一种伺服式竖向减振器及其应用结构和减振方法与流程

本发明涉及减振器技术领域，更具体的说是涉及一种由伺服式电机和质量块相结合的伺服式竖向减振器，及其应用于悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁箱型截面的内部、外部，控制桥梁的涡激振动和颤振。

背景技术：

我国是一个桥梁大国，近20多年建成了数以百计的世界领先的大跨度桥梁，如悬索桥、斜拉桥等都是柔性结构，容易在风荷载下产生振动。风吹过桥梁时，由于桥梁的侧面形式不同，在不同风速下容易产生涡振，甚至产生颤振，当桥梁结构阻尼较小时会产生较大振幅，许多建成的桥梁近来出现了不同程度的竖向振动，甚至带有一定量的扭转运动，振动严重时影响了桥梁的正常运行。桥梁的振动是不可避免的，如何让桥梁振动控制在安全范围内，是桥梁建设者的难题，大跨度桥梁结构大都是钢结构，其阻尼比仅仅为0.1％～0.5％，远远小于建筑结构钢结构阻尼比2％，这也是桥梁振动幅值较大的重要原因。

解决桥梁振动的主要方向除了选取优化的桥梁截面，减小风产生振动，还应该提高桥梁结构阻尼，减振器或者称为阻尼器是桥梁减振的主要形式。现有的减振器或阻尼器主要包括：粘性液体调谐质量阻尼器和电涡流调谐质量阻尼器。这些减振器或阻尼器基本属于被动式阻尼和减振，减振效果不是很高，缺少主动控制性。

随着自动控制技术的提高，可以采用自动控制减振和提供阻尼，因此，如何基于这样的思想设计一种能够应用于悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁的竖向减振器和减振方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种伺服式竖向减振器，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种伺服式竖向减振器，包括：电机底座板、伺服电机、加速度传感器、伺服系统、牵引机构和质量块；

所述电机底板座的顶面与振动面固定连接；

所述伺服电机固定在所述电机底板座的底面；

所述加速度传感器的感应端固定在所述振动面上，且用于采集所述振动面的竖向振动加速度值；

所述伺服系统分别与所述伺服电机和加速度传感器电性连接；

所述牵引机构的输入端与所述伺服电机的动力输出轴连接，且能够将所述伺服电机的转动运动输出为竖直方向的反复直线运动；

所述质量块与所述牵引机构的输出端固定连接。

通过上述技术方案，本发明根据加速度传感器采集到的信息，通过伺服系统采集到数据并做出反馈，控制伺服电机转动，带动质量块上下运动，吸收振动面振动的能量，达到减振的作用，本发明提供的减振器在一个振动周期内可以吸收的能量根据质量块和上下运动的幅值确定，通过质量块上下运动幅值实现一个振动周期内不同的能力耗散，可迅速减振，每个振动周期内能量耗散可控性强。

需要说明的是，本发明提供的伺服系统为能够采集加速度传感器的数据信息并对伺服电机作出指令反馈的系统结构，为常规的控制系统结构。

如：

申请日为2018.10.24，授权公告号为cn209497405u，名称为一种agv伺服电机驱动控制系统的实用新型专利，其中提供了agv伺服电机驱动控制系统，包括伺服电机、传感器、agv接口板和上位机控制单元，与本申请的伺服系统相同，能够实现本申请的相应功能。

申请日为2015.10.19，授权公告号为cn105252539b，名称为一种基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统及方法的发明专利，其中提供了三相交流伺服电机、减速器、主动杆、被动杆；三相交流伺服电机安装在固定平台上，呈等边三角形分布，三相交流伺服电机连接减速器，减速器通过转动轴连接主动杆，主动杆的另一端通过转动轴连接从动杆，从动杆的另一端通过转动轴连接动平台，动平台呈等边三角形；采用增量式编码器测试主动关节位置，采用加速度传感器检测并联平台动平台和主动杆的加速度，根据主动关节位置信息和加速度信息综合设计控制器，抑制并联平台在运动过程中的振动或点定位时的自激振动。其控制器与本申请的伺服系统相同，能够实现本申请的相应功能。

申请日为2015.06.03，授权公告号为cn104973123b，名称为一种具有全向运动的运输车的发明专利，其中提供了相应的加速度传感器和伺服电机驱动器，能够实现本申请的相应功能。

因此，关于伺服系统的具体结构为现有技术中的常规结构，并不是本发明的重点，在此不再赘述。

需要进一步强调的是，在本发明中，伺服电机相对于质量块存在交替性的正负功工作；而伺服电机相对于振动面始终做负功，与振动面的输入能量相抵消，起到减振作用。

优选的，在上述一种伺服式竖向减振器中，所述牵引机构为钢丝吊绳；所述钢丝吊绳的一端与所述伺服电机水平布置的动力输出轴固定连接，且缠绕在所述动力输出轴上，另一端与所述质量块固定连接。通过钢丝吊绳连接伺服电机的动力输出轴和质量块，结构稳定，连接简单方便。

优选的，在上述一种伺服式竖向减振器中，所述牵引机构为连杆驱动结构。

需要说明的是，本发明中所说的连杆驱动结构为现有的能够将转动运动转化为直线运动的常规结构。

如：

申请日为2013.08.08，授权公告号为cn103457403b，名称为应用于航天器的大型直线式展开驱动机构的发明专利，其中提供了一种能够将电机的转动运动转化为直线运动的结构。

申请日为2015.09.11，授权公告号为cn105156622b，名称为一种双曲柄摇杆齿轮齿条传动装置的发明专利，其中提供了一种能够将电机的转动运动转化为直线运动的结构。

因此，关于连杆驱动结构的具体结构为现有技术中的常规结构，也可以采用任一种能够将转动运动转化为直线运动的结构，并非本发明的重点，在此不再赘述。

优选的，在上述一种伺服式竖向减振器中，所述伺服电机通过电机电源线与外部电源电性连接。便于安装连接。

本发明还提供了一种伺服式竖向减振器的应用结构，将至少一个所述的伺服式竖向减振器安装在箱型桥梁的内部或外部。

通过上述技术方案，本发明将伺服式竖向减振器用于桥梁减振领域，可应用于悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁箱型截面的内部、外部，控制桥梁的涡激振动和颤振，能够起到显著的减振效果。

优选的，在上述一种伺服式竖向减振器的应用结构中，所述箱型桥梁为悬索桥或斜拉桥的桥梁。本发明提供的伺服式竖向减振器对于悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁有着良好的减振效果。

优选的，在上述一种伺服式竖向减振器的应用结构中，当所述伺服式竖向减振器安装在所述箱型桥梁的内部时，所述电机底座板的顶面与所述箱型桥梁的内部顶面固定连接。连接结构简单方便。

优选的，在上述一种伺服式竖向减振器的应用结构中，当所述伺服式竖向减振器安装在所述箱型桥梁的外部时，所述箱型桥梁的外部顶面固定有钢框架，所述电机底座板的顶面与所述钢框架的内部顶面固定连接。能够根据不同的使用需求进行安装。

本发明还提供了一种伺服式竖向减振器的减振方法，当振动面产生竖直方向的振动时，加速度传感器采集振动面的竖向振动加速度值传递至伺服系统，伺服系统根据采集信息驱动伺服电机转动，进而控制质量块相对于振动面上下运动：振动面向上加速时，质量块向下运动；振动面向下加速时，质量块向上运动。

通过上述技术方案，本发明提供的减振方法通过加速度传感器测到振动面的竖向振动加速度，伺服系统采集到数据并做出反馈，控制伺服电机转动，带动质量块上下运动，吸收振动面振动的能量，达到减振的作用，本发明提供的减振器在一个振动周期内可以吸收的能量根据质量块和上下运动的幅值确定，可应用于悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁箱型截面的内部、外部，控制桥梁的涡激振动和颤振。

优选的，在上述一种伺服式竖向减振器的减振方法中，当牵引机构为钢丝吊绳时，质量块向下运动，使钢丝吊绳带动伺服电机的动力输出轴转动，伺服电机做负功储能。能够起到储能作用，节省电力资源。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种伺服式竖向减振器及其应用结构和减振方法，具有以下有益效果：

1、本发明提供的减振器根据加速度传感器采集到的信息，通过伺服系统采集到数据并做出反馈，控制伺服电机转动，带动质量块上下运动，吸收振动面振动的能量，达到减振的作用，本发明提供的减振器在一个振动周期内可以吸收的能量根据质量块和上下运动的幅值确定，通过质量块上下运动幅值实现一个振动周期内不同的能力耗散，可迅速减振，每个振动周期内能量耗散可控性强。

2、将伺服式竖向减振器用于桥梁减振领域，可应用于悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁箱型截面的内部、外部，控制桥梁的涡激振动和颤振，能够起到显著的减振效果。

3、本发明提供的减振方法通过加速度传感器测到振动面的竖向振动加速度，伺服系统采集到数据并做出反馈，控制伺服电机转动，带动质量块上下运动，吸收振动面振动的能量，达到减振的作用，本发明提供的减振器在一个振动周期内可以吸收的能量根据质量块和上下运动的幅值确定，可应用于悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁箱型截面的内部、外部，控制桥梁的涡激振动和颤振。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的伺服式竖向减振器的结构示意图；

图2附图为本发明提供的伺服式竖向减振器安装在箱型桥梁内部的结构示意图；

图3附图为本发明提供的伺服式竖向减振器安装在箱型桥梁外部的结构示意图；

图4附图为本发明提供的振动面振动位移-时间曲线；

图5附图为本发明提供的振动面振动速度-时间曲线；

图6附图为本发明提供的振动面振动加速度-时间曲线；

图7附图为本发明提供的质量块相对于振动面竖向位移曲线；

图8附图为本发明提供的质量块相对于振动面速度曲线；

图9附图为本发明提供的质量块相对于振动面加速度曲线。

其中：

1-电机底板座；

2-伺服电机；

3-加速度传感器；

4-伺服系统；

5-牵引机构；

6-质量块；

7-振动面；

8-电机电源线；

9-箱型桥梁；

10-钢框架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参见附图1，本发明实施例公开了一种伺服式竖向减振器，包括：电机底座板1、伺服电机2、加速度传感器3、伺服系统4、牵引机构5和质量块6；

电机底板座1的顶面与振动面7固定连接；

伺服电机2固定在电机底板座1的底面；

加速度传感器3的感应端固定在振动面7上，且用于采集振动面7的竖向振动加速度值；

伺服系统4分别与伺服电机2和加速度传感器3电性连接；

牵引机构5的输入端与伺服电机4的动力输出轴连接，且能够将伺服电机2的转动运动输出为竖直方向的反复直线运动；

质量块6与牵引机构5的输出端固定连接。

为了进一步优化上述技术方案，牵引机构5为钢丝吊绳；钢丝吊绳的一端与伺服电机2水平布置的动力输出轴固定连接，且缠绕在动力输出轴上，另一端与质量块6固定连接。

或者牵引机构5为能够实现将转动运动转换为直线运动的任一种连杆驱动结构。

为了进一步优化上述技术方案，伺服电机2通过电机电源线8与外部电源电性连接。

实施例2：

参加附图2，本发明实施例公开了一种伺服式竖向减振器的应用结构，将实施例1中提供的伺服式竖向减振器安装在悬索桥或斜拉桥的箱型桥梁9上，电机底座板1的顶面与箱型桥梁9的内部顶面固定连接，即伺服式竖向减振器安装在箱型桥梁9的内部。

实施例3：

参见附图3，本发明实施例公开了一种伺服式竖向减振器的应用结构，将实施例1中提供的伺服式竖向减振器安装在悬索桥或斜拉桥的箱型桥梁9上，箱型桥梁9的外部顶面固定有钢框架10，电机底座板1的顶面与钢框架10的内部顶面固定连接，即伺服式竖向减振器安装在箱型桥梁9的外部。

实施例4：

参见附图1至附图9，本发明实施例公开了一种伺服式竖向减振器的减振方法，当振动面7产生竖直方向的振动时，加速度传感器3采集振动面7的竖向振动加速度值传递至伺服系统4，伺服系统4根据采集信息驱动伺服电机2转动，进而控制质量块6相对于振动面7上下运动：振动面7向上加速时，质量块6向下运动；振动面7向下加速时，质量块6向上运动。

为了进一步优化上述技术方案，当牵引机构5为钢丝吊绳时，质量块6向下运动，使钢丝吊绳带动伺服电机2的动力输出轴转动，伺服电机2做负功储能。

本实施例提供的伺服式竖向减振器的减振方法的原理为：

以竖向简谐振动为例，设振动面或桥梁结构设置减振器点振动的方程为：

zq＝aqsin(ωt)，参见附图4；

其中aq为桥梁设置减振器点未考虑阻尼时竖向振幅，ω为桥梁设置减振器点的振动圆频率。

振动面或桥梁结构设置减振器点竖向振动的速度为：

vq＝aqωcos(ωt)，参见附图5。

振动面或桥梁结构设置减振器点竖向振动的加速度为：

aq＝-aqω²sin(ωt)，参见附图6。

加速度传感器测得加速度值，伺服系统控制质量块相对于振动面或桥梁结构上下运动，方程为：

zd＝-adcos(ωt)，参见附图7；

其中，ad为质量块相对于振动面或桥梁结构的竖向振幅，质量块绝对位移为：

zd0＝-adcos(ωt)+aqsin(ωt)。

质量块相对于振动面或桥梁结构上下运动，速度方程为：

vd＝adωsin(ωt)，参见附图8。

质量块相对于振动面或桥梁结构上下运动，加速度方程为：

ad＝adω²cos(ωt)，参见附图9；

绝对加速度为：

ad0＝adω²cos(ωt)-aqω²sin(ωt)。

质量块所受外力为：

fd0＝mzd0＝madω²cos(ωt)-maqω²sin(ωt)；

其中，-maqω²sin(ωt)是质量块与振动面或桥梁结构同步位移产生的力，一个周期内所做功基本为0，只考虑质量块相对于振动面或桥梁结构的位移部分为：

fd＝madω²cos(ωt)。

质量块对振动面或桥梁结构的作用力与此相反，为：

fq＝-madω²cos(ωt)；

振动面或桥梁结构速度为：

vq＝aqωcos(ωt)；

得到一个振动周期内对振动面或桥梁结构做功为：

以桥梁结构为例，桥梁放置桥梁段的质量为m,桥梁段的动能为：

一个周期消耗能量为：

πmadaqω²；

根据阻尼振动方程：

一个周期后振幅减小为ae^-2πζ，能量减小到原来的当阻尼比ζ小于0.02时，因此，得到阻尼比：

如桥梁振动幅值aq＝0.4m，质量块相对于桥梁结构振幅为ad＝0.2m，质量m相对于m为0.005，则得到阻尼比为：ζ＝0.0025。

如桥梁振动幅值控制在aq＝0.1m开始启用，质量块相对于桥梁结构振幅为ad＝0.2m，质量m相对于m为0.005，则得到阻尼比为：ζ＝0.01。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。