專利名稱：大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展和新型控制裝置的研發(fā)為結(jié)構(gòu)體系阻尼值的提高提供了更多的途徑。近年來(lái)，結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在土木工程領(lǐng)域發(fā)展迅速。通過(guò)被動(dòng)、半主動(dòng)、主動(dòng)以及混合控制等控制方式可以直接或間接地提高結(jié)構(gòu)的阻尼，從而有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)大型結(jié)構(gòu)或者橋梁在地震和風(fēng)荷載作用下振動(dòng)響應(yīng)的制振。
由于主動(dòng)質(zhì)量阻尼器(AMD)能夠適應(yīng)外界激勵(lì)強(qiáng)度的變換，因而在國(guó)際上得到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(ATMD或HMD)和主動(dòng)質(zhì)量阻尼器(AMD)等組成的主動(dòng)控制系統(tǒng)，在高層建筑、電視塔和大橋橋塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振和地震反應(yīng)控制中已經(jīng)取得了很大的成功。目前已有45座高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)應(yīng)用了 AMD主動(dòng)控制系統(tǒng)，有9座大型橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)期間的橋塔風(fēng)振控制應(yīng)用了 AMD控制系統(tǒng)。世界上第一個(gè)安裝AMD以控制地震和強(qiáng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)振動(dòng)的建筑是日本的Kyobashi Siewa大廈。中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)共同合作，將AMD安裝在我國(guó)高340m的南京電視塔以減小其風(fēng)振反應(yīng)。
一般來(lái)說(shuō)，AMD主動(dòng)控制系統(tǒng)主要由以下三個(gè)部分組成
(1) 質(zhì)量阻尼剛度裝置。包括質(zhì)量塊，剛度彈簧和阻尼器。
(2) 驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)源。包括電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和管路。
(3) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、濾波調(diào)節(jié)器和模擬微分器。結(jié)構(gòu)振動(dòng)的AMD系統(tǒng)由傳感器(包括數(shù)據(jù)采集)、控制器和AMD裝置等三
個(gè)子系統(tǒng)組成。AMD系統(tǒng)實(shí)施控制的時(shí)候，傳感子系統(tǒng)測(cè)量結(jié)構(gòu)的干擾或者(以及)反應(yīng)，并反饋至控制器；控制器按照某種主動(dòng)控制算法，實(shí)施計(jì)算主動(dòng)控制力，
3并驅(qū)動(dòng)AMD系統(tǒng)的作動(dòng)器，然后作動(dòng)器推動(dòng)AMD的慣性質(zhì)量運(yùn)動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力。AMD僅通過(guò)作動(dòng)系統(tǒng)與主結(jié)構(gòu)相連，而沒(méi)有進(jìn)行被動(dòng)頻率的調(diào)諧。AMD通過(guò)輸入與激勵(lì)相位相反的外部能量來(lái)增加主結(jié)構(gòu)阻尼，可以有效減小制振器的質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)對(duì)多階模態(tài)的制振。
目前的AMD或者ATMD系統(tǒng)大多采用液壓伺服系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通過(guò)液體壓力驅(qū)動(dòng)，需要很大功率的電源輸入，同時(shí)液壓油缸占用體積很大，相對(duì)而言其反應(yīng)速度較慢，不能適應(yīng)結(jié)構(gòu)高頻的響應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種適用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的具有較大行程、高反應(yīng)速度以及可調(diào)質(zhì)量的大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置，其特征在于，該減震裝置包括底板、直線導(dǎo)軌、質(zhì)量塊、直線電機(jī)、緩沖器和阻尼器，所述的底板固定在待安裝物上，所述的直線導(dǎo)軌設(shè)置在底板上，直線導(dǎo)軌上設(shè)有質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊連接直線電機(jī)，所述的緩沖器設(shè)置在直線導(dǎo)軌兩端并限制質(zhì)量塊的位移，所述的阻尼器穿過(guò)質(zhì)量塊中心，由其兩端的阻尼器反力板固定在待安裝物上。
所述的質(zhì)量塊的質(zhì)量根據(jù)待安裝物的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。
所述的質(zhì)量塊由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿直線導(dǎo)軌滑動(dòng)。
所述的直線電機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采集待安裝物的振動(dòng)信息，并根據(jù)該信息驅(qū)動(dòng)減震裝置動(dòng)作抑制待安裝物振動(dòng)。所述的底板通過(guò)高強(qiáng)螺栓固定在待安裝物上。所述的直線導(dǎo)軌通過(guò)螺栓連接在底板上。所述的待安裝物包括建筑結(jié)構(gòu)、振動(dòng)臺(tái)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)
(1) 本發(fā)明采用線性電機(jī)作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，質(zhì)量塊的反應(yīng)速度快，控制精度高，反應(yīng)頻率可以達(dá)到100Hz以上，能涵蓋大部分土木結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率，并且占用空間??；
(2) 本發(fā)明的質(zhì)量塊質(zhì)量可調(diào)，可以滿足不同結(jié)構(gòu)的需求；(3)本發(fā)明的質(zhì)量塊位移范圍大，可以實(shí)現(xiàn)大幅度的運(yùn)動(dòng)，能更加有效的增加結(jié)構(gòu)的阻尼比。


圖1為本發(fā)明大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置；圖2為單自由度控制系統(tǒng)的受力分析圖3為實(shí)施例中單自由度結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的有控和無(wú)控的位移響應(yīng)對(duì)比曲線圖。
圖中標(biāo)號(hào)l為底板，2為直線導(dǎo)軌，3為緩沖器，4為直線電機(jī)，5為可變質(zhì)量塊，6為阻尼器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1
大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置，該減震裝置包括底板1、直線導(dǎo)軌2、緩沖器3、直線電機(jī)4、質(zhì)量塊5和阻尼器6，底板1通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接到待安裝物結(jié)構(gòu)或者振動(dòng)臺(tái)上，所述的直線導(dǎo)軌2有兩個(gè)，分別通過(guò)螺栓連接到底板1上下兩端，上下兩端的直線導(dǎo)軌2上均設(shè)有質(zhì)量塊5，該質(zhì)量塊5連接直線電機(jī)4，由直線電機(jī)4驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊5沿直線導(dǎo)軌2滑動(dòng)，質(zhì)量塊5的重量由兩側(cè)的直線導(dǎo)軌2承擔(dān)，而直線導(dǎo)軌2兩側(cè)設(shè)有緩沖器3，質(zhì)量塊的位移，避免超過(guò)最大行程。所述的緩沖器設(shè)置在限制所述的阻尼器穿過(guò)上下兩端直線導(dǎo)軌上質(zhì)量塊中心，并通過(guò)阻尼器兩端的阻尼器反力板固定在待安裝物上。直線電機(jī)4通過(guò)數(shù)據(jù)線連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采集待安裝物的振動(dòng)信息，并根據(jù)該信息通過(guò)合適的控制算法驅(qū)動(dòng)減震裝置動(dòng)作抑制待安裝物振動(dòng)。
下面以一個(gè)單自由度控制系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的控制方法。設(shè)上述減振裝置的質(zhì)量、阻尼和剛度分別為m,，q,i^，質(zhì)量塊的質(zhì)量、阻尼和剛度分別為附2,。，&。由圖2所示的單自由度控制系統(tǒng)的受力分析圖，兩者的運(yùn)動(dòng)方程可以寫為
^ + & (A — i2) + & (A^ — x2) = F —附^g
m2 Jt2 + c2i2 + &2x2 = —F + q (A ——i2) + &— x2) — /w25 g
5其中x,，x,分別是減振裝置和質(zhì)量塊相對(duì)于地面的位移，^、,^A是相應(yīng)的速
度和加速度。
將(l)式改寫為矩陣的形式可以得到
其中
,w！ 0 ) 「 c, _q 、
乂0 22乂
「1
、-l乂
，"
一 &
& + A 乂
，~ =
,—附》
、一附2乂
(2)
(3)
令Z = [jc, x2i2 可以將(3)式可以改寫為狀態(tài)方程的形式 f 0
(4)
—i
附i附i附L
0010
1000
附2附2附2w2
0001
0100
、
對(duì)于在減振裝置上或者質(zhì)量塊上安裝的位移、速度、加速度傳感器，可以得到
相應(yīng)的輸出矩陣
y = CZ + Z)(/ (5)
其中c-
￡)=
-1
0 0 0 0 一l —l/m2 0 0 0 0
，Z =
，[/ =
c,"的每一行代表一個(gè)傳感器，從上到下分別是減振裝置的加速度、速度、
位移和質(zhì)量塊的加速度、速度、位移傳感器。
建立了結(jié)構(gòu)狀態(tài)方程以后，就可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的主動(dòng)控制算法對(duì)結(jié)構(gòu)機(jī)型控 制。當(dāng)然，如果采用不同的傳感器布置形式，結(jié)構(gòu)輸出向量y需要實(shí)際情況進(jìn)行修
改。圖3是對(duì)某單自由度結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的有控和無(wú)控的位移響應(yīng)對(duì)比曲 線?？梢钥闯?，安裝了本發(fā)明大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置的有控待安裝 物的振動(dòng)比無(wú)控的小。
_-_
12 12
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權(quán)利要求
1. 大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置，其特征在于，該減震裝置包括底板、直線導(dǎo)軌、質(zhì)量塊、直線電機(jī)、緩沖器和阻尼器，所述的底板固定在待安裝物上，所述的直線導(dǎo)軌設(shè)置在底板上，直線導(dǎo)軌上設(shè)有質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊連接直線電機(jī)，所述的緩沖器設(shè)置在直線導(dǎo)軌兩端并限制質(zhì)量塊的位移，所述的阻尼器穿過(guò)質(zhì)量塊中心，由其兩端的阻尼器反力板固定在待安裝物上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置，其特征在于，所述的質(zhì)量塊的質(zhì)量根據(jù)待安裝物的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置，其特征在于，所述的質(zhì)量塊由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿直線導(dǎo)軌滑動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置，其特征在于，所述的直線電機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采集待安裝物的振動(dòng)信息，并根據(jù)該信息驅(qū)動(dòng)減震裝置動(dòng)作抑制待安裝物振動(dòng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置，其特征在于，所述的底板通過(guò)高強(qiáng)螺栓固定在待安裝物上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置，其特征在于，所述的直線導(dǎo)軌通過(guò)螺栓連接在底板上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置，其特征在于，所述的待安裝物包括建筑結(jié)構(gòu)、振動(dòng)臺(tái)。
全文摘要
本發(fā)明涉及大行程可變質(zhì)量主動(dòng)質(zhì)量阻尼減振裝置，該減震裝置包括底板、直線導(dǎo)軌、緩沖器、直線電機(jī)、質(zhì)量塊和阻尼器，所述的底板固定在待安裝物上，所述的直線導(dǎo)軌設(shè)置在底板上，質(zhì)量塊連接直線電機(jī)。所述直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊。所述的緩沖器設(shè)置在直線導(dǎo)軌兩側(cè)限制質(zhì)量塊的位移，所述的阻尼器穿過(guò)上下兩端直線導(dǎo)軌上質(zhì)量塊中心，并通過(guò)阻尼器兩端的阻尼器反力板固定在待安裝物上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有較大行程、高反應(yīng)速度以及可調(diào)質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)E04B1/98GK101487301SQ200910046620
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者孫利民, 斌 徐, 謝發(fā)祥, 峰 錢 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué);上海材料研究所