基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及土木工程结构消能减震半主动控制技术领域，具体是涉及一种具有大出力、可调倍数高和响应速度快的可变孔径的黏滞阻尼器，其采用基于叠成压电驱动器的压电阀调节黏滞阻尼力。
【背景技术】
[0002]黏滞流体消能阻尼器(Viscous Fluid Damper,即VFD，简称黏滞阻尼器)，是指通过黏滞液体在活塞孔和/或间隙中流动产生阻尼，耗散振动能量，黏滞流体力学的相关研究表明，这种阻尼力主要与活塞的运动速度相关，所以是一种速度相关型消能阻尼器。该类型阻尼器一般如图1所示，由缸筒(包括主缸I和副缸2)、活塞3、阻尼孔4、主导杆5和副导杆6等部分组成，缸筒内装满黏滞流体，为产生较大阻尼力，还利用缸筒的密封形成最大可达200MPa左右的油压(该油压的具体值由减震所需阻尼力的大小决定)，此时活塞沿缸筒纵向做往复运动，而活塞上有适量小孔成为阻尼孔(和/或活塞与缸筒间的机械配合间隙)，黏滞流体阻尼材料从活塞阻尼孔中高速通过，能够产生较大的黏滞阻尼力。土木工程结构用黏滞阻尼器的缸筒一般由大型的品牌机械厂设计制造(这与摩擦阻尼器由建筑施工企业设计和现场安装明显不同)，缸筒材料往往可以采用高强度合金钢，具有很好的密封性和耐压能力，所以缸筒能承受很大的油压，能提供很大的阻尼(阻尼力比摩擦阻尼器大一个数量级)，因而能有效地减少土木工程结构的振动，因为相对于机械工程领域的阻尼器，土木工程的特点是结构物的质量特别巨大，需要的阻尼也往往比机械领域大几个数量级。同样是由于机械加工厂高精度生产的原因，它还有产品性能稳定、阻尼力出力精度高(大大提高了结构地震响应的可控性，并且便于结构地震响应的计算)、耐久性和温度稳定也特别好等优点。
[0003]上述优点表明，在土木工程结构抗震和抗风控制中黏滞阻尼器有广阔的应用前景;从20世纪70年代以来，已经逐步广泛应用于土木工程结构的消能减震控制。在这个过程中，美国、日本和欧洲的意大利等发达经济体国家已率先将其应用于实际工程，然后世界各国的中心城市，特别是地震高烈度的城市，也先后在其标志性建筑的减震控制中投入实际工程应用。近年来，我国的高烈度地区的中心城市(特别是北京和天津等特大型城市)也逐渐开始工程实际应用，其中美国泰勒公司(Taylor Devices Inc.)、上海材料研究所和柳州欧唯姆公司等的产品在国内应用相当广泛，特别是在大型桥梁的振动控制应用中已经比较普及，例如:北京奥运会盘古大观高层建筑、北京火车西客站抗震加固，杭州湾跨海大桥和正在建设中的港珠澳大桥等。
[0004]目前的黏滞阻尼器设计的黏滞阻尼力不可调节，导致其土木工程结构的减震效果非常有限，大大限制了黏滞阻尼器的应用范围。例如美国隔震领域的学者Kelly早就指出在隔震层安装黏滞阻尼器，将导致在小震和中震时放大隔震层上部结构的加速度和层间位移，也就是说减小了隔震效果甚至将隔震效果降为零，再加上安装黏滞阻尼器费用昂贵的特点，导致其工程应用范围受到很大影响。
[0005]1998年美国的Patten W.等人在美国Okahoma的公路桥上安装了利用传统电磁阀来控制的可变小孔黏滞阻尼器，并进行了现场实测，实测结果表明，该半主动控制能大幅度减少车辆导致的桥梁结构振动，从而在原有基础上延长了公路桥的使用年限达40年。2000年，世界上第一栋智能混合隔震建筑在日本Ke1大学建成，是该大学工程学院院楼，这个办公与试验大楼就是采用了可变小孔黏滞阻尼器与叠成橡胶隔震支座作为地震防护系统。
[0006]但是传统的电磁阀受到磁滞以及机械惯性的影响，响应速度很难满足土木工程在地震作用下减震控制的需求。再者，电磁马达的输出力也不够大，导致直接驱动阀芯困难，而不得不采用二级伺服阀，通过液压控制方式将小功率的电信号放大，其响应时间被液压系统进一步拉长，故以前的可变孔黏滞阻尼器的减震控制设计与分析均需要考虑时滞。哈工大李惠等人的试验证明，电磁阀可变孔阻尼器的应用频率在2Hz以下，时滞影响明显。
【实用新型内容】
[0007]按照现代压电理论，压电陶瓷材料的电致变形量与施加在其上的电场强度成正比，利用这个被称为逆压电效应的原理，本实用新型的目的在于设计一种利用叠层压电驱动器来调节阀门，由阀门调节阻尼孔的孔径大小以调节阻尼力的智能黏滞阻尼器，该智能黏滞阻尼器能够减少时滞影响并提高输出力，从而满足土木工程在地震作用下减震控制的需求。
[0008]具体地，本实用新型提出的一种基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器，包括缸筒以及位于缸筒内的活塞、主导杆和副导杆;所述缸筒内部分隔成主缸和副缸，主导杆的尾端固定连接在所述活塞的与所述主缸对应的第一端面上，副导杆的首端固定连接在所述活塞的与所述副缸对应的第二端面上;所述缸筒内部装有黏滞液体阻尼材料，所述活塞上具有贯穿所述第一端面及第二端面的阻尼孔;该智能黏滞阻尼器还包括安装在所述副导杆上的叠层压电驱动器、安装在所述阻尼孔上的阀门、以及连接所述叠层压电驱动器和所述阀门的传动轴;所述传动轴在所述叠层压电驱动器的驱动下带动所述阀门运动，使所述阻尼孔的孔径可调。
[0009]在本实用新型的进一步优选方案中，所述叠层压电驱动器安装在所述副导杆的尾端，且在所述副导杆的尾端还安装有防撞击垫。
[0010]在本实用新型的进一步优选方案中，所述防撞击垫具体为橡胶垫。
[0011]在本实用新型的进一步优选方案中，所述副导杆具有中空结构，所述传动轴安装在所述副导杆内部的中空结构中。
[0012]在本实用新型的进一步优选方案中，所述缸筒、活塞、主导杆和副导杆均为高强度不锈钢材。
[0013]在本实用新型的进一步优选方案中，还包括控制系统，所述控制系统与所述叠层压电驱动器电连接。
[0014]有益效果:本实用新型提出的基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器，可由叠层压电驱动器驱动阀门，通过该阀门来调节黏滞阻尼器的阻尼孔的孔径，以实现对黏滞阻尼力的调节，这种由叠层压电驱动器驱动的阀门具有定位精度高(可达纳米级)和响应速度快(可达微秒数量级)的特点，能够减少时滞影响并提高输出力，从而满足土木工程在地震作用下减震控制的需求。
【附图说明】
[0015]图1是现有技术的黏滞阻尼器的结构示意图。
[0016]图2是实施例提出的基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器的结构示意图。
[0017]图3是实施例提出的基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器中阀门的结构示意图。
[0018]图2和图3中:10-主缸，20-副缸，30-活塞，40-主导杆，50-副导杆，60-阻尼孔，71-叠层压电驱动器，72-阀门，73-传动轴，74-防撞击垫。
【具体实施方式】
[0019]为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本实用新型进行进一步描述。
[0020]请参阅图2和图3，本实施例提出的一种基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器，包括缸筒以及位于缸筒内的活塞30、主导杆40和副导杆50;所述缸筒内部分隔成主缸10和副缸20，主导杆40的尾端固定连接在所述活塞30的与所述主缸10对应的第一端面上，副导杆50的首端固定连接在所述活塞30的与所述副缸20对应的第二端面上;所述缸筒内部装有黏滞液体阻尼材料，所述活塞30上具有贯穿所述第一端面及第二端面的阻尼孔60。
[0021]本实施例的智能黏滞阻尼器还包括安装在所述副导杆50上的叠层压电驱动器71、安装在所述阻尼孔60上的阀门72(图2未示出，请参阅图3)、以及连接所述叠层压电驱动器71和所述阀门72的传动轴73;所述传动轴73在所述叠层压电驱动器71的驱动下带动所述阀门72运动，使所述阻尼孔60的孔径可调。
[0022]所述叠层压电驱动器71具体可安装在所述副导杆50的尾端，同时在所述副导杆50的尾端还安装有防撞击垫74，该防撞击垫74具体可以是橡胶垫。为了便于安装传动轴73，本实施例中所述副导杆50具有中空结构，所述传动轴73安装在所述副导杆50内部的中空结构中。
[0023]为了确保强度，本实施例中所述缸筒、活塞30、主导杆40和副导杆50均为高强度不锈钢材。
[0024]此外，本实施例还可进一步包括控制系统(图未示出)，所述控制系统与所述叠层压电驱动器7通过电线连接，并连接叠层压电驱动器专用直流电源。通过在控制系统中设置电压，包括设置电压的大小或电压的正负，使叠层压电驱动器71驱动传动轴73相应动作，带动阀门72往前或往后(按图2或图3的左侧为前，右侧为后)运动一定行程，以调节阻尼孔60的孔径(也即调节其对阻尼孔60的封闭度)。本实施例中，叠层压电驱动器71位移为I时，阀门72调节阻尼孔60半径位移可放大到3-4倍。
[0025]本实施例提出的基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器是一种可调倍数大的半主动控制装置，适用于地震动的强随机性，例如安装在隔震层，无论小震、中震和大震都能保证隔震效果，并且响应速度非常快，可以减少时滞影响，响应速度完全能跟上地震动，同时提高了输出力。
[0026]以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器，包括缸筒以及位于缸筒内的活塞、主导杆和副导杆;所述缸筒内部分隔成主缸和副缸，主导杆的尾端固定连接在所述活塞的与所述主缸对应的第一端面上，副导杆的首端固定连接在所述活塞的与所述副缸对应的第二端面上;所述缸筒内部装有黏滞液体阻尼材料，所述活塞上具有贯穿所述第一端面及第二端面的阻尼孔;其特征在于，该智能黏滞阻尼器还包括安装在所述副导杆上的叠层压电驱动器、安装在所述阻尼孔上的阀门、以及连接所述叠层压电驱动器和所述阀门的传动轴;所述传动轴在所述叠层压电驱动器的驱动下带动所述阀门运动，使所述阻尼孔的孔径可调。2.根据权利要求1所述的基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器，其特征在于，所述叠层压电驱动器安装在所述副导杆的尾端，且在所述副导杆的尾端还安装有防撞击垫。3.根据权利要求2所述的基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器，其特征在于，所述防撞击垫具体为橡胶垫。4.根据权利要求3所述的基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器，其特征在于，所述副导杆具有中空结构，所述传动轴安装在所述副导杆内部的中空结构中。5.根据权利要求4所述的基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器，其特征在于，所述缸筒、活塞、主导杆和副导杆均为高强度不锈钢材。6.根据权利要求5所述的基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统与所述叠层压电驱动器电连接。
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器，包括具有主缸和副缸的缸筒，以及位于缸筒内的活塞、主导杆和副导杆，主导杆的尾端固定连接在所述活塞的与所述主缸对应的第一端面上，副导杆的首端固定连接在所述活塞的与所述副缸对应的第二端面上；所述缸筒内部装有黏滞液体阻尼材料，所述活塞上具有贯穿所述第一端面及第二端面的阻尼孔；还包括安装在所述副导杆上的叠层压电驱动器、安装在所述阻尼孔上的阀门、以及连接所述叠层压电驱动器和所述阀门的传动轴；所述传动轴在所述叠层压电驱动器的驱动下带动所述阀门运动，使所述阻尼孔的孔径可调。本实用新型能够减少时滞影响并提高输出力，从而满足土木工程在地震作用下减震控制的需求。
【IPC分类】E04B1/98
【公开号】CN205382588
【申请号】CN201620083054
【发明人】谭平, 戴纳新, 李洋, 刘欢, 龙耀球
【申请人】广州大学
【公开日】2016年7月13日
【申请日】2016年1月26日