一种大跨度桥梁斜拉索的控制装置及控制系统

本技术涉及大跨度桥梁斜拉索领域，尤其涉及一种大跨度桥梁斜拉索的控制装置及控制系统。

背景技术：

1、斜拉索是把斜拉桥主梁及桥面重量直接传递到塔架上的主要承重部材。斜拉索产生振动的原因主要包括涡激共振、风雨激振、参数激振、尾流驰振、雨振等。这些振动不仅对斜拉索本身造成损害，还可能影响到桥梁的整体稳定性和安全性。

2、目前，针对大跨度桥梁斜拉索主要采用的永磁式电涡流阻尼器，该永磁式电涡流阻尼器阻尼系数不可实时调节，只能作为被动控制装置使用，抑制斜拉索的振动效果较差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供了一种大跨度桥梁斜拉索的控制装置及控制系统，旨在提升斜拉索多模态振动的控制效果，有效抑制长斜拉索的振动响应，延长斜拉索的使用寿命。

2、第一方面，本技术提供了一种大跨度桥梁斜拉索的控制装置，其特征在于，所述装置包括：电涡流阻尼元件、滚珠丝杠传动系统、第一连接件和第二连接件；所述电涡流阻尼元件包括导体圆盘；

3、所述第一连接件的一端与所述斜拉索相连接，所述第一连接件的另一端与所述电涡流阻尼元件相连接；

4、所述第二连接件的一端与所述电涡流阻尼元件相连接，所述第二连接件的另一端与桥面支撑结构相连接；

5、所述滚珠丝杠传动系统的两端分别连接所述第一连接件和所述第二连接件；

6、所述滚珠丝杠传动系统，用于将所述电涡流阻尼元件的两端产生的相对轴向运动转化为所述导体圆盘的高速旋转运动，使得所述电涡流阻尼元件产生阻尼力；

7、所述电涡流阻尼元件，用于根据输入电流产生阻尼效应，阻碍所述导体圆盘的高速旋转运动，以耗散所述斜拉索振动所产生的能量。

8、可选地，所述电涡流阻尼元件还包括：第一背铁、第二背铁和固定在所述第一背铁和所述第二背铁之间的通电螺旋线圈；

9、所述通电螺旋线圈包括上通电螺旋线圈、下通电螺旋线圈和所述导体圆盘，其中，所述导体圆盘设置在所述上通电螺旋线圈和所述下通电螺旋线圈之间；

10、所述第一背铁和所述第二背铁分别用于固定所述通电螺旋线圈；

11、所述通电螺旋线圈，用于通电后，产生随电流大小变化的磁场；

12、所述导体圆盘，用于在所述磁场中切割磁力线，产生感应电涡流，所述感应电涡流与所述通电螺旋线圈产生的磁场相互作用，产生阻碍所述导体圆盘和所述通电螺旋线圈之间相对运动的洛伦兹力，以耗散所述斜拉索振动所产生的能量。

13、可选地，所述上通电螺旋线圈和所述下通电螺旋线圈对应位置上的螺旋线圈磁化方向相同，相邻的所述上通电螺旋线圈和所述下通电螺旋线圈之间的电流方向相反，磁极按照正负交替的方式进行布置；

14、所述上通电螺旋线圈，包括：第一上通电螺旋线圈、第二上通电螺旋线圈、第三上通电螺旋线圈和第四上通电螺旋线圈；

15、所述下通电螺旋线圈，包括：第一下通电螺旋线圈、第二下通电螺旋线圈、第三下通电螺旋线圈和第四下通电螺旋线圈。

16、可选地，所述滚珠丝杠传动系统包括滚珠丝杆和螺母，所述滚珠丝杆包括滚珠；所述螺母的内部有与所述滚珠相匹配的导槽；

17、所述电涡流阻尼元件安装于所述滚珠丝杆的中部，与所述滚珠丝杆具有相同的轴心，并连接在所述螺母上；

18、当所述轴向运动产生的力分别传递到所述滚珠丝杆的一端和所述螺母上时，所述滚珠在所述导槽上滚动，通过所述滚动将所述轴向运动转换为所述螺母的旋转运动。

19、可选地，所述控制装置还包括外壳，所述外壳包括上圆形表面、下圆形表面和所述上圆形表面、所述下圆型表面之间的圆柱形侧表面，所述上圆形表面与所述第一背铁相连接，所述下圆形表面与所述第二背铁相连接；

20、所述外壳，用于保护所述电涡流阻尼元件。

21、可选地，所述第一背铁和所述第二背铁的材料为高磁导率材料。

22、可选地，所述导体圆盘的材料为高电导率的非铁磁性材料。

23、第二方面，本技术提供了一种大跨度桥梁斜拉索的控制系统，所述系统包括信号采集模块、计算分析模块和阻尼力输出模块，所述阻尼力输出模块包括如第一方面所述的控制装置；

24、所述信号采集模块，用于采集所述斜拉索的振动响应信号，发送给所述计算分析模块；

25、所述计算分析模块，用于根据所述振动响应信号，利用预设的算法计算所述控制装置的最优输入电流；

26、所述阻尼力输出模块，用于将所述最优输入电流传递给所述控制装置，以使得控制装置输出所述电涡流阻尼元件的阻尼力，所述阻尼力作用于所述斜拉索。

27、可选地，所述计算分析模块，具体用于：

28、根据所述斜拉索的结构参数，利用附加模态阻尼比与粘滞阻尼器阻尼系数的关系，计算得到所述斜拉索的各阶振动模态的最优阻尼系数；

29、根据所述信号采集模块得到的所述斜拉索振动响应计算分析得到所述斜拉索的实时振动模态，以及所述斜拉索的实时振动模态下的最优阻尼系数；

30、建立所述电涡流阻尼元件的等效阻尼系数表达式；

31、计算不同电流下的所述电涡流阻尼元件的等效阻尼系数；

32、根据所述最优阻尼系数与所述等效阻尼系数，得到所述电涡流阻尼元件的最优输入电流。

33、可选地，所述阻尼力输出模块，具体用于：

34、根据所述最优输入电流以及所述斜拉索的振动响应信号，所述控制装置输出所述电涡流阻尼元件的阻尼力，通过所述第一连接件作用在斜拉索上。

35、上述技术方案具有如下有益效果：

36、本技术提供了一种大跨度桥梁斜拉索的控制装置及控制系统。其中，控制装置包括电涡流阻尼元件、滚珠丝杠传动系统、第一连接件和第二连接件；所述电涡流阻尼元件包括导体圆盘；第一连接件的一端与斜拉索相连接，第一连接件的另一端与所述电涡流阻尼元件相连接；第二连接件的一端与电涡流阻尼元件相连接，第二连接件的另一端与桥面支撑结构相连接；滚珠丝杠传动系统的两端分别连接第一连接件和第二连接件；所述滚珠丝杠传动系统，用于将所述电涡流阻尼元件的两端产生的相对轴向运动转化为所述导体圆盘的高速旋转运动，使得所述电涡流阻尼元件产生阻尼力；所述电涡流阻尼元件，用于根据输入电流产生阻尼效应，阻碍所述导体圆盘的高速旋转运动，以耗散所述斜拉索振动所产生的能量。本技术中的滚珠丝杠传动系统将电涡流阻尼元件的两端产生的相对轴向运动转化为导体圆盘的高速旋转运动，使得电涡流阻尼元件产生阻尼力，电涡流阻尼元件根据输入电流产生阻尼效应，阻碍所述导体圆盘的高速旋转运动，以耗散所述斜拉索振动所产生的能量，可以根据长斜拉索实际运营时发生的振动模态阶数实时调整半主动控制装置的输入电流，适应长斜拉索发生各种振动模态的工况，实现实时最优控制，大幅提升斜拉索多模态振动的控制效果，有效抑制长斜拉索的振动响应，延长斜拉索的使用寿命，避免因其疲劳失效影响桥梁运营和危害桥梁安全。

37、本技术还提供了大跨度桥梁斜拉索的控制系统，该系统包括信号采集模块、计算分析模块和阻尼力输出模块，所述阻尼力输出模块包括控制装置，该控制系统能够根据斜拉索发生的振动模态阶数实时调整电涡流阻尼元件的输入电流，使得对于斜拉索的各阶振动模态，电涡流阻尼元件的阻尼系数都能处于该振动模态的最优阻尼系数附近，实现实时最优控制。