一种低频大幅激振器及其参数设计方法

技术领域

本发明涉及激振技术领域，具体涉及一种低频大幅激振器及其参数设计方法。

背景技术

随着桥梁设计建造技术的进步，为了适应跨越大江大河、山区峡谷的需求，目前桥梁的主跨越来越大，如在建常泰长江大桥为主跨1176m的公铁两用斜拉桥，在建的张靖皋大桥为主跨2300m的悬索桥。随着主跨的增加，以主梁振动为主的振动模态频率越来越低，在外界风环境作用下更容易发生复杂的振动问题，如虎门大桥、鹦鹉洲长江大桥、西堠门大桥均出现过主梁的大幅振动问题。桥梁的阻尼比是控制结构振动的重要因素，而桥梁的阻尼比非常复杂，与桥梁的材料、结构类型、振动频率、振动的幅度均有关系，只有通过实测才能得到准确的数据，环境激励下桥梁的振动信号信噪比偏低，且无法反映大振幅下的桥梁阻尼特性，只有通过稳态激励的阻尼比测试，才能得到高信噪比的振动信号，实测得到不同振幅下的桥梁阻尼比，准确评估桥梁的动力性能。

大跨度桥梁稳态激励的关键在于大型智能激振设备，对大桥的各个主频进行单独持续的周期性激励，使大桥在共振状态下振幅迅速增大，然后停止激励，根据桥梁实测振动信号分析桥梁的阻尼特征。

大跨度缆索承重桥梁的模态质量很大，要想激起桥梁的大幅振动，激振器的惯性质量和振幅要足够大。日本多多罗桥采用的激振器总重37吨，惯性质量20吨，振幅±1m，是目前文献可见的性能最高的大型桥梁激振器，韩国永宗悬索桥也采用了类似的激振器进行了动载试验。上述激振器惯性质量的振幅与液压作动器的振幅一致，如果想进一步提高激振器的振幅，作动器的振幅需要同步提升，对作动器的性能要求更高。专利号为CN202211189537.8的“一种桥梁激振器”提出了一种基于两级共振的桥梁激振器，采用一组弹簧平衡惯性质量的自重，并通过作动器串联另一组弹簧为惯性质量提供激励，可以利用较小的作动器振幅实现较大幅度的惯性质量振幅，但是使不同频率下均保持共振状态，需要在惯性质量与底座之间设置惯性装置提供惯质系数来调节频率，该做法的不足之处在于惯质系数难以做到连续调整，且惯质系数越大，作动器的输出能量更多的消耗在惯性装置上，转化为激振器的输出能量越少。而传统的激振器如日本多多罗桥的激振器采用单级共振原理，激振器惯性质量的振幅与作动器的振幅一致，激振器的效率较低，难以高效实现大跨度桥梁低频大幅激振的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种低频大幅激振器及其参数设计方法，以解决现有技术中激振器效率较低，难以高效实现大跨度桥梁低频大幅激振需求的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，本申请提供一种低频大幅激振器，包括：

活塞柱，其竖直设立于待检测件上；

惯性质量容器，其具有用于盛装阻尼液的腔体，上述惯性质量容器的底部开设有供上述活塞柱穿过的通孔，以使上述活塞柱与上述惯性质量容器可滑动连接；

调节机构，其与上述腔体连通，用于调节上述腔体内阻尼液的体积，以使上述惯性质量容器在竖直方向上移动。

在一些可选的实施例中，上述调节机构包括：

液压筒，其具有用于盛装阻尼液的液压腔，上述液压腔与上述腔体连通；

液压杆，其部分滑动连接于上述液压腔内；

驱动件，其输出端与上述液压杆连接，用于驱动上述液压杆在上述液压腔内移动，以将上述液压腔内的阻尼液推入上述腔体内，或将上述腔体内的阻尼液回流至上述液压腔内。

在一些可选的实施例中，上述驱动件与传感控制器信号连接，以控制上述驱动件的输出端周期性往复运动。

在一些可选的实施例中，上述活塞柱设有至少三个，上述惯性质量容器的质心与每一上述活塞柱的距离均相等。

在一些可选的实施例中，所有上述活塞柱的截面积之和小于上述液压杆的截面积。

在一些可选的实施例中，上述通孔处设有液压动密封件，上述液压动密封件套设在上述活塞柱外。

另一方面，本申请还提供一种低频大幅激振器的参数设计方法，用于设计任一上述的低频大幅激振器，包括以下步骤：

根据待检测件需要的被激励振幅及模态质量、惯性质量容器的最大稳态振幅，确定惯性质量容器的惯性质量；

根据上述惯性质量容器的惯性质量确定活塞柱的截面积及调节机构的参数。

在一些可选的实施例中，根据上述惯性质量容器的惯性质量确定活塞柱的截面积及调节机构的参数，包括：

根据上述惯性质量容器的惯性质量及驱动件的驱动力，确定液压杆的截面积；

根据液压杆的截面积及设定放大系数，确定所有上述活塞柱的截面积。

在一些可选的实施例中，根据m·g＝P·A

在一些可选的实施例中，根据待检测件需要的被激励振幅及惯性质量容器的最大稳态振幅，确定惯性质量容器的惯性质量，包括：

根据

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在惯性质量容器内装满阻尼液，然后利用调节机构调节惯性质量容器内阻尼液的体积，从而使活塞柱伸入惯性质量容器内的长度改变，使得惯性质量容器可以沿着活塞柱的长度方向上下运动，从而产生振幅以对应激起待检测件的共振，利用作动器较小的运动幅度就能实现待检测件的大幅振动，不仅操作简单，且解决了现有技术中激振器效率较低，难以高效实现大跨度桥梁低频大幅激振需求的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种低频大幅激振器的结构示意图；

图2为本发明一种低频大幅激振器的参数设计方法的步骤图。

图中：1、活塞柱；2、惯性质量容器；3、调节机构；31、液压筒；32、液压杆；33、驱动件；34、管道；35、传感控制器；4、液压密封件；5、底板。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

一方面，如图1所示，本申请提供一种低频大幅激振器，包括活塞柱1、惯性质量容器2和调节机构3，通过调节机构3调节惯性质量容器2内的阻尼液体积，从而使惯性质量容器2可以沿活塞柱1的长度方向上下移动，从而产生振幅，使待检测件产生激振以获取不同振幅下待检测件的阻尼比，评估待检测件的动力性能。

具体的，活塞柱1竖直设立在待检测件上；惯性质量容器2具有用于盛装阻尼液的腔体，上述惯性质量容器2的底部开设有供上述活塞柱1穿过的通孔，以使上述活塞柱1与上述惯性质量容器2可滑动连接；调节机构3与上述腔体连通，用于调节上述腔体内阻尼液的体积，以使上述惯性质量容器2在竖直方向上移动。

可以理解，在使用时，将惯性质量容器2的腔体注满阻尼液，利用调节机构3调节腔体内阻尼液的体积。此时由于活塞柱1部分位于腔体内，因此当腔体内的阻尼液体积增加时，则惯性质量容器2沿活塞柱1的长度方向向上移动，以减少活塞柱1位于腔体内的体积；当腔体内的阻尼液体积减少时，则惯性质量容器2沿活塞柱1的长度方向向下移动，以增加活塞柱1位于腔体内的体积。由此可见，通过调节机构3调节腔体内阻尼液的体积，从而使具有设定质量的惯性质量容器2可以在竖直方向移动，以产生振幅，通过惯性质量容器2的上下运动，为待检测件提供激励，从而可以实现调节机构3的调节频率与待检测件待激励模态频率精准对应，激振效果更优，得到不同振幅下的桥梁阻尼比，准确评估桥梁的动力性能。

需要说明的是，活塞柱1部分伸入至惯性质量容器2的腔体内，应确保活塞柱1垂直设立，从而可以使惯性质量容器2可以稳定的沿活塞柱1的长度方向上下移动。相比于现有技术“一种桥梁激振器”中，通过飞轮的旋转以带动惯性质量块的上下移动，使得动作器输出的能量更多的消耗在飞轮的旋转上，转化为激振器的输出能量较少。而在本申请中，可以利用惯性质量容器2中阻尼液的液压抵抗自重，并通过调节机构3来改变惯性质量容器2内的阻尼液体积，调节机构3输出后转化为惯性质量容器2的振动能量损失较小，且结构简单，便于控制。

在本例中，阻尼液可以选择低粘度的液体，例如低粘度的硅油。

在一些可选的实施例中，上述调节机构3包括液压筒31、液压杆32和驱动件33，液压筒31具有用于盛装阻尼液的液压腔，上述液压腔与上述腔体连通；液压杆32部分滑动连接在上述液压腔内；驱动件33的输出端与上述液压杆32连接，用于驱动上述液压杆32在上述液压腔内移动，以将上述液压腔内的阻尼液推入上述腔体内，或将上述腔体内的阻尼液回流至上述液压腔内。

可以理解，液压筒31内也盛装有与腔体内相同的阻尼液，液压杆32在驱动件33的作用下，在液压筒31内往复移动，从而将液压筒31内的阻尼液推入至腔体内，使惯性质量容器2沿活塞柱1长度方向向上移动；或使腔体内的阻尼液回流至液压腔内，从而使惯性质量容器2沿活塞柱1的长度方向向下移动。

由此可见，通过液压杆32在液压筒31内的体积，来调节和控制惯性质量容器2在竖直方向的上下移动。因此可以通过控制驱动件33驱动液压杆32的运动频率，周期性的改变惯性质量容器2内阻尼液的体积，进而推动惯性质量容器2上下运动，通过惯性质量容器2的周期性上下运动，为待检测件提供周期性的激励。

在一些可选的实施例中，上述液压腔通过管道34与上述液压腔连通。

需要说明的是，由于惯性质量容器2、液压腔通过管道34连通，忽略液体重力引起的压强，可近似认为上述惯性质量容器2和液压腔中的压强处处相等。

在一些可选的实施例中，上述驱动件33与上述传感控制器35信号连接，以控制上述驱动件33的输出端周期性往复运动。

通过传感控制器35，可以根据待检测件的待激励模态的频率为驱动件33输出端的运动频率，实现激振器频率和待检测件的待激励模态频率精准对应，从而激起待检测件的共振，激振效果更优。

在一些可选的实施例中，上述活塞柱1设有至少三个，上述惯性质量容器2的质心到每一上述活塞柱1的距离均相等。

可以理解，为了确保惯性质量容器2的平衡，使得惯性质量容器2可以与活塞柱1滑动配合并在竖直方向上上下移动，活塞柱1应设置至少三个，从而以保持平衡。在本例中，上述惯性质量容器2为立方体，上述活塞柱1设有四个，且呈矩形设置，与惯性质量容器2的四个顶角位置对应。

在一些可选的实施例中，所有上述活塞柱1的截面积之和小于上述液压杆32的截面积。

可以理解，由于通过液压杆32在液压筒31内的移动来改变惯性质量容器2腔体内的阻尼液的体积，从而使活塞柱1位于腔体内的长度改变以实现惯性质量容器2的上下移动，因此，液压杆32的截面积以及液压杆32的移动行程，与活塞柱1的截面积和移动行程相关。通过驱动件33的大输出顶推力及液压杆32的小位移行程，使得具有充满阻尼液的大质量的惯性质量容器2实现大位移行程。即通过控制液压杆32截面积与所有活塞柱1截面积之和的比值，实现转化。在本例中，驱动件33的输出端在水平方向上带动液压杆32进行来回移动，将水平方向的小位移转换为惯性质量容器2在竖直方向的大位移。当然，在其他实施例中，可以根据空间设计要求来对驱动件33输出端的位移方向和行程进行具体设置，在此不做赘述。

举例说明，当充满阻尼液的惯性质量容器2的自重为20吨，且液压杆32的截面积是所有活塞柱1截面积之和的三倍，此时如果需要使惯性质量容器在竖直方向上的振幅为1.2m，则需要驱动件33输出60吨的力，并将液压杆32在液压筒31内推进或回缩0.4m即可实现。

在一些可选的实施例中，上述通孔处设有液压密封件4，上述液压密封件4套设在上述活塞柱1外。

为了确保惯性质量容器2与活塞柱1滑动配合时，腔体内的阻尼液不会发生泄漏，在活塞柱1与惯性质量容器2的滑动连接处设置有液压动密封。

在一些可选的实施例中，活塞柱1垂直设立在底板5上，调节机构3也设置在底板5上，且底板5水平放置。

第二方面，如图2所示，本申请还提供一种低频大幅激振器的参数设计方法，用于设计上述的低频大幅激振器，包括以下步骤：

S1：根据待检测件需要的被激励振幅及模态质量、惯性质量容器2的最大稳态振幅，确定惯性质量容器2的惯性质量。

具体的，根据

由此可见，针对某阶特定的模态，待检测件的被激励振幅与激振器的惯性质量成正比，与激振器的惯性质量的最大稳态振幅呈正比，而与待检测件的阻尼比成反比。以待检测件为桥梁为例，一般大跨度桥梁的模态质量都非常大，因此，桥梁的惯性质量m与桥梁的被激励模态的模态质量M的比值较小，为了激振以使桥梁大幅振动，提高惯性质量容器2的振幅是有效方法之一。

在参数设计时，可以先预设激振器的最大稳态振幅a的数值，这里需要考虑的是，应控制惯性质量容器2的惯性质量在100吨以内为最适宜。

S2：根据上述惯性质量容器2的惯性质量确定活塞柱1的截面积及调节机构3的参数。

在一些可选的实施例中，步骤S2包括：

S21：根据上述惯性质量容器2的惯性质量及驱动件33的驱动力，确定液压杆32的截面积。

具体的，根据m·g＝P·A

S22：根据液压杆32的截面积及设定放大系数，确定所有上述活塞柱1的截面积。

具体的，根据A

也就是说，当驱动件33的输出端的行程距离为L

本发明的一种低频大幅激振器及其设计方法，通过调节机构3调节腔体内阻尼液的体积，从而使具有设定质量的惯性质量容器2可以在竖直方向移动，以产生振幅，通过惯性质量容器2的上下运动，为待检测件提供激励，从而可以实现调节机构3的调节频率与待检测件待激励模态频率精准对应，激振效果更优，得到不同振幅下的桥梁阻尼比，准确评估桥梁的动力性能；利用惯性质量容器2中阻尼液的液压抵抗自重，并通过调节机构3来改变惯性质量容器2内的阻尼液体积，调节机构3输出后转化为惯性质量容器2的振动能量损失较小，且结构简单，便于控制；通过液压杆32在液压筒31内的体积，来调节和控制惯性质量容器2在竖直方向的上下移动。因此可以通过控制驱动件33驱动液压杆32的运动频率，周期性的改变惯性质量容器2内阻尼液的体积，进而推动惯性质量容器2上下运动，通过惯性质量容器2的周期性上下运动，为待检测件提供周期性的激励；通过传感控制器35，可以根据待检测件的待激励模态的频率为驱动件33输出端的运动频率，实现激振器频率和待检测件的待激励模态频率精准对应，从而激起待检测件的共振，激振效果更优；通过驱动件33的大输出顶推力及液压杆32的小位移行程，使得具有充满阻尼液的大质量的惯性质量容器2实现大位移行程；利用驱动件33的输出端在水平方向上带动液压杆32进行来回移动，可以将水平方向的小位移转换为惯性质量容器2在竖直方向的大位移，实现了位移方向的转换，扩大了适用场景和使用空间利用率；在活塞柱1与惯性质量容器2的滑动连接处设置有液压动密封，确保惯性质量容器2与活塞柱1滑动配合时，腔体内的阻尼液不会发生泄漏。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。