自供電MR阻尼器對(duì)斜拉索減振的試驗(yàn)研究

汪志昊　陳政清　趙洋　吳澤玉

摘要：為簡(jiǎn)化磁流變（MR）阻尼器斜拉索減振系統(tǒng)，同時(shí)提高可靠性，基于電磁式振動(dòng)能量回收技術(shù)構(gòu)建了具有自供電特性的MR阻尼器斜拉索減振系統(tǒng)。其主要由分別安裝在拉索較低、較高位置的電流調(diào)節(jié)式MR阻尼器、旋轉(zhuǎn)式永磁發(fā)電機(jī)構(gòu)成，采用鏈條一鏈輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行斜拉索面內(nèi)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)與電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化，將電機(jī)回收的振動(dòng)能量直接作為MR阻尼器的電源。模型斜拉索減振試驗(yàn)結(jié)果表明：相對(duì)外供電MR阻尼器最優(yōu)被動(dòng)控制，自供電MR阻尼器除斜拉索第1階模態(tài)減振效果基本相當(dāng)外，自供電MR阻尼器對(duì)斜拉索第2～4階模態(tài)減振效果突出，相應(yīng)的模態(tài)阻尼比分別提高了31.8%、37.4%與43.O%；隨著斜拉索模態(tài)階次的逐漸增大，自供電MR阻尼器的負(fù)剛度控制特性越加凸顯，從而顯著提高了自供電MR阻尼器對(duì)斜拉索高階模態(tài)的減振效果。

關(guān)鍵詞：斜拉索；振動(dòng)控制；自供電MR阻尼器；振動(dòng)能量回收；負(fù)剛度

引言

斜拉索的有效減振技術(shù)，對(duì)斜拉橋的安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。理論分析與工程實(shí)踐均表明，在斜拉索兩端安裝外置式阻尼器是一種較為有效的減振方式。被動(dòng)阻尼器對(duì)斜拉索的振動(dòng)控制，由于強(qiáng)烈受阻尼器安裝高度的限制，且無法同時(shí)對(duì)拉索多階模態(tài)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，因此減振效果往往受限。近年來，基于MR阻尼器的拉索半主動(dòng)控制逐漸興起。

在MR阻尼器的斜拉索被動(dòng)控制方面：何旭輝等、周?？〉确謩e開展了實(shí)橋斜拉索人工激振作用下的減振效果試驗(yàn)；王浩等開展了臺(tái)風(fēng)激勵(lì)下斜拉索減振效果實(shí)測(cè)，證實(shí)了蘇通大橋斜拉索減振系統(tǒng)的有效性。在MR阻尼器的拉索半主動(dòng)控制理論研究方面：王修勇等、周強(qiáng)等與Huang等分別提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、平衡邏輯與模態(tài)阻尼比實(shí)時(shí)最大化等控制算法；在MR阻尼器的斜拉索半主動(dòng)控制試驗(yàn)研究方面：Duan等、李惠等、christenson等、禹見達(dá)等與weber等分別驗(yàn)證了狀態(tài)微分反饋控制、限界最優(yōu)控制、LQG-Clipped最優(yōu)控制、位移延時(shí)反饋控制、負(fù)剛度控制等算法的減振效果。上述理論與試驗(yàn)研究均表明：MR阻尼器半主動(dòng)控制對(duì)斜拉索振動(dòng)具有更優(yōu)越的減振效果。

現(xiàn)有MR阻尼器均為電磁調(diào)節(jié)式，需要配置可靠的供電系統(tǒng)，制約了其在橋梁工程中的廣泛應(yīng)用?；厥战Y(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量作為結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的能量源，是一種極富前景的解決途徑。Kim等、sapiflski與蔣學(xué)爭(zhēng)等分別基于直線電機(jī)原理集成了自供電MR阻尼器；關(guān)新春等則采用壓電能量回收技術(shù)構(gòu)建了自適應(yīng)MR阻尼器控制系統(tǒng)。

本文在前期自供電MR阻尼器研制的基礎(chǔ)上，開展了自供電MR阻尼器對(duì)模型斜拉索的減振效果試驗(yàn)，并闡述了自供電MR阻尼器對(duì)斜拉索的減振機(jī)理以及相對(duì)現(xiàn)有斜拉索減振技術(shù)的優(yōu)越性。

1.自供電MR阻尼器拉索減振系統(tǒng)

前期自供電MR阻尼器試驗(yàn)結(jié)果與定性分析表明：基于旋轉(zhuǎn)式電機(jī)振動(dòng)能量回收技術(shù)集成的自供電MR阻尼器被動(dòng)控制性能優(yōu)越，兼具速度反饋與離復(fù)位控制特性，體現(xiàn)出智能控制的特點(diǎn)。進(jìn)一步的斜拉索減振仿真分析結(jié)果表明：只有當(dāng)MR阻尼器與電機(jī)安裝在不同位置（激振源不同）時(shí)，MR阻尼器的位移與輸入電壓才會(huì)存在趨于同相位的趨勢(shì)，此時(shí)自供電MR阻尼器方可體現(xiàn)出負(fù)剛度特性。另有研究表明：負(fù)剛度特性是MR阻尼器等半主動(dòng)控制裝置往往能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)控制裝置減振效果的重要原因，也是增強(qiáng)MR阻尼器拉索減振效果的重要途徑。因此，本文構(gòu)建的自供電MR阻尼器斜拉索減振系統(tǒng)將MR阻尼器與能量回收電機(jī)安裝在拉索的不同位置，以期望實(shí)現(xiàn)自供電MR阻尼器的負(fù)剛度控制。