壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，包括球形轉(zhuǎn)動軸、吊桿及質(zhì)量擺三部分。該裝置通過螺桿將質(zhì)量擺的向心力傳遞至壓電陶瓷傳感器，由于晶體的壓電效應(yīng)，會產(chǎn)生電流，電流通入勵磁線圈，勵磁線圈會在內(nèi)外球殼間產(chǎn)生磁場，填充在內(nèi)外球殼間的磁流變液的粘度及流動性會發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而控制質(zhì)量擺的擺動幅度和頻率，實(shí)現(xiàn)振動的智能控制。由于轉(zhuǎn)動軸為球形，質(zhì)量擺可根據(jù)振動方向，沿各個(gè)方向振動，實(shí)現(xiàn)多方向控制。另外，接收到力信號的力傳感器會將信號傳遞至計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便在極端不利環(huán)境下對被控結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)措施，避免災(zāi)害的發(fā)生。
【專利說明】
壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于高聳結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的控制范疇，具體涉及一種壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]高聳結(jié)構(gòu)作為高投入的土木工程結(jié)構(gòu)，確保其安全穩(wěn)定的運(yùn)行具有重要意義。傳統(tǒng)意義上，結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)是通過提高自身的能力來耗散地震的能量，這種方法既不經(jīng)濟(jì)，也不能達(dá)到預(yù)期的效果。近年來，結(jié)構(gòu)振動控制作為一個(gè)新的課題為學(xué)者們重視。目前常用的振動控制技術(shù)可以分為被動控制、主動控制、半主動控制、智能控制和混合控制。目前振動控制的方法主要包括消振、隔振、動力吸振及阻尼減振等方法。
[0003]懸吊質(zhì)量擺體系和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器體系是目前比較主流的減振控制裝置。懸吊質(zhì)量擺體系是一種應(yīng)用于柔性結(jié)構(gòu)的有效減振措施，該體系設(shè)計(jì)簡單方便、造價(jià)低，是一種實(shí)用性較好的控制裝置。傳統(tǒng)的懸吊質(zhì)量擺體系主要由配重塊、吊桿(吊線)組成，其弊端如下:第一、傳統(tǒng)的懸吊質(zhì)量擺只能在一定范圍內(nèi)擺動，當(dāng)結(jié)構(gòu)振動較大時(shí)，不能有效控制;第二、懸吊質(zhì)量擺不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)擺動頻率，以便起到更好的減振效果;第三、傳統(tǒng)懸吊質(zhì)量擺只能控制單方向的振動控制。
[0004]壓電效應(yīng)是指某些晶體材料在壓力作用下可以產(chǎn)生電荷或電壓。壓電正效應(yīng)是指壓電材料在外力作用下變形時(shí)，會引起材料內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對移動產(chǎn)生電極化，從而導(dǎo)致材料兩個(gè)表面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，電荷密度和外力成正比。壓電正效應(yīng)反應(yīng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能力。壓電逆效應(yīng)是指壓電元件上下兩表面通以電壓，造成壓電元件內(nèi)部正負(fù)電荷中心的發(fā)生相對移動，導(dǎo)致壓電材料變形。
[0005]為克服以上弊端，本發(fā)明提出一種壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置。本發(fā)明根據(jù)壓電效應(yīng)原理，采用壓電陶瓷驅(qū)動器，控制磁流變液的粘度和流動性，改變轉(zhuǎn)軸摩擦力，進(jìn)而控制質(zhì)量擺的頻率和擺動幅度，達(dá)到最優(yōu)控制的效果；同時(shí)，通過設(shè)置球形轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向的振動控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是提供一種壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，主要針對高聳結(jié)構(gòu)振動控制，旨在減小其在地震或風(fēng)荷載作用下的振動反應(yīng)，從而達(dá)到減振耗能的效果。本發(fā)明通過壓電陶瓷驅(qū)動器，控制懸吊質(zhì)量擺的頻率，進(jìn)而有效控制結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。該裝置將結(jié)構(gòu)振動的能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量擺的動能。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0008]壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，包括同心套裝在一起的內(nèi)球殼和外球殼;在內(nèi)球殼的外表面和/或外球殼的內(nèi)表面呈球狀包裹有激勵線圈；所述的內(nèi)球殼內(nèi)豎直安裝有一個(gè)定位桿，所述的定位桿的頂部延伸到外球殼外，底部固定在內(nèi)球殼的內(nèi)表面;在所述的定位桿上安裝有電流產(chǎn)生元件;所述的外球殼的外表面通過吊桿與一個(gè)質(zhì)量擺相連;在所述的內(nèi)球殼與外球殼形成的空間內(nèi)填充有控制控制質(zhì)量擺的擺動幅度和速度的元件。
[0009]質(zhì)量擺擺動速度不同，向心力大小不同；向心力傳至力傳感器，繼而傳遞至壓電陶瓷驅(qū)動器，壓電陶瓷驅(qū)動器產(chǎn)生電流，電流通過勵磁線圈，在內(nèi)、外球殼間產(chǎn)生磁場，磁流變液粘度和流動性發(fā)生改變，滾珠之間的摩擦力發(fā)生改變，進(jìn)而控制質(zhì)量擺的頻率，使之與被控結(jié)構(gòu)頻率相似，達(dá)到最佳控制效果。內(nèi)球殼和外球殼共同構(gòu)成了一個(gè)球形轉(zhuǎn)動軸，由于轉(zhuǎn)軸為球形，質(zhì)量擺可根據(jù)振動方向，沿各個(gè)方向擺動，實(shí)現(xiàn)多方向控制振動的目的。
[0010]進(jìn)一步的，所述的定位桿為定位螺桿，所述的定位螺桿與定位螺栓配合，將壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置固定在被控結(jié)構(gòu)的頂部。
[0011]定位螺桿連接力傳感器保護(hù)裝置、力傳感器及壓電陶瓷驅(qū)動器。一方面將該裝置安裝在被控結(jié)構(gòu)的頂端;另一方面，確保內(nèi)球殼內(nèi)的裝置可以始終保持豎直狀態(tài)，以便更好地傳遞質(zhì)量擺的向心力。
[0012]進(jìn)一步的，在所述的定位桿上還安裝有用于監(jiān)測控制裝置振動響應(yīng)大小的力傳感器。
[0013]進(jìn)一步的，所述的力傳感器頂部安裝有保護(hù)裝置。
[0014]進(jìn)一步的，所述的力傳感器和保護(hù)裝置均位于內(nèi)球殼內(nèi)。
[0015]進(jìn)一步的，所述的力傳感器與數(shù)據(jù)處理單元相連，便于采取響應(yīng)措施，應(yīng)對災(zāi)害發(fā)生。
[0016]進(jìn)一步的，所述的控制控制質(zhì)量擺的擺動幅度和速度的元件包括設(shè)置在內(nèi)球殼與外球殼形成的空間內(nèi)的滾珠和填充在滾珠間隙的磁流變液。
[0017]磁流變液填充在內(nèi)外球殼滾珠的間隙，根據(jù)磁場的變化，磁流變液的粘度和流動性也會相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而改變滾珠的摩擦力，控制質(zhì)量擺的擺動幅度和速度。滾珠位于內(nèi)球殼和外球殼之間，用于保證質(zhì)量擺的擺動控制。
[0018]進(jìn)一步的，所述的電流產(chǎn)生元件為壓電陶瓷驅(qū)動器，所述壓電陶瓷驅(qū)動器，在外力作用下，壓電材料產(chǎn)生電荷移動，產(chǎn)生電流，電流通過勵磁線圈。
[0019]進(jìn)一步的，所述激勵線圈呈球狀包圍在內(nèi)球殼的外表面和外球殼的內(nèi)表面，通入電流后，會在內(nèi)外球殼之間產(chǎn)生磁場。
[0020]進(jìn)一步的，所述外球殼連接吊桿，吊桿與質(zhì)量擺相連。吊桿長度與質(zhì)量擺可根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算獲得。
[0021]進(jìn)一步的，所述的內(nèi)、外球殼采用不銹鋼材質(zhì)制作，防止其在風(fēng)雨等氣象條件下發(fā)生銹蝕。
[0022]本發(fā)明的工作原理如下:
[0023]將該裝置固定于高聳結(jié)構(gòu)的頂部，在地震或風(fēng)荷載作用下，被控結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，帶動質(zhì)量擺發(fā)生相應(yīng)方向的擺動。定位螺桿將力傳遞給力傳感器，然后將其傳遞給壓電陶瓷驅(qū)動器，產(chǎn)生電流，壓電陶瓷驅(qū)動器與勵磁線圈相連，勵磁線圈在通電后，產(chǎn)生磁場，內(nèi)外球殼間的磁流變液的粘度及流動性發(fā)生響應(yīng)變化，起到控制質(zhì)量擺擺動角度及擺速的作用，從而實(shí)現(xiàn)振動的智能控制。另一方面，通過力傳感器檢測質(zhì)量擺的向心力，實(shí)時(shí)監(jiān)測振動響應(yīng)，并采取相應(yīng)措施，避免災(zāi)害發(fā)生。
[0024]本發(fā)明的有益效果如下:
[0025]本發(fā)明可通過被控結(jié)構(gòu)的振動頻率和幅度，實(shí)時(shí)控制質(zhì)量擺的振動頻率和振幅，達(dá)到最優(yōu)控制的效果。該裝置不需外加電源，可通過裝置自身對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。由于轉(zhuǎn)軸為球形，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的振動控制。該裝置構(gòu)造簡單，靈活性高，性價(jià)比高，使用方便。
【附圖說明】
[0026]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1是壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置示意圖；
[0028]圖中:I定位螺栓，2螺桿，3內(nèi)球殼，4外球殼，5滾珠，6磁流變液，7力傳感器保護(hù)裝置，8力傳感器，9壓電陶瓷驅(qū)動器，10勵磁線圈，11吊桿，12重力擺。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0030]本發(fā)明提出的壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置如圖1所示，該裝置可以安裝在高聳結(jié)構(gòu)的頂部。
[0031]具體結(jié)構(gòu)如下:該減振裝置是由球形轉(zhuǎn)動軸、吊桿11及重力球擺12三部分組成。其中球形轉(zhuǎn)動軸是由定位螺栓I及螺桿2固定于高聳結(jié)構(gòu)的頂端，有內(nèi)球殼3和外球殼4構(gòu)成，內(nèi)球殼內(nèi)設(shè)置力傳感器保護(hù)裝置7、力傳感器8及壓電陶瓷驅(qū)動器9三部分組成。內(nèi)球殼外球殼之間通過滾珠5連接，并充滿磁流變液6，勵磁線圈10位于內(nèi)球殼的外表面和/或外球殼的內(nèi)表面。外球殼與吊桿11連接，吊桿11與重力擺12相連。
[0032]被控結(jié)構(gòu)在地震或風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生振動，致使質(zhì)量擺擺動，螺桿將質(zhì)量擺的向心力傳遞至壓電陶瓷驅(qū)動器。壓電陶瓷驅(qū)動器在外力作用下，產(chǎn)生電流，電流通至勵磁線圈，產(chǎn)生磁場，磁流變液在磁場中粘度和流動性發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而控制質(zhì)量擺的擺動角度和擺速。
[0033]進(jìn)一步的，定位螺桿連接力傳感器保護(hù)裝置7、力傳感器8及壓電陶瓷驅(qū)動器9。一方面將該裝置安裝在被控結(jié)構(gòu)的頂端；另一方面，確保內(nèi)球殼內(nèi)的裝置可以始終保持豎直狀態(tài)，以便更好地傳遞質(zhì)量擺的向心力。
[0034]進(jìn)一步的，壓電陶瓷驅(qū)動器在接收螺桿傳遞的外力后，由于壓電陶瓷驅(qū)動器的壓電材料產(chǎn)生電荷移動，進(jìn)而產(chǎn)生電流。
[0035]進(jìn)一步的，壓電陶瓷驅(qū)動器連接勵磁線圈10，激勵線圈10呈球狀包圍在內(nèi)球殼的外表面和/或外球殼的內(nèi)表面，通入電流后，會在內(nèi)外球殼之間產(chǎn)生磁場。
[0036]進(jìn)一步的，磁流變液處于內(nèi)外球殼間的磁場中，磁流變液根據(jù)磁場的變化其粘度和流動性會相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而改變外球殼帶動質(zhì)量擺擺動的阻尼，實(shí)現(xiàn)控制質(zhì)量擺擺幅和頻率的目的。
[0037]進(jìn)一步的，滾珠位于內(nèi)球殼和外球殼之間，用于保證質(zhì)量擺12的擺動控制。
[0038]進(jìn)一步的，力傳感器用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，傳送至計(jì)算機(jī)，用于采取適當(dāng)?shù)卮胧?，避免發(fā)生災(zāi)害。
[0039]進(jìn)一步的，外球殼連接吊桿，吊桿與質(zhì)量擺相連。吊桿長度與質(zhì)量擺可根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算獲得。
[0040]本實(shí)施方案中需要注意以下幾個(gè)方面:
[0041]一、該裝置應(yīng)設(shè)置被控結(jié)構(gòu)頂部在較為開闊的位置，質(zhì)量擺會根據(jù)荷載的方向，沿各個(gè)方向擺動；
[0042]二、內(nèi)外球殼應(yīng)采用不銹鋼等材質(zhì)，防止其在風(fēng)雨等氣象條件下發(fā)生銹蝕。
[0043]本實(shí)施方案中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況確定壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置的安裝位置和數(shù)量，以達(dá)到最佳的減振效果。
[0044]本發(fā)明通過壓電陶瓷驅(qū)動器對懸吊質(zhì)量擺進(jìn)行智能控制，將結(jié)構(gòu)振動的能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量擺的動能，通過球形轉(zhuǎn)動軸控制質(zhì)量擺的擺動幅度和頻率，使之與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，達(dá)到良好的減振效果。傳統(tǒng)的減振裝置往往只能控制結(jié)構(gòu)單一方向的振動，而本發(fā)明設(shè)置球形轉(zhuǎn)動軸，質(zhì)量擺可以根據(jù)荷載的方向?qū)崟r(shí)改變質(zhì)量擺的擺動方向，實(shí)現(xiàn)不同方向控制的效果。
[0045]本發(fā)明的上述實(shí)施方案并不是對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定，本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，凡此種根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容，按照本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術(shù)思想前提下，對本發(fā)明上述結(jié)構(gòu)做出的其它多種形式的修改、替換或變更，均應(yīng)落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，其特征在于，包括同心套裝在一起的內(nèi)球殼和外球殼;在內(nèi)球殼的外表面和/或外球殼的內(nèi)表面包裹有激勵線圈;所述的內(nèi)球殼內(nèi)豎直安裝有一個(gè)定位桿，所述的定位桿的頂部延伸到外球殼外，底部固定在內(nèi)球殼的內(nèi)表面;在所述的定位桿上安裝有與激勵線圈相連的電流產(chǎn)生元件;所述的外球殼的外表面通過吊桿與一個(gè)質(zhì)量擺相連;在所述的內(nèi)球殼與外球殼形成的空間內(nèi)填充有控制控制質(zhì)量擺的擺動幅度和速度的元件。2.如權(quán)利I所述的壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，其特征在于，所述的定位桿為定位螺桿，所述的定位螺桿與定位螺栓配合，將壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置固定在被控結(jié)構(gòu)的頂部。3.如權(quán)利I所述的壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，其特征在于，在所述的定位桿上還安裝有用于監(jiān)測控制裝置振動響應(yīng)大小的力傳感器。4.如權(quán)利3所述的壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，其特征在于，所述的力傳感器頂部安裝有保護(hù)裝置。5.如權(quán)利4所述的壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，其特征在于，所述的力傳感器和保護(hù)裝置均位于內(nèi)球殼內(nèi)。6.如權(quán)利3所述的壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，其特征在于，所述的力傳感器與數(shù)據(jù)處理單元相連。7.如權(quán)利I所述的壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，其特征在于，所述的控制控制質(zhì)量擺的擺動幅度和速度的元件包括設(shè)置在內(nèi)球殼與外球殼形成的空間內(nèi)的滾珠和填充在滾珠間隙的磁流變液。8.如權(quán)利I所述的壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，其特征在于，所述的電流產(chǎn)生元件為壓電陶瓷驅(qū)動器。9.如權(quán)利I所述的壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，其特征在于，所述的內(nèi)、外球殼采用不銹鋼材質(zhì)制作。10.如權(quán)利I所述的壓電阻尼智能調(diào)諧減振控制裝置，其特征在于，所述激勵線圈呈球狀包圍在內(nèi)球殼的外表面和/或外球殼的內(nèi)表面，通入電流后，會在內(nèi)外球殼之間產(chǎn)生磁場。
【文檔編號】E04B1/98GK105926796SQ201610451543
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】田利, 郭劉潞
【申請人】山東大學(xué)