一种调谐式磁性液体滚球阻尼器的制作方法

[0001]
本实用新型涉及一种阻尼器，主要涉及一种调谐式磁性液体滚球阻尼器。


背景技术：

[0002]
调谐式阻尼器广泛地应用在各种高耸结构中。风电塔架作为高耸结构，具有细长高柔、刚度低、易疲劳等特点，在工作中由于受到风致荷载、地震荷载和电力系统扰动等因素的影响会引起振动，而振动是影响风电机组寿命的重要因素之一。由于振动问题会产生机组叶片断纹、机舱振幅过大、塔筒失稳、发电机故障等现象，导致风电机组无法正常工作，甚至可能会引起倒塔事故的发生，造成重大损失。因此，风电塔架的振动控制研究具有重要的理论意义和工程实用价值。本专利拟从减少风电塔架结构的频繁振动和响应这两个方面出发，开发减少结构在风致荷载作用下振动的装置。
[0003]
目前现有的调谐式阻尼器主要有调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、调谐滚球阻尼器这几类等。调谐质量阻尼器是由弹簧和质量块所构成，改变弹簧弹性系数和质量块的质量达到调谐减振目的；调谐液体阻尼是在矩形或圆柱形容器内装入一定量的液体，通过改变液体深度来达到调谐减振目的；调谐滚球阻尼器是在一个球形容器内装入一定数量的小球，通过改变小球数量和半径达到调谐减振目的。这些阻尼器通常是改变弹簧弹性系数和质量块的质量，又或是改变液体的深度和粘度，来调节阻尼器的固有晃动频率，改变整个结构的共振特性，从而达到调谐阻尼减振的效果；这些阻尼器大都针对结构第一振型的固有频率效果明显，减振频带较窄；当外部荷载扰动较复杂时，减震效果明显下降，可控性差。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型的目的为针对现有技术的不足，提供一种调谐式磁性液体滚球阻尼器。该阻尼器巧妙地将滚球阻尼器与调谐式磁性液体滚球阻尼器相结合，在小球内装入磁性液体，让小球带动磁性液体一起滚动，不仅可以通过改变小球和容器半径改变阻尼器固有频率，还可以通过调节外加磁场改变磁性液体晃动频率来改变阻尼器固有频率，因此可以实现双调谐减振的目的。本实用新型具有结构简单、成本低廉、易于控制和工作频带宽的优点。
[0005]
本实用新型的技术方案为：
[0006]
一种调谐式磁性液体滚球阻尼器，该阻尼器的组成包括内有半球形凹槽的圆柱形容器、圆柱形螺线管线圈、水平底座、空心滚球和煤油基磁性液体；其中，圆柱形螺线管线圈均匀地缠绕在圆柱形容器主体外壳壁面上，圆柱形容器位于水平底座上面，空心滚球的内部有煤油基磁性液体；空心滚球在圆柱形容器内的半球形凹槽内。
[0007]
所述的圆柱形容器的上部为敞开式半球形凹槽，凹槽顶部为凸出的外壳上沿，圆柱形容器的底部为凸出的水平底座；
[0008]
所述的空心滚球为中空的球体；壳体顶部有装配有螺纹塞的螺孔；所述的空心滚球的球壳厚度为8～12mm；材质为树脂材料。
[0009]
所述空心滚球的半径为凹槽半径的1/12～1/8；
[0010]
所述的圆柱形螺线管线圈是铜芯漆包线，总共绕制4～7层而成的螺线管线圈，额定电流为5a；
[0011]
所述的煤油基磁性液体是煤油基fe3o4磁性液体，其密度为1.36g/cm3；四氧化三铁为纳米颗粒，直径的范围在2～20nm。煤油基磁性液体的体积为球壳内部体积的1/4～3/4。
[0012]
所述的水平底座的沿圆周均匀地分布有固定螺孔。
[0013]
所述的圆柱形主体外壳直径的范围为0.65m～1.45m，内部半球形凹槽半径的范围为0.3m～0.7m。
[0014]
本实用新型的实质性特点为：
[0015]
本实用新型根据结构的振动强度与频率，研究设计半球形容器和滚球的几何尺寸，在小球内装入煤油基磁性液体，结合磁性液体的磁-粘特性，通过改变螺线管线圈所通入电流大小来调节外加磁场，改变磁性液体粘度，从而调节阻尼器固有频率，改变整个结构的共振特性，达到自适应变频振动控制的目的，
[0016]
本实用新型的有益效果：
[0017]
1、本实用新型克服了传统调谐液体阻尼器频率不可控的技术问题，仅需调节可控电流源的输入电流来控制阻尼器的固有频率，改变结构的共振特性，达到调谐减振的目的，可控性较好。
[0018]
2、目前国内外应用在高耸结构上的调谐类阻尼器大都只能对结构固有频率左右0.25hz范围内的振动起到调谐减振的效果，本实用新型由于滚球和磁性液体惯性粘度等性能参数，通过调节外加磁场，可对高耸结构固有频率左右0.32hz范围内的振动进行调谐减振，减振频带宽度增加了0.14hz。
[0019]
3、本实用新型既可以通过改变小球和容器半径调节阻尼器固有频率，还可以通过改变外加磁场改变磁性液体晃动频率来调节阻尼器固有频率，具有双调谐减振的功能。
[0020]
4、本实用新型中滚球带动内部液体一起滚动，使工作情况下的液体处于湍流状态，试验证明，与固定容器内的液体晃动状态相比，湍流状态下的液体具有更大的动能，即增加了液体的扰动，因此可以达到增加能量消耗的目的；同时小球滚动时与壁面的摩擦也可以增加振动能量的消耗。
[0021]
5、本实用新型结构简单，仅需由空心滚球、内有半球形凹槽的圆柱形容器、圆柱形螺线管线圈、水平底座和煤油基磁性液体几部分组合而成；加工方便、造价较低、维护方便、性价比高。
[0022]
6、本实用新型可减少结构在任意水平方向上的晃动，具有多向减振的功能，具有较强的适应性，可适用于风力发电塔架、电视塔等高耸建筑结构，适用范围广，能够产生较好的经济效益和社会效益。
附图说明
[0023]
图1为本实用新型调谐式磁性液体滚球阻尼器的整体外观结构示意图；
[0024]
图2为本实用新型调谐式磁性液体滚球阻尼器的整体剖面结构示意图；
[0025]
图3为本实用新型调谐式磁性液体滚球阻尼器的内有半球形凹槽的圆柱形容器的整体剖面结构示意图；
[0026]
图4为本实用新型调谐式磁性液体滚球阻尼器的圆柱形螺线管线圈绕制结构示意图；
[0027]
图5为本实用新型调谐式磁性液体滚球阻尼器的空心滚球的结构示意图；
[0028]
图6为本实用新型调谐式磁性液体滚球阻尼器中沿半球形凹槽面截线上的磁通密度变化曲线图。
[0029]
图中，1.内有半球形凹槽的圆柱形容器，2.圆柱形螺线管线圈，3.水平底座，4.空心滚球，5.煤油基磁性液体，1-1.圆柱形容器上边沿，1-2.圆柱形容器主体外壳，1-3.半球形凹槽，2.圆柱形螺线管线圈，3-1.水平底座上的螺纹孔，3-2.圆柱形水平底座，4-1.空心球壳，4-2.螺纹孔，4-3.螺纹塞。
具体实施方式
[0030]
下面给出本实用新型的具体实施例。
[0031]
本实用新型所述的调谐式磁性液体滚球阻尼器的组成如图1所示，包括内有半球形凹槽的圆柱形容器1、圆柱形螺线管线圈2、水平底座3、空心滚球4、煤油基磁性液体5；其中，圆柱形螺线管线圈2均匀地缠绕在圆柱形容器1主体外壳壁面上，圆柱形容器1位于水平底座3上面，空心滚球4的内部有煤油基磁性液体5；空心滚球4在圆柱形容器1内的半球形凹槽内。
[0032]
所述的圆柱形容器1如图2所示，其上部为敞开式半球形凹槽1-3，凹槽顶部为凸出的外壳上沿1-1，圆柱形容器1的底部为凸出的水平底座3；螺线管线圈2均匀地缠绕在圆柱形容器主体外壳1-2的外壳上沿1-1和底座3之间的壁面上，构成整个阻尼器的外壳结构；其中，圆柱形容器主体外壳1-2的直径比半球形凹槽1-3的直径大10cm，其高度比半球形凹槽的半径大20cm。
[0033]
其中，空心滚球4可在半球形凹槽面1-3上沿任意方向滚动，带动内部煤油基磁性液体5一起滚动，可以对水平上任意方向的晃动进行阻尼减振。
[0034]
所述的圆柱形容器1与底座3为一个整体，可以通过工厂模型浇铸加工或3d打印加工。
[0035]
所述的空心滚球4如图5所示，为abs树脂材料的可滚动的薄壁球壳，壁厚10mm；壳体顶部有直径约为8.5mm的圆柱形螺纹孔4-2，用于装取煤油基磁性液体5，且装配有相对应型号的abs树脂材料螺纹塞4-3，确保旋入并密封，形成一个密闭的球壳，可在半球形凹槽面上的任意方向进行滚动。
[0036]
所述的空心滚球的半径与半球形凹槽的半径关系式为：
[0037]
其中，f为阻尼器系统的固有频率，针对风电塔架，能减振的频率极限是1.37hz，g为重力加速度，r为半球形凹槽半径，r为空心滚球半径。
[0038]
所述空心滚球的半径为凹槽半径的1/12～1/8；从减振频率上可以计算得出二者半径差，再根据阻尼器与振动结构的模态质量比，确定阻尼器的质量以及磁性液体的体积，进而可确定凹槽和滚球的半径。
[0039]
所述的滚球是不可以突出壳体的，经过分析计算，滚球的半径不会超过凹槽半径的1/8，对极限情况(滚球半径是凹槽半径的1/8)时的滚球运动状态进行了受力分析计算，
当外界给定加速度为32m/s2时，滚球可以上升到最高，此时滚球与凹槽的边缘距离还有1/10滚球半径的距离。
[0040]
所述的圆柱形螺线管线圈2如图4所示是铜芯漆包线，沿圆柱形容器主体外部1-2自下而上单层紧密绕制至距离壳体上部外沿处0.5～1.5cm的位置，总共绕制4～7层而成的螺线管线圈，额定电流为5a，在圆柱形容器内可产生近似均匀的外加磁场。
[0041]
所述的煤油基磁性液体5是煤油基fe3o4磁性液体，其密度为1.36g/cm3；四氧化三铁为纳米颗粒，直径的范围在2～20nm。煤油基磁性液体不完全注满滚球壳体4-1，注入磁性液体的体积为球壳内部体积的1/4～3/4，随滚球在近似均匀的外加磁场中在半球形凹槽面1-3上进行滚动。
[0042]
所述的水平底座3如图3所示，为圆柱形水平底座3-2，沿圆周均匀地分布有3个螺纹孔3-1，用于阻尼器固定在振动结构上。
[0043]
本实用新型设计机理为：根据结构的振动强度和频率，设计容器和滚球的几何尺寸，在滚球内装入磁性液体，当有外加磁场作用于磁性液体时，磁性液体的粘度会随磁场而变化，因此可通过调节外加磁场改变磁性液体的固有晃动频率，从而可以控制阻尼的固有晃动频率，改变整个结构的共振特性，达到调谐减振的目的。
[0044]
以下结合实施例及附图对本实用新型专利做进一步详述。
[0045]
实施例1
[0046]
如图1所示，本实用新型调谐式磁性液体滚球阻尼器的整体外观结构，包括内有半球形凹槽的圆柱形容器1、圆柱形螺线管线圈2、水平底座3和空心滚球4；将所述铜芯漆包线压紧缠绕在圆柱形容器主体外壳壁面上，制成螺线管线圈2。
[0047]
如图2所示，本实用新型调谐式磁性液体滚球阻尼器的整体剖面结构，空心滚球3内装有煤油基磁性液体5，所注入磁性液体的体积为球壳内部体积的1/2，空心滚球可带动磁性液体沿凹槽壁面一起滚动。图中所述的磁性液体5是煤油基fe3o4磁性液体，密度约为1.36g/cm3，粘度为6.63mpa
·
s，饱和磁化强度为513.7gs，其中，四氧化三铁为纳米颗粒，直径的范围在2～20nm。
[0048]
如图3所示，本实用新型调谐式磁性液体滚球阻尼器的整体外壳剖面结构，圆柱形容器主体外壳1-2的的直径为110cm，内部半球形凹槽1-3的半径为50cm，顶部为外壳上沿1-1，其突出外壳壁10cm，厚度为5cm，底部为阻尼器底座3-2，其直径为150cm，厚度为10cm，在底座沿半径为130cm的圆周上均匀分布有三个直径约为8.5mm的螺纹孔，用于阻尼器固定在振动结构上。
[0049]
如图4所示，本实用新型调谐式磁性液体滚球阻尼器的圆柱形螺线管线圈的整体结构，在圆柱形容器主体部分1-2外部紧密压制缠绕线径约为1.1mm的铜芯漆包线，制成图示中的圆柱形螺线管线圈。所述圆柱形螺线管线圈是以铜芯直径约为1mm的铜芯漆包线，沿圆柱形容器外壳自下而上绕制5层每层约80匝，总匝数为400匝的螺线管。根据国际规定1平方毫米铜芯线允许长期负载电流为6a～8a，为留有安全裕度，额定工作电流不超过5a。
[0050]
如图5所示，本实用新型调谐式磁性液体滚球阻尼器的空心滚球的整体结构，所述的空心滚球2为abs树脂材料的可滚动的薄壁球壳，壁厚10mm，直径为12cm；壳体顶部有直径约为8.5mm的圆柱形螺纹孔4-2，用于装取煤油基磁性液体5，且装配有相对应型号的abs树脂材料螺纹塞4-3，确保旋入并密封，形成一个密闭的球壳，可在半球形凹槽面上的任意方
向进行滚动。
[0051]
如图6所示，本实用新型调谐式磁性液体滚球阻尼器中沿半球形凹槽面截线上的磁通密度变化曲线，图示为螺线管线圈中通入4a直流电流时沿凹槽截线上的磁通密度变化曲线，磁通密度变化约为175gs～260gs，煤油基磁性液体5粘度变化所需磁通密度为40gs～300gs,符合煤油基磁性液体粘度变化所需的磁场要求，因此改变螺线管线圈中所通入电流的大小可以有效的调节煤油基磁性液体的粘度，从而改变整个结构的共振特性，实现调谐减振。
[0052]
本实用新型的进步在于：首先与传统调谐液体阻尼器相比，滚球带动磁性液体一起滚动，使磁性液体快速处于湍流状态，增加了结构振动能量的快速耗散，并且可大大减少液体的用量，尤其是磁性液体；同时小球滚动摩擦也增加了结构振动能量的耗散；与调谐滚球阻尼器及调谐质量阻尼器相比，增加了可控性，通过外加磁场即可改变阻尼器的减振频率；与大多数调谐类阻尼器相比，该阻尼器减振频带更宽，减振频带增加了0.14hz,在原有减振频带提高了56％，是一个相当大的提高；同时在风电塔架实验模型的测试中，当该阻尼器的质量为振动结构实验模型一阶模态质量的1.5％～2.5％时，可使塔顶位移的标准差减少20％～42％，可有效减少风电塔架结构的振动响应和疲劳损伤，延长风电塔架的使用寿命。
[0053]
该阻尼器是调谐式阻尼器，根据不同建筑的固有频率来调整阻尼器的晃动频率即可；调整阻尼器的晃动频率：根据振动结构的固有频率和阻尼器与振动结构模态质量比，确定容器半径和小球的半径以及磁性液体的质量，当结构收到外界复杂的扰动时，固有频率会有偏移，此时改变外加磁场即可。对于同一类高耸结构，例如风电塔架，不同风电塔架的一阶固有频率相差较小，因此确定阻尼器几何尺寸后，就可批量生产，只用调节外加磁场即可适用于同种类的高耸结构。
[0054]
经过分析计算，滚球的半径不会超过凹槽半径的1/8，对极限情况(滚球半径是凹槽半径的1/8)时的滚球运动状态进行了受力分析计算，当外界给定加速度为32m/s2时，滚球可以上升到最高，此时滚球与凹槽的边缘距离还有滚球半径的1/10；而当风电塔架受到加速度为20m/s2的外界扰动时，就会触发报警状态，因此在风电塔架可承受的外界扰动范围内，小球是不会掉落的。
[0055]
针对附着物的不同大小和高度，首先根据附着物的一阶固有振动频率，可分析计算出阻尼器凹槽半径和滚球半径的尺寸差，接着根据阻尼器与附着物的模态质量比，可确定阻尼器的几何尺寸和磁性液体的体积，当附着物收到不同外界扰动时，根据振动频率偏差调节螺线管线圈中通入电流的大小，改变阻尼器的固有频率，调节共振特性，达到调谐减振目的。
[0056]
风电塔架是指风力发电塔架，阻尼器是安装在风电塔架的塔筒内部顶端，处在一个半封闭时的空间内，因此敞开式的设计也不会有异物甚至雨水落入。推广到其他高耸结构中也一样，阻尼器一般是安装在结构的内部顶端，不会有异物落入。
[0057]
所述的调谐式磁性液体滚球阻尼器的应用方法，其特征为包括以下步骤：
[0058]
一、根据结构的振动强度和频率，在小球内装入一定体积的煤油基磁性液体，并将螺旋塞旋入进行密封，确保小球在滚动时磁性液体不会泄露。
[0059]
二、制作圆柱形螺线管线圈，将铜芯漆包线沿圆柱形容器主体外部自下而上单层
紧密绕制至距离壳体上部外沿处0.5～1.5cm的位置，总共绕制4～7层。
[0060]
三、将装配好的阻尼器放置在振动结构的水平面上，并通过水平底座上的螺纹孔将阻尼器固定在振动结构上，将装配好磁性液体的滚球放在半球形凹槽底部。
[0061]
四、将装置底部的螺线管线圈的两接头端接入直流电流源的输出端，打开直流电流源，缓慢增大电流，控制螺线管线圈中通入电流源输入的可调电流以控制阻尼器的晃动频率，改变结构共振特性，实现调谐减振。
[0062]
通过以上实施例，我们可以总结出本实用新型的以下特点：
[0063]
1、通电螺线管线圈采用圆柱形的设计结构进行绕制，可有效地提高圆柱形容器内部空间磁场分布的均匀性，从而使得输入电流信号与磁性液体粘度之间具有较好的线性度。
[0064]
2、与传统通过改变液体深度或容器几何尺寸来改变固有晃动频率的调谐液体阻尼器相比，本实用新型改进了控制方法，采用通过调节输入螺线管线圈直流电流来控制磁性液体粘度，从而控制晃动液体固有频率，达到调谐减振的目的。
[0065]
3、与传统通过改变质量块质量或弹簧弹性系数来改变固有频率的调谐质量阻尼器相比，本实用新型采用了具有半球形凹槽面的容器，通过设计小球与半球形凹槽的几何尺寸即可改变阻尼器的固有频率，并将煤油基磁性液体作为质量块的一部分，控制球壳内磁性液体的固有晃动频率也可改变阻尼器固有频率，实现了双调谐能力。
[0066]
4、将煤油基磁性液体装入空心滚球内，并采用螺纹塞进行密封，可有效减少磁性液体在工作环境下的挥发，增加磁性液体的稳定性和阻尼器的可靠性。
[0067]
5、滚球在半球形凹槽面上可沿任意方向滚动，可减少结构在水平面内的任意方向晃动，具有多向减振的功能。
[0068]
6、阻尼器外壳底部采用具有三个螺纹孔圆盘的结构设计，通过螺栓与振动结构进行固定连接，使阻尼器在工作中具有较好的稳定性。
[0069]
本实用新型未述之处适用于现有技术。