一种多级自适应复合惯容减振装置、方法及结构与流程

本发明属于高耸和大跨结构振动控制领域，尤其涉及一种多级自适应复合惯容减振装置、方法及结构。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着高耸和大跨结构朝着功能多样化、结构复杂化发展，结构在环境荷载作用下的振动愈发严重，不利的振动会影响结构的性能和寿命，而采取减振控制措施可以有效解决工程结构整个寿命期间的安全问题，减小灾害影响。其中，动力吸振型减振装置通过子结构与主结构受控阵型共振，并应用耗能阻尼材料或装置消耗子结构的振动能量，达到动力吸振的目的；通过动力吸振装置与半主动控制的结合，可以有效提高减振装置的耗能能力，并实现对结构振动的实时控制。

然而，对于体量较大的土木工程结构，动力吸振装置的集中布置对其耗能能力的要求很高，随之对减振装置中惯性质量、阻尼器行程的要求提升，给减振装置的布置与实现增加了困难。而通过将阻尼元件与两端点惯性元件相结合构成惯容阻尼器，则可以在基本不改变结构物理质量的前提下实现惯性特征的调整，显著放大阻尼力和耗能能力，且惯容所增大的惯性并不会增加结构所受的地震作用。此外，发明人发现，在碰撞耗能技术中，碰撞间隙对耗能效果的影响较大，而目前所采用的碰撞耗能技术多为固定碰撞间隙，无法针对结构不同程度的振动响应自行调整碰撞间隙，降低了碰撞耗能装置的有效利用率。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种多级自适应复合惯容减振装置、方法及土木工程结构，其通过复合惯容系统实现对内部磁流变液压耗能机构的有效变形的放大，从而起到耗能增效的作用，优化减振装置的内部空间，在较小附加质量下即可达到良好的减振控制效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种多级自适应复合惯容减振装置。

一种多级自适应复合惯容减振装置，包括工作箱以及设置于工作箱内部的质量体、传动机构和磁流变液压耗能机构；

质量体包括可沿y方向运动的伸缩箱体，其内部设有多个沿y方向放置且可沿x方向运动的伸缩板，伸缩板之间通过联动弹簧连接，最外侧的伸缩板通过调谐弹簧与一级导轨相连，以实现伸缩板间的碰撞球在x方向的自适应碰撞；

磁流变液压耗能机构包括耗能箱，其设有多级滑动框及活塞，且内部还充满磁流变液，活塞可沿着耗能箱内壁的齿条滑动，耗能箱两端设有励磁线圈；

传动机构包括传动板，其底部固定在齿条上，传动板通过复位弹簧连接在工作箱内侧壁；传动板上还安装有位移传感器，用以监测传动板的位移，并通过电磁控制线路与励磁线圈相连。

作为一种实施方式，所述伸缩板的底部、顶部和侧边均安装滚珠。

作为一种实施方式，所述质量体外侧设有可沿x和y方向的运动导梁，运动导梁通过滚珠安装在二级导轨中，使质量体能够沿二级导轨在水平两方向运动。

作为一种实施方式，调谐弹簧通过滚珠与一级导轨相连，使调谐弹簧能够在沿垂直其轴线的方向滑动，且滚珠在一级导轨中的安装位置与二级导轨的安装位置上下错开。

作为一种实施方式，工作箱内侧壁安装有限位装置，限位装置具有设定长度，以保证质量体运动到任何位置都能起到限位的作用。

作为一种实施方式，限位装置末端设有橡胶，防止质量体与限位装置碰撞损坏。

作为一种实施方式，所述滑动框分为三级：一级滑动框通过端部设置的螺纹与螺纹杆连接，并通过安装在框壁的一级齿轮沿耗能箱内侧的齿条滑动；二级滑动框的框壁安装二级齿轮，外侧壁设有齿条，可由一级齿轮的啮合带动二级滑动框滑动；三级滑动框的外侧壁设有齿条，端部安装活塞。

作为一种实施方式，一级滑动框和三级滑动框的数量均是固定的1个；当二级滑动框的数量为n时，活塞位移行程可达到一级滑动框行程的n+2倍，n为整数。

本发明的第二个方面提供一种多级自适应复合惯容减振装置的工作方法。

一种多级自适应复合惯容减振装置的工作方法，包括：

当结构发生振动时，质量体内部碰撞球由于惯性在伸缩箱体内部沿水平面发生任意方向的初始运动；在x方向，碰撞球推动伸缩板滑动，伸缩板间距增大，碰撞间隙增大；在y方向，碰撞球推动伸缩箱体侧壁运动，伸缩箱体协同伸缩板展开，碰撞间隙增大；

当质量体运动范围达到传动板位置时，质量体侧壁推动传动板运动，传动板的运动带动齿条传动，从而带动相应齿轮转动，进而带动相应级别的滑动框滑动，最终带动活塞运动；

活塞运动时推动耗能箱内磁流变液体流动，形成液压惯容机制，传动板上安装的位移传感器监测传动板的移动情况，通过电磁控制线路调节励磁线圈所产生的磁场强度，实时改变磁流变液的阻尼大小，调节耗能箱的耗能水平与耗能需求相适应；

当振动结束后，在导轨及调谐弹簧的作用下质量体回归原位，在联动弹簧的作用下伸缩板的排列恢复初始位置，在复位弹簧的作用下传动板回归原位，磁流变液恢复到流动状态，整个减振装置呈现原始状态。

本发明的第三个方面提供一种结构，其包括上述所述的多级自适应复合惯容减振装置。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的多级自适应复合惯容减振装置，结合了半主动控制和被动控制的优点，实现了混合、多级控制，能根据结构振动所反馈的信息实时调节装置的耗能效果，控制精度高，可控频带宽，且能量输入较小，具有较高的经济性和技术合理性。

(2)本发明的多级自适应复合惯容减振装置能够依据结构在风荷载、地震作用等环境荷载作用下的响应实现自适应、自调节，从而具有更优的减振性能，实现了碰撞耗能的碰撞间隙自适应，能够在无外界控制的条件下自行调节碰撞间隙，使碰撞间隙与碰撞动能相适应，达到较优的耗能状态；采用磁流变液压阻尼，能够通过电流实现极短时间内的阻尼调节，避免了半主动调节滞后的问题。

(3)本发明的多级自适应复合惯容减振装置结合了齿轮齿条惯容机制和液压惯容机制，形成复合惯容耗能机制，能够实现惯性的灵活调整，放大装置内部的有效变形，进而提高耗能效率，在较小的惯性质量基础上即可实现良好的耗能效果，减小结构中附加质量导致附加的动力效应，具有较高的实用性。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的多级自适应复合惯容减振装置结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的导轨与质量体连接示意图；

图3是图2的a-a剖视图；

图4(a)是本发明根据一个或多个实施方式的伸缩板内板结构示意图；

图4(b)是本发明根据一个或多个实施方式的伸缩板外板结构示意图；

图4(c)是本发明根据一个或多个实施方式的伸缩板连接构造俯视图；

图5(a)是本发明根据一个或多个实施方式的磁流变液压耗能机构初始位置结构示意图；

图5(b)是本发明根据一个或多个实施方式的磁流变液压耗能机构运行中结构示意图；

图6(a)是本发明根据一个或多个实施方式的一级滑动框结构示意图；

图6(b)是本发明根据一个或多个实施方式的二级滑动框结构示意图；

图6(c)是本发明根据一个或多个实施方式的三级滑动框结构示意图；

其中，1、工作箱，2、质量体，3、伸缩箱体，4、伸缩板，4a、内板，4b、外板，5、滚珠，6、联动弹簧，7、调谐弹簧，8a、一级导轨，8b、二级导轨，9、碰撞球，10、传动板，11、齿条，12、复位弹簧，13a、主齿轮ⅰ，13b、主齿轮ⅱ，14、副齿轮，15、工作齿轮，16、螺纹杆，17、耗能箱，18、支撑装置，19、磁流变液，20a、一级滑动框，20b、二级滑动框，20c、三级滑动框，21、活塞，22、液压管道，23、励磁线圈，24、运动导梁，25a、一级齿轮，25b、二级齿轮，26、限位装置，27、伸臂梁。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例提供了一种多级自适应复合惯容减振装置，其具体包括工作箱1和安装于工作箱内部的质量体2、传动机构和磁流变液压耗能机构。

其中，工作箱1上层由质量体2、调谐弹簧7和导轨8构成；工作箱下层由传动机构和磁流变液压耗能机构组成。

如图1和图2所示，质量体2外侧设有x和y方向的运动导梁24，运动导梁24通过滚珠5安装在二级导轨8b中，使质量体2能够沿二级导轨8b在水平两方向运动。

在具体实施中，质量体2包括一个能够沿y方向伸缩的伸缩箱体3，其纵向截面和横向截面均呈长方形，伸缩箱体3设置为不包含顶面的长方体结构。伸缩箱体3采用磁屏蔽材料制成，避免外界磁场对内部耗能装置的影响，保证装置内部电磁调节的稳定性。

在具体实施中，伸缩箱体3内部设置多个沿y方向放置的伸缩板4，所述的伸缩板的底部、顶部和侧边均安装滚珠5，能够在伸缩箱体3内部沿x方向运动，伸缩板4之间通过联动弹簧6连接，最外侧的伸缩板4连接调谐弹簧7，以实现碰撞球在x方向的碰撞空间自适应。

具体地，调谐弹簧7通过滚珠5与一级导轨8a相连，使调谐弹簧7能够在沿垂直其轴线的方向滑动，且滚珠5在一级导轨8a中的安装位置与二级导轨8b的安装位置上下错开，避免互相影响。工作箱1内侧壁安装有限位装置26，限位装置26应具有一定长度，保证质量体2运动到任何位置都能起到限位的作用；且限位装置末端设有橡胶，防止质量体2与限位装置26碰撞损坏。

如图3和图4(a)-图4(c)所示，伸缩板4由内板4a和外板4b组成，内板4a通过滚珠5在外板4b内部滑动，实现伸缩板4在y方向的伸缩；伸缩箱体3底部断开并设置滚珠5，以实现伸缩箱体3在y方向的伸缩，从而实现碰撞球9在y方向的碰撞空间自适应。

此处可以理解的是，本领域技术人员可通过合理设计伸缩箱体3断开部位的卡扣形状，避免伸缩箱体3的两部分脱离。

在本实施例中，传动机构包括一个传动板10，传动板10底部固定在齿条11上，并通过复位弹簧12连接在工作箱1内侧壁。传动板10上安装有位移传感器，位移传感器用以监测传动板的位移，并通过电磁控制线路与耗能箱外侧的励磁线圈23相连。

在一些实施例中，传动板应具有一定的高度，保证能够与质量体碰撞，传动板靠近质量体的一侧设有橡胶材料，以避免质量体与传动板多次碰撞产生的破坏；传动板应具有较长的长度，能够保证质量体在偏离某方向的中心线时仍能与另一方向的传动板发生碰撞。

具体地，齿条11安装在主齿轮ⅰ13a和主齿轮ⅱ13b上，可带动主齿轮ⅰ13a和主齿轮ⅱ13b的转动。主齿轮ⅰ13a和主齿轮ⅱ13b的轴心安装在伸臂梁27上，可绕轴心转动，伸臂梁27固定在工作箱1内侧壁。主齿轮ⅱ13b上设置圆管，副齿轮14通过圆管固定在主齿轮ⅱ13b上，使副齿轮14能够随主齿轮ⅱ13b协同转动；副齿轮14与其平面外的工作齿轮15啮合；工作齿轮15与螺纹杆16连接，螺纹杆16另一端伸入磁流变液压耗能机构中。

如图5(a)-图5(b)所示，磁流变液压耗能机构包括一个耗能箱17，耗能箱17通过支撑装置18固定在工作箱1底部，内部充满磁流变液19；耗能箱17内设有多级滑动框20，推动活塞21沿着耗能箱17内壁的齿条11滑动；耗能箱17外侧壁设有多圈液压管道22，液压管道22两端与耗能箱17内部连通，液压管道22在耗能箱17外部的缠绕密实程度根据耗能需求设计；耗能箱17两端设有励磁线圈23。

在具体实施中，滑动框20可分为三级：一级滑动框20a通过端部设置的螺纹与螺纹杆16连接，并通过安装在框壁的一级齿轮25a沿耗能箱17内侧的齿条11滑动，如图6(a)所示；二级滑动框20b的框壁安装二级齿轮25b，外侧壁设有齿条11，可由一级齿轮25a的啮合带动二级滑动框20b滑动，如图6(b)所示；三级滑动框20c的外侧壁设有齿条11，端部安装活塞21，如图6(c)所示。

具体地，一级滑动框20a和三级滑动框20c的数量是固定的1个，二级滑动框20b的数量可为0、1、2个等。

当二级滑动框20b的数量为n时，活塞位移行程能够达到一级滑动框20a行程的n+2倍。

此处需要说明的是，二级滑动框20b的具体数量，本领域技术人员可根据耗能装置的空间、行程要求和耗能要求设计。

在一些具体实施中，所有的联动弹簧6、调谐弹簧7和复位弹簧12均采用形状记忆合金弹簧，保证弹簧在变形后仍能恢复原状。所有滚珠5均涂有润滑油，以保证与其所接触部位光滑，减小摩擦。

本实施例的多级自适应复合惯容减振装置的工作原理为：

当结构发生振动时，质量体2内部碰撞球9由于惯性在伸缩箱体3内部沿水平面发生任意方向的初始运动；在x方向，碰撞球9推动伸缩板4滑动，伸缩板4间距增大，碰撞间隙增大；在y方向，碰撞球9推动伸缩箱体3侧壁运动，伸缩箱体3协同伸缩板4展开，碰撞间隙增大。由于质量体2侧壁的上部和下部分别沿不同方向设置了导轨8，所以当碰撞球9的运动进一步扩大时，碰撞球9和伸缩板4能够推动伸缩箱体3沿水平任意方向运动。

当质量体2运动范围达到传动板10位置时，质量体2侧壁推动传动板10运动。传动板10的运动带动齿条11传动，从而带动主齿轮ⅰ13a和主齿轮ⅱ13b转动。主齿轮ⅱ13b和副齿轮14通过圆管固定连接，因而副齿轮14与主齿轮ⅱ13b协同转动。副齿轮14带动与其相啮合的平面外工作齿轮15转动，从而带动螺纹杆16转动。螺纹杆16通过螺纹与一级滑动框20a啮合，并将转动转化为一级滑动框20a沿耗能箱17内齿条11的滑动，同时一级齿轮25a通过与二级滑动框20b外侧的齿条11啮合带动二级滑动框20b滑动。二级滑动框20b滑动时，安装在其侧壁的二级齿轮25b通过与三级滑动框20c外侧的齿条11啮合带动三级滑动框20c滑动，从而带动活塞21运动。通过滑动框20之间齿轮25与齿条11的啮合，活塞21位移可达到一级滑动框20a运动位移的三倍，实现惯容元件的变形放大作用。

活塞21运动时推动耗能箱17内磁流变液19流动，耗能箱17内径远大于液压管道22内径，因此当磁流变液19被挤压进入液压管道22中时，液压管道22内流体速度相较于活塞21速度得以放大，形成液压惯容机制。传动板10上安装的位移传感器监测传动板10的移动情况，并通过电磁控制线路调节励磁线圈23所产生的磁场强度，实时改变磁流变液19的阻尼大小，调节耗能箱17的耗能水平与耗能需求相适应。

当振动结束后，在导轨8、调谐弹簧7的作用下质量体2回归原位，在联动弹簧6的作用下伸缩板4的排列恢复初始位置，在复位弹簧12的作用下传动板10回归原位，磁流变液19恢复到流动状态，整个减振装置呈现原始状态。

本实施例安装在所控制结构相应模态下振动响应最大的位置，能够有效抑制高耸或大跨结构的多维不良振动。通过装置的自适应、自调节，实现良好的减振效果；同时通过复合惯容系统实现对内部磁流变液压耗能机构的有效变形的放大，优化减振装置的内部空间，起到耗能增效的作用，具有较高的经济性与实用性。

本实施例的多级自适应复合惯容减振装置的特点如下：

(1)“多级”控制：

一级控制——当受控结构振动幅度较小时，质量体所具有的动能不足以使其与传动板碰撞，此时耗能通过碰撞球的碰撞间隙自适应耗能实现被动控制；

二级控制——当受控结构振动幅度较大时，质量体所具有的动能较大，质量体与传动板碰撞，开启磁流变液压耗能机制，此时耗能通过自适应碰撞和磁流变液压实现被动控制与半主动控制结合的混合控制。

(2)“自适应”：

碰撞耗能自适应——当受控结构振动幅度由小增大时，质量体内部碰撞球的动能增大，所需的最优碰撞间隙也增大，通过伸缩箱体、伸缩板和联动弹簧的设置可实现适应不同振动情况的碰撞间隙；

磁流变液压耗能自适应——传动板上的位移传感器可通过结构的响应控制磁流变液的阻尼，从而实现磁流变液压耗能机构的自调节。

(3)“复合惯容”：

磁流变液压耗能机构中滑动框与耗能箱、滑动框之间齿轮与齿条的组合将活塞的有效变形放大，形成惯容机制；耗能箱内径远大于液压管道内径，液压管道内流体速度相较于活塞速度得以放大，形成液压惯容机制。

在另一实施例中，还提供了一种结构，其包括上述所述的多级自适应复合惯容减振装置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。