专利名称：调速型调谐质量阻尼器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种调速型调谐质量阻尼器，主要用于高耸结构、桥梁塔架等的抗震减灾领域。
背景技术：
自1972年美国学者Yao提出结构控制概念以来，结构振动控制的研究得到了快速发展，在众多的控制装置中，调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)安装时不需要修改结构设计，一般可以直接安装在结构的顶层，因为灵活方便，成本低，应用比较广泛。
目前，理论和实验研究普遍认为TMD能有效地减轻高耸结构的风振，但不少研究表明TMD对地震等冲击荷载的控制效果十分有限。主要原因有(1)地震等冲击型载荷通常在很短时间内达到峰值，而TMD在充分发挥作用之前需要较长的时间来得到一定的速度和位移，导致TMD的减震效果滞后(2)大震作用下结构动力特性会因屈服发生变化，导致TMD失调。
主动调谐质量阻尼器(ATMD)引入外部能量使TMD质量块获得加速度，产生合适的惯性力，从而提高减震效果。ATMD优于被动TMD，但需要可靠的大功率外部能源供给，操作维护昂贵，对常用的控制律，时滞也很敏感。又由于控制力、作动器行程等方面的限制，ATMD多数是用来减小风振和中等程度的地震。
根据TMD的工作原理，TMD对结构的控制力等于其惯性力，而惯性力与恢复力、阻尼力之和大小相等，方向相反。当阻尼不大时，阻尼力与恢复力相比很小，那么控制力与TMD的恢复力方向大致相反。如果TMD的相位能始终保持落后主体结构90度，那么TMD对结构的控制力就始终是阻力，抑制主体结构振动；另外，控制力与TMD的相对位移成正比，只有TMD的运动达到一定的幅度，才能保证给主体结构足够大的控制力。
考虑到被动TMD地震控制效果不好，而ATMD又受到能量、控制力和行程的限制，本发明从被动TMD的工作原理出发，提出调速型TMD，通过在适当时候给TMD适当的冲量，调整TMD的速度，使其在较短时间内达到需要的运动幅值，在一定程度上解决了TMD在地震作用下启动慢的问题，并且可以保持TMD和主体结构的最优相位关系，从而减少了TMD因频率失调带来的不利影响。
现有TMD存在启动慢、在频率失调情况下控制效果差的问题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明目的是提供一种调速型TMD，其基本技术路线是通过给TMD质量块冲量，使TMD迅速达到需要的运动幅度，提高其对冲击型荷载的控制效果；利用磁流变阻尼器可以锁紧TMD与主体结构的功能，调节TMD和结构的相位关系，减少频率失调带来的控制效果的降低。
本发明提供了一种调速型调谐质量阻尼器，包括质量块2、2个TMD弹簧3、滚动支承4和2个阻尼器，质量块2通过滚动支承4连接结构楼板1；每个TMD弹簧3一端连接TMD质量块2，另一端连接结构楼板1或与结构楼板1固结的刚性支架5，每个阻尼器一端连接质量块2；其特征在于所述的阻尼器为磁流变阻尼器8；所述的每个磁流变阻尼器8另一端连接一个冲量发生装置；所述的2个冲量发生装置对称布置；所述的冲量发生装置由水平主电磁铁和水平主弹簧10组成，主电磁铁包括主电磁铁线圈6和主电磁铁衔铁9，主电磁铁线圈6安装在刚性支架5上，主电磁铁衔铁9通过衔铁滚动支承15连接结构楼板1；水平主弹簧10放置在主电磁铁线圈6和主电磁铁衔铁9之间，主弹簧10一端与刚性支架5相连，另一端与主电磁铁衔铁9接触但不连接。
磁流变阻尼器8具有离合功能，磁流变液在零磁场时类似于粘滞液体，只提供较小的阻尼力，不阻止磁流变阻尼器8两端的相对运动，称为‘离’状态；磁场突然增大时，磁流变液瞬间变成屈服力很大的半固体，阻止了磁流变阻尼器两端的相对运动，称为‘合’状态。另外，磁流变阻尼器的响应时间只有几毫秒，满足瞬间离合的要求。
TMD正常运行时，主电磁铁处于吸合状态，主弹簧10处于压缩状态，磁流变阻尼器8处于“离”状态。需要提供冲量时，线圈6断电，电磁铁吸力瞬间消失，同时磁流变阻尼器8瞬间“合”上，主弹簧10强大的恢复力通过衔铁9和磁流变阻尼器8传给TMD质量；很短的时间(如0.02秒)后，磁流变阻尼器回到“离”状态，电磁铁恢复吸合状态，弹簧被再次压缩。弹簧从释放到再次被压缩时间很短，也就是说冲量发生装置作用在TMD上的力很大但持续时间很短，相当于给TMD质量块一个冲量，可以增加其速度。当TMD速度为零时，判断TMD和主体结构的相位关系，如果相位关系最优，则不做任何处理，反之，磁流变阻尼器8“合”上，锁定TMD于主体结构之上，等待相位关系达到最优时，再释放质量块。
为了提高冲量发生装置的可靠性，还可增加与主电磁铁方向垂直的辅助电磁铁，辅助电磁铁包括辅助电磁铁线圈7和辅助电磁铁衔铁12，辅助电磁铁线圈7安装在刚性支架5上，辅助弹簧13放置在辅助电磁铁线圈7和辅助电磁铁衔铁12之间，两端分别连接刚性支架5和辅助电磁铁衔铁12；上楔形块14上表面与衔铁12固结，下表面为斜面，下楔形块11的下表面与衔铁9固结，上表面为斜面，下楔形块11的斜面和上楔形块14的斜面倾斜角度相等，两斜面无摩擦接触。
释放弹簧10后，如果衔铁9位移较大，与线圈6的距离较远，产生的吸引力不足以克服弹簧的推力，这时可以切断辅助电磁铁线圈7的电流，辅助电磁铁吸引力消失，衔铁12和上楔形块14在弹簧13恢复力的作用下向下运动，推动下楔形块11带动衔铁9朝压缩弹簧10的方向运动。当衔铁9与线圈6距离足够近，就可以依靠主电磁铁的吸引力把弹簧压缩回原位了，同时弹簧13再次被压缩，辅助电磁铁恢复吸合状态。为了顺利将弹簧13压回原位，衔铁12的向下位移不能太大。
目前，常见的直线型磁流变阻尼器行程不是很大，可以将磁流变阻尼器串联使用，以增大行程。或者也可以采用旋转型磁流变阻尼器，并用齿轮、齿条机构将转动转化为平动，将旋转型磁流变阻尼器17的外壳直接做成齿轮状，齿条与TMD质量块2固结，如附图3。
调速TMD的调速策略是根据被动TMD的基本工作原理制订的。一般TMD的特点是如果其相位能始终保持落后主体结构90度，那么它对结构的控制力就始终是阻力，抑制主体结构振动，也就是说，TMD与结构的最优相位关系是-90度；另外，TMD的控制力大小与其相对位移成正比，只有TMD达到一定的运动幅度，才能保证给主体结构足够大的控制力。依据以上TMD的工作原理，调速总目标定为尽量保持TMD相位落后主体结构90度，同时保证TMD有合适的运动幅值。
本发明与被动TMD以及传统AMD/ATMD相比有如下优点(1)结构遭遇地震等冲击性荷载时，调速型TMD可以迅速启动并发挥其控制作用。被动TMD一般需要一定的时间才能达到足以发挥作用的速度和位移，如果在这段时间里地震作用最为强烈，控制效果就会变得很差。
(2)当主体结构动力特性或者激励频率在被控时间段内有所变化时，传统TMD会由于频率失调而没有或者只有很小的控制效果。而调速型TMD可以通过调整TMD与主体结构的相位关系，保持较好的控制效果。
(3)调速型TMD可以避免大震时AMD/ATMD因为作动器行程限制导致的控制效果的降低。数值研究表明，大震时要想达到理想的控制效果，AMD的行程在±1m甚至更长，而大多数作动器难以达到如此大的行程，从而导致AMD控制效果降低，甚至失效。实际工程中也多用AMD控制结构在风振或中小地震下的响应。而本专利提出的调速装置只给TMD施加冲量，无需作动器，对TMD的行程没有附加的限制。
(4)调速型TMD与AMD/ATMD相比所需能量很小，这是因为调速装置中的电磁装置和磁流变阻尼器所需能量都很小。而AMD/ATMD需要很大的能量，一旦电力中断，就无法工作。事实上，地震时断电是很普遍的事情。
本发明在冲击型荷载作用和TMD失调情况下的控制效果明显好于传统被动TMD；又由于所需能量很少，不存在大震时主动控制难以解决的能量问题。本发明思路清晰，原理和算法简单，技术、装置易于实现，成本低，具有很好的理论研究和应用价值。
图1表示本发明调速型TMD的构造2表示本发明增加了辅助电磁铁的调速型TMD的构造3表示本发明采用旋转型磁流变阻尼器和齿轮、齿条机构的局部示意4表示本发明控制效果和被动TMD对比中1.结构楼板2.TMD质量块3.TMD弹簧4.滚动支承5.刚性支架6.主电磁铁线圈7.辅助电磁铁线圈8.直线型磁流变阻尼器9.主电磁铁衔铁10.主弹簧11.下楔形块12.辅助电磁铁衔铁13.辅助弹簧14.上楔形块15.衔铁滚动支承16.齿条17.旋转型磁流变阻尼器具体实施方式
下面将结合说明书附图对本发明实施方法作进一步说明为了验证本发明提出的调速型TMD的控制效果，以单自由度结构的地震响应控制为例，分析比较了调速型TMD与被动TMD的控制效果。结构与TMD的参数选取如下结构质量430ton，结构刚度为60300KN/m，结构周期为0.53s，结构阻尼比为0.02；TMD质量为4.3ton，TMD弹簧刚度为603KN/m，TMD阻尼比为0.1。TMD质量与结构质量比为0.01，频率比定为1。假设装置每次调速能提供的最大速度增量是1m/s。对于4.3ton的TMD，所需要的冲量为4.3KN·s，冲量发生装置主弹簧选用的碟形弹簧，弹簧压缩量为0.1m时，可产生300KN的恢复力，作用0.014s的时间就可达到4.3KN·s的冲量，这里假设在0.014s的时间内，弹簧恢复力大小不变。弹簧10的恢复力要通过磁流变阻尼器8传给TMD质量块2，磁流变阻尼器8必须能够传递300KN的力，哈尔滨工业大学的欧进萍教授制造了最大阻尼力为200KN的磁流变阻尼器，理论上讲，制造更大出力的磁流变阻尼器是没有困难的。当然并联使用两个出力150KN的磁流变阻尼器也可以传递300KN的力。主电磁铁线圈6匝数为10000，电流为3A，衔铁9的磁极面积为0.18m2，根据电磁铁吸力计算公式得出间隙为0.009m的时候，电磁吸力是314KN，而间隙为0.01时，电磁力为254KN。可见，如果采用上述主电磁铁，弹簧10释放后，衔铁9的位移在0.009m之内可以靠主电磁铁的吸引力压缩弹簧10，而衔铁9的位移超过0.009m就得启动辅助电磁铁帮助压缩弹簧10了。这里需要声明一下，冲量发生装置的各种参数选择是针对所选例子的。对于不同的实例，需要对参数进行优选。
地震输入选用El-Centro波(图4中1、4)、澜沧耿马波(图4中2、5)、迁安波(图4中3、6)三条常见的地震波，被动TMD和调速型TMD的控制效果的比较，见附图4。图中第1、2和3三组分别表示结构不屈服的情况下，三种地震波作用下结构绝对加速度的控制效果；第4、5和6组分别表示结构屈服的情况下，三种地震波作用下结构绝对加速度的控制效果。
从图中可以看到结构不屈服时，被动TMD在El-Centro波作用下控制效果最好，原因是在这种情况下结构和TMD频率一致，同时El-Centro波的主频又和结构频率接近，TMD处于近似调谐状态。其它5种情况下，被动TMD的控制效果都只有百分之几，这是由于地震激励主频与结构频率不一致，或者结构屈服引起结构频率变化导致TMD失调。调速型TMD在所有的情况下都比被动TMD的控制效果好，这正是由于它启动迅速和可以调整TMD和结构相位关系这两个特点提高了它对地震作用的控制效果。
权利要求
1.一种调速型调谐质量阻尼器，包括质量块(2)、2个TMD弹簧(3)、滚动支承(4)和2个阻尼器，质量块(2)通过滚动支承(4)连接结构楼板(1)；每个TMD弹簧(3)一端连接TMD质量块(2)，另一端连接结构楼板(1)或与结构楼板(1)固结的刚性支架(5)，每个阻尼器一端连接质量块(2)；其特征在于所述的阻尼器为磁流变阻尼器(8)；所述的每个磁流变阻尼器(8)另一端连接一个冲量发生装置；所述的2个冲量发生装置对称布置；所述的冲量发生装置由水平主电磁铁和水平主弹簧(10)组成，主电磁铁包括主电磁铁线圈(6)和主电磁铁衔铁(9)，主电磁铁线圈(6)安装在刚性支架(5)上，主电磁铁衔铁(9)通过衔铁滚动支承(15)连接结构楼板(1)；水平主弹簧(10)放置在主电磁铁线圈(6)和主电磁铁衔铁(9)之间，主弹簧(10)一端与刚性支架(5)相连，另一端与主电磁铁衔铁(9)接触但不连接。
2.根据权利要求1所述的调速型调谐质量阻尼器，其特征在于所述的冲量发生装置还可增加与主电磁铁方向垂直的辅助电磁铁，辅助电磁铁包括辅助电磁铁线圈(7)和辅助电磁铁衔铁(12)，辅助电磁铁线圈(7)安装在刚性支架(5)上，辅助弹簧(13)放置在辅助电磁铁线圈(7)和辅助电磁铁衔铁(12)之间，两端分别连接刚性支架(5)和辅助电磁铁衔铁(12)；上楔形块(14)上表面与衔铁(12)固结，下表面为斜面，下楔形块(11)的下表面与衔铁(9)固结，上表面为斜面，下楔形块(11)的斜面和上楔形块(14)的斜面倾斜角度相等，两斜面无摩擦接触。
3.根据权利要求1所述的调速型调谐质量阻尼器，其特征在于所述磁流变阻尼器(8)采用直线型磁流变阻尼器串联使用，或者采用旋转型磁流变阻尼器。
全文摘要
调速型调谐质量阻尼器属于抗震减灾领域。现有TMD存在启动慢、在频率失调情况下控制效果差的问题。本发明技术路线是通过给TMD质量块冲量，使TMD迅速达到需要的运动幅度，提高其对冲击型荷载的控制效果；利用磁流变阻尼器可以锁紧TMD与主体结构的功能，调节TMD和结构的相位关系，减少频率失调带来的控制效果的降低。本发明在冲击型荷载作用和TMD失调情况下的控制效果明显好于传统被动TMD；不存在大震时主动控制难以解决的能量问题。本发明易于实现，成本低。
文档编号E04B1/98GK101033628SQ20071006325
公开日2007年9月12日 申请日期2007年1月5日 优先权日2007年1月5日
发明者秦丽, 周锡元, 闫维明 申请人:北京工业大学