本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，尤其涉及用于土木結(jié)構(gòu)振動控制的主動質(zhì)量阻尼裝置。

背景技術(shù)：

土木工程結(jié)構(gòu)在使用過程中不可避免地經(jīng)受各種各樣的荷載作用，其中包括靜荷載和動荷載，動荷載如地震、風(fēng)等；對于海洋工程結(jié)構(gòu)還要經(jīng)受風(fēng)、浪、流聯(lián)合激勵的作用，以及冬季的海冰作用。這些動荷載對結(jié)構(gòu)的作用都會引起結(jié)構(gòu)的振動，嚴(yán)重時將使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。例如，結(jié)構(gòu)在地震作用下，結(jié)構(gòu)某些部位的地震反應(yīng)(加速度、位移等)過大，將使主體承重結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞、甚至倒塌，或者雖然主體結(jié)構(gòu)未破壞，但裝飾裝修等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)無法繼續(xù)使用，從而造成嚴(yán)重的損失，甚至是人員傷亡。

對于土木工程結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)中恰當(dāng)?shù)匕惭b振動控制系統(tǒng)能夠有效地減小結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞或損傷，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性、安全性與可靠性的合理平衡。其中，主動質(zhì)量阻尼器(activemassdamper,amd)以其良好的控制效果、低廉的控制代價在眾多的主動控制手段中脫穎而出。例如，對于海洋平臺結(jié)構(gòu)，有研究表明，采用主動振動控制使平臺結(jié)構(gòu)動應(yīng)力幅值減小15％，則可使結(jié)構(gòu)壽命延長兩倍以上，同時還會使海洋平臺的檢測和維護(hù)費用大幅度降低，具有重要的實際意義。

現(xiàn)有的amd控制系統(tǒng)絕大多數(shù)采用液壓系統(tǒng)或者伺服電機馬達(dá)作為出力裝置，慣性質(zhì)量塊在出力裝置作用下沿直線運動。其中，液壓系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜、需要空間大、經(jīng)過電液能量轉(zhuǎn)換后能源利用效率降低，需要定期換油、維護(hù)成本高，運行時噪聲大，有時由于密封不嚴(yán)而漏油、污染環(huán)境等等，這些問題在一定程度上限制了液壓驅(qū)動amd控制系統(tǒng)的應(yīng)用；而伺服電機驅(qū)動的直線amd裝置由于需要借助于機械傳動部件(如齒輪、或絲杠、或皮帶)等中間環(huán)節(jié)，存在諸如響應(yīng)慢、控制精度低等問題。這些問題都限制了amd裝置在實際建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種基于旋轉(zhuǎn)激勵作動器的主動質(zhì)量阻尼裝置。

注：不同于傳統(tǒng)的直線amd裝置，本發(fā)明所提出的新型amd裝置中慣性質(zhì)量塊在電機的驅(qū)動下做旋轉(zhuǎn)運動，因而稱之為基于旋轉(zhuǎn)激勵作動器的amd裝置(activemassdamperwithrotationalactuator，以下簡稱為r-amd)。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種基于旋轉(zhuǎn)激勵作動器的主動質(zhì)量阻尼裝置，包括：

基座、兩個偏心質(zhì)量塊、兩個輕質(zhì)量連桿和兩個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機；

基座為軸對稱結(jié)構(gòu)體；

一個偏心質(zhì)量塊、一根輕質(zhì)量連桿和一個驅(qū)動電機組成一個振動控制單元，偏心質(zhì)量塊通過輕質(zhì)量連桿與驅(qū)動電機輸出端連接；

其中，兩個震動單元軸對稱固定于基座上；兩個輕質(zhì)量連桿長度相同，偏心質(zhì)量塊質(zhì)量相同；兩個偏心質(zhì)量塊在各自的驅(qū)動電機驅(qū)動下做相向同步旋轉(zhuǎn)運動，兩個偏心質(zhì)量塊在電機的驅(qū)動下做“相向同步旋轉(zhuǎn)運動”，即兩個偏心質(zhì)量塊以相同的速度在兩個平行平面內(nèi)相向轉(zhuǎn)動，兩個偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)過角度始終保持一致；因此，整個裝置控制合力的輸出方向為兩偏心輪質(zhì)心夾角的中心線上。

綜上，本發(fā)明旋轉(zhuǎn)運動的引入使得系統(tǒng)不需要對慣性質(zhì)量的運動進(jìn)行限位處理，工程實現(xiàn)更加簡便。可用于抑制風(fēng)、地震等載荷引起的樓宇、橋梁等土木工程結(jié)構(gòu)物振動。通過抑制結(jié)構(gòu)物的振動響應(yīng)，在保障結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全的同時，還可有效提高居住與使用人員的舒適感；同時，與傳統(tǒng)的直線amd裝置相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、在液壓驅(qū)動的傳統(tǒng)直線amd系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)不但構(gòu)成復(fù)雜，而且運行過程中需要很大的能量供給；本發(fā)明采用旋轉(zhuǎn)電機控制系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動，系統(tǒng)具有“構(gòu)成簡便、功耗低、效率高”的優(yōu)勢；同時，由于電機可四象限運行(工作在發(fā)電制動狀態(tài))，結(jié)構(gòu)振動的能量可以部分回收再利用。

2、慣性質(zhì)量塊做旋轉(zhuǎn)運動，在旋轉(zhuǎn)時不會受到行程的限制，不需要為其設(shè)置限位裝置；

3、慣性質(zhì)量塊可以不借助于機械傳動部件，如齒輪、絲杠等中間部件，直接由電機帶動旋轉(zhuǎn)(直接驅(qū)動)，可以有效減少摩擦耗能、提高系統(tǒng)的效率、響應(yīng)速度和控制精度。

4、旋轉(zhuǎn)電機伺服系統(tǒng)占用空間小、成本低，容易維護(hù)，便于采用多套r-amd裝置協(xié)同工作，可有效抑制復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)激響應(yīng)或者地震響應(yīng)，提高控制系統(tǒng)效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做以簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)立體示意圖。

圖2為圖本發(fā)明的側(cè)視示意圖。

圖3為本發(fā)明控制結(jié)構(gòu)平移震動的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為采用兩套本發(fā)明裝置的橋梁節(jié)段裝配示意圖。

圖5為采用兩套本發(fā)明裝置的橋梁節(jié)段旋轉(zhuǎn)振動示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1和圖2所示的一種基于旋轉(zhuǎn)激勵作動器的主動質(zhì)量阻尼裝置，包括：

基座1、兩個偏心質(zhì)量塊2、兩個輕質(zhì)量連桿3和兩個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機；

基座1為軸對稱結(jié)構(gòu)體(可為框架結(jié)構(gòu)也可以為實體結(jié)構(gòu))；

一個偏心質(zhì)量塊2、一根輕質(zhì)量連桿3和一個驅(qū)動電機組成一個振動控制單元，偏心質(zhì)量塊2通過輕質(zhì)量連桿3與驅(qū)動電機輸出端連接；

其中，兩個震動單元軸對稱固定于基座1上；兩個輕質(zhì)量連桿3長度相同，偏心質(zhì)量塊2質(zhì)量相同；兩個偏心質(zhì)量塊2在各自的驅(qū)動電機驅(qū)動下做相向同步旋轉(zhuǎn)運動，即以相同的速度在兩個平行平面內(nèi)相向轉(zhuǎn)動，兩個偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)過角度始終保持一致；

兩個偏心質(zhì)量塊在電機的驅(qū)動下做旋轉(zhuǎn)運動，偏心質(zhì)量塊在平行平面內(nèi)反向轉(zhuǎn)動。每個偏心質(zhì)量大小為mc，偏心慣性質(zhì)量塊在伺服電機輸出的轉(zhuǎn)矩作用下在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動半徑均為rc，慣性質(zhì)量關(guān)于質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量為jc，兩個偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)過角度一致保持一致。根據(jù)控制需求，兩個偏心質(zhì)量塊可以勻速旋轉(zhuǎn)也可以變速旋轉(zhuǎn)。

因為兩個偏心質(zhì)量塊是相向轉(zhuǎn)動(且速度相同)，整個裝置控制力的輸出方向為兩慣性塊夾角的中心線上，而在垂直于中心線的方向上的力則可完全抵消掉，合力為零。通過控制調(diào)整偏心質(zhì)量塊的初始位置，可以對裝置的控制力方向進(jìn)行調(diào)整。

對于本發(fā)明有兩種實施方案：

實施方案一，參見附圖3，本實施方案中，采用一套本發(fā)明配置到被控結(jié)構(gòu)中，按照之前的分析，此時控制力的方向由兩個偏心質(zhì)量塊的初始位置決定，控制力的大小為

式(1)中各參數(shù)為：mc為偏心質(zhì)量大小，rc為轉(zhuǎn)動半徑，ω為旋轉(zhuǎn)角速度，為偏心質(zhì)量初始相位，t為時間。

本發(fā)明(r-amd裝置)安裝位置接近樓宇頂部時，控制效果更好。

實施方案二，參見圖4和圖5，本實施方案中，采用兩套本發(fā)明(r-amd裝置)配合使用，兩套本發(fā)明(r-amd裝置)中偏心質(zhì)量塊初始位移不同，相差了θ0，如圖5所示，在全局坐標(biāo)下，兩套本發(fā)明(r-amd裝置)的四個偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)過的角度為這樣兩套本發(fā)明(r-amd裝置)的控制力fc1和fc2方向不同，從而會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩mc，其大小為

其中，α為橋梁節(jié)段轉(zhuǎn)過的角度，b為半橋?qū)?，vr為兩套本發(fā)明(r-amd裝置，且下文分別命名為r-amd1和r-amd2)偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)半徑的比值。此外，圖5中其他變量物理意義為：v為風(fēng)速，rl為r-amd1偏心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)半徑，rr為r-amd2旋轉(zhuǎn)半徑，cα為橋體旋轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)，kα為剛度系數(shù)。

通過調(diào)節(jié)θ0和vr可以調(diào)節(jié)r-amd產(chǎn)生的控制轉(zhuǎn)矩的大小，利用該轉(zhuǎn)矩可以控制結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)振動，例如電視塔、樓宇繞垂向中心軸的旋轉(zhuǎn)振動，以及如圖4、5所示的風(fēng)載荷引起的橋梁節(jié)段繞甲板中心的旋轉(zhuǎn)振動。

對于更復(fù)雜的土木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可以采用多套r-amd系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，配合適當(dāng)?shù)乃惴ǎ瑢崿F(xiàn)對“風(fēng)振、地震”響應(yīng)的有效控制。

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。