混合控制顆粒阻尼器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種混合控制顆粒阻尼器，包括底板、嵌板、側(cè)板、導(dǎo)軌、擋件、擋件伸縮控制器、阻尼器腔體、凸出件、滾輪和顆粒。底板用于固定嵌板，在嵌板上固定擋件，擋件使阻尼器腔體沿底板長軸方向做單向運(yùn)動(dòng)。擋件伸縮控制器可以控制擋件的伸出與收縮，觸發(fā)擋件與阻尼器腔體下部凸出件之間、阻尼器腔體內(nèi)部顆粒之間和顆粒與阻尼器腔體壁之間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生與基本結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向相反的控制力，減少基本結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，同時(shí)高度非線性的非彈性碰撞也會(huì)引起系統(tǒng)機(jī)械能的快速耗散。當(dāng)基本結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)，阻尼器可以在被動(dòng)控制和半主動(dòng)控制之間互相轉(zhuǎn)換，顆粒運(yùn)動(dòng)的多向性可使阻尼器在不同方向均有較好的減振效果。
【專利說明】混合控制顆粒阻尼器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種混合控制顆粒阻尼器，在底板上設(shè)置嵌板，側(cè)板上設(shè)置導(dǎo)軌， 通過控制嵌板上擋件的伸出和收縮，使擋件和阻尼器腔體底部凸出件之間、阻尼器腔體內(nèi) 部顆粒之間及顆粒與阻尼器腔體壁之間發(fā)生非彈性碰撞來達(dá)到減振目的，屬于土木結(jié)構(gòu) (包括高層結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)等）振動(dòng)控制領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 主動(dòng)控制質(zhì)量阻尼器是一種有效的結(jié)構(gòu)減振控制裝置，但是土木工程結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震 和強(qiáng)風(fēng)作用時(shí)經(jīng)常發(fā)生一定程度的非彈性變形，材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為一定的遲滯效 應(yīng)，由于這種材料的非彈性，土木工程結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控制質(zhì)量阻尼器是有時(shí)滯的非定常非線 性系統(tǒng)。同時(shí)，主動(dòng)控制質(zhì)量阻尼器費(fèi)用高、能耗大、設(shè)備需要常年維護(hù)，限制了其在土木工 程中的推廣應(yīng)用。沖擊阻尼器是現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的附加質(zhì)量式被動(dòng)控制振動(dòng)控制裝 置，然而，被動(dòng)式?jīng)_擊阻尼器的減振頻帶窄，只能對(duì)某一特定的頻率產(chǎn)生較好的減振效果， 并且只能在單方向減振。顆粒阻尼技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于航天和機(jī)械領(lǐng)域的被動(dòng)控制技 術(shù)，由于顆粒運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，其在不同方向和較寬頻帶范圍內(nèi)均具有良好的減振效果。因 此，將主動(dòng)控制質(zhì)量阻尼器、被動(dòng)控制沖擊阻尼器和被動(dòng)控制顆粒阻尼器結(jié)合起來，使其優(yōu) 勢(shì)互補(bǔ)，并進(jìn)行改進(jìn)開發(fā)，形成了一種耗能能力強(qiáng)、減振頻帶寬、價(jià)格低廉且在不同方向均 能減振的混合控制顆粒阻尼器。
[0003] 該混合控制顆粒阻尼器可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的基本結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的反饋信息，通 過控制裝置控制阻尼器腔體的運(yùn)動(dòng)，可有效地減少基本結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。較主動(dòng)控制系統(tǒng) 構(gòu)造簡單，需外部輸入的能量較少；較沖擊阻尼器減振頻帶寬、在不同方向均有良好的減振 效果。適用于各種線性和非線性結(jié)構(gòu)。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型的目的在于提出一種混合控制顆粒阻尼器，該裝置結(jié)合主動(dòng)控制質(zhì)量 阻尼器、被動(dòng)控制沖擊阻尼器和被動(dòng)控制顆粒阻尼器各自優(yōu)點(diǎn)，并加以改進(jìn)，形成一種混合 控制顆粒阻尼器。該阻尼器在不同方向均可產(chǎn)生良好的減振效果。當(dāng)風(fēng)/和地震作用力與 阻尼器底板的長軸方向平行或相交角度較小時(shí)，通過引入一個(gè)聯(lián)動(dòng)的中控系統(tǒng)，運(yùn)用脈沖 控制方法，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候主動(dòng)輸入很少的外部能量，使擋件與凸出件之間、阻尼器腔體內(nèi)顆 粒之間及顆粒與阻尼器腔體壁之間發(fā)生碰撞，此時(shí)該阻尼器發(fā)揮的是半主動(dòng)控制阻尼器的 作用。當(dāng)風(fēng)/和地震作用力與底板長軸方向垂直或相交角度較大時(shí)，阻尼器腔體與底板相 對(duì)靜止，此時(shí)阻尼器為被動(dòng)顆粒阻尼器。該阻尼器一方面通過動(dòng)量交換的方式產(chǎn)生與基本 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向相反的力來抑制基本結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，另一方面通過高度非線性的非彈性碰撞消 耗主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，劇烈的碰撞使系統(tǒng)中的能量發(fā)生空間上單向不可逆的轉(zhuǎn)移，通過 將能量集中在自身以降低主體結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，同時(shí)，碰撞還會(huì)使得主體結(jié)構(gòu)的能量在各模態(tài) 中的分布發(fā)生變化，使能量由低階模態(tài)轉(zhuǎn)移至振動(dòng)頻率高、耗能能力強(qiáng)的高階模態(tài)，能夠迅 速降低主體結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。綜合以上減振機(jī)制，該混合控制顆粒阻尼器可以達(dá)到良好的減振 效果。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案。
[0006] 本實(shí)用新型提出一種混合控制顆粒阻尼器，包括：底板1、嵌板2、側(cè)板3、導(dǎo)軌4、擋 件5、擋件伸縮控制器6、阻尼器腔體7、凸出件8、滾輪9和顆粒10。底板1可沿不同方向布 置多個(gè)，每個(gè)底板1上沿長軸方向平行布置一對(duì)嵌板2,兩組擋件5分別安裝在嵌板2上，布 置方向相反，使阻尼器腔體7沿底板1長軸方向做單向運(yùn)動(dòng)；阻尼器腔體7下方兩側(cè)設(shè)有滾 輪9,阻尼器腔體7下方設(shè)有凸出件8,側(cè)板3布置于底板1兩側(cè)，每個(gè)側(cè)板3中間設(shè)置一條 導(dǎo)軌4,使阻尼器腔體7上的滾輪9可沿導(dǎo)軌4做低阻尼運(yùn)動(dòng)；阻尼器腔體7分隔成多個(gè)空 腔，每個(gè)空腔內(nèi)布置有若干顆粒10 ;擋件伸縮控制器6連接擋件5,用于控制擋件5的伸出 和收縮。在風(fēng)/和地震等作用下，該裝置能夠在水平方向上，通過擋件伸縮控制器6脈沖式 地控制擋件5的伸出，引發(fā)擋件5與凸出件8之間、阻尼器腔體7內(nèi)部的顆粒10之間和顆 粒10與阻尼器腔體7壁之間產(chǎn)生劇烈碰撞，此時(shí)為半主動(dòng)控制阻尼器；當(dāng)風(fēng)/和地震作用 與底板1長軸垂直時(shí)，顆粒10之間和顆粒10與阻尼器腔體7壁之間依然能發(fā)生劇烈碰撞， 此時(shí)為被動(dòng)控制阻尼器。
[0007] 本實(shí)用新型中，所述擋件伸縮控制器6由單片機(jī)11、傳感器12、電源13和繼電器 14組成，傳感器12的輸出端連接單片機(jī)11的輸入端，單片機(jī)11的輸出端連接繼電器14的 輸入端，單片機(jī)11、傳感器12和繼電器14分別連接電源13,所述繼電器14的輸出端連接 擋件5,所述單片機(jī)11的輸入端連接底板1。
[0008] 本實(shí)用新型中，擋件5和凸出件8宜用恢復(fù)系數(shù)大于0. 7的材料，且擋件5須能被 磁鐵吸引。
[0009] 本實(shí)用新型中，擋件5安裝在嵌板2上，數(shù)量為2組，每組有12~24個(gè)。
[0010] 本實(shí)用新型中，顆粒10為圓形，直徑為2mnT50mm，材料為金屬或非金屬中的一種 或以上。
[0011] 本實(shí)用新型中，每層顆粒1〇在水平面占用的總面積為阻尼器腔體7底面積的 409Γ80%，顆粒10的總體積應(yīng)為阻尼器腔體7總體積的59Γ20%。
[0012] 本實(shí)用新型中，在每個(gè)擋件5的長度范圍內(nèi)，可在阻尼器腔體7底部均勻布置一個(gè) 或多個(gè)凸出件8。
[0013] 本實(shí)用新型中，所述擋件伸縮控制器6通過內(nèi)置傳感器監(jiān)測(cè)基本結(jié)構(gòu)位移零點(diǎn)及 阻尼器腔體7與基本結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向，觸發(fā)擋件5的伸出，以觸發(fā)多種碰撞，產(chǎn)生控制力及 耗散系統(tǒng)機(jī)械能。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)如下：
[0015] 1)本實(shí)用新型是一種混合控制顆粒阻尼器，可以根據(jù)風(fēng)/和地震作用的方向自動(dòng) 調(diào)整為半主動(dòng)和被動(dòng)控制阻尼器，因半主動(dòng)控制阻尼器較被動(dòng)控制阻尼器具有更多的耗能 途徑，可以根據(jù)建筑物在不同方向的抗側(cè)能力將阻尼器長軸方向布置在建筑物抗側(cè)能力最 弱的方向，提高了阻尼器的減振耗能效率。
[0016] 2)本實(shí)用新型所需外界輸入能量極少，且減振效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于被動(dòng)式控制裝置，可 以與主動(dòng)控制裝置相媲美。
[0017] 3)本實(shí)用新型中引入聯(lián)動(dòng)中控系統(tǒng)，通過擋件伸縮控制器脈沖式地控制擋件伸出 和收縮，可以在基本結(jié)構(gòu)的位移為零，且附加阻尼器腔體與基本結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)伸出， 從而觸發(fā)擋件與阻尼器腔體底端凸出件的碰撞，產(chǎn)生與基本結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向相反的控制力， 減小基本結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，達(dá)到理想的減振效果。
[0018] 4)本實(shí)用新型中引入顆粒阻尼器，顆粒運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性使阻尼器可以在不同方向和 較寬頻帶范圍內(nèi)發(fā)揮良好的減振效果。同時(shí)，通過顆粒之間及顆粒與阻尼器腔體壁之間高 度非線性的非彈性碰撞，使系統(tǒng)中的能量發(fā)生空間上單向不可逆的轉(zhuǎn)移，將能量集中于自 身以降低結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。碰撞還會(huì)使能量由低階模態(tài)轉(zhuǎn)移至振動(dòng)頻率高、耗能能力較強(qiáng)的高 階模態(tài)，能夠迅速降低結(jié)構(gòu)反應(yīng)。
[0019] 5)本實(shí)用新型不同于主動(dòng)控制質(zhì)量阻尼器，幾乎不需要基本結(jié)構(gòu)的信息，可以適 用于各種線性和非線性的基本結(jié)構(gòu)，只需監(jiān)測(cè)基本結(jié)構(gòu)的位移，且控制算法簡單，時(shí)滯小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為本實(shí)用新型的混合控制顆粒阻尼器裝置的示意圖；
[0021] 圖2為本實(shí)用新型的混合控制顆粒阻尼器裝置的俯視圖；
[0022] 圖3為本實(shí)用新型的混合控制顆粒阻尼器裝置的右視圖；
[0023] 圖4為本實(shí)用新型的擋件與凸出件的布置關(guān)系示意圖；
[0024] 圖5為本實(shí)用新型的擋件伸縮控制器的工作原理示意圖；
[0025] 圖中標(biāo)號(hào)：1為底板，2為嵌板，3為側(cè)板，4為導(dǎo)軌，5為擋件，6為擋件伸縮控制器， 7為阻尼器腔體，8為凸出件，9為滾輪，10為顆粒，11為單片機(jī)，12為傳感器，13為電源，14 為繼電器。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖，進(jìn)一步闡明本實(shí)用新型，在閱讀了本實(shí)用新型之后，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員對(duì)本實(shí)用新型的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0027] 如圖1所示，本實(shí)用新型為混合控制顆粒阻尼器，其主要包括底板1、嵌板2、側(cè)板 3、導(dǎo)軌4、擋件5、擋件伸縮控制器6、阻尼器腔體7、凸出件8、滾輪9和顆粒10。嵌板2固 定于底板1上，兩組擋件5分別安裝在嵌板2上，布置方向相反，從而可以保證阻尼器腔體 7沿底板1長軸方向做單向運(yùn)動(dòng)。在每個(gè)側(cè)板3的中間設(shè)置一條導(dǎo)軌4,使阻尼器腔體7上 的滾輪9可以沿導(dǎo)軌4做低阻尼運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)軌4和滾輪9之間的摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能的小， 同時(shí)側(cè)板3應(yīng)不易發(fā)生變形，保證導(dǎo)軌4的平整性。阻尼器腔體7可分隔成多個(gè)空腔，如圖 1所示。空腔的大小和顆粒10的數(shù)目要根據(jù)不同方向的水平作用力計(jì)算確定。擋件伸縮控 制器6控制擋件5的伸出和收縮。凸出件8在阻尼器腔體7底部的設(shè)置情況如圖4所示， 凸出件8和擋件5宜用恢復(fù)系數(shù)大于0. 7的材料。
[0028] 擋件伸縮控制器6工作原理如圖5所示，其工作過程如下：首先通過傳感器12監(jiān) 測(cè)基本結(jié)構(gòu)的位移和速度，并將信號(hào)傳給單片機(jī)11，單片機(jī)11將信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后 的信息傳遞給繼電器14。當(dāng)基本結(jié)構(gòu)的位移為零，且阻尼器腔體7與基本結(jié)構(gòu)的速度方向 相反時(shí)，繼電器14控制擋件5伸出?？刂品绞绞峭ㄟ^單片機(jī)11調(diào)整繼電器14中電流的有 無，使繼電器14在適當(dāng)時(shí)候產(chǎn)生磁力，吸引擋件5。底板1上設(shè)置方向不同的擋件5,阻尼 器腔體7運(yùn)動(dòng)方向的不同將導(dǎo)致其與不同方向的擋件5發(fā)生碰撞?？梢酝ㄟ^傳感器12監(jiān) 測(cè)不同的速度方向使將要與阻尼器腔體7發(fā)生碰撞的擋件5伸出，而另一組則不伸出，從而 可以最大程度地提高阻尼器的碰撞效率。
[0029] 將該阻尼器安裝在基本結(jié)構(gòu)的頂部或基本結(jié)構(gòu)中振動(dòng)幅度較大的部位。當(dāng)風(fēng)/和 地震作用力與底板1的長軸方向平行或相交角度較小時(shí)，阻尼器腔體7隨基本結(jié)構(gòu)沿導(dǎo)軌 4運(yùn)動(dòng)，兩者的運(yùn)動(dòng)方向相反；擋件伸縮控制器6可以監(jiān)測(cè)基本結(jié)構(gòu)的位移和速度，使擋件 5在基本結(jié)構(gòu)的位移為零，且阻尼器腔體7與基本結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)伸出，從而脈沖式 的控制擋件5的伸出，引發(fā)擋件5與凸出件8之間、阻尼器腔體7內(nèi)部的顆粒10之間和顆 粒10與阻尼器腔體7壁之間產(chǎn)生劇烈碰撞，此時(shí)該阻尼器為半主動(dòng)控制阻尼器。當(dāng)風(fēng)/和 地震作用力與底板1長軸方向垂直或相交角度較大時(shí)，阻尼器腔體7與底板1相對(duì)靜止，此 時(shí)阻尼器為被動(dòng)顆粒阻尼器，通過顆粒10之間和顆粒10與阻尼器腔體7壁之間發(fā)生碰撞 耗能。半主動(dòng)控制阻尼器較被動(dòng)控制阻尼器的耗能途徑多，高層建筑結(jié)構(gòu)在每個(gè)方向的抗 側(cè)能力具有差異性，可以將該阻尼底板1長邊布置在結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力最弱的方向，以最大限 度的提高阻尼器的阻尼性能。
【權(quán)利要求】
1. 一種混合控制顆粒阻尼器，包括：底板（1)、嵌板（2)、側(cè)板（3)、導(dǎo)軌（4)、擋件（5)、 擋件伸縮控制器（6)、阻尼器腔體（7)、凸出件（8)、滾輪（9)和顆粒（10)，其特征在于：底板 (1)可沿不同方向布置多個(gè)，每個(gè)底板（1)上沿長軸方向平行布置一對(duì)嵌板（2)，兩組擋件 (5)分別安裝在嵌板（2)上，布置方向相反，使阻尼器腔體（7)沿底板（1)長軸方向做單向運(yùn) 動(dòng)；阻尼器腔體（7)下方兩側(cè)設(shè)有滾輪（9)，阻尼器腔體（7)下方設(shè)有凸出件（8)，側(cè)板（3) 布置于底板（1)兩側(cè)，每個(gè)側(cè)板（3)中間設(shè)置一條導(dǎo)軌（4)，使阻尼器腔體（7)上的滾輪（9) 可沿導(dǎo)軌（4)做低阻尼運(yùn)動(dòng)；阻尼器腔體（7)分隔成多個(gè)空腔，每個(gè)空腔內(nèi)布置有若干顆粒 (10);擋件伸縮控制器（6)連接擋件（5)，用于控制擋件（5)的伸出和收縮。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合控制顆粒阻尼器，其特征在于所述擋件伸縮控制器（6) 由單片機(jī)（11)、傳感器（12)、電源（13)和繼電器（14)組成，傳感器（12)的輸出端連接單 片機(jī)（11)的輸入端，單片機(jī)（11)的輸出端連接繼電器（14)的輸入端，單片機(jī)（11)、傳感器 (12)和繼電器（14)分別連接電源（13)，所述繼電器（14)的輸出端連接擋件（5)，所述單片 機(jī)（11)的輸入端連接底板（1)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合控制顆粒阻尼器，其特征在于：擋件（5)和凸出件（8)采 用恢復(fù)系數(shù)大于〇. 7的材料，且擋件（5)須能被磁鐵吸引。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合控制顆粒阻尼器，其特征在于：每組擋件（5)有12~24 個(gè)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合控制顆粒阻尼器，其特征在于：顆粒（10)為圓形，直徑為 2mnT50mm，材料為金屬或非金屬中的一種或以上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合控制顆粒阻尼器，其特征在于：每層顆粒（10)在水平面 占用的總面積為阻尼器腔體（7)底面積的409Γ80%，顆粒（10)總體積為阻尼器腔體（7)總 體積的5%?20%。
【文檔編號(hào)】E04B1/98GK203891245SQ201420309157
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】魯正, 王佃超 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)