阻尼器消能原理

目前使用之阻尼器其功能多在改變結構物之阻尼行為即在改變結構物之阻尼 性質，其機制以數學式表達如下：

外力所作之正功

^{W e}

^{= Fdx}

∫

(3.1)

阻尼器所作之負功

^{W D}

⁼⁻

∫ ^CVdx

(

CV

是液體對活塞之阻尼力，

C

是液體之阻尼係數，

V

是活塞之運動速度) 若我們以結構系統的觀點來看，原來作用系統之功為 ，加裝阻尼器之後則 為 因 為負，故加在系統之功較單獨所作之功為小。而阻尼器所作功行 為恆為被動，而 之絕對值恆小於 [20]。舉例而言，當阻尼器裝設於如圖 3-1-1 結構時可看出，阻尼器之活塞桿桿需連接至另一端自由度，當產生相對運動時，

阻尼器即可發揮消能之功能。而阻尼器用於消能時亦可有其他不同的裝設設計。

W e D

e W

W

+

W _D

W D W _e

一般來說，阻尼器由套筒與不完全活塞所組成，套筒充滿液體後，活塞在套 筒中來回運動，造成單位時間內受壓迫排擠的液體體積遠大於可使液體流通的間 隙體積，則產生兩側不同的室壓。進而出現運動方向相反的阻力，其即為阻尼力 的來源。當然，活塞速度影響受壓的液體體積大小，

由於室體體積的變化，產生了瞬間壓力差 P1、P2 如（圖 3-1-2 所示）： 也就影響了阻尼力的大小

P A

F

= Δ (3.2) 而(3.2)是可改寫成

F

=(

P

1−

P

2)×

A

(3.3) 其中 為活塞面積、 為阻尼力， 、 分別表兩邊不同室壓的壓力；液 體在套筒與活塞之間隙中流動時，當液體不具黏滯性時，液體在間隙中以相同速

A F P

1

P

2

度流動，但具有黏滯性的液體運動，其各部分流動速度均不相同，大部分成拋物 (Mass-Spring-Damper System)圖 3-2-1 所示。

) 此系統稱為線性化黏彈性阻尼系統，即為 Bingham Model。

若忽略勁度

K

作用，只考慮阻尼力的作用，可將式子簡化成

若系統進行簡諧運動（Simple Harmonic Motion ,S.H.M ），令 及勁度力 的方程式(Bingham Model)，若使系統進行簡諧運動：

)

最後可得

^{2 2 2}

3.3 最小平方法

⎩ ⎨

∑ ∑ ∑ ∑

第四章 試驗裝置與設計

4.1 試驗所需儀器設備

為了瞭解此阻尼器在運動狀態下的行為表現，以提供將來的實際應用分析，

因此，本章將介紹本試驗之裝置與實驗設計。本實驗在交通大學土木結構大樓之 試驗室內進行。主要試驗設備可分為以下幾類：

A. 試驗平臺

試驗平臺為一 I 型鋼樑，為放置本試驗中所用的阻尼器，供阻尼器鎖於其上 且使阻尼器一端與致動器相連接，而試驗平台再鎖於與制動器同一鋼樑上藉此產 生反力(圖 4-1-1)。

B. 制動器(Actuator)

整套設備主要由類比式控制器事先做好設定，再由試驗之種類，採用位移控 制，並選定其訊號之產生來源，可來自內部設定或由外接電腦之程式輸入。而訊 號本身不具有任何的物理意義，必須經過控制器給予單位及數量化後，才能命 令，使得致動器動作。而致動器能量之來源，則由銜接之油壓幫浦所提供。本論 文之試驗採用交通大學土木工程系王彥博教授所設計製造的 1.5 噸致動器，油壓 則採用交通大學土木結構實驗室之油壓系統。(圖 4-1-2)

本試驗中使用位移控制，接受由內部之訊號產生器中事先設定之 sin 波，使 得致動器產生預期振幅及週期之動作，以達到試驗條件的需求。本試驗顧及儀器 之安全性選擇了最大行程±20 公分與±40 公分，振動頻率由 0.2Hz~1.4Hz，試驗中 最大出力必須小於 700Kgw 以確保制動器正常運作。

C. 量測與資料收集系統

(1) 資料擷取器(Data Acquisition System)：本次試驗所使用之資料 擷取器為 Signal Processing And Recording of Temperatures in A Network(SPARTAN)，如圖 4-1-3 所示。SPARTAN 為一台能夠同時針對 16 個頻道進行資料擷取的資料擷取系統，平時可與個人電腦(PC)相 互連結，外出時亦可獨立當作資料收集系統。同時，視實驗需求，可 即時透過網路進行資料收集與傳遞。其功能將所對應的物理量轉換成 類比訊號(analogue)，經由數位控制器將類比訊號轉換成數位訊號 (digital)，將之數據儲存於電腦中。

(2) 荷重計(Load Cell)：如圖 4-1-4 所示，試驗前必須事先進行校正，

此裝置可以用來量測阻尼器上所承受之拉力與壓力(±20000kgw)。

(3) LVDT：Linear Variable Differential Transformer(線性差動變 壓器)，為機電轉換器的一種。LVDT 可以將一個物件之直線運動的機 械變化量轉換成相對應的電子信號。LVDT 可量測之位移量小至百萬 分ㄓㄧ英吋到幾英吋，亦可量測±20 英吋的位移量。本試驗裝置在阻 尼器上，用以量測阻尼器與制動企運動的相對變位。其有效最大距離 為±100 ㎜(如圖 4-1-5)。

(4) 手提電腦(Note Book)：資料收集處理軟體：此資料收集軟體完全 採用視窗顯示，並藉由電腦設定擷取時間，將數據儲存於電腦中。本 試驗設定之擷取時間為 0.005sec(如 圖 4-1-6)。

D. 半主動液流阻尼器

液流阻尼器為本實驗之主要研究之對象，本實驗所發展之液流阻尼器其設計 之基本要求為必須能夠承受力量為 2 噸，最大行程設計要求為 150mm，而套筒活 塞與軸承之直徑分別為 40mm 與 34mm。其基本元件包含圓形套筒、軸承、2 個溢

流閥、微調控制閥、電磁伺服閥。即形成一封閉式半主動控制式液流阻尼器(圖 4-1-7)。

(1)、 圓形套筒與軸承部分：為構成阻尼器之主體部分。圓形套筒內 可填充粘滯性液體，並藉由承軸帶動活塞與液體所產生之粘滯力達 到結構消能的目的。本試驗中使用中國石油出產，編號 R32 之循環 機油，黏滯性較低易於流動，避免由於過高的黏滯性造成流動不完 全，而使阻尼器受力過大(圖 4-1-8、4-1-9)。

(2)、 活塞：為構成阻尼器之主體部分。與套筒幾乎伏貼，只留有十 分微小的距離以便活塞行動，亦加裝了耐磨片幫助，為了使阻尼器 內含液體完全通過油路，在活塞中間裝有石棉膠加以阻隔活塞兩邊 的液體，唯石棉膠會被矽油腐蝕，使得本試驗無法使用黏滯性更低 的矽油。(圖 4-1-10)

(3)、 溢流閥與微調控制閥：溢流閥目的在確保液流阻尼器於運動過 程中不致因為過大的液體壓力產生危險。並可依要求調整溢流的壓 力。當套筒內壓力過大時可藉由溢流閥安全機制將壓力由此排出藉 以達到安全之目的，並可由其設定機構出力的最大上限值‧本實驗 為考慮所安座的架台、與固定的螺栓強度考量下，選擇 50

kgf cm ²

的溢流壓力。微調控制閥可開關油路，並可進行手動的流通面積控 制，每轉可分 10 刻度，共五轉。(圖 4-1-11)

(4)、 電磁伺服閥：此裝置可藉由電源供應器(圖 4-1-11)改變輸入電 壓的大小(0~24V)，並由電壓的變換達到流通面積改變目的，可進 而進行歷時性的可變控制系統(圖 4-1-13)。

(5)、 分流管油路流通大小：配置於阻尼器上方；用以裝設相關控制 閥，利用由深鑽孔的方式配合電磁伺服閥所能流過的孔徑大小，為 直徑 7

mm

，面積 0.385

cm ²

的油路。

(6)、 壓力表：接於阻尼器之兩側，用於量測行進時，兩側室壓之大 小，以觀察機構的壓力變化，唯壓力表無法進行資料記錄，若可以 收集壓力變化之資料，則可以以更精確的計算方式分析試驗資料。

(圖 4-1-14)。

4.2 試驗流程設計

就半主動控制的本質而言，視屬於被動控制裝置，但卻可藉由主動控制的觀 念來改變其阻尼係數；簡而言之，就是半主動控制的控制行為是可以即時被改變 的，也就是因為半主動控制具有如主動控制一樣有一回饋的過程，需施予伊控制 命令。

本研究的重點在液流阻尼器的特性分析，故對於試驗我們儘可能將液流阻尼 器所有可能的調整設置作一測試，以期能全盤了解此阻尼器在不同狀況下的特性 表現。

根據此液流阻尼器的裝置，我們訂出試驗的三大方向：

一、油路流通面積的影響：在過去的研究中可知，液流阻尼器的阻尼力是藉由內 含液體通過流通面積更小的管路產生，因此，我們有興 趣的是：油路的面積改變，會造成液流阻尼器行為上何 種變化，阻尼係數與勁度係數會會產生什麼樣的關係。

我們將利用微調控制閥手動來改變分流管的油路流通 面積，分全開、二轉及四轉，代表著油路流通面積 100

％、60％與 20％的情形。

二、電磁伺服閥操作的影響：由於此液流阻尼器設有電磁伺服閥，可經由改變電 壓來改變油管流通面積，因此，我們嘗試改變小幅度的

電壓(5V~20V)來測試是否阻尼器的特性亦能做小幅度 的改變，即對其特性的微調能力作一試驗。另外，針對 電磁伺服閥的即時性我們亦作一組試驗，藉此了解電磁 伺服閥的控制性，以便往後可進行動態的液流阻尼器特 性控制。

三、振動頻率及振幅的影響：為了模擬不同的地震或外力，我們針對不同幾組頻 率的輸入來模擬不同頻率的外力，在每種類試驗下皆改 變制動器振動頻率，並且在試驗中振幅上又分別採取 20

㎜與 40 ㎜兩種，如此可模擬出不同地震下液流阻尼器 的行為，進而觀察其本身特性是否有所改變。最後依所 設計的試驗重點進行表 4-2-1 所示之試驗。

在儀器操作方面，由於微調控制閥與電磁伺服閥皆可控制分流管，所以在試 驗時應單就一個閥控制，即電磁伺服閥全開控制微調控制閥，或微調控制閥全開 控制電磁伺服閥，如此可避免交互作用出現設計之外的試驗資料，使資料分析不 易。

第五章 實驗步驟與結果分析

5.1 試驗說明

本研究於交通大學土木結構實驗室進行試驗，使用 1.5 噸之制動器、I 型鋼 樑、試驗平台及一伺服控制液流阻尼器，由 Load Cell 及 LVDT 量測數據，並由 筆記型電腦紀錄試驗數據(力與位移)。

制動器是由 MTS 所驅動，而 MTS 又由油壓控制器(圖 4-1-6)所操作，試驗時，

改變油壓控制器上電腦程式的相關係數，使致動器給予一正弦波(Sine Wave)的 振動型態輸入系統之中，根據系統輸出及資料量測結果，推求本液流阻尼器其基 本參數性質。

資料擷取間隔為 0.005sec 收集一點，試驗時，依表 4-2-1 之不同組別改變控 制閥及振動頻率。每一組作用 40 秒的正弦波運動，並取得適當資料作為分析使用。

5.2 試驗步驟

由於致動器出力大，所以在裝設實驗儀器的過程，應當非常的小心，試驗時

由於致動器出力大，所以在裝設實驗儀器的過程，應當非常的小心，試驗時

在文檔中 伺服控制液流阻尼器之試驗與分析 (頁 23-0)