一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器

本发明涉及振动控制，具体为一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器。

背景技术：

1、为了更加高效地开发、利用风能，为了更高效地开发和利用风能，风机正朝着大型化、大兆瓦方向迅速发展，风机高度和叶片长度不断增加，这导致结构在风、地震和波浪等荷载作用下会出现明显的振动响应。过度的振动响应，会导致构件疲劳甚至破坏，降低结构的服役寿命，影响风机的工作性能。因此，降低风机的振动响应，确保其多灾害作用下的安全性、可靠性和韧性，是至关重要的。

2、结构振动控制是一种降低结构振动响应，提高其安全性、可靠性和韧性的有效手段。依据工作机理的不同，现有的振动控制技术大致可以分为四类：被动控制、主动控制、半主动控制与混合控制。被动控制技术由于其无需外部激励或能量输入，在减振有效性、可靠性和维护等方面具有诸多优势，使其成为工程领域中常用的振动控制手段。常见的被动控制技术包括基础隔振、耗能减振以及调谐减振技术。相关研究表明，这三种被动控制技术均可以抑制结构振动响应。其中，调谐减振技术通常由质量块、弹簧和阻尼器等构件组成，其能在特定的频率内提供高效的振动控制技术且适用性广泛可运用于各种类型的结构和系统。因此，其在振动控制领域具有广泛的工程应用。

3、调谐减振技术的基本工作原理是通过“反向”共振抑制主结构的振动响应。具体工作过程如下：(1)相互作用效应：主结构开始振动，传递能量到附加质量和弹簧。(2)能量吸收：阻尼器将振动过程中的能量吸收和耗散，从而限制了主结构的振幅。这样，tmd帮助主结构保持较小的振动幅度，减少了结构受力和疲劳的风险。(3)阻尼效应：附加质量开始与主结构一起振动，但阻尼器的作用导致附加质量的振幅逐渐减小。这就是tmd的关键作用，它通过阻尼作用减小了主结构的振动。

4、摆式调谐质量阻尼器是调谐减振体系的一种经典实施方式，其中摆悬挂在结构上。当地震动作用下，体系发生水平方向的振动，摆随之一起振动，摆的振动产生的惯性力反作用于结构本身。当该惯性力与结构本身的运动方向相反时，就产生了减振效果。

5、尽管现有的摆式调谐质量阻尼器可以一定程度上降低结构的振动响应，然而其在风机振动控制中的应用仍面临诸多挑战，具体如下：

6、(1)摆式调谐质量阻尼器的控制效果高度依赖于质量比，即次级结构和主结构的物理质量之比。一般来说，需要较大的次级质量才能达到期望的控制性能。而较大的次级质量不仅增加了结构负重从而增加施工成本，而且增加了连接系统的复杂性，在一定程度上阻碍了调谐质量阻尼器的广泛应用。(2)摆式调谐质量阻尼器的控制效果依赖对风机结构动力特性的准确识别和阻尼器优化设计。具体而言，实现高效振动控制的关键在于确定阻尼器最优的调谐频率和阻尼比。然而，在实际应用中，由于结构和环境的变化，结构的动力特性有可能在整个服役期间发生变化(即时变动力特性)。传统摆式调谐质量阻尼器由于其调谐频率和阻尼比固定不变，存在控制效果下降的潜在风险(即“失谐”)。(3)摆式调谐质量阻尼器在极端荷载(风、波浪与地震)作用下，质量块可能会与风机塔身内壁发生磨损与碰撞，造成结构局部损伤甚至破坏，影响结构安全。因此，亟待一种改进的技术来解决现有技术中所存在的这一问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器，基于惯容器的质量放大效应，有效减小摆式调谐质量阻尼器的附加质量并提高阻尼器的控制效果，从而实现更高的性价比，基于变刚度弹簧和磁流变阻尼器实现阻尼器的自适应性，确保其在多种荷载下的可靠性，提高系统的鲁棒性，采用适用于风机的结构特点的“柔性索”连接方式，有效减小的质量块的摆动角度，降低碰撞的风险，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器，所述变刚度磁流惯容自适应阻尼器设置于塔架内，包括摆绳、质量球、上端球铰、滑杆、限位器、步进电机、可变刚度弹簧、磁流变阻尼器、惯容器，所述质量球顶端与摆绳底端相连，所述摆绳顶端与塔架顶部相连，所述质量球底部设置有上端球铰，所述上端球铰与滑杆活动相连，所述滑杆底端穿设于惯容器，所述滑杆底端通过下摆杆与塔架底部相连，所述可变刚度弹簧、磁流变阻尼器及惯容器并联且竖向设置，所述可变刚度弹簧一端与步进电机相连，所述步进电机底部及磁流变阻尼器顶部、可变刚度弹簧底部及磁流变阻尼器底部均与限位器相连，所述可变刚度弹簧的末端装有步进电机。

3、优选的，本发明提供的一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器，其中，所述塔架底部设置有基础，所述基础上表面设置有承台，与所述滑杆底部相连的下摆杆与承台通过下端球铰相连。

4、优选的，本发明提供的一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器，其中，位于上方的所述限位器与滑杆焊接。

5、优选的，本发明提供的一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器，其中，位于下方的所述限位器上表面还设置有弹簧限位座，所述可变刚度弹簧底部与弹簧限位座转动相连。

6、优选的，本发明提供的一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器，其中，所述摆绳的数量至少为两根。

7、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

8、(1)利用惯容器的质量放大效应，提高控制装置的表观质量从而减小摆式调谐质量阻尼器的附加质量，并在提升阻尼器的控制效果的同时，实现更为经济高效的效果。

9、(2)将变刚度弹簧和磁流变阻尼器与惯容器串联在一起，实现阻尼器的自适应性，确保其在多种荷载下的可靠性，提高系统的鲁棒性，以此提高减振系统韧性。

10、(3)阻尼器与塔架顶端采用摆绳这种“柔性索”连接方式，有效减小的质量块的摆动角度，降低碰撞的风险，以此提高减振系统的稳定性和耐久性，同时便于安装与维护。

技术特征：

1.一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器，所述变刚度磁流惯容自适应阻尼器设置于塔架(1)内，其特征在于：包括摆绳(2)、质量球(3)、上端球铰(4)、滑杆(5)、限位器(6)、步进电机(7)、可变刚度弹簧(8)、磁流变阻尼器(9)、惯容器(10)，所述质量球(3)顶端与摆绳(2)底端相连，所述摆绳(2)顶端与塔架(1)顶部相连，所述质量球(3)底部设置有上端球铰(4)，所述上端球铰(4)与滑杆(5)活动相连，所述滑杆(5)底端穿设于惯容器(10)，所述滑杆(5)底端通过下摆杆(13)与塔架(1)底部相连，所述可变刚度弹簧(8)、磁流变阻尼器(9)及惯容器(10)并联且竖向设置，所述可变刚度弹簧(8)一端与步进电机(7)相连，所述步进电机(7)底部及磁流变阻尼器(9)顶部、可变刚度弹簧(8)底部及磁流变阻尼器(9)底部均与限位器(6)相连，所述可变刚度弹簧(8)的末端装有步进电机(7)。

2.根据权利要求1所述的一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器，其特征在于：所述塔架(1)底部设置有基础(12)，所述基础(12)上表面设置有承台(11)，与所述滑杆(5)底部相连的下摆杆(13)与承台(11)通过下端球铰(14)相连。

3.根据权利要求1所述的一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器，其特征在于：位于上方的所述限位器(6)与滑杆(5)焊接。

4.根据权利要求1所述的一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器，其特征在于：位于下方的所述限位器(6)上表面还设置有弹簧限位座(15)，所述可变刚度弹簧(8)底部与弹簧限位座(15)转动相连。

5.根据权利要求1所述的一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器，其特征在于：所述摆绳(2)的数量至少为两根。

技术总结
本发明公开了一种用于风机结构的变刚度磁流惯容自适应阻尼器，质量球顶端与摆绳底端相连，摆绳顶端与塔架顶部相连，质量球底部通过上端球铰与滑杆活动相连，滑杆底端穿设于惯容器，滑杆底端通过下摆杆与塔架底部相连，可变刚度弹簧、磁流变阻尼器及惯容器并联且竖向设置，可变刚度弹簧一端与步进电机相连，本发明结构合理，基于惯容器的质量放大效应，有效减小摆式调谐质量阻尼器的附加质量并提高阻尼器的控制效果，从而实现更高的性价比，基于变刚度弹簧和磁流变阻尼器实现阻尼器的自适应性，确保其在多种荷载下的可靠性，提高系统的鲁棒性，采用适用于风机的结构特点的“柔性索”连接方式，有效减小的质量块的摆动角度，降低碰撞的风险。

技术研发人员：马瑞升,杨逊辰,吴思远
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15