專利名稱:大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域,具體涉及一種大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置。
背景技術(shù):
現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展和新型控制裝置的研發(fā)為結(jié)構(gòu)體系阻尼值的提高提供了更多的途徑。近年來,結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在土木工程領(lǐng)域發(fā)展迅速。通過被動、半主動、主動以及混合控制等控制方式可以直接或間接地提高結(jié)構(gòu)的阻尼,從而有效地實現(xiàn)對大型結(jié)構(gòu)或者橋梁在地震和風(fēng)荷載作用下振動響應(yīng)的制振。
由于主動質(zhì)量阻尼器(AMD)能夠適應(yīng)外界激勵強度的變換,因而在國際上得到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。主動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(ATMD或HMD)和主動質(zhì)量阻尼器(AMD)等組成的主動控制系統(tǒng),在高層建筑、電視塔和大橋橋塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振和地震反應(yīng)控制中已經(jīng)取得了很大的成功。目前已有45座高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)應(yīng)用了 AMD主動控制系統(tǒng),有9座大型橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)期間的橋塔風(fēng)振控制應(yīng)用了 AMD控制系統(tǒng)。世界上第一個安裝AMD以控制地震和強風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)振動的建筑是日本的Kyobashi Siewa大廈。中國國家自然科學(xué)基金委員會和美國國家自然科學(xué)基金委員會共同合作,將AMD安裝在我國高340m的南京電視塔以減小其風(fēng)振反應(yīng)。
一般來說,AMD主動控制系統(tǒng)主要由以下三個部分組成
(1) 質(zhì)量阻尼剛度裝置。包括質(zhì)量塊,剛度彈簧和阻尼器。
(2) 驅(qū)動裝置和驅(qū)動源。包括電機(jī)、驅(qū)動器和管路。
(3) 計算機(jī)控制系統(tǒng)。包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、濾波調(diào)節(jié)器和模擬微分器。結(jié)構(gòu)振動的AMD系統(tǒng)由傳感器(包括數(shù)據(jù)采集)、控制器和AMD裝置等三
個子系統(tǒng)組成。AMD系統(tǒng)實施控制的時候,傳感子系統(tǒng)測量結(jié)構(gòu)的干擾或者(以及)反應(yīng),并反饋至控制器;控制器按照某種主動控制算法,實施計算主動控制力,
3并驅(qū)動AMD系統(tǒng)的作動器,然后作動器推動AMD的慣性質(zhì)量運動,對結(jié)構(gòu)施加控制力。AMD僅通過作動系統(tǒng)與主結(jié)構(gòu)相連,而沒有進(jìn)行被動頻率的調(diào)諧。AMD通過輸入與激勵相位相反的外部能量來增加主結(jié)構(gòu)阻尼,可以有效減小制振器的質(zhì)量,并實現(xiàn)對多階模態(tài)的制振。
目前的AMD或者ATMD系統(tǒng)大多采用液壓伺服系統(tǒng),這種系統(tǒng)通過液體壓力驅(qū)動,需要很大功率的電源輸入,同時液壓油缸占用體積很大,相對而言其反應(yīng)速度較慢,不能適應(yīng)結(jié)構(gòu)高頻的響應(yīng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種適用于結(jié)構(gòu)振動控制的具有較大行程、高反應(yīng)速度以及可調(diào)質(zhì)量的大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置,其特征在于,該減震裝置包括底板、直線導(dǎo)軌、質(zhì)量塊、直線電機(jī)、緩沖器和阻尼器,所述的底板固定在待安裝物上,所述的直線導(dǎo)軌設(shè)置在底板上,直線導(dǎo)軌上設(shè)有質(zhì)量塊,該質(zhì)量塊連接直線電機(jī),所述的緩沖器設(shè)置在直線導(dǎo)軌兩端并限制質(zhì)量塊的位移,所述的阻尼器穿過質(zhì)量塊中心,由其兩端的阻尼器反力板固定在待安裝物上。
所述的質(zhì)量塊的質(zhì)量根據(jù)待安裝物的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。
所述的質(zhì)量塊由直線電機(jī)驅(qū)動沿直線導(dǎo)軌滑動。
所述的直線電機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接計算機(jī)控制系統(tǒng),計算機(jī)控制系統(tǒng)采集待安裝物的振動信息,并根據(jù)該信息驅(qū)動減震裝置動作抑制待安裝物振動。所述的底板通過高強螺栓固定在待安裝物上。所述的直線導(dǎo)軌通過螺栓連接在底板上。所述的待安裝物包括建筑結(jié)構(gòu)、振動臺。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下特點
(1) 本發(fā)明采用線性電機(jī)作為系統(tǒng)的驅(qū)動,質(zhì)量塊的反應(yīng)速度快,控制精度高,反應(yīng)頻率可以達(dá)到100Hz以上,能涵蓋大部分土木結(jié)構(gòu)的振動頻率,并且占用空間??;
(2) 本發(fā)明的質(zhì)量塊質(zhì)量可調(diào),可以滿足不同結(jié)構(gòu)的需求;(3)本發(fā)明的質(zhì)量塊位移范圍大,可以實現(xiàn)大幅度的運動,能更加有效的增加結(jié)構(gòu)的阻尼比。
圖1為本發(fā)明大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置;圖2為單自由度控制系統(tǒng)的受力分析圖3為實施例中單自由度結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的有控和無控的位移響應(yīng)對比曲線圖。
圖中標(biāo)號l為底板,2為直線導(dǎo)軌,3為緩沖器,4為直線電機(jī),5為可變質(zhì)量塊,6為阻尼器。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例1
大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置,該減震裝置包括底板1、直線導(dǎo)軌2、緩沖器3、直線電機(jī)4、質(zhì)量塊5和阻尼器6,底板1通過高強螺栓連接到待安裝物結(jié)構(gòu)或者振動臺上,所述的直線導(dǎo)軌2有兩個,分別通過螺栓連接到底板1上下兩端,上下兩端的直線導(dǎo)軌2上均設(shè)有質(zhì)量塊5,該質(zhì)量塊5連接直線電機(jī)4,由直線電機(jī)4驅(qū)動質(zhì)量塊5沿直線導(dǎo)軌2滑動,質(zhì)量塊5的重量由兩側(cè)的直線導(dǎo)軌2承擔(dān),而直線導(dǎo)軌2兩側(cè)設(shè)有緩沖器3,質(zhì)量塊的位移,避免超過最大行程。所述的緩沖器設(shè)置在限制所述的阻尼器穿過上下兩端直線導(dǎo)軌上質(zhì)量塊中心,并通過阻尼器兩端的阻尼器反力板固定在待安裝物上。直線電機(jī)4通過數(shù)據(jù)線連接計算機(jī)控制系統(tǒng),計算機(jī)控制系統(tǒng)采集待安裝物的振動信息,并根據(jù)該信息通過合適的控制算法驅(qū)動減震裝置動作抑制待安裝物振動。
下面以一個單自由度控制系統(tǒng)為例來說明本發(fā)明的控制方法。設(shè)上述減振裝置的質(zhì)量、阻尼和剛度分別為m,,q,i^,質(zhì)量塊的質(zhì)量、阻尼和剛度分別為附2,。,&。由圖2所示的單自由度控制系統(tǒng)的受力分析圖,兩者的運動方程可以寫為
^ + & (A — i2) + & (A^ — x2) = F —附^g
m2 Jt2 + c2i2 + &2x2 = —F + q (A ——i2) + &— x2) — /w25 g
5其中x,,x,分別是減振裝置和質(zhì)量塊相對于地面的位移,^、,^A是相應(yīng)的速
度和加速度。
將(l)式改寫為矩陣的形式可以得到
其中
,w! 0 ) 「 c, _q 、
乂0 22乂
「1
、-l乂
,"
一 &
& + A 乂
,~ =
,—附》
、一附2乂
(2)
(3)
令Z = [jc, x2i2 可以將(3)式可以改寫為狀態(tài)方程的形式 f 0
(4)
—i
附i附i附L
0010
1000
附2附2附2w2
0001
0100
、
對于在減振裝置上或者質(zhì)量塊上安裝的位移、速度、加速度傳感器,可以得到
相應(yīng)的輸出矩陣
y = CZ + Z)(/ (5)
其中c-
£)=
-1
0 0 0 0 一l —l/m2 0 0 0 0
,Z =
,[/ =
c,"的每一行代表一個傳感器,從上到下分別是減振裝置的加速度、速度、
位移和質(zhì)量塊的加速度、速度、位移傳感器。
建立了結(jié)構(gòu)狀態(tài)方程以后,就可以通過設(shè)計不同的主動控制算法對結(jié)構(gòu)機(jī)型控 制。當(dāng)然,如果采用不同的傳感器布置形式,結(jié)構(gòu)輸出向量y需要實際情況進(jìn)行修
改。圖3是對某單自由度結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的有控和無控的位移響應(yīng)對比曲 線??梢钥闯?,安裝了本發(fā)明大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置的有控待安裝 物的振動比無控的小。
_-_
12 12
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權(quán)利要求
1. 大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置,其特征在于,該減震裝置包括底板、直線導(dǎo)軌、質(zhì)量塊、直線電機(jī)、緩沖器和阻尼器,所述的底板固定在待安裝物上,所述的直線導(dǎo)軌設(shè)置在底板上,直線導(dǎo)軌上設(shè)有質(zhì)量塊,該質(zhì)量塊連接直線電機(jī),所述的緩沖器設(shè)置在直線導(dǎo)軌兩端并限制質(zhì)量塊的位移,所述的阻尼器穿過質(zhì)量塊中心,由其兩端的阻尼器反力板固定在待安裝物上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置,其特征在于,所述的質(zhì)量塊的質(zhì)量根據(jù)待安裝物的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置,其特征在于,所述的質(zhì)量塊由直線電機(jī)驅(qū)動沿直線導(dǎo)軌滑動。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置,其特征在于,所述的直線電機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接計算機(jī)控制系統(tǒng),計算機(jī)控制系統(tǒng)采集待安裝物的振動信息,并根據(jù)該信息驅(qū)動減震裝置動作抑制待安裝物振動。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置,其特征在于,所述的底板通過高強螺栓固定在待安裝物上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置,其特征在于,所述的直線導(dǎo)軌通過螺栓連接在底板上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置,其特征在于,所述的待安裝物包括建筑結(jié)構(gòu)、振動臺。
全文摘要
本發(fā)明涉及大行程可變質(zhì)量主動質(zhì)量阻尼減振裝置,該減震裝置包括底板、直線導(dǎo)軌、緩沖器、直線電機(jī)、質(zhì)量塊和阻尼器,所述的底板固定在待安裝物上,所述的直線導(dǎo)軌設(shè)置在底板上,質(zhì)量塊連接直線電機(jī)。所述直線電機(jī)驅(qū)動質(zhì)量塊。所述的緩沖器設(shè)置在直線導(dǎo)軌兩側(cè)限制質(zhì)量塊的位移,所述的阻尼器穿過上下兩端直線導(dǎo)軌上質(zhì)量塊中心,并通過阻尼器兩端的阻尼器反力板固定在待安裝物上。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有較大行程、高反應(yīng)速度以及可調(diào)質(zhì)量等優(yōu)點。
文檔編號E04B1/98GK101487301SQ200910046620
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者孫利民, 斌 徐, 謝發(fā)祥, 峰 錢 申請人:同濟(jì)大學(xué);上海材料研究所