一种适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置论文和设计-梁栋

全文摘要

本实用新型公开了一种适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置，属于建筑物减隔振领域，包括固定安装在底座上的外壳；外壳内部设有传动组件，传动组件从开口部伸出外壳，传动组件上端铰接拉索的受控件，传动组件下端铰接垂直于外壳第一内壁的弹性件；连接传动组件的减振系统，减振系统固定连接外壳的第二内壁；连接传动组件和减振系统的信号传递系统；传动组件包括上端的刚性杆；齿条；与减振系统对应设置的齿轮；减振系统包括磁粉离合器；惯质圆盘；粘滞阻尼组件。本实用新型公开的一种适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置结构合理，便于加工，易于维护，成本较低，适应工况较多，受力及耗能机理明确。

主设计要求

1.一种适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置，其特征在于，包括位于桥面板上部的底座(1)，所述底座(1)的上表面平行于拉索(3)；固定安装在所述底座(1)上的外壳(2)，所述外壳(2)上部设有开口部(21)；所述外壳(2)内部设有传动组件(22)，所述传动组件(22)从所述开口部(21)伸出所述外壳(2)，所述传动组件(22)上端铰接所述拉索(3)的受控件(31)，所述传动组件(22)上端垂直于所述拉索(3)，所述传动组件(22)下端铰接垂直于外壳(2)第一内壁的弹性件(23)，所述弹性件(23)的一端固定连接所述第一内壁下部，所述弹性件(23)的另一端通过球铰(224)固定连接所述传动组件(22)下端；连接所述传动组件(22)的减振系统(24)，所述减振系统(24)固定连接所述外壳(2)的第二内壁，所述第二内壁与所述第一内壁为相对的内壁；连接所述传动组件(22)和所述减振系统(24)的信号传递系统(25)；所述传动组件(22)包括上端的刚性杆(221)，所述刚性杆(221)上端铰接所述拉索(3)；齿条(222)，所述齿条(222)上端通过球铰(224)连接所述刚性杆(221)下端，所述齿条(222)下端通过球铰(224)固定连接所述弹性件(23)；与所述减振系统(24)对应设置的齿轮(223)，所述齿轮(223)啮合齿条(222)；所述减振系统(24)包括磁粉离合器(241)，所述磁粉离合器(241)的输入轴(2411)固定连接所述齿轮(223)；所述磁粉离合器(241)的输出轴(2412)上由所述传动组件(22)近端向所述传动组件(22)远端依次设有惯质圆盘(242)，所述惯质圆盘(242)通过中心孔固定安装在所述磁粉离合器(241)的输出轴(2412)上；安装在所述磁粉离合器(241)的输出轴(2412)端部的粘滞阻尼组件(243)，所述粘滞阻尼组件(243)固定连接所述外壳(2)的第二内壁。

设计方案

所述传动组件(22)包括上端的刚性杆(221)，所述刚性杆(221)上端铰接所述拉索(3)；齿条(222)，所述齿条(222)上端通过球铰(224)连接所述刚性杆(221)下端，所述齿条(222)下端通过球铰(224)固定连接所述弹性件(23)；与所述减振系统(24)对应设置的齿轮(223)，所述齿轮(223)啮合齿条(222)；

所述减振系统(24)包括磁粉离合器(241)，所述磁粉离合器(241)的输入轴(2411)固定连接所述齿轮(223)；所述磁粉离合器(241)的输出轴(2412)上由所述传动组件(22)近端向所述传动组件(22)远端依次设有惯质圆盘(242)，所述惯质圆盘(242)通过中心孔固定安装在所述磁粉离合器(241)的输出轴(2412)上；安装在所述磁粉离合器(241)的输出轴(2412)端部的粘滞阻尼组件(243)，所述粘滞阻尼组件(243)固定连接所述外壳(2)的第二内壁。

2.根据权利要求1所述的适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置，其特征在于，所述粘滞阻尼组件(243)包括固定连接所述外壳(2)第二内壁的油缸(2431)，所述油缸(2431)内部设有粘滞阻尼液(2432)；转页(2433)，所述转页(2433)安装在所述磁粉离合器(241)的输出轴(2412)端部所述油缸(2431)内部。

3.根据权利要求2所述的适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置，其特征在于，所述转页(2433)上均有若干通孔(24331)。

4.根据权利要求1所述的适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置，其特征在于，所述外壳(2)内部设有连接外壳(2)顶板和底板的立柱(214)，所述立柱(214)上安装轴承(213)，所述磁粉离合器(241)安装在所述轴承(213)上。

5.根据权利要求1所述的适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置，其特征在于，所述减振系统(24)沿所述传动组件(22)方向设有三组，所述齿轮(223)对应设有三个。

6.根据权利要求2所述的适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置，其特征在于，所述信号传递系统(25)包括连接所述齿条(222)的动位移计(251)；连接所述动位移计(251)和所述减振系统(24)的控制器(252)。

7.根据权利要求1所述的适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置，其特征在于，所述开口部(21)内径由所述开口部(21)靠近外壳(2)一端向所述开口部(21)远离外壳(2)一端逐渐增大。

8.根据权利要求1所述的适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置，其特征在于，所述弹性件(23)为弹簧。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于建筑物减隔振领域，尤其涉及一种适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置。

背景技术

斜拉桥在世界范围内得到了广泛使用。作为主要承重构件的斜拉索，由于刚度小、单位长度质量小和自身阻尼小的内在结构特点，使其外部作用下极易产生振动。斜拉索大幅振动的危害主要体现在：1)影响行车舒适度，易引发人们对桥梁安全的恐慌心理，造成不良的社会舆情；2)导致桥梁的物理损伤，包括拉索端部接头和防腐护套等在内的斜拉索损伤、索锚结合处的主梁损伤和拉索减振器的破损。

目前常用的斜拉索减振阻尼器主要有：高阻尼橡胶减振器、黏性剪切型阻尼器、油阻尼器及磁流变MR阻尼器等。但上述阻尼器均存在一些不足之处，如内置高阻尼橡胶阻尼器对拉索阻尼比的提高极为有限；黏性剪切型阻尼器存在尺寸较大等缺点。同时，不能太高的安装位置限制了阻尼器的减振效果。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种结构合理，便于加工，易于维护，成本较低，适应工况较多，受力及耗能机理明确的适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置。

本实用新型是这样实现的，一种适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置，包括位于桥面板上部的底座，所述底座的上表面平行于拉索；固定安装在所述底座上的外壳，所述外壳上部设有开口部；所述外壳内部设有传动组件，所述传动组件从所述开口部伸出所述外壳，所述传动组件上端铰接所述拉索的受控件，所述传动组件上端垂直于所述拉索，所述传动组件下端铰接垂直于外壳第一内壁的弹性件，所述弹性件的一端固定连接所述第一内壁下部，所述弹性件的另一端通过球铰固定连接所述传动组件下端；连接所述传动组件的减振系统，所述减振系统固定连接所述外壳的第二内壁，所述第二内壁与所述第一内壁为相对的内壁；连接所述传动组件和所述减振系统的信号传递系统。

所述传动组件包括上端的刚性杆，所述刚性杆上端铰接所述拉索；齿条，所述齿条上端通过球铰连接所述刚性杆下端，所述齿条下端通过球铰固定连接所述弹性件；与所述减振系统对应设置的齿轮，所述齿轮啮合齿条。

所述减振系统包括磁粉离合器，所述磁粉离合器的输入轴固定连接所述齿轮；所述磁粉离合器的输出轴上由所述传动组件近端向所述传动组件远端依次设有惯质圆盘，所述惯质圆盘通过中心孔固定安装在所述磁粉离合器的输出轴上；安装在所述磁粉离合器的输出轴端部的粘滞阻尼组件，所述粘滞阻尼组件固定连接所述外壳的第二内壁。

该技术方案中，所述底座的上表面平行于拉索方向，传动组件上端垂直于拉索方向，避免了传动组件的弯曲变形；所述外壳采用封闭外壳，隔离外壳内部和外部，可保护该外壳内部的传动组件、减振系统、信号传递系统，延长了该阻尼器的使用寿命。

传动组件通过弹性件固定在固定外壳内壁上，当阻尼器没有工作时，弹性件处于压缩状态；当拉索振动，阻尼器开始工作时，弹性件拉长，但仍处于压缩状态，提供负刚度，提高了阻尼器的减振，抗震效果，同时便于齿条复位。

传动组件的齿轮齿条结构可以承受较大荷载，且对加工精度的要求不苛刻，制作成本低；刚性杆与齿条间使用球铰连接，使拉索的面内、面外振动均能转化为齿条的上下振动。

磁粉离合器采用磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段，达到传递转矩的目的。当控制器不对磁粉离合器通电时，此时输入轴为空转状态；当控制器对磁粉离合器接通电流后，输出轴和输入轴成为刚体同时旋转，磁粉离合器进入工作状态，可向减振系统传递扭矩。

惯质圆盘具有较小的质量，当惯质圆盘随着磁粉离合器输出轴同时转动时，可充分利用惯质圆盘的惯性质量矩，形成很大的负刚度效应，实现质量单元减振。

信号传递系统可测量齿条振动状态，以明确拉索最大能量的振动模态，对相应的磁粉离合器通电，使磁粉离合器输入轴和输出轴同时旋转，带动惯质圆盘和粘滞阻尼组件一起转动，使减振系统进入工作状态。

传动组件上端铰接受控件，受控组件振动使传动组件进行直线往复运动，齿轮将齿条的直线往复运动转化成惯质圆盘旋转运动，同时带动粘滞阻尼组件运动，实现惯质圆盘减振和粘滞阻尼组件减振。此外，固定传动组件的弹性件也能实现弹性件减振。该阻尼器能始终对振动能量最大的拉索模态进行减振，适应拉索复杂振动工况，受力、耗能机理明确。

在上述技术方案中，所述粘滞阻尼组件包括固定连接所述外壳第二内壁的油缸，所述油缸内部设有粘滞阻尼液；转页，所述转页安装在所述磁粉离合器的输出轴端部所述油缸内部。

当转页在粘滞阻尼液中转动时，粘滞阻尼液对转页产生粘滞阻尼力以实现粘滞阻尼组件的减振。

在上述技术方案中，所述转页上均有若干通孔。

当转页在粘滞阻尼液中转动时，粘滞阻尼液在通孔中产生较大的粘滞阻尼力，阻碍转页运动。

在上述技术方案中，所述外壳内部设有连接外壳顶板和底板的立柱，所述立柱上安装轴承，所述磁粉离合器安装在所述轴承上。

磁粉离合器安装在轴承上，从而使减振系统固定安装在所述外壳内部。

在上述技术方案中，所述减振系统沿所述传动组件方向设有三组，所述齿轮对应设有三个。

拉索振动一般多为一至三阶振动，所述减振系统设有三组，通过控制该三组减振系统即可对拉索的一至三阶振动实现良好的控制效果。当动位移计测量得到拉索振动能量最大的模态为一阶时，控制器对第一组减振系统中的磁粉离合器通电，使第一组减振系统工作；当拉索振动能量最大的模态为二阶时，控制器对第二组减振系统中的磁粉离合器通电，使第二组减振系统工作；当拉索振动能量最大的模态为三阶时，控制器对第三组减振系统中的磁粉离合器通电，使第三组减振系统工作。

在上述技术方案中，所述信号传递系统包括连接所述齿条的动位移计；连接所述动位移计和所述减振系统的控制器。

该动位移计可通过测量齿条振动状态，获知拉索最大振动能量的模态；所述控制器接收动位移计测量的运动状态信号并进行分析后，对相应的磁粉离合器通电，通过其输出轴带动惯质圆盘和转页一起转动，使减振系统进入工作状态。

在上述技术方案中，所述开口部内径由所述开口部靠近外壳一端向所述开口部远离外壳一端逐渐增大。

由于开口部内径由开口部靠近外壳一端向开口部远离外壳一端逐渐增大，可满足外壳外部的刚性杆部分由拉索面外振动引起的轻微晃动的要求；由于开口部靠近外壳一端内径较小，传动组件将拉索的面内、面外振动转换成外壳内部齿条的上下振动，同时不受外壳外部刚性杆晃动的影响。

在上述技术方案中，所述弹性件为弹簧。

综上所述，本实用新型一种适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置，受控组件振动使传动组件进行直线往复运动，齿轮将齿条的直线往复运动转化成惯质圆盘旋转运动，同时带动粘滞阻尼组件运动，实现惯质圆盘负刚度减振和粘滞阻尼组件减振，固定传动组件的弹性件实现弹性件减振。本实用新型可通过调整惯质圆盘的质量、回转半径大小，粘滞阻尼液的不同粘稠程度等参数，改变阻尼器的粘滞阻尼特性。本实用新型中的信号传递系统可通过分析拉索振动信号，对多个振动模态均实现最优控制，优于现有技术中只能对单一模态实现最优控制。本实用新型特别适用于大型土木工程中拉索结构的减振及抗震领域。

附图说明

图1是本实用新型实例提供的结构示意图；

图2是本实用新型实例提供的装配示意图；

图3是本实用新型与拉索连接的结构示意图；

图4是图1中内部结构固定方式示意图；

图5是图1中减振系统放大的结构示意图；

图6是图1中传动组件的结构示意图。

图中：1、底座；2、外壳；21、开口部；213、轴承；214、立柱；22、传动组件；221、刚性杆；222、齿条；223、齿轮；224、球铰；23、弹性件；24、减振系统；241、磁粉离合器；2411、输入轴；2412、输出轴；242、惯质圆盘；243、粘滞阻尼组件；2431、油缸；2432、粘滞阻尼液；2433、转页；24331、通孔；25、信号传递系统；251、动位移计；252、控制器；3、拉索；31、受控件。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供的一种适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置结构合理，便于加工，易于维护，成本较低，适应工况较多，受力及耗能机理明确。为了进一步说明本实用新型，结合附图进行详细阐述如下：

如图1至图6所示，一种适用于斜拉索多阶振动的电磁三元减振装置，包括位于桥面板上部的底座1，所述底座1的上表面平行于拉索3；固定安装在所述底座1上的外壳2，所述外壳2上部设有开口部21；所述外壳2内部设有传动组件22，所述传动组件22从所述开口部21伸出所述外壳2，所述传动组件22上端铰接所述拉索3的受控件31，所述传动组件22上端垂直于所述拉索3，所述传动组件22下端铰接垂直于外壳2第一内壁的弹性件23，所述弹性件23的一端固定连接所述第一内壁下部，所述弹性件23的另一端通过球铰224固定连接所述传动组件22下端；连接所述传动组件22的减振系统24，所述减振系统24固定连接所述外壳2的第二内壁，所述第二内壁与所述第一内壁为相对的内壁；连接所述传动组件22和所述减振系统24的信号传递系统25；所述传动组件22包括上端的刚性杆221，所述刚性杆221上端铰接所述拉索3；齿条222，所述齿条222上端通过球铰224连接所述刚性杆221下端，所述齿条222下端通过球铰224固定连接所述弹性件23；与所述减振系统24对应设置的齿轮223，所述齿轮223啮合齿条222；所述减振系统24包括磁粉离合器241，所述磁粉离合器241的输入轴2411固定连接所述齿轮223；所述磁粉离合器241的输出轴2412上由所述传动组件22近端向所述传动组件22远端依次设有惯质圆盘242，所述惯质圆盘242通过中心孔固定安装在所述磁粉离合器241的输出轴2412上；安装在所述磁粉离合器241的输出轴2412端部的粘滞阻尼组件243，所述粘滞阻尼组件243固定连接所述外壳2的第二内壁。

该技术方案中，所述底座1的上表面平行于拉索3方向，传动组件22上端垂直于拉索3方向，避免了传动组件22的弯曲变形；所述外壳2采用封闭外壳2，隔离外壳2内部和外部，可保护该外壳2内部的传动组件22、减振系统24、信号传递系统25，延长了该阻尼器的使用寿命。

传动组件22通过弹性件23固定在固定外壳2内壁上，当阻尼器没有工作时，弹性件23处于压缩状态；当拉索3振动，阻尼器开始工作时，弹性件23拉长，但仍处于压缩状态，提供负刚度，提高了阻尼器的减振，抗震效果，同时便于齿条222复位。

传动组件22的齿轮齿条结构可以承受较大荷载，且对加工精度的要求不苛刻，制作成本低；刚性杆221与齿条222间使用球铰224连接，使拉索3的面内、面外振动均能转化为齿条222的上下振动。

磁粉离合器241采用磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段，达到传递转矩的目的。当控制器252不对磁粉离合器241通电时，此时输入轴2411为空转状态；当控制器252对磁粉离合器241接通电流后，输出轴2412和输入轴2411成为刚体同时旋转，磁粉离合器241进入工作状态，可向减振系统传递扭矩。

惯质圆盘242具有较小的质量，惯质圆盘242随着磁粉离合器241输出轴2412同时转动，可充分利用惯质圆盘242的惯性质量矩，形成很大的负刚度效应，实现质量单元减振。进一步，可根据需要，通过调整惯质圆盘242的质量、半径等参数，调整惯质圆盘242的惯性质量矩。

信号传递系统25可测量齿条222振动状态，以明确拉索3最大能量的振动模态，对相应的磁粉离合器241通电，使磁粉离合器241输入轴2411和输出轴2412同时旋转，带动惯质圆盘242和粘滞阻尼组件243一起转动，使减振系统24进入工作状态，实现对该振动能量最大模态的最佳控制。

传动组件22上端铰接受控件31，受控组件振动使传动组件22进行直线往复运动，齿轮223将齿条222的直线往复运动转化成惯质圆盘242旋转运动，同时带动粘滞阻尼组件243运动，实现惯质圆盘242减振和粘滞阻尼组件243减振。此外，固定传动组件22的弹性件23也能实现弹性件23减振。该阻尼器能始终对振动能量最大的拉索模态进行减振，适应拉索复杂振动工况，受力、耗能机理明确。

在上述技术方案中，所述粘滞阻尼组件243包括固定连接所述外壳2第二内壁的油缸2431，所述油缸2431内部设有粘滞阻尼液2432；转页2433，所述转页2433安装在所述磁粉离合器241的输出轴2412端部所述油缸2431内部。如图5所示，当转页2433在粘滞阻尼液2432中转动时，粘滞阻尼液2432对转页2433产生粘滞阻尼力，以实现粘滞阻尼组件243的减振。进一步，可根据需要，通过调整不同粘稠程度的粘滞阻尼液2432，实现不同的粘滞阻尼力。

在上述技术方案中，所述转页2433上均有若干通孔24331。如图5所示，当转页2433在粘滞阻尼液2432中转动时，粘滞阻尼液2432在通孔24331中产生较大的粘滞阻尼力，阻碍转页2433运动。

在上述技术方案中，所述外壳2内部设有连接外壳2顶板和底板的立柱214，所述立柱214上安装轴承213，所述磁粉离合器241安装在所述轴承213上。如图4所示，磁粉离合器241安装在轴承213上，从而使减振系统24固定安装在所述外壳2内部。

在上述技术方案中，所述减振系统24沿所述传动组件22方向设有三组，所述齿轮223对应设有三个。如图1所示，拉索3振动多为一至三阶振动，所述减振系统24设有三组，通过控制该三组减振系统24即可对拉索3的一至三阶振动实现良好的控制效果。当动位移计251测量得到拉索3振动能量最大的模态为一阶时，控制器252对第一组减振系统24中的磁粉离合器241通电，使第一组减振系统24工作；当拉索3振动能量最大的模态为二阶时，控制器252对第二组减振系统24中的磁粉离合器241通电，使第二组减振系统24工作；当拉索3振动能量最大的模态三阶时，控制器252对第三组减振系统24中的磁粉离合器241通电，使第三组减振系统24工作。

在上述技术方案中，所述信号传递系统25包括连接所述齿条222的动位移计251；连接所述动位移计251和所述减振系统24的控制器252。如图1所示，该动位移计251可通过测量齿条222振动状态，获知拉索3最大振动能量的模态；所述控制器252接收动位移计251测量的运动状态信号并进行分析后，对相应的磁粉离合器241通电，使磁粉离合器通过输出轴2412带动惯质圆盘242和转页2433一起转动，减振系统24进入工作状态，实现对该振动能量最大模态的最佳控制。

在上述技术方案中，所述开口部21内径由所述开口部21靠近外壳2一端向所述开口部21远离外壳2一端逐渐增大。如图1所示，由于开口部21内径由开口部21靠近外壳2一端向开口部21远离外壳2一端逐渐增大，可满足外壳2外部的刚性杆221部分由拉索3面外振动引起的轻微晃动的需要；由于开口部21靠近外壳2一端内径较小，传动组件22将拉索3的面内、面外振动转换成外壳2内部齿条222的上下振动，同时不受外壳2外部刚性杆221晃动的影响。

在上述技术方案中，所述弹性件23为弹簧。弹性件23采用弹簧，弹簧结构简单，轻便，节约成本。

本实用新型中，传动组件22上端铰接受控件31，受控组件振动使传动组件22进行直线往复运动，齿轮223将齿条222的直线往复运动转化成磁粉离合器241输入轴2411的转动。动位移计251测量齿条222的振动状态，并把信号传递给控制器252，控制器252对传递来的信号进行分析。当控制器252不对磁粉离合器241通电时，输入轴2411随齿条222的运动空转；当控制器252对磁粉离合器241接通电流后，输入轴2411随齿条222的运动转动，输出轴2412和输入轴2411同时转动，带动安装在输出轴2412上的惯质圆盘242旋转，同时带动粘滞阻尼组件243的转页2433在粘滞阻尼液2432中转动，实现对拉索3减振。此外，固定传动组件22的弹性件23也能对拉索3减振。

以上所述仅为本实用新型的较佳实例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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