[发明专利]基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器

说明书

本发明涉及一种基于叠层压电驱动器调节的智能黏滞阻尼器，包括具有主缸和副缸的缸筒，以及位于缸筒内的活塞、主导杆和副导杆，主导杆的尾端固定连接在所述活塞的与所述主缸对应的第一端面上，副导杆的首端固定连接在所述活塞的与所述副缸对应的第二端面上；所述缸筒内部装有黏滞液体阻尼材料，所述活塞上具有贯穿所述第一端面及第二端面的阻尼孔；还包括安装在所述副导杆上的叠层压电驱动器、安装在所述阻尼孔上的阀门、以及连接所述叠层压电驱动器和所述阀门的传动轴；所述传动轴在所述叠层压电驱动器的驱动下带动所述阀门运动，使所述阻尼孔的孔径可调。本发明能够减少时滞影响并提高输出力，从而满足土木工程在地震作用下减震控制的需求。

技术领域

本发明涉及土木工程结构消能减震半主动控制技术领域，具体是涉及一种具有大出力、可调倍数高和响应速度快的可变孔径的黏滞阻尼器，其采用基于叠层压电驱动器的压电阀调节黏滞阻尼力。

背景技术

黏滞流体消能阻尼器(Viscous Fluid Damper,即VFD，简称黏滞阻尼器),是指通过黏滞液体在活塞孔和/或间隙中流动产生阻尼，耗散振动能量，黏滞流体力学的相关研究表明，这种阻尼力主要与活塞的运动速度相关，所以是一种速度相关型消能阻尼器。该类型阻尼器一般如图1所示，由缸筒(包括主缸1和副缸2)、活塞3、阻尼孔4、主导杆5和副导杆6等部分组成，缸筒内装满黏滞流体，为产生较大阻尼力，还利用缸筒的密封形成最大可达200MPa左右的油压(该油压的具体值由减震所需阻尼力的大小决定)，此时活塞沿缸筒纵向做往复运动，而活塞上有适量小孔成为阻尼孔(和/或活塞与缸筒间的机械配合间隙)，黏滞流体阻尼材料从活塞阻尼孔中高速通过，能够产生较大的黏滞阻尼力。土木工程结构用黏滞阻尼器的缸筒一般由大型的品牌机械厂设计制造(这与摩擦阻尼器由建筑施工企业设计和现场安装明显不同)，缸筒材料往往可以采用高强度合金钢，具有很好的密封性和耐压能力，所以缸筒能承受很大的油压，能提供很大的阻尼(阻尼力比摩擦阻尼器大一个数量级)，因而能有效地减少土木工程结构的振动，因为相对于机械工程领域的阻尼器，土木工程的特点是结构物的质量特别巨大，需要的阻尼也往往比机械领域大几个数量级。同样是由于机械加工厂高精度生产的原因，它还有产品性能稳定、阻尼力出力精度高(大大提高了结构地震响应的可控性，并且便于结构地震响应的计算)、耐久性和温度稳定也特别好等优点。

上述优点表明，在土木工程结构抗震和抗风控制中黏滞阻尼器有广阔的应用前景；从20世纪70年代以来，已经逐步广泛应用于土木工程结构的消能减震控制。在这个过程中，美国、日本和欧洲的意大利等发达经济体国家已率先将其应用于实际工程，然后世界各国的中心城市，特别是地震高烈度的城市，也先后在其标志性建筑的减震控制中投入实际工程应用。近年来，我国的高烈度地区的中心城市(特别是北京和天津等特大型城市)也逐渐开始工程实际应用，其中美国泰勒公司(Taylor Devices Inc.)、上海材料研究所和柳州欧唯姆公司等的产品在国内应用相当广泛，特别是在大型桥梁的振动控制应用中已经比较普及，例如：北京奥运会盘古大观高层建筑、北京火车西客站抗震加固，杭州湾跨海大桥和正在建设中的港珠澳大桥等。

目前的黏滞阻尼器设计的黏滞阻尼力不可调节，导致其土木工程结构的减震效果非常有限，大大限制了黏滞阻尼器的应用范围。例如美国隔震领域的学者Kelly早就指出在隔震层安装黏滞阻尼器，将导致在小震和中震时放大隔震层上部结构的加速度和层间位移，也就是说减小了隔震效果甚至将隔震效果降为零,再加上安装黏滞阻尼器费用昂贵的特点，导致其工程应用范围受到很大影响。

1998年美国的Patten W.等人在美国Okahoma的公路桥上安装了利用传统电磁阀来控制的可变小孔黏滞阻尼器，并进行了现场实测，实测结果表明，该半主动控制能大幅度减少车辆导致的桥梁结构振动，从而在原有基础上延长了公路桥的使用年限达40年。2000年，世界上第一栋智能混合隔震建筑在日本Keio大学建成，是该大学工程学院院楼，这个办公与试验大楼就是采用了可变小孔黏滞阻尼器与叠层橡胶隔震支座作为地震防护系统。