基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及土木工程結(jié)構(gòu)消能減震半主動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種具有大出力、可調(diào)倍數(shù)高和響應(yīng)速度快的可變孔徑的黏滯阻尼器，其采用基于疊成壓電驅(qū)動(dòng)器的壓電閥調(diào)節(jié)黏滯阻尼力。
【背景技術(shù)】
[0002]黏滯流體消能阻尼器(Viscous Fluid Damper,即VFD，簡稱黏滯阻尼器)，是指通過黏滯液體在活塞孔和/或間隙中流動(dòng)產(chǎn)生阻尼，耗散振動(dòng)能量，黏滯流體力學(xué)的相關(guān)研究表明，這種阻尼力主要與活塞的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)，所以是一種速度相關(guān)型消能阻尼器。該類型阻尼器一般如圖1所示，由缸筒(包括主缸I和副缸2)、活塞3、阻尼孔4、主導(dǎo)桿5和副導(dǎo)桿6等部分組成，缸筒內(nèi)裝滿黏滯流體，為產(chǎn)生較大阻尼力，還利用缸筒的密封形成最大可達(dá)200MPa左右的油壓(該油壓的具體值由減震所需阻尼力的大小決定)，此時(shí)活塞沿缸筒縱向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而活塞上有適量小孔成為阻尼孔(和/或活塞與缸筒間的機(jī)械配合間隙)，黏滯流體阻尼材料從活塞阻尼孔中高速通過，能夠產(chǎn)生較大的黏滯阻尼力。土木工程結(jié)構(gòu)用黏滯阻尼器的缸筒一般由大型的品牌機(jī)械廠設(shè)計(jì)制造(這與摩擦阻尼器由建筑施工企業(yè)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場安裝明顯不同)，缸筒材料往往可以采用高強(qiáng)度合金鋼，具有很好的密封性和耐壓能力，所以缸筒能承受很大的油壓，能提供很大的阻尼(阻尼力比摩擦阻尼器大一個(gè)數(shù)量級)，因而能有效地減少土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，因?yàn)橄鄬τ跈C(jī)械工程領(lǐng)域的阻尼器，土木工程的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量特別巨大，需要的阻尼也往往比機(jī)械領(lǐng)域大幾個(gè)數(shù)量級。同樣是由于機(jī)械加工廠高精度生產(chǎn)的原因，它還有產(chǎn)品性能穩(wěn)定、阻尼力出力精度高(大大提高了結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的可控性，并且便于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的計(jì)算)、耐久性和溫度穩(wěn)定也特別好等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]上述優(yōu)點(diǎn)表明，在土木工程結(jié)構(gòu)抗震和抗風(fēng)控制中黏滯阻尼器有廣闊的應(yīng)用前景;從20世紀(jì)70年代以來，已經(jīng)逐步廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的消能減震控制。在這個(gè)過程中，美國、日本和歐洲的意大利等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體國家已率先將其應(yīng)用于實(shí)際工程，然后世界各國的中心城市，特別是地震高烈度的城市，也先后在其標(biāo)志性建筑的減震控制中投入實(shí)際工程應(yīng)用。近年來，我國的高烈度地區(qū)的中心城市(特別是北京和天津等特大型城市)也逐漸開始工程實(shí)際應(yīng)用，其中美國泰勒公司(Taylor Devices Inc.)、上海材料研究所和柳州歐唯姆公司等的產(chǎn)品在國內(nèi)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，特別是在大型橋梁的振動(dòng)控制應(yīng)用中已經(jīng)比較普及，例如:北京奧運(yùn)會盤古大觀高層建筑、北京火車西客站抗震加固，杭州灣跨海大橋和正在建設(shè)中的港珠澳大橋等。
[0004]目前的黏滯阻尼器設(shè)計(jì)的黏滯阻尼力不可調(diào)節(jié)，導(dǎo)致其土木工程結(jié)構(gòu)的減震效果非常有限，大大限制了黏滯阻尼器的應(yīng)用范圍。例如美國隔震領(lǐng)域的學(xué)者Kelly早就指出在隔震層安裝黏滯阻尼器，將導(dǎo)致在小震和中震時(shí)放大隔震層上部結(jié)構(gòu)的加速度和層間位移，也就是說減小了隔震效果甚至將隔震效果降為零，再加上安裝黏滯阻尼器費(fèi)用昂貴的特點(diǎn)，導(dǎo)致其工程應(yīng)用范圍受到很大影響。
[0005]1998年美國的Patten W.等人在美國Okahoma的公路橋上安裝了利用傳統(tǒng)電磁閥來控制的可變小孔黏滯阻尼器，并進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，實(shí)測結(jié)果表明，該半主動(dòng)控制能大幅度減少車輛導(dǎo)致的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而在原有基礎(chǔ)上延長了公路橋的使用年限達(dá)40年。2000年，世界上第一棟智能混合隔震建筑在日本Ke1大學(xué)建成，是該大學(xué)工程學(xué)院院樓，這個(gè)辦公與試驗(yàn)大樓就是采用了可變小孔黏滯阻尼器與疊成橡膠隔震支座作為地震防護(hù)系統(tǒng)。
[0006]但是傳統(tǒng)的電磁閥受到磁滯以及機(jī)械慣性的影響，響應(yīng)速度很難滿足土木工程在地震作用下減震控制的需求。再者，電磁馬達(dá)的輸出力也不夠大，導(dǎo)致直接驅(qū)動(dòng)閥芯困難，而不得不采用二級伺服閥，通過液壓控制方式將小功率的電信號放大，其響應(yīng)時(shí)間被液壓系統(tǒng)進(jìn)一步拉長，故以前的可變孔黏滯阻尼器的減震控制設(shè)計(jì)與分析均需要考慮時(shí)滯。哈工大李惠等人的試驗(yàn)證明，電磁閥可變孔阻尼器的應(yīng)用頻率在2Hz以下，時(shí)滯影響明顯。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]按照現(xiàn)代壓電理論，壓電陶瓷材料的電致變形量與施加在其上的電場強(qiáng)度成正比，利用這個(gè)被稱為逆壓電效應(yīng)的原理，本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一種利用疊層壓電驅(qū)動(dòng)器來調(diào)節(jié)閥門，由閥門調(diào)節(jié)阻尼孔的孔徑大小以調(diào)節(jié)阻尼力的智能黏滯阻尼器，該智能黏滯阻尼器能夠減少時(shí)滯影響并提高輸出力，從而滿足土木工程在地震作用下減震控制的需求。
[0008]具體地，本實(shí)用新型提出的一種基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器，包括缸筒以及位于缸筒內(nèi)的活塞、主導(dǎo)桿和副導(dǎo)桿;所述缸筒內(nèi)部分隔成主缸和副缸，主導(dǎo)桿的尾端固定連接在所述活塞的與所述主缸對應(yīng)的第一端面上，副導(dǎo)桿的首端固定連接在所述活塞的與所述副缸對應(yīng)的第二端面上;所述缸筒內(nèi)部裝有黏滯液體阻尼材料，所述活塞上具有貫穿所述第一端面及第二端面的阻尼孔;該智能黏滯阻尼器還包括安裝在所述副導(dǎo)桿上的疊層壓電驅(qū)動(dòng)器、安裝在所述阻尼孔上的閥門、以及連接所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器和所述閥門的傳動(dòng)軸;所述傳動(dòng)軸在所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)所述閥門運(yùn)動(dòng)，使所述阻尼孔的孔徑可調(diào)。
[0009]在本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選方案中，所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器安裝在所述副導(dǎo)桿的尾端，且在所述副導(dǎo)桿的尾端還安裝有防撞擊墊。
[0010]在本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選方案中，所述防撞擊墊具體為橡膠墊。
[0011]在本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選方案中，所述副導(dǎo)桿具有中空結(jié)構(gòu)，所述傳動(dòng)軸安裝在所述副導(dǎo)桿內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)中。
[0012]在本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選方案中，所述缸筒、活塞、主導(dǎo)桿和副導(dǎo)桿均為高強(qiáng)度不銹鋼材。
[0013]在本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選方案中，還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)與所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器電連接。
[0014]有益效果:本實(shí)用新型提出的基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器，可由疊層壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)閥門，通過該閥門來調(diào)節(jié)黏滯阻尼器的阻尼孔的孔徑，以實(shí)現(xiàn)對黏滯阻尼力的調(diào)節(jié)，這種由疊層壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的閥門具有定位精度高(可達(dá)納米級)和響應(yīng)速度快(可達(dá)微秒數(shù)量級)的特點(diǎn)，能夠減少時(shí)滯影響并提高輸出力，從而滿足土木工程在地震作用下減震控制的需求。
【附圖說明】

[0015]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的黏滯阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是實(shí)施例提出的基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是實(shí)施例提出的基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器中閥門的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2和圖3中:10-主缸，20-副缸，30-活塞，40-主導(dǎo)桿，50-副導(dǎo)桿，60-阻尼孔，71-疊層壓電驅(qū)動(dòng)器，72-閥門，73-傳動(dòng)軸，74-防撞擊墊。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，下面將結(jié)合附圖以及實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步描述。
[0020]請參閱圖2和圖3，本實(shí)施例提出的一種基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器，包括缸筒以及位于缸筒內(nèi)的活塞30、主導(dǎo)桿40和副導(dǎo)桿50;所述缸筒內(nèi)部分隔成主缸10和副缸20，主導(dǎo)桿40的尾端固定連接在所述活塞30的與所述主缸10對應(yīng)的第一端面上，副導(dǎo)桿50的首端固定連接在所述活塞30的與所述副缸20對應(yīng)的第二端面上;所述缸筒內(nèi)部裝有黏滯液體阻尼材料，所述活塞30上具有貫穿所述第一端面及第二端面的阻尼孔60。
[0021]本實(shí)施例的智能黏滯阻尼器還包括安裝在所述副導(dǎo)桿50上的疊層壓電驅(qū)動(dòng)器71、安裝在所述阻尼孔60上的閥門72(圖2未示出，請參閱圖3)、以及連接所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器71和所述閥門72的傳動(dòng)軸73;所述傳動(dòng)軸73在所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器71的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)所述閥門72運(yùn)動(dòng)，使所述阻尼孔60的孔徑可調(diào)。
[0022]所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器71具體可安裝在所述副導(dǎo)桿50的尾端，同時(shí)在所述副導(dǎo)桿50的尾端還安裝有防撞擊墊74，該防撞擊墊74具體可以是橡膠墊。為了便于安裝傳動(dòng)軸73，本實(shí)施例中所述副導(dǎo)桿50具有中空結(jié)構(gòu)，所述傳動(dòng)軸73安裝在所述副導(dǎo)桿50內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)中。
[0023]為了確保強(qiáng)度，本實(shí)施例中所述缸筒、活塞30、主導(dǎo)桿40和副導(dǎo)桿50均為高強(qiáng)度不銹鋼材。
[0024]此外，本實(shí)施例還可進(jìn)一步包括控制系統(tǒng)(圖未示出)，所述控制系統(tǒng)與所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器7通過電線連接，并連接疊層壓電驅(qū)動(dòng)器專用直流電源。通過在控制系統(tǒng)中設(shè)置電壓，包括設(shè)置電壓的大小或電壓的正負(fù)，使疊層壓電驅(qū)動(dòng)器71驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸73相應(yīng)動(dòng)作，帶動(dòng)閥門72往前或往后(按圖2或圖3的左側(cè)為前，右側(cè)為后)運(yùn)動(dòng)一定行程，以調(diào)節(jié)阻尼孔60的孔徑(也即調(diào)節(jié)其對阻尼孔60的封閉度)。本實(shí)施例中，疊層壓電驅(qū)動(dòng)器71位移為I時(shí)，閥門72調(diào)節(jié)阻尼孔60半徑位移可放大到3-4倍。
[0025]本實(shí)施例提出的基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器是一種可調(diào)倍數(shù)大的半主動(dòng)控制裝置，適用于地震動(dòng)的強(qiáng)隨機(jī)性，例如安裝在隔震層，無論小震、中震和大震都能保證隔震效果，并且響應(yīng)速度非?？?，可以減少時(shí)滯影響，響應(yīng)速度完全能跟上地震動(dòng)，同時(shí)提高了輸出力。
[0026]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本實(shí)用新型的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本實(shí)用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。因此，本實(shí)用新型專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器，包括缸筒以及位于缸筒內(nèi)的活塞、主導(dǎo)桿和副導(dǎo)桿;所述缸筒內(nèi)部分隔成主缸和副缸，主導(dǎo)桿的尾端固定連接在所述活塞的與所述主缸對應(yīng)的第一端面上，副導(dǎo)桿的首端固定連接在所述活塞的與所述副缸對應(yīng)的第二端面上;所述缸筒內(nèi)部裝有黏滯液體阻尼材料，所述活塞上具有貫穿所述第一端面及第二端面的阻尼孔;其特征在于，該智能黏滯阻尼器還包括安裝在所述副導(dǎo)桿上的疊層壓電驅(qū)動(dòng)器、安裝在所述阻尼孔上的閥門、以及連接所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器和所述閥門的傳動(dòng)軸;所述傳動(dòng)軸在所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)所述閥門運(yùn)動(dòng)，使所述阻尼孔的孔徑可調(diào)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器，其特征在于，所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器安裝在所述副導(dǎo)桿的尾端，且在所述副導(dǎo)桿的尾端還安裝有防撞擊墊。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器，其特征在于，所述防撞擊墊具體為橡膠墊。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器，其特征在于，所述副導(dǎo)桿具有中空結(jié)構(gòu)，所述傳動(dòng)軸安裝在所述副導(dǎo)桿內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)中。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器，其特征在于，所述缸筒、活塞、主導(dǎo)桿和副導(dǎo)桿均為高強(qiáng)度不銹鋼材。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器，其特征在于，還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)與所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器電連接。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于疊層壓電驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)的智能黏滯阻尼器，包括具有主缸和副缸的缸筒，以及位于缸筒內(nèi)的活塞、主導(dǎo)桿和副導(dǎo)桿，主導(dǎo)桿的尾端固定連接在所述活塞的與所述主缸對應(yīng)的第一端面上，副導(dǎo)桿的首端固定連接在所述活塞的與所述副缸對應(yīng)的第二端面上；所述缸筒內(nèi)部裝有黏滯液體阻尼材料，所述活塞上具有貫穿所述第一端面及第二端面的阻尼孔；還包括安裝在所述副導(dǎo)桿上的疊層壓電驅(qū)動(dòng)器、安裝在所述阻尼孔上的閥門、以及連接所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器和所述閥門的傳動(dòng)軸；所述傳動(dòng)軸在所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)所述閥門運(yùn)動(dòng)，使所述阻尼孔的孔徑可調(diào)。本實(shí)用新型能夠減少時(shí)滯影響并提高輸出力，從而滿足土木工程在地震作用下減震控制的需求。
【IPC分類】E04B1/98
【公開號】CN205382588
【申請?zhí)枴緾N201620083054
【發(fā)明人】譚平, 戴納新, 李洋, 劉歡, 龍耀球
【申請人】廣州大學(xué)
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2016年1月26日