基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及土木工程結構消能減震半主動控制技術領域，具體是涉及一種具有大出力、可調倍數高和響應速度快的可變孔徑的黏滯阻尼器，其采用基于疊成壓電驅動器的壓電閥調節黏滯阻尼力。
【背景技術】
[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/或間隙中流動產生阻尼，耗散振動能量，黏滯流體力學的相關研究表明，這種阻尼力主要與活塞的運動速度相關，所以是一種速度相關型消能阻尼器。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、主導桿5和副導桿6等部分組成，缸筒內裝滿黏滯流體，為產生較大阻尼力，還利用缸筒的密封形成最大可達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)，此時活塞沿缸筒縱向做往復運動，而活塞上有適量小孔成為阻尼孔(和/或活塞與缸筒間的機械配合間隙)，黏滯流體阻尼材料從活塞阻尼孔中高速通過，能夠產生較大的黏滯阻尼力。土木工程結構用黏滯阻尼器的缸筒一般由大型的品牌機械廠設計制造(這與摩擦阻尼器由建筑施工企業設計和現場安裝明顯不同)，缸筒材料往往可以采用高強度合金鋼，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數量級)，因而能有效地減少土木工程結構的振動，因為相對于機械工程領域的阻尼器，土木工程的特點是結構物的質量特別巨大，需要的阻尼也往往比機械領域大幾個數量級。同樣是由于機械加工廠高精度生產的原因，它還有產品性能穩定、阻尼力出力精度高(大大提高了結構地震響應的可控性，并且便于結構地震響應的計算)、耐久性和溫度穩定也特別好等優點。
[0003]上述優點表明，在土木工程結構抗震和抗風控制中黏滯阻尼器有廣闊的應用前景;從20世紀70年代以來，已經逐步廣泛應用于土木工程結構的消能減震控制。在這個過程中，美國、日本和歐洲的意大利等發達經濟體國家已率先將其應用于實際工程，然后世界各國的中心城市，特別是地震高烈度的城市，也先后在其標志性建筑的減震控制中投入實際工程應用。近年來，我國的高烈度地區的中心城市(特別是北京和天津等特大型城市)也逐漸開始工程實際應用，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品在國內應用相當廣泛，特別是在大型橋梁的振動控制應用中已經比較普及，例如:北京奧運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中的港珠澳大橋等。
[0004]目前的黏滯阻尼器設計的黏滯阻尼力不可調節，導致其土木工程結構的減震效果非常有限，大大限制了黏滯阻尼器的應用范圍。例如美國隔震領域的學者Kelly早就指出在隔震層安裝黏滯阻尼器，將導致在小震和中震時放大隔震層上部結構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用昂貴的特點，導致其工程應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電磁閥來控制的可變小孔黏滯阻尼器，并進行了現場實測，實測結果表明，該半主動控制能大幅度減少車輛導致的橋梁結構振動，從而在原有基礎上延長了公路橋的使用年限達40年。2000年，世界上第一棟智能混合隔震建筑在日本Ke1大學建成，是該大學工程學院院樓，這個辦公與試驗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系統。
[0006]但是傳統的電磁閥受到磁滯以及機械慣性的影響，響應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，電磁馬達的輸出力也不夠大，導致直接驅動閥芯困難，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，其響應時間被液壓系統進一步拉長，故以前的可變孔黏滯阻尼器的減震控制設計與分析均需要考慮時滯。哈工大李惠等人的試驗證明，電磁閥可變孔阻尼器的應用頻率在2Hz以下，時滯影響明顯。
【實用新型內容】
[0007]按照現代壓電理論，壓電陶瓷材料的電致變形量與施加在其上的電場強度成正比，利用這個被稱為逆壓電效應的原理，本實用新型的目的在于設計一種利用疊層壓電驅動器來調節閥門，由閥門調節阻尼孔的孔徑大小以調節阻尼力的智能黏滯阻尼器，該智能黏滯阻尼器能夠減少時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，本實用新型提出的一種基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器，包括缸筒以及位于缸筒內的活塞、主導桿和副導桿;所述缸筒內部分隔成主缸和副缸，主導桿的尾端固定連接在所述活塞的與所述主缸對應的第一端面上，副導桿的首端固定連接在所述活塞的與所述副缸對應的第二端面上;所述缸筒內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桿上的疊層壓電驅動器、安裝在所述阻尼孔上的閥門、以及連接所述疊層壓電驅動器和所述閥門的傳動軸;所述傳動軸在所述疊層壓電驅動器的驅動下帶動所述閥門運動，使所述阻尼孔的孔徑可調。
[0009]在本實用新型的進一步優選方案中，所述疊層壓電驅動器安裝在所述副導桿的尾端，且在所述副導桿的尾端還安裝有防撞擊墊。
[0010]在本實用新型的進一步優選方案中，所述防撞擊墊具體為橡膠墊。
[0011]在本實用新型的進一步優選方案中，所述副導桿具有中空結構，所述傳動軸安裝在所述副導桿內部的中空結構中。
[0012]在本實用新型的進一步優選方案中，所述缸筒、活塞、主導桿和副導桿均為高強度不銹鋼材。
[0013]在本實用新型的進一步優選方案中，還包括控制系統，所述控制系統與所述疊層壓電驅動器電連接。
[0014]有益效果:本實用新型提出的基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器，可由疊層壓電驅動器驅動閥門，通過該閥門來調節黏滯阻尼器的阻尼孔的孔徑，以實現對黏滯阻尼力的調節，這種由疊層壓電驅動器驅動的閥門具有定位精度高(可達納米級)和響應速度快(可達微秒數量級)的特點，能夠減少時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是現有技術的黏滯阻尼器的結構示意圖。
[0016]圖2是實施例提出的基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器的結構示意圖。
[0017]圖3是實施例提出的基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器中閥門的結構示意圖。
[0018]圖2和圖3中:10-主缸，20-副缸，30-活塞，40-主導桿，50-副導桿，60-阻尼孔，71-疊層壓電驅動器，72-閥門，73-傳動軸，74-防撞擊墊。
【具體實施方式】
[0019]為了便于本領域技術人員理解，下面將結合附圖以及實施例對本實用新型進行進一步描述。
[0020]請參閱圖2和圖3，本實施例提出的一種基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器，包括缸筒以及位于缸筒內的活塞30、主導桿40和副導桿50;所述缸筒內部分隔成主缸10和副缸20，主導桿40的尾端固定連接在所述活塞30的與所述主缸10對應的第一端面上，副導桿50的首端固定連接在所述活塞30的與所述副缸20對應的第二端面上;所述缸筒內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]本實施例的智能黏滯阻尼器還包括安裝在所述副導桿50上的疊層壓電驅動器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動器71和所述閥門72的傳動軸73;所述傳動軸73在所述疊層壓電驅動器71的驅動下帶動所述閥門72運動，使所述阻尼孔60的孔徑可調。
[0022]所述疊層壓電驅動器71具體可安裝在所述副導桿50的尾端，同時在所述副導桿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。為了便于安裝傳動軸73，本實施例中所述副導桿50具有中空結構，所述傳動軸73安裝在所述副導桿50內部的中空結構中。
[0023]為了確保強度，本實施例中所述缸筒、活塞30、主導桿40和副導桿50均為高強度不銹鋼材。
[0024]此外，本實施例還可進一步包括控制系統(圖未示出)，所述控制系統與所述疊層壓電驅動器7通過電線連接，并連接疊層壓電驅動器專用直流電源。通過在控制系統中設置電壓，包括設置電壓的大小或電壓的正負，使疊層壓電驅動器71驅動傳動軸73相應動作，帶動閥門72往前或往后(按圖2或圖3的左側為前，右側為后)運動一定行程，以調節阻尼孔60的孔徑(也即調節其對阻尼孔60的封閉度)。本實施例中，疊層壓電驅動器71位移為I時，閥門72調節阻尼孔60半徑位移可放大到3-4倍。
[0025]本實施例提出的基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器是一種可調倍數大的半主動控制裝置，適用于地震動的強隨機性，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，并且響應速度非常快，可以減少時滯影響，響應速度完全能跟上地震動，同時提高了輸出力。
[0026]以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【主權項】
1.一種基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器，包括缸筒以及位于缸筒內的活塞、主導桿和副導桿;所述缸筒內部分隔成主缸和副缸，主導桿的尾端固定連接在所述活塞的與所述主缸對應的第一端面上，副導桿的首端固定連接在所述活塞的與所述副缸對應的第二端面上;所述缸筒內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桿上的疊層壓電驅動器、安裝在所述阻尼孔上的閥門、以及連接所述疊層壓電驅動器和所述閥門的傳動軸;所述傳動軸在所述疊層壓電驅動器的驅動下帶動所述閥門運動，使所述阻尼孔的孔徑可調。2.根據權利要求1所述的基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器，其特征在于，所述疊層壓電驅動器安裝在所述副導桿的尾端，且在所述副導桿的尾端還安裝有防撞擊墊。3.根據權利要求2所述的基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器，其特征在于，所述防撞擊墊具體為橡膠墊。4.根據權利要求3所述的基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器，其特征在于，所述副導桿具有中空結構，所述傳動軸安裝在所述副導桿內部的中空結構中。5.根據權利要求4所述的基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器，其特征在于，所述缸筒、活塞、主導桿和副導桿均為高強度不銹鋼材。6.根據權利要求5所述的基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器，其特征在于，還包括控制系統，所述控制系統與所述疊層壓電驅動器電連接。
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于疊層壓電驅動器調節的智能黏滯阻尼器，包括具有主缸和副缸的缸筒，以及位于缸筒內的活塞、主導桿和副導桿，主導桿的尾端固定連接在所述活塞的與所述主缸對應的第一端面上，副導桿的首端固定連接在所述活塞的與所述副缸對應的第二端面上；所述缸筒內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桿上的疊層壓電驅動器、安裝在所述阻尼孔上的閥門、以及連接所述疊層壓電驅動器和所述閥門的傳動軸；所述傳動軸在所述疊層壓電驅動器的驅動下帶動所述閥門運動，使所述阻尼孔的孔徑可調。本實用新型能夠減少時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
【申請號】CN201620083054
【發明人】譚平, 戴納新, 李洋, 劉歡, 龍耀球
【申請人】廣州大學
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2016年1月26日