被動(dòng)變阻尼耗能裝置的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)研究

付偉慶 李茂 張春巍

摘要：針對(duì)黏滯阻尼器可提供控制力范圍窄，磁流變等變阻尼裝置需能量輸入和反饋控制的局限性，設(shè)計(jì)制作了一種新型速度相關(guān)的被動(dòng)變阻尼耗能裝（PVDD）。裝置根據(jù)孔隙式黏滯阻尼器相關(guān)理論設(shè)計(jì)，采用機(jī)械方式隨速度變化動(dòng)態(tài)改變流孔面積，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)可變阻尼力的輸出;通過不同加載頻率與幅值性能試驗(yàn)，檢驗(yàn)裝置變阻尼力輸出的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明：裝置阻尼系數(shù)可隨外部激勵(lì)速度大小連續(xù)可變，速度大時(shí)阻尼系數(shù)也相應(yīng)變大，因而可以輸出可變的阻尼力。被動(dòng)變阻尼裝置無需外部能源供給，構(gòu)造簡(jiǎn)單可靠，更具高效和強(qiáng)適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)控制;被動(dòng)變阻尼;性能試驗(yàn);耗能裝置;滯回曲線

中圖分類號(hào)：TU352.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-4523（2020）05-0869-08

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.05.002

引言

經(jīng)過30多年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果都表明：黏滯阻尼器能夠提供較大阻尼，可以有效的控制結(jié)構(gòu)的變形。但是，黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)固定，阻尼器的出力被限制在一定范圍內(nèi)，只適合窄帶控制。由于外界荷載的隨機(jī)性和不確定性，以及地震、強(qiáng)風(fēng)等災(zāi)害發(fā)生時(shí)現(xiàn)場(chǎng)情況的復(fù)雜性，現(xiàn)有黏滯阻尼器已無法滿足要求。

許多學(xué)者在黏滯阻尼器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展與創(chuàng)新，李英等設(shè)計(jì)了一種變問隙黏滯阻尼器，通過連續(xù)或階梯改變缸徑大小，使得不同位移阻尼問隙大小不同，實(shí)現(xiàn)阻尼系數(shù)的變化。梁沙河等設(shè)計(jì)了一種變阻尼黏滯阻尼器，通過加入“帶孔阻尼棒”使得不同位移下阻尼孔的直徑大小不同，從而改變阻尼器的阻尼系數(shù)。DallAsta等研究了阻尼器性能變化對(duì)黏滯阻尼器線性系統(tǒng)地震可靠性的影響。黃鎮(zhèn)等研制了一款調(diào)節(jié)閥式黏滯阻尼器，通過調(diào)節(jié)閥的設(shè)置控制阻尼器的最大輸出阻尼力。Jiao等研究了考慮阻尼孔的人孔效應(yīng)時(shí)，微振動(dòng)流體黏滯阻尼器的非線性動(dòng)力學(xué)特性。Wang等對(duì)低頻振動(dòng)下的鐵磁液體阻尼器性能進(jìn)行了研究。Dadpour等使用黏滯阻尼器對(duì)建筑物的抗震可靠性進(jìn)行了分析。近年來對(duì)黏滯阻尼器的研究主要針對(duì)黏滯阻尼器不同應(yīng)用場(chǎng)景下的性能，同時(shí)新型的變阻尼黏滯阻尼器主要是位移相關(guān)型的，用于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制中的限位功能。當(dāng)外部激勵(lì)頻率較高時(shí)，這種位移相關(guān)型變阻尼裝置將無法充分發(fā)揮性能。

針對(duì)現(xiàn)有黏滯阻尼器和位移型變阻尼裝置有效控制范圍窄的局限性，本文設(shè)計(jì)制作了一種新型速度相關(guān)的被動(dòng)式變阻尼裝置。該耗能裝置無需外部能源供給，通過流孔面積的動(dòng)態(tài)改變，實(shí)現(xiàn)耗能裝置阻尼系數(shù)的調(diào)整。激勵(lì)速度增大時(shí)，流孔面積變小，裝置阻尼系數(shù)隨之增大，因而可輸出可變的阻尼力。通過不同工況下對(duì)被動(dòng)變阻尼裝置的性能測(cè)試，驗(yàn)證了該裝置變阻尼的有效性。

1被動(dòng)變阻尼裝置的原理與構(gòu)造

1.1被動(dòng)變阻尼裝置的實(shí)現(xiàn)原理

根據(jù)丁建華等對(duì)孔隙式黏滯阻尼器阻尼力公式的推導(dǎo)

由式（3）可以看出，阻尼系數(shù)與流孔半徑的四次冪即阻尼孔面積的平方成反比，流孔的面積增加，阻尼系數(shù)減小。因此可考慮通過調(diào)整阻尼器流孔面積，改變阻尼器的阻尼系數(shù)。

1.2被動(dòng)變阻尼裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

被動(dòng)式變阻尼裝置如圖1所示。由阻尼油缸、外部管路、控制閥組成，裝置構(gòu)造如圖2所示。阻尼油缸由缸體、活塞和活塞桿組成。不同于黏滯阻尼器，變阻尼裝置油缸的活塞上沒有流孔，活塞和缸體之問也沒有問隙，阻尼介質(zhì)通過阻尼通道流通于左右兩個(gè)缸體之問。

被動(dòng)式變阻尼裝置的控制閥由單向閥和節(jié)流閥（圖3）兩個(gè)部分組成。節(jié)流閥由閥體、固定閥芯、活動(dòng)閥芯和彈簧組成。單向閥安裝在節(jié)流閥流出口，控制阻尼介質(zhì)從節(jié)流閥的流入口流向流出口，阻止反向回流。由于控制閥放置于阻尼油缸的兩側(cè)反對(duì)稱布置，活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)液體阻尼介質(zhì)只能從一側(cè)控制閥通過，另一側(cè)由于單向閥的存在，阻尼介質(zhì)無法通過。

當(dāng)節(jié)流閥中的彈簧初始長(zhǎng)度大于固定閥芯和活動(dòng)閥芯之問的距離時(shí)，彈簧會(huì)處于被壓縮的狀態(tài)，存在一定的預(yù)壓力。當(dāng)阻尼器內(nèi)活塞移動(dòng)速度較小時(shí)，流人口處的液體壓力小于彈簧的預(yù)壓力，活動(dòng)閥芯處于固定狀態(tài)。液體阻尼介質(zhì)通過交叉孔流出節(jié)流閥，變阻尼裝置表現(xiàn)與普通黏滯阻尼器相同。

當(dāng)活塞移動(dòng)速度增大到一定閾值，使流人口處的液體壓力大于彈簧的預(yù)壓力時(shí)，活動(dòng)閥芯后的彈簧被壓縮，交叉孔的面積開始變小。根據(jù)公式（3）可知，阻尼器的黏滯系數(shù)開始增大，輸出的阻尼力不斷增大。當(dāng)活塞移動(dòng)速度變小時(shí)，流人口處的液體壓力也變小，彈簧壓力得到釋放，交叉孔的面積相應(yīng)變大，阻尼器的黏滯系數(shù)變小，輸出的阻尼力變小。這樣就實(shí)現(xiàn)了阻尼力輸出隨速度響應(yīng)的連續(xù)可變。

2裝置的性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證變阻尼裝置的工作性能，采用MTS 50噸動(dòng)態(tài)電液伺服作動(dòng)器，進(jìn)行了足尺被動(dòng)變阻尼裝置不同工況下的性能試驗(yàn)。

2.1裝置構(gòu)造參數(shù)

被動(dòng)變阻尼裝置的主要參數(shù)如表1所示，其中阻尼介質(zhì)采用46號(hào)高壓液壓油。

本次試驗(yàn)在阻尼裝置中安裝了2個(gè)節(jié)流閥，實(shí)現(xiàn)阻尼流體的正反向流動(dòng)。為了對(duì)比普通孔隙式黏滯阻尼器和被動(dòng)變阻尼裝置的耗能效果，阻尼器一側(cè)節(jié)流閥中的活動(dòng)閥芯固定，交叉孔面積保持不變。當(dāng)活塞桿正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻尼系數(shù)不隨激勵(lì)速度發(fā)生變化，表現(xiàn)為孔隙式黏滯阻尼器。同時(shí)，為了保證試驗(yàn)安全，節(jié)流閥中的交叉孔并不會(huì)完全關(guān)閉，內(nèi)部液體保持流動(dòng)狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生鎖死現(xiàn)象。

當(dāng)活塞桿反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻尼介質(zhì)通過另一側(cè)活動(dòng)的節(jié)流閥，其交叉孔面積實(shí)時(shí)可變，阻尼系數(shù)隨激勵(lì)速度發(fā)生變化，表現(xiàn)為變阻尼耗能器。節(jié)流閥可以通過調(diào)整內(nèi)部彈簧的剛度，實(shí)現(xiàn)不同工況下的變阻尼力輸出。試驗(yàn)所用彈簧外徑均為12mm，長(zhǎng)度均為40mm。彈簧根據(jù)線徑不同分為三種，線徑分別為：1.4，1.8，2.0mm。由于彈簧的長(zhǎng)度大于閥芯內(nèi)的長(zhǎng)度，彈簧會(huì)被壓縮，固定閥芯和活動(dòng)閥芯之問存在著一定的預(yù)壓力，表2為三種彈簧的參數(shù)和預(yù)壓力。

2.2試驗(yàn)加載工況

試驗(yàn)在青島理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，加載方法如圖4所示。作動(dòng)器中設(shè)有力傳感器和位移傳感器，通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

試驗(yàn)加載模式采用位移控制的正弦曲線u（t）=Asin（2xft），其中f為加載頻率;A為加載幅值，每個(gè)工況循環(huán)次數(shù)均為5圈。采用正弦位移加載時(shí)，作動(dòng)器最大速度為：Umax=2xft。通過改變加載頻率和加載幅值，可以研究不同速度下變阻尼裝置的耗能情況，也可對(duì)速度和阻尼系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究，相對(duì)于常速度加載更能有效模擬真實(shí)外部作用的多變性。限于篇幅原因，只列出部分試驗(yàn)工況，按照加載幅值為±40，±50，±60和±70mm，加載頻率逐漸遞增進(jìn)行加載，試驗(yàn)工況如表3所示。

通過表3中的加載工況設(shè)計(jì)，各工況的最大速度可以有效地將一定范圍內(nèi)速度覆蓋（如圖5所示）。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1阻尼器滯回曲線結(jié)果分析

圖6為安裝S1.4節(jié)流閥的被動(dòng)變阻尼裝置在不同工況下滯回曲線，加載頻率分別為0.07，0.09，0.10和0.11Hz。

從圖6（a）中可以看出，當(dāng)加載頻率小于0.07Hz時(shí)，滯回曲線與相同頻率下普通孔隙式黏滯阻尼器相同，此時(shí)節(jié)流閥中的彈簧狀態(tài)未發(fā)生變化。由于被動(dòng)變阻尼裝置油缸設(shè)計(jì)問題和試驗(yàn)采用豎向加載的原因，阻尼力豎向有不對(duì)稱現(xiàn)象。

圖6（b）中當(dāng)加載頻率增加為0.09Hz、位移幅值為70mm時(shí)，滯回曲線下部出現(xiàn)了凸起，說明此時(shí)節(jié)流閥中的彈簧被壓縮，活動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，交叉孔面積減小，黏滯系數(shù)增大引起阻尼力變大。后續(xù)工況圖6（c），（d）中，隨著加載頻率和位移幅值的增加，交叉孔面積不斷變小，下部的凸起逐漸明顯飽滿，阻尼器耗能能力變大。相比于滯回曲線下部，上部滯回曲線仍保持原有形狀，仍表現(xiàn)為常規(guī)黏滯阻尼器。可以看出，由速度改變引起變阻尼裝置阻尼系數(shù)改變和阻尼力增大，變阻尼裝置具有更優(yōu)的耗能效果。

另外，由于采用位移控制的正弦曲線加載，加載速度表現(xiàn)為余弦曲線。當(dāng)位移為零時(shí)速度達(dá)到最大值，理論上此時(shí)阻尼力最大。但由于節(jié)流閥中充滿了黏滯液體和彈簧的存在，活動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)存在一定的時(shí)滯，使滯回曲線左右不對(duì)稱，力最大值不處于位移為零時(shí)。圖7為安裝有S1.8節(jié)流閥裝置，在不同工況下的典型滯回曲線。由于彈簧預(yù)壓力增大，使阻尼系數(shù)開始改變的速度變大，加載頻率和位移幅值增大后，下部的凸起更加明顯，阻尼器耗能能力更大。

圖8為裝置S2.0不同最大速度下的滯回曲線，圖例中最后一列為加載最大速度。從圖中可以看出，隨著加載速度的增加，阻尼力發(fā)生變化的位置不斷外移，阻尼器的滯回曲線越加飽滿。這是由于隨著速度增大，彈簧被不斷壓縮，交叉孔面積持續(xù)變小，阻尼系數(shù)相應(yīng)增大。

需要說明的是，本次試驗(yàn)將一對(duì)節(jié)流閥中的一個(gè)閥芯固定，其相當(dāng)于孔隙式黏滯阻尼器。若將兩個(gè)節(jié)流閥均設(shè)置為流孔可變形式，滯回曲線上部形狀將會(huì)與下部相同，這就實(shí)現(xiàn)了雙向變阻尼力的輸出。另外，本次實(shí)驗(yàn)只使用了一組控制閥，如裝置同時(shí)安裝多組控制閥，各組控制閥放置不同剛度的彈簧，使各節(jié)流閥的預(yù)壓力大小不同。這樣根據(jù)外部速度的逐漸增大，各控制閥將依次投入工作，便可實(shí)現(xiàn)寬幅阻尼力的輸出。這部分實(shí)驗(yàn)將在后續(xù)研究中進(jìn)行。

3.2最大阻尼力與最大速度間關(guān)系分析

圖9為被動(dòng)變阻尼裝置在不同節(jié)流閥下最大出力與最大速度的關(guān)系。由圖可見，當(dāng)試驗(yàn)加載速度較小時(shí)，最大速度與最大出力呈明顯線性關(guān)系，裝置節(jié)流閥的閥口處壓力未達(dá)到彈簧預(yù)壓力，交叉孔面積未改變，阻尼器耗能表現(xiàn)與普通孔隙式黏滯阻尼器相同。

安裝不同線徑彈簧，裝置加載速度達(dá)到某閾值后，最大出力均發(fā)生非線性增加，即阻尼器黏滯系數(shù)發(fā)生了突變。圖9中三種工況阻尼系數(shù)發(fā)生變化時(shí)速度分別為30，60和80mm/s，對(duì)應(yīng)阻尼力為5.3，16.3和26.9kN，比例接近1：3.07：5.06。這與節(jié)流閥中彈簧預(yù)壓力的比例1：3.07：4.96基本相同，說明阻尼系數(shù)開始變化時(shí)的阻尼力與節(jié)流閥彈簧預(yù)壓力成正比。據(jù)此可得出，如節(jié)流閥彈簧無預(yù)壓力，裝置從加載開始即可進(jìn)入變阻尼狀態(tài)，這就實(shí)現(xiàn)了控制全過程的變阻尼力輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，通過改變彈簧初始預(yù)壓力來有效地控制變阻尼裝置阻尼系數(shù)變化的力區(qū)問，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使變阻尼機(jī)構(gòu)在較大外部輸入時(shí)起到關(guān)鍵作用。

從圖9中還可看出，安裝不同線徑彈簧節(jié)流閥的裝置在黏滯系數(shù)突變后，最大速度與最大出力連線都呈折線增大特征，即阻尼系數(shù)未表現(xiàn)明顯的非線性變化。這是由于加載裝置最大加載速度限制，對(duì)阻尼器施加速度有限。但從試驗(yàn)曲線能夠看出，黏滯系數(shù)隨速度反應(yīng)有著不斷變大的趨勢(shì)。如加載速度繼續(xù)增大，可知黏滯系數(shù)非線性變化特征會(huì)更加明顯。

另外，本次試驗(yàn)中節(jié)流閥交叉孔的形狀為圓形，其面積大小隨速度的改變較為均勻，因而阻尼器黏滯系數(shù)的非線性變化不明顯。如交叉孔改為三角形等不規(guī)則形狀，其面積大小隨速度改變將更為顯著，阻尼器黏滯系數(shù)的強(qiáng)非線性變化將更為突出。不同交叉孔形狀和面積對(duì)控制效果的影響以及如何對(duì)其進(jìn)行選擇確定，也將是后續(xù)研究的內(nèi)容。

3.3矩形交叉孔阻尼力公式推導(dǎo)

參考黏滯阻尼器公式推導(dǎo)及流體力學(xué)相關(guān)理論，對(duì)形狀較為簡(jiǎn)單的矩形交叉孔的阻尼力公式進(jìn)行了推導(dǎo)，該計(jì)算均在不考慮流入孔面積和交叉孔面積大小關(guān)系以及彈簧預(yù)壓力的情況下得到。

如圖10所示，假設(shè)交叉孔為矩形，矩形長(zhǎng)和寬分別為a，b，兩孔交叉孔后矩形寬為d。

當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻尼介質(zhì)通過外部管路流人節(jié)流閥中，經(jīng)由流人孔、交叉孔最后流入另一側(cè)的阻尼缸體中。其中，流人孔為一圓柱形通道，半徑為re，長(zhǎng)度為le。由黏滯阻尼器理論可知，阻尼介質(zhì)通過流人孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的阻尼力，其阻尼力的大小與速度有關(guān)。因此，流人孔兩側(cè)壓力差即活動(dòng)閥芯的壓力可寫為

公式（10）即為矩形交叉孔變阻尼裝置的阻尼力與速度的關(guān)系式。設(shè)矩形交叉孔的長(zhǎng)和寬a=b=4mm，同時(shí)將變阻尼裝置的其他參數(shù)帶入公式（10）中，將其中一個(gè)方向上的阻尼系數(shù)設(shè)為定值，得到了矩形交叉孔變阻尼裝置在不同頻率下的滯回曲線和速度與阻尼力的關(guān)系曲線（如圖12-13所示）。

從圖12-13中可以看出，矩形交叉孔變阻尼裝置的模擬滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本相同，阻尼力隨著速度也呈現(xiàn)出非線性增大的趨勢(shì)，驗(yàn)證了變阻尼裝置的阻尼系數(shù)連續(xù)變化規(guī)律。

4結(jié)論

根據(jù)孔隙式黏滯阻尼器的相關(guān)理論，設(shè)計(jì)制作了一種新型速度相關(guān)被動(dòng)變阻尼耗能裝置，對(duì)其進(jìn)行了不同工況下的性能試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）裝置可通過流孔面積的實(shí)時(shí)改變，對(duì)阻尼器的阻尼系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。對(duì)比普通黏滯阻尼器，滯回曲線更飽滿，耗能能力更強(qiáng)。

2）裝置中彈簧如設(shè)預(yù)壓力，速度小時(shí)裝置耗能效果等同于常規(guī)黏滯阻尼器，達(dá)到一定速度值時(shí)才開始變阻尼力輸出;如預(yù)壓力為零，裝置可實(shí)現(xiàn)全過程變阻尼力輸出。

3）隨著裝置彈簧預(yù)壓力的增大，阻尼器可提供的最大阻尼力不斷增大，因此可考慮通過設(shè)置不同大小單向閥協(xié)同工作，從而提供寬幅變阻尼力輸出。

4）節(jié)流閥交叉孔形狀類型的差異將影響裝置黏滯系數(shù)改變及變阻尼力輸出的過程。所推導(dǎo)的矩形交叉孔阻尼力計(jì)算公式，與試驗(yàn)結(jié)果具有很好的擬合性。