專利名稱：結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明目的在于提供一種減振控制裝置，具體地說是一種用于如高層、高聳建筑或大型斜拉橋以及懸索橋梁等土木工程結構的抗風振、抗地震的新型混合質量阻尼減振控制系統。
背景技術：
隨著經濟和社會的發(fā)展，國家每年投入基礎設施建設的力度越來越大，高層建筑、大跨度橋梁、大型體育場館、核電站、海洋石油鉆井平臺等一些標志性重大工程如雨后春筍般拔地而起，以它們?yōu)榇淼拇罅康耐聊竟こ探Y構在施工中和使用過程中都不可避免地要經受多種荷載作用，其中動荷載(如地震、風等，對于海洋工程結構還要經受海洋風、浪、流聯合激勵的作用，以及冬季的海冰作用)對結構的作用都會引起結構的振動、威脅結構的安全，嚴重時使結構發(fā)生破壞，造成經濟損失和人員傷亡。例如，在地震作用下，結構某些部位的地震反應(如加速度、位移等)過大，將使主體承重結構嚴重破壞、甚至倒塌，或者主體結構雖未破壞，但維護和裝飾裝修等非結構構件損壞而導致結構無法繼續(xù)使用，或者雖然主體結構及非結構構件未破壞，但室內的昂貴儀器、設備損壞而導致嚴重的損失或產生次生災害，這些災害都會造成巨大的經濟損失。例如1995年日本阪神地震中，死亡人數僅為5000人，而直接經濟損失高達1000億美元，間接經濟損失更高達2000多億美元。
另一方面，隨著新型建筑材料的不斷涌現和結構施工技術的進步，結構材料越來越向著輕質高強方向發(fā)展，其結果是使建造的結構自振周期更長、阻尼更低，對環(huán)境荷載(例如風)更加敏感，動力響應更為突出，這種結構不僅僅需要考慮強度進行設計，有時結構位移(特別是動力荷載作用下的振幅)以及舒適性問題也可能成為結構設計的主要制約因素之一，必須加以考慮。
近些年來發(fā)展起來的結構振動控制技術一直是土木工程以及航空航天、汽車、機械、軍事工程等領域研究的熱點方向。對于土木工程結構，在結構中恰當地安裝振動控制系統能夠有效地減小結構的動力反應，減輕結構構件的破壞或疲勞損傷，達到經濟性、安全性與可靠性的合理平衡。例如，對于海洋平臺結構，有研究表明采用振動控制技術使平臺結構動應力幅值減小15％，則可使結構壽命延長兩倍以上，同時還會使海洋平臺的檢測和正常使用情況下的維護費用大幅度降低，具有重要的經濟效益和實際意義。大量研究表明結構振動控制可以有效地減輕結構在風、浪、流、冰及地震等荷載作用下的反應和損傷、有效地提高結構的抗災性能，是結構抗災防災減災的積極有效的對策。
土木工程結構振動控制的研究和應用已有半個多世紀的歷史了，總體上可以分為以下四個方面被動控制、主動控制、半主動與智能控制以及混合控制。
1972年，美籍華人Yao結合現代控制理論，提出了土木工程結構振動主動控制的概念，開創(chuàng)了結構振動控制研究的新里程。目前發(fā)展起來的適用于土木工程結構主動控制的裝置主要有主動質量阻尼器(Active Mass Damper，AMD)、主動質量驅動器(Active Mass Driver，AMD)、主動錨索系統(Active TendonSystem，ATS)、主動支撐系統(Active Bracing System，ABS)、氣體脈沖發(fā)生器(PulseGenerator)以及空氣動力擋風板(Aerodynamic Appendage)等。
AMD系統工作的原理就是由外部能源驅動系統中的慣性質量運動，將結構的振動能量轉變?yōu)锳MD質量塊運動的動能、彈性元件存儲的勢能和阻尼元件的耗散能，同時，質量塊又是作為作動器給結構施加主動控制力的支撐點。如果系統中存在彈簧和阻尼器可以在一定程度上減小質量塊的運動行程、調配各種力在控制過程中的比例，最終形成的合力(即質量塊慣性力的反作用力)就是AMD系統對結構施加的主動控制力。
結構振動被動調諧吸振控制系統的原型最早可以追溯到20世紀初由Frahm和Den Hartog等人提出的用于機械系統中消減振動的動力吸振器DVA(DynamicVibration Absorber)的概念(Frahm，1909；Ormondroyd and Den，1928；Den，1956)，在土木工程結構振動控制領域中習慣將DVA稱作被動調頻質量阻尼控制系統(Tuned Mass Damper，簡稱TMD)。70年代初期TMD開始用于高聳、高層鋼結構的風振控制(Soong and Dargush，1997)。被動TMD系統存在以下一些不足1)只能控制結構某個振型的反應(一般是第一振型)，而且控制效果對被控振型的頻率非常敏感。例如，TMD系統與被控振型頻率比偏離其最優(yōu)頻率比5％時，控制效果將下降約30％。2)在TMD系統工程應用有限的質量范圍內，對結構控制能力有限。例如，TMD系統質量與被控振型廣義質量之比為3％時，它給結構附加的阻尼比不超過4％。因此，TMD控制系統對阻尼比稍大一些的結構，如第一振型阻尼比為5％的鋼筋混凝土結構，其控制效果通常較差。3)由于TMD系統調頻到與被控振型反應共振的頻率、控制該振型反應，而結構在地震、甚至中小地震作用下可能進入非線性、沒有固定的頻率和振型，因此，TMD系統用于結構地震反應控制是無效的。
為了改善被動TMD系統的性能，Chang和Soong(1980)以及Havrot等人(1983)提出了半主動TMD控制系統。在實際應用中更多的是混合質量阻尼器(Hybrid Mass Damper，HMD)，HMD系統由TMD和主動控制作動器組合而成。TMD按沒有主動控制作動器的被動控制系統設計，因此，它滿足被動TMD系統最優(yōu)頻率比和最優(yōu)阻尼比的關系(Soong and Dargush，1997；歐進萍，2003)；主動控制作動器的最優(yōu)控制力在此TMD系統的基礎上按主動控制算法設計。HMD系統主要的優(yōu)點有以下兩點當主動控制作動器失效或停止工作時，TMD系統可以發(fā)揮其被動控制的作用和效果，因此，HMD具有Fail-safe的可靠性；另一方面，在較大環(huán)境干擾下，作動器開始工作，HMD實際上就是有彈簧和阻尼器的AMD系統，它比TMD系統有更好的控制效果和更高的控制魯棒性，但當環(huán)境干擾較小時，HMD切換到TMD系統工作狀態(tài)，主動控制作動器停止工作，節(jié)省能源并延長主動控制作動器的使用壽命。這是傳統的HMD控制系統，此外還有ATMD(Active Tuning Mass Damper)和DUOX(AMD與TMD的復合系統)等。
從以上的論述中可以看出1)TMD控制系統對結構頻率較為敏感，并且對結構地震響應控制無效；此外當結構所受風荷載加大時，TMD系統質量塊的行程也將放大，必須采取有效措施限制其行程，如果還要保證既定的控制效果不受損失，就必須聯合主動控制形成混合控制系統。2)純主動控制系統控制效果雖然十分顯著，但是代價較高，例如對于一棟上百米高的建筑，大量分析結果表明風振下達到30％的控制效果需要作動器出力達到幾十噸、甚至上百噸，同時質量塊的行程也較大，實際中難以實現，此外主動控制系統工作時所需的能量巨大(有時高達到幾百千瓦)。3)利用變阻尼或智能阻尼裝置簡單替代主動質量驅動(Active Mass Driver)控制系統系統中的作動器的方案已經被大量研究證實是不可取的，因為AMD系統工作時有很多情況是作動器在推著質量塊運動，而阻尼器只能提供與速度反向的力，無法提供推力。4)傳統的HMD控制系統雖然對上述某些問題進行了改進，但是還是難以解決質量塊的大行程和控制效果之間矛盾的合理平衡，特別是當結構所受外荷載加大時上述矛盾尤為突出，很大程度上制約了HMD控制系統在實際工程中的進一步應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以減少大質量塊的行程，可大大縮減整體重量和體積，降低能耗的結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實現的它包括安裝在結構上的被動調頻質量阻尼控制系統(簡稱TMD)，安裝在TMD上的主動質量驅動/阻尼器(簡稱AMD)，在TMD與結構之間設置有阻尼裝置和彈性墊，所述的TMD與結構之間設置的阻尼裝置是變阻尼裝置，TMD上設置有滑軌，AMD安裝在滑軌上，AMD的底部設置有齒條、齒輪機構，齒條、齒輪機構的齒輪安裝在齒輪軸上，齒輪軸通過傳動機構與飛輪傳動軸相連，飛輪安裝在飛輪傳動軸上，它還包括AMD驅動電機。
本發(fā)明還可以包括這樣一些結構特征1、所述的AMD驅動電機安裝在TMD上，電機的輸出軸與滾珠絲杠相連，絲杠與AMD相連。
2、齒輪軸與飛輪傳動軸相互平行，所述的齒輪軸與飛輪傳動軸之間的傳動機構包括安裝在齒輪軸上的大帶輪、安裝在飛輪傳動軸上的小帶輪和連接在大帶輪與小帶輪之間的同步帶。
3、齒輪軸與飛輪傳動軸相互垂直，所述的齒輪軸與飛輪傳動軸之間的傳動機構包括安裝在齒輪軸上的大錐齒輪、安裝在飛輪傳動軸上的小錐齒輪，大錐齒輪與小錐齒輪相互嚙合。
4、所述的AMD驅動電機安裝在AMD上，電機的輸出軸上安裝有小帶輪II，齒輪軸上安裝有大帶輪II，小帶輪II與大帶輪II之間由同步帶相連，齒輪軸與飛輪傳動軸相互平行，所述的齒輪軸與飛輪傳動軸之間的傳動機構包括安裝在齒輪軸上的大帶輪、安裝在飛輪傳動軸上的小帶輪和連接在大帶輪與小帶輪之間的同步帶。
5、所述的彈性墊是彈簧。
6、所述的彈性墊是橡膠隔震墊。
7、所述的變阻尼裝置可以是磁流變阻尼器或者半主動變阻尼控制系統。
8、所述的安裝在結構上的TMD是在結構上安裝導軌，TMD的質量塊通過阻尼器安裝在導軌上，阻尼器端部與導軌滑塊之間用萬向球連接，導軌沿平面正交兩方向設置，質量塊與結構之間設置有橡膠減振墊。
本發(fā)明提出的HMD系統實際上是將主動控制與變阻尼控制聯合應用，該新型系統對結構在強風作用下的振動控制十分有利。例如對于某一高層結構，被動TMD控制系統在100年一遇風荷載作用下控制效果最好僅有7％，而采用本發(fā)明提出的新型HMD控制系統，在相同的質量塊行程前提下控制效果可以穩(wěn)定達到30％以上，如圖8和圖9給出了不同風速對應不同結構響應下TMD控制與HMD控制結果的比較，數值結果有力地證實了上述結論。此外，本發(fā)明的HMD系統還保留了傳統HMD系統的優(yōu)越性，在結構經常遇到的小風荷載作用下，關閉主動作動器，整套系統處于TMD被動工作狀態(tài)，此時需要調整系統中的變阻尼裝置使之達到最佳耗能狀態(tài)，從而可以節(jié)約大量能量，延長主動控制系統的使用壽命。
四

圖1是本發(fā)明的原理結構示意圖；圖2是本發(fā)明的第一種實施方式的結構示意圖；圖3是圖2的俯視圖；圖4是本發(fā)明的第二種實施方式的結構示意圖；圖5是圖4的俯視圖；圖6是本發(fā)明的第三種實施方式的結構示意圖；圖7是圖6的俯視圖；圖8、9本發(fā)明與被動TMD系統在結構控制效果與結構響應關系方面的比較，其中圖8為結構加速度控制效果與風速(實際是結構響應)對應關系，圖9為為保證既定的質量塊行程所需的變阻尼裝置阻尼系數。
五具體實施例方式
下面結合附圖舉例對本發(fā)明作更詳細的描述結合圖1，結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置的第一種實施方式的組成包括安裝在結構21上的被動調頻質量阻尼控制系統(簡稱TMD)22，安裝在TMD上的主動質量阻尼器(簡稱AMD)23，在TMD與結構之間設置有阻尼裝置24和彈性墊25。所述的安裝在結構上的TMD是在結構上安裝導軌，TMD的質量塊通過阻尼器安裝在導軌上，阻尼器端部與導軌滑塊之間用萬向球連接，導軌沿平面正交兩方向設置，質量塊與結構之間設置有橡膠減振墊。TMD系統導向裝置可以提供平面內兩個正交方向的獨立運動而合成為平面內的任意方向的運動，具體為阻尼器端部與導軌滑塊采用萬向球連接，滑軌沿平面正交兩方向設置，滑塊可以在其上沿直線自由滑動。
結合圖2和圖3，TMD與結構之間設置的阻尼裝置是變阻尼裝置，TMD上設置有滑軌1，AMD安裝在滑軌上，AMD的底部設置有由齒條2、齒輪3組成的齒條齒輪機構，齒條齒輪機構的齒輪安裝在齒輪軸4上，齒輪軸通過傳動機構與飛輪傳動軸5相連，飛輪6安裝在飛輪傳動軸上，它還包括AMD驅動電機7。所述的AMD驅動電機安裝在TMD上，電機的輸出軸與滾珠絲杠8相連，絲杠與AMD相連。齒輪軸與飛輪傳動軸相互平行，所述的齒輪軸與飛輪傳動軸之間的傳動機構包括安裝在齒輪軸上的大帶輪9、安裝在飛輪傳動軸上的小帶輪10和連接在大帶輪與小帶輪之間的同步帶。
該方案延用典型的結構振動AMD系統電機驅動控制方案，形式類似于一般的旋轉機械或機床，通過控制電機的輸出功率和轉速來控制AMD系統的直線作用力。該方案采用旋轉電機作為動力源，旋轉電機固定在TMD上，其輸出軸與滾珠絲杠相連，將其旋轉運動轉換為直線運動，推動小車式AMD作水平運動。小車安放在滑軌上，滑軌固定在TMD上，從而小車能夠在TMD上直線滑動。小車底部裝有齒輪齒條機構，將小車的直線運動轉換為旋轉運動，帶動傳動軸旋轉。齒輪的傳動軸與飛輪的傳動軸通過同步帶相連，設計轉速和齒輪保持一定比例，使飛輪能夠轉動，從而實現預定功能。
結合圖4和圖5，本發(fā)明的第二種實施方式是在第一種實施方式的基礎上作如下改動齒輪軸與飛輪傳動軸相互垂直，所述的齒輪軸與飛輪傳動軸之間的傳動機構包括安裝在齒輪軸上的大錐齒輪11、安裝在飛輪傳動軸上的小錐齒輪12，大錐齒輪與小錐齒輪相互嚙合。
該方案與方案一原理基本相同，不同之處主要在于小車的飛輪采用了橫向放置方式從而使得空間大為降低。具體實現方式是采用了錐齒輪的傳動方式，使系統傳動軸變?yōu)榭v向方向。因此小車主體尺寸特別是高度與重量得到了縮減，計算結果表明這種結構可以比方案一輕30％左右。
結合圖6和圖7，本發(fā)明的第三種實施方式是在第一種實施方式的基礎上作如下改動所述的AMD驅動電機安裝在AMD上，電機的輸出軸上安裝有小帶輪II 13，齒輪軸上安裝有大帶輪II 14，小帶輪II與大帶輪II之間由同步帶相連，齒輪軸與飛輪傳動軸相互平行，所述的齒輪軸與飛輪傳動軸之間的傳動機構包括安裝在齒輪軸上的大帶輪、安裝在飛輪傳動軸上的小帶輪和連接在大帶輪與小帶輪之間的同步帶。
方案三在小車車身安裝驅動電機，采用自身動力，不依靠與TMD相連的發(fā)動機，通過同步帶與齒輪傳動軸相連，小車通過齒輪齒條將轉動轉化為直線運動；
另一組齒不輪齒條傳動機構又將小車的直線運動轉化為轉動，兩組齒輪傳動軸通過同步帶將轉動按照一定傳動比傳遞給飛輪。
上述各實施方式中的彈性墊可以選擇彈簧、橡膠隔震墊等。變阻尼裝置可以選用磁流變阻尼器或半主動變阻尼裝置等。
權利要求
1.一種結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置，它包括安裝在結構上的TMD，安裝在TMD上的AMD，在TMD與結構之間設置有阻尼裝置和彈性墊，其特征是所述的TMD與結構之間設置的阻尼裝置是變阻尼裝置，TMD上設置有滑軌，AMD安裝在滑軌上，AMD的底部設置有齒條、齒輪機構，齒條、齒輪機構的齒輪安裝在齒輪軸上，齒輪軸通過傳動機構與飛輪傳動軸相連，飛輪安裝在飛輪傳動軸上，它還包括AMD驅動電機。
2.根據權利要求1所述的結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置，其特征是所述的AMD驅動電機安裝在TMD上，電機的輸出軸與滾珠絲杠相連，絲杠與AMD質量塊相連。
3.根據權利要求2所述的結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置，其特征是齒輪軸與飛輪傳動軸相互平行，所述的齒輪軸與飛輪傳動軸之間的傳動機構包括安裝在齒輪軸上的大帶輪、安裝在飛輪傳動軸上的小帶輪和連接在大帶輪與小帶輪之間的同步帶。
4.根據權利要求2所述的結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置，其特征是齒輪軸與飛輪傳動軸相互垂直，所述的齒輪軸與飛輪傳動軸之間的傳動機構包括安裝在齒輪軸上的大錐齒輪、安裝在飛輪傳動軸上的小錐齒輪，大錐齒輪與小錐齒輪相互嚙合。
5.根據權利要求1所述的結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置，其特征是所述的AMD驅動電機安裝在AMD質量塊內部，電機的輸出軸上安裝有小帶輪II，齒輪軸上安裝有大帶輪II，小帶輪II與大帶輪II之間由同步帶相連，齒輪軸與飛輪傳動軸相互平行，所述的齒輪軸與飛輪傳動軸之間的傳動機構包括安裝在齒輪軸上的大帶輪、安裝在飛輪傳動軸上的小帶輪和連接在大帶輪與小帶輪之間的同步帶。
6.根據權利要求1-5任何一項所述的結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置，其特征是所述的彈性墊是彈簧。
7.根據權利要求1-5任何一項所述的結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置，其特征是所述的彈性墊是橡膠隔震墊或粘彈性材料制作的隔震墊。
8.根據權利要求1-5任何一項所述的結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置，其特征是所述的變阻尼裝置可以是磁流變阻尼器或者半主動變阻尼控制系統。
9.根據權利要求1-5任何一項所述的結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置，其特征是所述的安裝在結構上的TMD是在結構上安裝導軌，TMD的質量塊通過阻尼器安裝在導軌上，阻尼器端部與導軌滑塊之間用萬向球連接，導軌沿平面正交兩方向設置，質量塊與結構之間設置有橡膠減振墊。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種結構振動控制的新型混合質量驅動變阻尼控制裝置。它包括安裝在結構上的TMD，安裝在TMD上的AMD，在TMD與結構之間設置有阻尼裝置和彈性墊，所述的TMD與結構之間設置的阻尼裝置是變阻尼裝置，TMD上設置有滑軌，AMD安裝在滑軌上，AMD的底部設置有齒條、齒輪機構，齒條、齒輪機構的齒輪安裝在齒輪軸上，齒輪軸通過傳動機構與飛輪傳動軸相連，飛輪安裝在飛輪傳動軸上，它還包括AMD驅動電機。本發(fā)明提出的HMD系統實際上是將主動控制與變阻尼控制聯合應用，該新型系統對結構在強風作用下的振動控制十分有利。
文檔編號F16F9/53GK101016758SQ20071007167
公開日2007年8月15日 申請日期2007年1月22日 優(yōu)先權日2007年1月22日
發(fā)明者歐進萍, 李惠, 張春巍, 李蘆鈺 申請人:哈爾濱工業(yè)大學