本發(fā)明屬于工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置及設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
斜拉橋拉索極易發(fā)生大幅的風(fēng)振、風(fēng)雨振和參數(shù)振動(dòng)。斜拉索減振主要有氣動(dòng)措施、結(jié)構(gòu)措施與機(jī)械阻尼措施三大類。相對(duì)氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)措施，機(jī)械阻尼措施屬于一種更為廣譜的斜拉索減振措施，實(shí)際工程應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)阻尼器內(nèi)部耗能材料，斜拉索常用減振阻尼器可分為：高阻尼橡膠減振器、粘性剪切型阻尼器、油阻尼器、磁流變(mr)阻尼器及磁力阻尼器等。內(nèi)置高阻尼橡膠阻尼器對(duì)拉索阻尼比的提高極為有限；粘性剪切型阻尼器存在阻尼特性易受溫度的影響及尺寸較大等缺點(diǎn)；外置式油阻尼器或mr阻尼器存在耐久性問(wèn)題，如漏液或沉淀；磁力阻尼器目前僅試驗(yàn)性地用于日本天建寺橋，其主要原理是利用磁石與吸著板的吸著或分離實(shí)現(xiàn)拉索不同振型能量之間的轉(zhuǎn)化。
被動(dòng)阻尼器對(duì)斜拉索的振動(dòng)控制，由于強(qiáng)烈受阻尼器安裝高度的限制，且無(wú)法同時(shí)對(duì)拉索多階模態(tài)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，因此減振效果往往受限。近年來(lái)，以mr阻尼器代表的拉索半主動(dòng)控制技術(shù)逐漸興起。相關(guān)研究與工程實(shí)踐已證實(shí)了mr阻尼器半主動(dòng)控制的減振效果，但系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，需要安裝包括傳感器、控制器在內(nèi)的一套控制系統(tǒng)，且需要外界提供穩(wěn)定的電源供給，在一定程度上制約了工程推廣應(yīng)用。
綜上，雖然現(xiàn)有阻尼器減振措施在一定程度上解決了既有斜拉索振動(dòng)問(wèn)題，但也依然存在以下問(wèn)題：(1)受斜拉索阻尼器安裝位置的限制，超長(zhǎng)斜拉索減振面臨附加模態(tài)阻尼比不足的挑戰(zhàn)與困難；(2)現(xiàn)有常規(guī)阻尼器內(nèi)置硅油或磁流變液體，長(zhǎng)期工作存在漏油失效破壞與性能退化的可能；(3)減振效果更好的斜拉索半主動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，難以在實(shí)際工程得到推廣應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有阻尼器減振措施，雖然在一定程度上解決了既有斜拉索振動(dòng)問(wèn)題，但依然存在(1)受斜拉索阻尼器安裝位置的限制，超長(zhǎng)斜拉索減振面臨附加模態(tài)阻尼比不足的挑戰(zhàn)與困難；(2)現(xiàn)有常規(guī)阻尼器內(nèi)置硅油或磁流變液體，長(zhǎng)期工作存在漏油失效破壞與性能退化的可能；(3)減振效果更好的斜拉索半主動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，難以在實(shí)際工程得到推廣應(yīng)用等問(wèn)題，提出一種表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置及設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置，包括阻尼裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于連接斜拉索和阻尼裝置，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括傳力桿和滾珠絲杠，傳力桿的一端固定安裝有夾具，傳力桿的另一端同軸連接有滾珠螺母，滾珠螺母內(nèi)套裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠通過(guò)推力軸承固定安裝在固定架上；所述阻尼裝置包括旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器，滾珠絲杠的一端通過(guò)聯(lián)軸器與旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器的轉(zhuǎn)軸的一端連接，旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器轉(zhuǎn)軸的另一端安裝有飛輪。
所述的表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置，所述滾珠螺母上平行安裝有滑塊，滑塊套裝在與滾珠螺母平行設(shè)置的直線導(dǎo)軌上。
所述的表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置，所述旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器負(fù)載有能夠連續(xù)調(diào)節(jié)電阻的滑動(dòng)變阻器。
所述的表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置，所述傳力桿與滾珠螺母固定的一端的端面上開(kāi)設(shè)有盲孔，盲孔的直徑大于滾珠絲杠的直徑。
一種表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置的設(shè)計(jì)方法，具體設(shè)計(jì)步驟包括：
確定斜拉索振動(dòng)基頻；
確定表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器的安裝位置；
計(jì)算表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器的阻尼參數(shù)；
計(jì)算表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器的剛度參數(shù)。
所述的表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置的設(shè)計(jì)方法，所述確定斜拉索振動(dòng)基頻具體包括：根據(jù)公式
所述的表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置的設(shè)計(jì)方法，所述確定表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器的安裝位置具體為：利用xd/l的值來(lái)確定旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器的安裝位置，xd/l宜在2ξc～5％之間取值，其中xd表示阻尼器安裝夾具中心距斜拉索錨固端的斜拉索長(zhǎng)度，ξc表示抑制斜拉索振動(dòng)所需的目標(biāo)模態(tài)阻尼比。
所述的表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置的設(shè)計(jì)方法，所述設(shè)計(jì)表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器的阻尼參數(shù)組件具體包括：令表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器等效阻尼系數(shù)
所述的表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置的設(shè)計(jì)方法，所述設(shè)計(jì)表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器的剛度參數(shù)組件具體包括：令表觀質(zhì)量電磁阻尼器飛輪產(chǎn)生的負(fù)剛度系數(shù)
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)有效放大了旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器的轉(zhuǎn)速，提高了阻尼器的等效阻尼系數(shù)，從而提升了電磁阻尼器的耗能效率；安裝在電磁阻尼器轉(zhuǎn)軸上的慣性飛輪帶來(lái)的表觀質(zhì)量效應(yīng)，通過(guò)滾珠絲杠機(jī)構(gòu)得到放大，為斜拉索減振系統(tǒng)提供了被動(dòng)負(fù)剛度控制特性，有效提升了斜拉索的減振效果，突破了斜拉索被動(dòng)控制減振效果嚴(yán)重受限于安裝高度的瓶頸；表觀質(zhì)量電磁阻尼器減振裝置的剛度系數(shù)與阻尼系數(shù)均具有可調(diào)性；斜拉索減振裝置全部由金屬材料制作，具有較高的耐久性，可實(shí)現(xiàn)與斜拉索同壽命；本發(fā)明的斜拉索減振裝置的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了斜拉索減振系統(tǒng)的阻尼與剛度參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)最優(yōu)負(fù)剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)設(shè)計(jì)，可以成倍提高拉索的模態(tài)阻尼比。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置安裝示意圖；
圖2為本發(fā)明表觀質(zhì)量電磁阻尼器構(gòu)造示意圖；
圖中，1為傳力桿，2為斜拉索，3為滑塊，4為滾珠螺母，5為直線導(dǎo)軌，6為滾珠絲杠，7為推力軸承，8為聯(lián)軸器，9為旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器，10為飛輪，11為斜拉索錨固端，12為夾具，13為固定架。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1：結(jié)合圖1-圖2，一種表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置，包括阻尼裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于連接斜拉索和阻尼裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括傳力桿和滾珠絲杠，傳力桿的一端固定安裝有夾具，夾具有兩個(gè)半環(huán)組成，兩個(gè)半環(huán)通過(guò)螺栓固定連接，傳力桿的另一端同軸連接有滾珠螺母，滾珠螺母內(nèi)套裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠通過(guò)推力軸承固定安裝在固定架上。
阻尼裝置包括旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器，滾珠絲杠的一端通過(guò)聯(lián)軸器與旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器轉(zhuǎn)軸的一端連接，旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器轉(zhuǎn)軸的另一端安裝有飛輪。滾珠螺母上平行安裝有滑塊，滑塊套裝在與滾珠螺母平行設(shè)置的直線導(dǎo)軌上。旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器負(fù)載有能夠連續(xù)調(diào)節(jié)電阻的滑動(dòng)變阻器，滑動(dòng)變阻器采用導(dǎo)線與旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器連接。傳力桿與滾珠螺母固定的一端的端面上開(kāi)設(shè)有盲孔，盲孔的直徑大于滾珠絲杠的直徑。
該裝置工作過(guò)程如下：當(dāng)斜拉索發(fā)生面內(nèi)振動(dòng)時(shí)，傳力桿將夾具處斜拉索的振動(dòng)位移傳遞到滾珠螺母，繼而驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠、電磁阻尼器轉(zhuǎn)軸以及飛輪同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)電磁阻尼器能量消耗抑制斜拉索振動(dòng)。
一種表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置的設(shè)計(jì)方法，具體設(shè)計(jì)步驟包括：確定斜拉索振動(dòng)基頻，具體包括：根據(jù)公式
設(shè)計(jì)表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器的阻尼參數(shù)組件，具體包括：令表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器等效阻尼系數(shù)
設(shè)計(jì)表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器的剛度參數(shù)組件，具體包括：令表觀質(zhì)量電磁阻尼器飛輪產(chǎn)生的負(fù)剛度系數(shù)
進(jìn)一步的：模型斜拉索減振設(shè)計(jì)：針對(duì)一根11.4m長(zhǎng)的模型斜拉索，依照本發(fā)明的方案進(jìn)行斜拉索減振設(shè)計(jì)，則模型斜拉索與設(shè)計(jì)得到的表觀質(zhì)量電磁阻尼器相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1模型斜拉索與表觀質(zhì)量電磁阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)
模型斜拉索減振試驗(yàn)：完成表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置的安裝與調(diào)試工作后，采用人工激振的方式(激振點(diǎn)設(shè)在遠(yuǎn)離阻尼器安裝側(cè)的斜拉索4分點(diǎn)處)先使模型斜拉索產(chǎn)生以1階面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)為主的大幅振動(dòng)，然后瞬間去除激勵(lì)，讓斜拉索做自由衰減振動(dòng)，測(cè)試斜拉索跨中位置的加速度振動(dòng)信號(hào)。
模型斜拉索減振試驗(yàn)結(jié)果：表2給出了各工況模型斜拉索第一階面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)阻尼比測(cè)試結(jié)果，其中附加阻尼比為相應(yīng)工況的模態(tài)阻尼比實(shí)測(cè)值扣除斜拉索固有阻尼比所得?？梢?jiàn)，本發(fā)明專利提出的表觀質(zhì)量旋轉(zhuǎn)式電磁阻尼器斜拉索減振裝置，減振效果(附加模態(tài)阻尼比)相對(duì)傳統(tǒng)最優(yōu)粘滯阻尼器(表2中的普通電磁阻尼器)提升了3.39倍。
表2不同工況模型斜拉索的最優(yōu)阻尼比(％)