内侧。
进一步的技术方案为：所述的竖向弹簧和水平弹簧均采用形状记忆合金制作而成。
进一步的技术方案为：所述的耗能万向球内部置有树脂基摩阻材料。
进一步的技术方案为：所述的外部摩阻层为微粘性橡胶层。
本发明的工作原理如下：在地震作用下，主体结构发生竖向振动，由于惯性中央质量体带动活塞式阻尼器沿吸振层发生竖向位移；由于位移转换装置，中央质量体的竖向位移转换为滚珠金属缸体的快速旋转运动，从而放大了该减振装置的阻尼力，提高了竖向减振效率；同时，连接支撑板和金属滚珠刚体的竖向弹簧发生拉伸或压缩变形，中部空腔内部的耗能滚珠发生碰撞和摩擦，进一步提高了该减振装置的竖向减振能力，实现多重减振的目的；耗能万向球在滚珠金属缸体的带动下做圆周运动，万向球滚珠与树脂基摩阻材料摩擦耗能，同时克服微粘性橡胶层粘聚力耗能；硅铁柱与通电线圈组成的电磁铁可调节万向球滚珠与树脂基摩阻层之间的压力，间接影响电磁旋转耗能装置的阻尼力和耗能效率。
在地震作用或风荷载下，主体结构发生水平方向振动，由于惯性中央质量体带动滚珠金属缸体产生水平位移；活塞杆在金属缸体中水平运动，挤压金属缸体内部的磁流变液，由于橡胶导管的横截面较小且内部布置多道阻尼网，磁流变液在橡胶导管中快速流动，增大了该减振装置的水平阻尼力；可以根据减振要求，通电线圈接入电源，在磁场作用下磁流变液的瞬时流变特性进一步提高了该减振装置的水平减振能力；耗能万向球随中央质量体一同运动，其耗能方式与竖向振动相同。
中部空腔内部设有压电陶瓷，耗能滚珠在碰撞和摩擦过程中挤压压电陶瓷，产生电能并与活塞式阻尼器和电磁耗能机构的通电线圈相连，实现能量回收和能量自给的目的；当主体结构振动结束后，利用竖向弹簧和水平弹簧的自复位能力将该减振装置恢复到原状，保证下次工作时的减振能力。
本发明的有益效果是：
(1)本发明将主体结构的竖向振动通过螺纹丝杠转化为滚珠金属缸体的快速旋转运动，提高了传动机械的联动效率，使得耗能万向球在微粘性橡胶层快速移动，实现阻尼力放大且提高减振能力的目的。
(2)本发明利用液体从大横截面金属缸体向细长橡胶导管流动时的惯性效应，在细长橡胶导管中快速流动，实现了放大液体流动阻尼力的目的；橡胶导管中布置多道阻尼网，进一步提高了水平减振能力；金属缸体、橡胶导管和上(下)部空腔形成连通器，避免液体流动时出现空行程现象。
(3)本发明采用半主动技术控制理论，根据振动控制要求适时调节磁流变液的流动特性，使得该减振装置在较宽的频域范围内具有良好的减振效果；同时，通电线圈进行通电，提高了磁铁间的相互作用，实现阻尼力可调且提高耗能能力的目的。
(4)本发明利用压电陶瓷将主体结构的振动能量收集并转换为电能，接入通电线圈对该减振装置的阻尼力进行实时调节，实现能量回收和能量自给的目的，提高了该减振装置的能量利用率和减振效果。
(5)本发明在有限空间内布置耗能滚珠、竖向弹簧和水平弹簧，进一步提高了耗能能力，实现多重减振的目的；利用形状记忆合金的超弹性特性，实现该减振装置的自复位能力；该减振装置能够有效提高结构的抗震和抗风性能，能够产生较好的社会效益和经济效益。
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为一种具有阻尼放大功能的复合式多维减振装置的立面结构图；
图2为一种具有阻尼放大功能的复合式多维减振装置的A-A剖视图；
图3为一种具有阻尼放大功能的复合式多维减振装置活塞式阻尼器的构造详图；
图4为旋转耗能减振装置的构造详图；
图5为耗能万向球的构造详图；
图中：1筒体盖板，2环形钢管，3连接立柱，4筒体侧边围板，5微粘性橡胶层，6吸振层，7耗能万向球，8硅铁柱，9电磁线圈，10支撑板，11机械转盘，12竖向弹簧，13滚珠金属缸体，14金属滚珠，15螺纹丝杠，16固定脚轮，17金属缸体，18活塞，19活塞杆，20水平弹簧，21橡胶导管，22保护电阻，23通电线圈，24阻尼网，25上部空腔，26中部空腔，27下部空腔，28耗能滚珠，29侧壁压电陶瓷，30隔板压电陶瓷，31圆柱型金属体；32活塞式阻尼器，33树脂基摩阻材料；34万向球滚珠；35万向球外壳。
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。
术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
本发明实现了结构的多维减振控制，利用现有技术实现了耗能途径的多样性，同时赋予减振装置阻尼力的可调性；通过能量转换将振动的部分能量反向输入到减振耗能系统中，实现减振装置的自动调节。
本发明的一种典型的实施方式如图1所示；一种具有阻尼放大功能的复合式多维减振装置的实施例，包括外部筒体，外部筒体包括上下环形钢管2，分别覆盖有圆形盖板1，两者焊接；侧面围板4绕成圆柱型，侧面围板4的上下两侧通过多根连接立柱3与环形钢管2相连，形成整个外观为圆柱型的筒体；本实施例中侧面围板4的上下两侧分别通过6根连接立柱3与环形钢管2相连，当然不难理解的，连接立柱3的数量根据实际需要进行设置。上下盖板1内侧贴有微粘性橡胶层5，下盖板所附橡胶层5粘性低于上盖板所附橡胶层5，微粘性橡胶层5意在为运动的耗能万向球7提供一定的粘滞阻力，增强耗能能力；侧面围板4内侧附有吸振层6，由一层软质橡胶和贴于橡胶外侧的薄钢板组成，具有一定的吸振减振效果。
本实施例中的竖向减振耗能系统由中央质量体(与水平减振系统共用同一质量体)、电磁旋转耗能机构和微粘性橡胶层组成。
中央质量体包括圆柱型金属体31，其内部留有空腔，通过隔板分成上空腔25、中空腔26和下空腔27；上空腔26和下空腔27充满磁流变液，通过水平设置的橡胶导管21与阻尼腔连通；中空腔26内部放置耗能滚珠28，滚珠表面附有橡胶层，中空腔26侧壁布置压电陶瓷29，其两极直接与活塞式阻尼器的通电线圈23相连；中空腔上下表面同样布满压电陶瓷30，其两极直接与电磁线圈9相连；
中央质量体的上部和下部分别连接有电磁旋转耗能机构，以上方的电磁旋转耗能机构为例，进行说明；电磁旋转耗能机构由耗能万向球7、硅铁柱8、支撑板10、机械转盘11、弹簧12、滚珠金属缸体13、金属滚珠14和螺纹丝杠15组成；螺纹丝杠的一端与圆柱型金属体31相连，另一端延伸到滚珠金属缸体13内，该端通过弹簧12与机械转盘11相连，机械转盘11位于滚珠金属缸体13内壁，支撑板10固定在滚珠金属缸体13外部，在支撑板10上固定有一圈硅铁柱8，硅铁柱8的端部设有耗能万向球7。
如图5所示，耗能万向球7内部置有树脂基摩阻材料33，其摩擦系数稳定，所提供摩阻力取决于其与万向球滚珠34之间的压力大小。
进一步的，硅铁柱8上缠绕电磁线圈9组成电磁铁，电磁线圈9上串联保护电阻，硅铁柱8两端分别与耗能万向球7和支撑板10焊接，每侧支撑板10上焊接六组耗能万向球，排列成环形。
滚珠金属缸体13焊接在支撑板10上。
进一步的，滚珠金属缸体13内部置有螺纹状排列的滚珠14，当螺纹丝杠15在滚珠金属缸体13内上下移动时，带动金属缸体13转动，从而使耗能万向球做圆周运动。机械转盘11连接弹簧与滚珠金属缸体13，使弹簧不随金属缸体转动；竖直方向的上下两套电磁旋转减振耗能机构构造相同。
当结构竖向振动时，中央质量体受到激励压缩竖向弹簧12，产生竖向位移，推动螺纹丝杠15上下移动，经位移转换装置，引起滚珠金属缸13体快速旋转，有效提高了减振效率和阻尼力；耗能万向球7随滚珠金属缸体13做圆周运动，与树脂基摩阻层33摩擦耗能，同时耗能万向球7克服微粘性橡胶层粘聚力耗能；由硅铁柱8和通电线圈9组成的电磁铁可根据振动情况调节磁力大小，改变万向球滚珠34与树脂基摩阻层33之间的压力，间接调节旋转耗能装置的阻尼力和耗能效率；同时，两套旋转耗能装置的旋转方向始终相反，保证整个减振装置不产生扭力。
在中央质量体的侧面连接有水平减振耗能系统，水平减振耗能系统由中央质量体、活塞式阻尼器和吸振层组成；活塞式阻尼器由固定脚轮16、金属缸体17、活塞18、活塞杆19、水平弹簧20、橡胶导管21、保护电阻22、通电线圈23和阻尼网24组成；活塞杆19一端与圆柱型金属体31焊接，另一端延伸到金属缸体17内与连接活塞18相连；在中央质量体水平振动时活塞18可在金属缸体17内滑动；
水平弹簧20连接活塞18与金属缸体17内底部，提供减振反力并赋予活塞式阻尼器自复位能力；水平弹簧20连接活塞18与金属缸体17内底部，提供减振反力并赋予活塞式阻尼器自复位能力；固定脚轮16连接在金属缸体17上，直接接触吸振层6并可沿吸振层6上下滑动；在中央质量体水平振动时活塞18可在金属缸体17内滑动；橡胶导管21连接阻尼腔和上空腔25(或下空腔27)，导管21内部置有阻尼网24，外部缠绕通电线圈23，线圈23上附有保护电阻22，保护电阻可防止电流过大；阻尼腔和橡胶导管内部充满磁流变液；水平减振耗能系统的排列方式如图2所示，本实施例中设置有八件水平减振耗能系统环形排列，形成水平减振层，且减振层共计两层，上层阻尼器阻尼腔连接上空腔25，下层阻尼器阻尼腔连接下空腔27。
当结构水平振动时，中央质量体带动上下竖向旋转减振耗能机构一齐运动，活塞杆挤压活塞沿阻尼腔水平滑动，压缩弹簧和磁流变液，磁流变液流经橡胶导管受一定阻力，可根据振动情况调节橡胶导管外线圈的电流，改变磁流变液的流动性，提供不同的减振阻尼力；耗能万向球随中央质量体一同运动，其耗能方式与竖向振动相同。
中央质量体中的耗能滚珠，在结构发生振动时可起到减振耗能的作用，同时挤压压电陶瓷产生电能，输入到通电线圈中起到调节阻尼力和耗能效率的目的。
本发明将主体结构的竖向振动通过螺纹丝杠转化为滚珠金属缸体的快速旋转运动，提高了传动机械的联动效率，使得耗能万向球在微粘性橡胶层快速移动，实现阻尼力放大且提高减振能力的目的。通过活塞式阻尼器的环形排列和竖向电磁减振耗能机构的引入实现了结构的多维减振控制，增强了减振装置的减振耗能效果；同时利用液体从大横截面金属缸体向细长橡胶导管流动时的惯性效应，在细长橡胶导管中快速流动，实现了放大液体流动阻尼力的目的；橡胶导管中布置多道阻尼网，进一步提高了水平减振能力，使该发明具备可靠的减振耗能能力。
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