一种三缸式大出力磁流变阻尼器 【技术领域】
本发明主要涉及阻尼器领域，是一种用于大型土木工程结构抗震(振)的阻尼器，尤其是一种大出力高耗能的并可提供可调阻尼力的三缸式大出力磁流变阻尼器。
背景技术
强烈的地震给世界各国人民造成了巨大的灾害。地震中建筑物的大量破坏与倒塌，是造成地震灾害的直接原因。我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，全国约450个城市中，位于地震区的占74.5％。28个百万以上人口的大城市中，有85.7％位于地震区。2008年5月的四川汶川8级大地震，造成近7万人遇难，1.8万人失踪，近38万人伤残，直接经济损失达2000亿元，这些残酷的数字再一次提醒我们应高度重视工程结构的抗震安全问题。并且随着国家经济的发展，目前大型土木工程结构(主要集中在高层建筑结构、高耸构筑结构、大跨空间结构、桥梁结构、水坝等重要结构形式)的应用日益增多，所采用的材料趋向轻质高强，这就使结构柔度增加、阻尼下降，对风力及地震作用更为敏感。为保证结构的完整性与其它要求(如建筑物中人的舒适性等)，往往要对由环境外载(如风、地震等)引起的响应进行控制。所以有关大型土木工程结构的抗震及减振问题更显突出，而通过在土木工程结构上设置控制机构，由控制机构与结构共同抵御地震动等动力荷载，使结构的动力响应减小的结构振动控制的研究具有重要现实意义。
磁流变液(Magneto-rheological Fluid，简称MRF)是一种性能优异的智能材料，又称为“可控流体”，具有强度高、粘度低、能量需求小、温度稳定性好等特点，在外加磁场作用下可以在毫秒级的瞬间由牛顿流体变成剪切屈服应力较高的Bingham塑性体或粘弹性体，且这种转变连续、可逆。根据磁流变效应设计的磁流变液体阻尼器是一种适用于结构振动控制的新一代半主动驱动装置，具有结构紧凑、功耗低、阻尼力大、动态范围广、响应速度快等优点，其阻尼力可通过调节外加的磁场大小来控制，若配合一定的控制策略，可使控制结构达到较好的振动控制效果。
粘弹性胶泥材料是一种高粘度、可流动的、未经硫化的有机硅化合物为基体的合成材料，在-80℃-250℃温度范围内具有较高的稳定性，并且无臭、无毒，对环境和人员无污染。它介于固、液两种状态之间，利用胶泥材料的这些特性设计的阻尼器可不需要复原弹簧，利用其本身高弹性特点便可以实现阻尼器的复原回程，同时其良好的流动性使阻尼器具有大容量、低阻抗能力。胶泥材料的流动粘度大小可根据实际使用的需要进行调整，其运动粘度比普通液压油大几十甚至上百倍，这样阻尼器密封问题比液压阻尼器要简单。胶泥运动是连续无间隙的，小位移时呈小阻尼特性，而大位移时表现出大阻尼特性，故可保证在振动控制过程中不会因阻尼过大而影响控制系统的控制效率，同时保证了在大位移冲击发生时，有足够的阻尼来吸收冲击能量。这些性能使其成为耗能减震的极好材料。
目前国内外开发的常规磁流变阻尼器和普通的液压阻尼器相似，在高频振动时会出现刚度硬化现象，不利于被控结构的减振控制。这些利用常规磁流变阻尼器进行土木工程结构振动控制设计中，都是只考虑被控结构处于小位移、弹性范围内所需阻尼器的出力情况，对于被控结构处于大位移、产生塑性变化时阻尼器的出力却不会随被控结构位移增大而增长，此时亟需阻尼器提供大阻尼力才能避免结构毁塌而产生生命财产损失。所以单一利用常规磁流变阻尼器安装在土木工程结构中，其抗震减灾中的安全性要大大降低，对被控结构而言不能形成有效的安全保障机制。并且，常规磁流变阻尼器大多是利用单一的耗能机制，这些阻尼器所能提供的阻尼力有限。磁流变流体的初始粘度低，虽然可以通过设计更大体积的阻尼器以提供较大的阻尼力，但在安装磁流变液体阻尼器的结构振动控制系统出现故障而不能提供电能时，这种只依靠单一的耗能机制研制的磁流变液体阻尼器根本不具备普通被动油压减振器的阻尼调节功能，此时磁流变液体阻尼器对于大型土木工程结构就起不到应有的耗能减震作用。而单一地利用胶泥材料地耗能特性制作的阻尼器只具备被动耗能作用，不可能实现实时的阻尼力智能控制，这对于大型土木工程结构的振动控制效果是有限的。此外，在大型土木工程结构中如果布置常规的磁流变阻尼器来实现结构的振动控制，会提高工程造价，其笨重的大体积会给施工带来麻烦，而且影响建筑的使用空间。
【发明内容】
技术问题：针对现有技术存在的技术问题，本发明涉及一种统一了两种不同耗能机制并克服了刚度硬化现象的三缸式大出力磁流变阻尼器，磁流变阻尼缸提供可调阻尼力，胶泥阻尼缸则具备被动耗能能力，提供安全保障，发挥了磁流变液和胶泥两种不同性质的材料的各自优势，该阻尼器设计简单、价格低廉、加工-安装-拆卸方便、减震性能卓越。
技术方案：本发明的一种三缸式大出力磁流变阻尼器，包括磁流变阻尼缸、胶泥阻尼缸、辅助缸、磁流变主活塞、胶泥活塞、密封挡板、励磁线圈、磁流变液、弹性胶泥、解耦圆环，其特征在于磁流变阻尼缸和胶泥阻尼缸两缸组合成协同工作缸；活塞杆上布置一个磁流变主活塞和一个胶泥活塞，活塞杆与磁流变主活塞采用螺纹刚性连接方式，活塞杆与胶泥活塞通过在胶泥活塞内设置的位移分解机构连接，磁流变主活塞的活塞杆左端穿过密封挡板、胶泥阻尼缸内的胶泥活塞、位移分解圆环、密封导向装置与球形铰支关节连接，磁流变主活塞的活塞杆右端穿过密封导向装置后自由外伸在辅助缸中。磁流变主活塞上有两个绕行方向相反的环形励磁线圈，两个环形励磁线圈分别各接有一根导线通过导线通道与外部电源连接，两个环形励磁线圈通入电源方式为并联。位移分解机构由胶泥活塞、位移分解圆环组成，二者之间的间隙可根据实际工程需要调整。
大型土木工程结构在遭遇地震或风荷载时，结构会产生变形，而安装在结构中的三缸式大出力磁流变阻尼器在合适的振动控制策略下，通过改变励磁线圈的电流来改变磁流变阻尼通道中的磁场强度，从而改变磁流变通道中的阻尼力，形成一种连续可调的半主动控制装置。与此同时，阻尼器支座之间的相对位移使胶泥阻尼缸中的弹性胶泥产生挤压滞回变形，从而消耗地震或风振能量，两者的协同工作，可使结构振动响应减小，保证主体结构的安全，并且该胶泥阻尼缸可以作为电源失效或能源不足时阻尼器的安全保障机构。位移分解机构的设置，提高了阻尼器对激励频率和振幅的敏感性，并实现了在不同的频率和振幅下具有截然不同的刚度和阻尼特性，位移分解机构在低频、大振幅时几乎不起作用，其性能只是胶泥阻尼器与磁流变阻尼器的结合，而具有大阻尼特性；而在高频、小振幅时，位移分解机构处于近似位移分解状态，阻尼器具有小阻尼、低动刚度的特性，可减小高频传递率。通过磁流变阻尼器与胶泥阻尼器的合理匹配和连接，开发一种三缸式大出力磁流变阻尼器能够满足大型土木工程结构的抗震抗风需要，减震效果显著。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用磁流变半主动控制和胶泥被动耗能两种机制协同组合减振，具有二者的优点，磁流变阻尼是一种性能优异的智能材料，具有智能可控性，而采用的弹性胶泥是一种公知的高压缩性、高粘度、可流动的半固态粘滞介质，具有阻尼力大，能量吸收率高的优点。本发明的三缸式大出力磁流变阻尼器具有比常规磁流变阻尼器减震性能更优良、价格更低廉、体积更小、便于加工-安装-拆卸、不会影响建筑的使用空间的优点，并且各主要构件的尺寸、间隙可根据实际工程需要自由调整。
2、本发明利用磁流变阻尼缸和胶泥阻尼缸两缸组合协同工作，虽然一种双出杆双缸电流变阻尼器(申请号：CN200620134041.0)也采用了两缸，但本发明采用的磁流变主活塞和胶泥活塞的组合更具有优势，出力更大，并且由于在胶泥活塞中设置了位移分解机构，这就克服了高频振动时刚度硬化现象，该机构对激励频率和振幅都很敏感，在不同的频率和振幅下具有截然不同的刚度和阻尼特性。在低频域内阻尼器表现为高刚度、大阻尼，以此解决了在大位移时易出现被控结构溃塌，此时阻尼器阻尼力小，安全性低的问题；而在高频域内阻尼器表现低刚度、小阻尼特性，以此解决了高频振动时刚度硬化问题。
3、在提供相同阻尼力时，本发明的三缸式大出力磁流变阻尼器同单纯磁流变阻尼器相比，如剪切流动式磁流变阻尼器(申请号：ZL200620097770.3)和大出力磁流变阻尼器(专利号：CN200710060652.4)，本发明克服了电源失效或能源不足时阻尼器丧失调节功能、被控结构安全性降低的缺点，并具有节约能源，提高阻尼力，降低阻尼器生产成本的优点；同单纯胶泥阻尼器相比，如弹性胶泥缓冲器(专利号：ZL200520071937.4)，其具有阻尼力连续可调、适应性强、可实施智能控制且控制效果更为理想的优点；与普通永磁+线圈励磁组合的磁流变阻尼器相比，如永磁调节装配式磁流变阻尼器(专利号：ZL200510031108.8)，本发明的阻尼器结构形式更为简单，故障率低、价格也更低廉。
利用磁流变液流变特性和胶泥剪切挤压滞回变形两种机制组合减震，发挥了两种减震机制的优势，既具有很高的耗能能力，又可提供连续可调的阻尼力。其位移分解机构的设置提高了结构抵抗外力的能力，更有利于提高大型结构振动控制的效果与结构安全性。该阻尼器可广泛应用于大型土木工程结构的抗风抗震工程中。
【附图说明】
图1为本发明的结构示意图；
图2为磁流变主活塞与活塞杆示意图；
图3为胶泥活塞及位移分解机构示意图。
图中：
1-支座 13-球形铰支关节
2-导线 14-导线通道
3-缸盖 15-O型密封圈
4-密封导向装置 16-磁流变阻尼通道
5-胶泥阻尼缸 17-活塞杆
6-胶泥活塞 18-位移分解圆环
7-弹性胶泥 19-辅助缸
8-环形励磁线圈 20-密封挡
9-磁流变阻尼缸 21-注液孔
10-隔磁护套 22-注胶泥孔
11-磁流变液 23-磁流变主活塞
12-固定螺栓
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示本发明的三缸式大出力磁流变阻尼器，它包括磁流变阻尼缸(9)、胶泥阻尼缸(5)、辅助缸(19)、磁流变主活塞(23)、胶泥活塞(6)、密封挡板(20)、励磁线圈(8)、磁流变液(11)、弹性胶泥(7)、位移分解圆环(18)、阻尼通道(16)、缸盖(3)、球形铰支关节(13)。其特征在于该装置在磁流变阻尼缸的一端连接有胶泥阻尼缸(5)，在磁流变阻尼器工作缸(9)中充满磁流变液(11)，该活塞上布置励磁线圈(8)，励磁线圈(8)外包裹隔磁护套(10)，并将活塞分出三个磁极，导线(2)通过导线通道(14)连接励磁线圈与外部电源；在胶泥阻尼缸(5)内充满弹性胶泥(7)，胶泥阻尼缸(5)两端分别是密封挡板(20)和密封导向装置(4)，该胶泥活塞(6)与活塞杆(17)之间设有位移分解机构(18)，胶泥活塞(6)的左右两部分通过固定螺栓(12)连接；磁流变阻尼缸(9)内的活塞杆(17)左端穿过密封挡板(20)、胶泥阻尼缸(5)、密封导向装置(4)与球形铰支关节(13)连接，磁流变阻尼缸(9)内的活塞杆(17)右端穿过密封导向装置(4)后自由外伸在辅助缸(19)中；右端缸盖与右端球形铰支关节(13)连接，两端的球形铰支关节(13)分别被支座(1)包裹。在磁流变阻尼缸(9)上设有磁流变液注液孔(21)，在胶泥阻尼缸(5)上设有注胶泥孔(22)。在密封挡板(20)、密封导向装置(4)、隔磁护套(10)与活塞之间、活塞杆(17)与磁流变主活塞(23)之间均设有O型密封圈(15)。
工作原理：在磁流变阻尼缸和励磁线圈之间存在阻尼器通道，一般为0.6～2mm，当活塞在工作缸内往返运动时会挤压磁流变阻尼缸内的磁流变液在阻尼通道中流动，在励磁线圈通入电流时，将产生垂直于流体流动方向的磁场，磁流变液半固化，流体的阻力增加，通过改变电流大小实现磁流变阻尼力的连续顺逆可调。在胶泥阻尼器中，胶泥阻尼缸与胶泥活塞之间存在阻尼通道，一般为2～9mm，胶泥活塞在胶泥阻尼缸中的往返运动会挤压阻尼缸中的弹性胶泥，使其体积收缩，并在阻尼间隙中流动，从而产生较大的阻尼力，消耗振动能量。胶泥阻尼缸中的活塞杆上位移分解机构是活塞杆上的位移分解圆环和活塞之间存有间隙，这样的位移分解机构在低频、大振幅时发挥作用，其性能只是胶泥阻尼器与磁流变阻尼器的结合，而具有大阻尼特性；而在高频、小振幅时，位移分解机构处于近似位移分解状态，阻尼器具有小阻尼、低刚度的特性，可减小高频传递率。
本发明的三缸式大出力磁流变阻尼器的阻尼力是由磁流变阻尼器和胶泥阻尼器的阻尼力两部分组合而成，根据具体结构实际需要可以选择不同的出力值，磁流变阻尼缸内的阻尼力一般为0～500kN，输入电流一般为0～5A，胶泥阻尼缸内的阻尼力一般为0～2000kN。在具体的大型土木结构工程中，综合考虑结构抗震需求以及本身的特性，合理设计磁流变阻尼器的结构形式(包括磁流变最大剪切屈服强度、线圈匝数、导磁体材料、隔磁材料、磁极个数、阻尼通道有效长度、阻尼间隙、行程、活塞及活塞杆的直径等)和胶泥阻尼器的结构形式(包括胶泥种类、活塞直径、活塞厚度、阻尼间隙、行程等)，以达到理想的振动控制效果。