一种用于模型斜拉索减振试验的参数连续可调式自复位电涡流惯性质量阻尼器

技术领域

本发明涉及土木及交通等建筑振动的技术领域，尤其是涉及一种用于模型斜拉索减振试验的参数连续可调式自复位电涡流惯性质量阻尼器。

背景技术

阻尼器是一种能提供运动阻力，耗散运动能量的装置。因其所具有的吸能减振作用，广泛运用于航天、航空、军工、枪炮和汽车等行业中。自上世纪七十年代起，研究人员逐步地把阻尼器运用到建筑、桥梁、铁路等结构工程领域中，如在斜拉索振动控制工程中使用外置式阻尼器是一种常见方式。

拉索作为土木及交通结构工程域内常用的支撑结构，有着柔度大，阻尼小、频率低等缺点，因此容易在外部激励作用下发生大幅振动，如风雨振、涡激振动等。并且，随着斜拉索设计长度的增加，传统的被动式粘滞阻尼器已无法满足当下斜拉索的减振控制需求。而具有负刚度特性的被动式阻尼器因其高效的减振效果，引起了学者们的广泛关注和研究。其中，惯性质量阻尼器是一种新型的具有负刚度特性的被动式阻尼器，研究表明，其耗能能力远超传统粘滞阻尼器。但目前针对惯性质量阻尼器的研究大多处于理论模拟阶段，因此，其针对斜拉索的减振效果是否高效仍有待试验验证。

缩尺试验是一种验证理论假设的重要研究手段，可以有效的验证惯性质量阻尼器对斜拉索的减振效果是否与理论相符，而在缩尺试验中往往需要对阻尼器参数进行高精度连续调节，否则所得试验结果容易与理论结果有较大误差，也对误差成因分析带来难度。目前，缩尺试验惯性质量阻尼器惯性质量的调节方法主要为更换具有不同质量或尺寸的质量飞轮，如专利文献“一种电涡流惯性质量阻尼器”(申请公布号：CN111321820A)和“一种用于模型斜拉索减振试验的参数可调惯性质量阻尼器”(申请公布号：CN108662072A)等。惯性质量阻尼器阻尼系数的调节方式有改变永磁铁数量、大小、气隙和其排布方式，如专利文献“一种齿轮齿条式惯容电涡流阻尼器”(CN115539545A)等；也有使用具有不同粘度系数的粘滞阻尼液，如专利文献“一种用于模型斜拉索减振试验的参数可调惯性质量阻尼器”(申请公布号：CN108662072A)等。

然而上述的阻尼器参数调节方法都无法真正达到高精度连续调节。改变质量飞轮的质量或尺寸无法保证惯性质量试验参数的连续性；而改变永磁铁大小、数量和排布，或是使用不同粘度系数的粘滞阻尼液不仅无法保证阻尼系数试验参数的连续性，还会给试验带来繁杂的操作流程并存在着发生试验事故的隐患。

发明内容

本发明的木得是为解决上述问题，提供一种用于模型斜拉索减振试验的惯性质量、阻尼系数双参数连续可调式自复位电涡流惯性质量阻尼器，可用于多工况的模型拉索减振试验，解决现存参数无法高精度连续调节的问题，为验证惯性质量阻尼器的减振效果提供有效手段。为此，本发明采用以下技术方案：

一种用于模型斜拉索减振试验的参数连续可调式自复位电涡流惯性质量阻尼器，其特征在于，包括阻尼器框架、滚珠丝杠机构、质量飞轮、导体板、电磁铁和直线轴承；

所述滚珠丝杠机构中螺杆的一端与模型斜拉索相连，另一端与所述导体板相连；所述滚珠丝杠机构中的滚珠螺母与所述导体板设于阻尼器框架内，所述滚珠螺母被轴向定位；

所述电磁铁固定于阻尼器框架两侧，所述导体板位于所述电磁铁产生的磁场中，导体板的往复运动能切割磁力线；所述直线轴承布置于阻尼器框架的上侧；

所述质量飞轮包括轮鼓、辐条和配重块；所述辐条等间距分布在所述轮鼓上；所述配重块可拆式或/和可调节轴向位置地布置于所述辐条上；所述质量飞轮套在所述滚珠螺母外侧。

进一步的，所述滚珠丝杠机构包括螺杆、滚珠螺母以及用于轴向定位滚轴螺母的止推轴承。

进一步的，所述配重块可沿着所述辐条轴向滑动，以此改变所述质量飞轮的转动惯量，从而达到调节惯性质量的目的；所述滚珠丝杠机构中仅有所述螺杆随着模型斜拉索的振动发生轴向直线运动并带动导体板直线运动，所述滚珠螺母和所述质量飞轮均发生旋转运动。

进一步的，所述导体板上端装有直线光轴，下端与所述螺杆相连接；所述直线光轴穿过所述直线轴承；所述直线光轴穿过所述直线轴承的部分外套有支撑弹簧；所述直线光轴末端装有弹簧挡板；所述支撑弹簧通过所述弹簧挡板限位在所述直线光轴上；所述导体板在所述螺杆和所述直线轴承限制下仅发生面内直线运动；所述导体板在所述支撑弹簧和弹簧挡板限制下不会发生面外旋转运动。

进一步的，其可动部分包括所述螺杆、所述导体板、所述光轴和所述弹簧挡板，所述可动部分的重量均由所述支撑弹簧承受；在所述支撑弹簧的作用下，模型斜拉索不会因所述阻尼器的可动部分的重量而产生初始形变，减小了模型斜拉索振动试验的试验误差；在所述支撑弹簧的作用下，每次模型斜拉索振动试验后，模型斜拉索以及所述可动部分均会回到初始平衡位置，实现自复位功能。

进一步的，所述阻尼器框架的相对的两侧均设置电磁铁；电磁铁南北极相向布置；所述电磁铁通过外部供电产生电磁场；所述电磁场强度可以通过调节供电电流大小进行调节；所述导体在电磁场中运动产生等效粘滞阻尼力，改变电磁铁供电电流可以对阻尼系数进行调节。

本发明能够连续高精度的连续调节惯性质量和阻尼系数，可用于多工况的模型拉索减振试验，解决现存参数无法高精度连续调节的问题，为验证惯性质量阻尼器的减振效果提供有效手段。

附图说明

图1为本发明实施例的整体示意图。

图2为本发明实施例的阻尼器框架示意图。

图3为本发明实施例的滚珠丝杠机构示意图。

图4为本发明实施例的质量飞轮示意图。

图5为本发明实施例的导体板示意图。

图6为模型斜拉索减振试验的示意图。

主要元件标号说明：1：阻尼器框架框体一；2：阻尼器框架框体二；3：电磁铁；4：电磁铁固定仓；5：阻尼器框架；6：直线轴承；7：支撑弹簧；8：弹簧挡板；9：滚珠螺杆；10：止推轴承；11：滚珠螺母；12：轮鼓；13：辐条；14：配重块；15：导体板；16：直线光轴、模型斜拉索17、阻尼器18。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内部”、“外部”、“上侧”、“下侧”、“两侧”、“直线”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

本发明提供了一种用于模型斜拉索减振试验的参数连续可调式自复位电涡流惯性质量阻尼器，如图1至图5所示，包括电磁铁3、电磁铁固定仓4、阻尼器框架5、直线轴承6、支撑弹簧7、弹簧挡板8、滚珠螺杆9、止推轴承10、滚珠螺母11、轮鼓12、辐条13、配重块14、导体板15、直线光轴16、模型斜拉索17、阻尼器18。

阻尼器框架5有位于框体二2和位于框体二2下端的框体一1组成。

如图所示，本发明提供的阻尼器18下端通过滚珠螺杆9与模型斜拉索17相连接；滚珠螺杆9与模型斜拉索17间也可以添加传感器对试验数据如阻尼力、阻尼器位移进行测量和记录；滚珠螺杆9上端与导体板15相连；质量飞轮的轮鼓12套于滚珠螺母11外侧；质量飞轮的辐条13安装在轮鼓12外侧；质量飞轮的配重块14布置于辐条13上；滚珠螺母11置于阻尼器框架框体一1内部；滚珠螺母11上下两侧分别设有止推轴承10；电磁铁3通过螺栓固定于置于阻尼器框架框体二2两侧的电磁铁固定仓4内用以产生电磁场；导体板15布置于阻尼器框架框体二2内部；导体板15上下两端分别与滚珠螺杆9和直线光轴16相连；阻尼器框架5上端安装有直线轴承6；直线光轴16穿过直线轴承6；直线光轴16超出直线轴承6外侧段套有支撑弹簧7，在支撑弹簧7的另一端设置弹簧挡板8，弹簧挡板8与直线光轴16连接或被限位在直线光轴16上；支撑弹簧7固定于直线轴承6与弹簧挡板8间用以支撑阻尼器可动部分的质量。

试验中，模型斜拉索17的振动带动滚珠螺杆9轴向直线运动；由于止推轴承10的限制，滚珠螺杆9的运动仅会导致滚珠螺母11在阻尼器框架框体一1内进行旋转运动。滚珠螺母11带动质量飞轮进行旋转运动，产生了惯性质量，使阻尼器具有了明显负刚度特性。

进一步，改变配重块14的质量或滚珠螺杆9的导程，可以从全局上较大幅度的调整质量飞轮所提供的惯性质量；而改变配重块14在辐条13上的位置，则可以达到在局部范围内对惯性质量进行高精度连续调节的目的。

滚珠螺杆9的运动带动了导体板15在由电磁铁3所产生的电磁场内运动。由于直线轴承6、支撑弹簧7以及弹簧扣件8的限制，导体板15在磁场内只沿着滚珠螺杆9轴向进行面内运动；由于支撑弹簧7和弹簧挡板8的限制，导体板15不会沿着导体板轴线发生旋转运动。

导体板15在磁场内的运动导致了电磁感应现象，使得导体板15内产生了电涡流。因为电涡流的存在，在磁场中运动的导体板15受到了安培力作用，由安培定理可知，安培力的大小与导体板15运动的速度成正比，因此安培力可视为一种等效粘滞阻尼力，其比例系数既是等效粘滞阻尼系数。

进一步，改变电磁铁3的尺寸、电磁铁3线圈缠绕密度、导体板15的材质或者尺寸可以从全局上大幅度的调整等效粘滞阻尼系数；而改变电磁铁3的供电电流则可以达到在局部范围内对阻尼系数进行高精度连续调节的目的。

作为优选，导体板15建议使用铜板。

滚珠螺杆9、弹簧挡板8、导体板15和直线光轴16的重量均由支撑弹簧7所支撑，可以减小上述可动部分重量对模型斜拉索的影响，使模型拉索不发生初始形变，实现自复位功能，能有效的提高试验结果的准确性。