CN102409775A - 调谐质量阻尼器减振控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调谐质量阻尼器减振控制装置，该调谐质量阻尼器减振控制装置包括：外壳，固定到需要减振的主体结构上；长杆，所述长杆的一端固定在外壳中，所述长杆的另一端延伸到外壳的外部；加强管，装配在长杆上；橡胶与金属粘合物，固定在外壳中并包绕长杆的固定在外壳中的一端；配重块，安装在加强管上，配重块的重心与外壳隔开预定距离。该调谐质量阻尼器减振控制装置的结构简单可靠，制造成本低廉，安装简便。

Description

调谐质量阻尼器减振控制装置

技术领域

本发明属于减振控制领域，涉及一种调谐质量阻尼器减振控制装置，可用于各种需要减振的高耸结构。

背景技术

风力发电机组是将风的动能转化为电能的系统，分为定桨距失速控制型风力发电机组和变桨控制型风力发电机组。对于定桨距失速控制型风力发电机组，如果风电场的环境温度低于-20℃，风速超过额定点以后，在风力发电机组正常运行的过程中，叶片会发生无规律的、不可预测的瞬间摆振现象，即，发生叶片在旋转平面内的振动(edgewise vibration)。这种振动有时会发散，导致风力发电机组振动迅速增加，造成风力发电机组停机，影响风力发电机组的正常发电。同时，这种振动对叶片也是有害的，它会导致叶片后缘结构失效，产生裂纹，在叶片最大弦长位置产生横向裂纹，严重威胁叶片结构安全。

叶片产生振动的首要原因是叶片失速运行时的气动力导致叶片失速后气动阻尼变为负值。而通常气动阻尼与叶片翼型的静态、动态空气动力特性、叶片的布局(叶片的几何分布)、叶片的结构特性(结构阻尼)等有关。叶片产生振动的次要原因是，在低温时复合材料叶片的结构阻尼下降，最后导致总的阻尼下降。

因此，为了在不改变现有失速型叶片的结构下减轻由于外部激励所引起的振动，可以考虑在在风力发电机组的机舱内设置结构振动控制。

所谓结构振动控制，是指在需要减振的结构某个部位设置一些控制装置，当结构振动时，被动或主动地施加一组控制力或改变结构的动力特性，减小结构振动反应，以满足主体结构能承受的振动要求。根据是否需要外部能量输入，结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制、智能控制、混合控制五类。由于被动控制不需要能量输入，原理和结构都比较简单，实现起来比较容易，适用性、可靠性较好，因此在土木工程、桥梁建筑以及高耸结构中广泛应用。

调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)减振控制装置是包括弹簧、阻尼器和质量块的振动系统，通常支撑或悬挂在结构上。TMD减振控制装置对需要减振的结构进行振动控制的原理是：通过将TMD减振控制装置的振动频率调整到与需要减振的主体结构频率接近或一致，当结构在外部激励作用下产生振动时，带动TMD减振控制装置一起振动，TMD减振控制装置相对运动产生的惯性力反作用到该结构上，调谐这个惯性力，使其对结构的振动产生控制作用，从而达到减小结构振动反应的目的。

但是，现有的TMD减振控制装置存在以下缺点：1、对结构的控制仅在窄频率域内有效，对频率调谐和阻尼比的波动十分敏感；2、TMD减振控制装置通常包括阻尼器，其结构复杂，加工困难，成本较高；3、如果使用液体阻尼器，还容易发生液体渗漏。

调液质量阻尼器(Tuned Liquid Damper，TLD)减振控制装置在结构振动控制中的应用始于二十世纪80年代。它所用的质量是液体质量，它是一种结构被动控制装置。TLD减振控制装置的减振原理是：将TLD减振控制装置安装在需要减振的结构上，当结构受荷载作用产生振动时，TLD减振控制装置中的液体发生振荡；液体振荡产生的动水压力作用于刚性容器壁并传播到结构上，从而对结构运动产生影响。这个作用是惯性力和耗能作用的组合，利用其阻尼的耗能作用和惯性吸振作用，达到减小结构反应的目的。TLD减振控制装置早期被用在航天和航海技术中(参见Toshiyuki N.et al.Study on avibration Damper System Using Hydro Dynamic Response of offshore SloshingSummaries of Technical Papers of Annual Meeting Architecture Institute ofJapan，1988，563～570)。20世纪90年代，李宏男等开始了地震作用下的TLD减振控制装置对高层建筑及高耸结构的振动控制研究，同时进行了模型实验，取得了有意义的研究成果(李宏男，贾影，“利用TLD减小高柔结构多振型地震反应的研究”[J].《地震工程与工程振动》，2000，20(2)：122～128)。第一个TLD减振控制装置用于实际建筑是于1995年在位于日本长崎机场的钢结构中，设计安装了25个TLD减振控制装置。对结构进行自由振动实验结果表明：结构的阻尼系数比安装TLD减振控制装置前增大了近5倍，达到4.7％；当在20m/s的风载作用下，结构的响应可减少35％～50％。TLD减振控制装置在日本有着广泛的应用，最著名的是日本长崎机场指挥塔和日本横滨导航塔。

但是，现有的TLD减振控制装置存在以下缺点：1、由于所用的质量为液体质量，因此容易发生渗漏；2、液体容易受环境温度的影响，使得TLD减振控制装置本身的减振效果受到影响；3、TLD减振控制装置对结构的控制仅在较窄的频域范围内有效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够有效地减小主体结构的振动的TMD减振控制装置。

根据本发明的一方面，提供一种TMD减振控制装置，该TMD减振控制装置包括：外壳，固定到需要减振的主体结构上；长杆，所述长杆的一端固定在外壳中，所述长杆的另一端延伸到外壳的外部；加强管，装配在长杆上；橡胶与金属粘合物，固定在外壳中并包绕长杆的固定在外壳中的一端；配重块，安装在加强管上，配重块的重心与外壳隔开预定距离。

加强管的一部分可延伸至外壳中，加强管的所述一部分被橡胶与金属粘合物包绕。

橡胶与金属粘合物可包括内层金属和外层橡胶，内层金属包绕长杆的固定在外壳中的所述一端，外层橡胶覆盖内层金属。

可贯穿配重块形成有通孔，加强管穿过所述通孔，通过螺栓将配重块安装在加强管上。

配重块可以是钢块、混凝土块以及装满液体的容器中的一种。

可通过改变配重块的质量、配重块的重心与外壳之间的距离以及长杆的延伸到外壳之外的部分的长度中的至少一个，来调节调谐质量阻尼器减振控制装置与主体结构的匹配。

可通过调节配重块的质量以及配重块的重心与外壳之间的距离中的至少一个，来改变调谐质量阻尼器减振控制装置的固有频率。

可通过调节配重块的质量，来改变调谐质量阻尼器减振控制装置与主体结构的质量比。

根据本发明的TMD减振控制装置具有以下有益效果：

1、TMD减振控制装置的结构简单可靠，制造成本低廉，安装简便。由于TMD减振控制装置的稳定性较好，没有传统的机械传动部分，所以无需特殊保养。与采用液压阻尼器、电液伺服阻尼器等其它的阻尼器相比，根据本发明的TMD减振控制装置节省了很多成本。

2、通过调整配重块5的质量和/或配重块5在长杆2的位置，可方便地改变TMD减振控制装置的固有频率，从而适应不同的主体结构。

附图说明

通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：

图1是根据本发明示例性实施例的调谐质量阻尼器减振控制装置的剖视图。

具体实施方式

本发明的基本构思是，通过将调谐质量阻尼器(TMD)减振控制装置与需要减振的主体结构相连，使主体结构的振动传递到调谐质量阻尼器减振控制装置上。

以下，参照附图来详细描述本发明的实施例。图1是根据本发明示例性实施例的调谐质量阻尼器减振控制装置的剖视图。

参照图1，根据本发明示例性实施例的TMD减振控制装置包括：外壳1，固定到需要减振的主体结构上(外壳可根据实际安装条件被形成为各种形状，诸如盒形、圆柱形等)；长杆2，长杆2的一端固定在外壳1中，长杆2的另一端延伸到外壳1的外部；加强管3，装配在长杆2上，用于增强长杆的机械强度；橡胶与金属粘合物4，固定在外壳1中并包绕长杆2的固定在外壳1中的一端；配重块(也可称为质量块)5，安装在加强管3上，配重块5的重心与外壳1隔开预定距离L1。

外壳1可通过各种方式(例如焊接、螺纹连接等)固定到需要减振的主体结构上。在本发明应用于风力发电机组的情况下，TMD减振控制装置的外壳1可固定到风力发电机组的比较坚固的结构(例如塔身、底座或机舱等)。

长杆2的一端可通过螺纹连接或焊接等方式固定在外壳1中。橡胶与金属粘合物4可呈球形，并且可通过紧固件连接将橡胶与金属粘合物4固定在外壳1内部。如图1所示，外壳1可包括左侧壳体部分、中间壳体部分以及右侧壳体部分，可通过多个螺栓将左侧壳体部分、中间壳体部分以及右侧壳体部分连接在一起，从而形成外壳1。橡胶与金属粘合物4可直接固定在长杆2的固定在外壳1中的一端上，以包绕长杆2的固定在外壳1中的所述一端。外壳1的内部尺寸和橡胶与金属粘合物4的外部结构尺寸进行配合，从而使得外壳1、橡胶与金属粘合物4和长杆2组成一个整体(即，橡胶与金属粘合物4在外壳1与长杆2的固定在外壳1中的所述一端之间被卡紧)。加强管3的一部分可延伸至外壳1中，加强管3的所述一部分被橡胶与金属粘合物4包绕。

橡胶与金属粘合物4可包括内层金属41和外层橡胶42，内层金属41包绕长杆2的固定在外壳1中的所述一端，外层橡胶42覆盖内层金属41，内层金属41和外层橡胶42可通过硫化工艺结合为一体。

可以贯穿配重块5形成通孔，加强管3穿过该通孔，通过螺栓将配重块5安装在加强管3上。

TMD减振控制装置的外壳1、长杆2、加强管3和配重块5可由钢材制成，也可由与钢材具备同样强度的其它材料制成，例如工程塑料等。另外，配重块5也可以是混凝土块，或者可以是装满液体的容器，只要能够起到配重的作用即可。

当施加到主体结构的振动传递到TMD减振控制装置上时，长杆2可相对于与长杆2的轴线垂直的平面进行任何方向的摆动，同时带动安装在加强管3上的配重块5摆动。

橡胶与金属粘合物4可通过硫化工艺形成，具有预定的弹性。由于橡胶与金属粘合物4包绕长杆2的固定在外壳1中的一端，因此可对长杆2和配重块5的摆动起到阻尼的作用，使得在长杆2和配重块5的摆动与施加到主体结构的振动之间产生预定的相位差，从而长杆2和配重块5的摆动与施加到主体结构的振动彼此部分抵消，以达到减振的目的。

由于TMD减振控制装置的配重块质量影响到TMD减振控制装置的调谐频带宽度，所以在比较有针对性的实际设计过程中要考虑到实际的使用环境和激励力的频率范围来选取质量参数。一般来说，TMD减振控制装置的配重块质量越大，TMD减振控制装置的调谐频带宽度越宽，但是配重块质量越大，成本就越高，而且还要考虑到安装空间问题。

TMD减振控制装置的配重块质量、阻尼比、固有频率对需要减振的主体结构的振动响应有很大影响。业界通常认为TMD减振控制装置的配重块质量与主体结构的质量比在0.005～0.03之间，因此主体结构质量确定后，可计算出TMD减振控制装置的配重块质量；此外，TMD减振控制装置与主体结构的固有频率比接近1时，减振效果最好；而阻尼比则取决于橡胶的配方，可以由实验获得。因此，可通过适当选择TMD减振控制装置的阻尼比和固有频率等参数，使TMD减振控制装置的振动响应曲线的一个峰点与主体结构的摆振频率重合，从而使主体结构的动力响应最小。在本发明应用于风力发电机组的情况下，主体结构的摆振频率是指由风力发电机组叶片转动引起的摆振频率，当摆振频率与TMD减振控制装置的固有频率接近时，TMD减振控制装置开始响应，将由叶片引起的摆振能量传递到TMD减振控制装置上，使其转化为TMD减振控制装置的动能，从而减小叶片摆振对风力发电机组的损害。

因此，可通过改变TMD减振控制装置的配重块5的质量M、配重块5的重心与外壳1之间的距离L1以及长杆2的延伸到外壳1之外的部分的长度L2中的至少一个，来调节TMD减振控制装置与主体结构的匹配，从而达到更好的振动抑制效果。具体地讲，可考虑以下3个方面：1、可根据主体结构的不同，调节控制装置的配重块5的质量M以及配重块5的重心与外壳1之间的距离L1中的至少一个，从而改变TMD减振控制装置的固有频率；2、可以调节配重块5的质量M，来改变TMD减振控制装置与主体结构的质量比，使减振效果达到最佳；3、可改变长杆2的延伸到外壳1之外的部分的长度L2，以更有效地调节TMD减振控制装置的参数。

根据本发明的TMD减振控制装置具有以下有益效果：

1、TMD减振控制装置的结构简单可靠，制造成本低廉，安装简便。由于TMD减振控制装置的稳定性较好，没有传统的机械传动部分，所以无需特殊保养。与采用液压阻尼器、电液伺服阻尼器等其它的阻尼器相比，根据本发明的TMD减振控制装置节省了很多成本。

2、通过调整配重块5的质量和/或配重块5在长杆2的位置，可方便地改变TMD减振控制装置的固有频率，从而适应不同的主体结构。

在本发明中虽然以风力发电机组作为TMD减振控制装置的应用示例，但是本发明不限于此，根据本发明的TMD减振控制装置可应用于需要减振的各种主体结构，诸如输电塔、电信发射塔、指挥塔、景观塔等各种高耸结构。

虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (8)

1.一种调谐质量阻尼器减振控制装置，包括：

外壳，固定到需要减振的主体结构上；

长杆，所述长杆的一端固定在外壳中，所述长杆的另一端延伸到外壳的外部；

加强管，装配在长杆上；

橡胶与金属粘合物，固定在外壳中并包绕长杆的固定在外壳中的一端；

配重块，安装在加强管上，配重块的重心与外壳隔开预定距离。

2.根据权利要求1所述的调谐质量阻尼器减振控制装置，其特征在于，加强管的一部分延伸至外壳中，加强管的所述一部分被橡胶与金属粘合物包绕。

3.根据权利要求2所述的调谐质量阻尼器减振控制装置，其特征在于，橡胶与金属粘合物包括内层金属和外层橡胶，内层金属包绕长杆的固定在外壳中的所述一端，外层橡胶覆盖内层金属。

4.根据权利要求3所述的调谐质量阻尼器减振控制装置，其特征在于，贯穿配重块形成有通孔，加强管穿过所述通孔，通过螺栓将配重块安装在加强管上。

5.根据权利要求4所述的调谐质量阻尼器减振控制装置，其特征在于，配重块是钢块、混凝土块以及装满液体的容器中的一种。

6.根据权利要求4所述的调谐质量阻尼器减振控制装置，其特征在于，通过改变配重块的质量、配重块的重心与外壳之间的距离以及长杆的延伸到外壳之外的部分的长度中的至少一个，来调节调谐质量阻尼器减振控制装置与主体结构的匹配。

7.根据权利要求6所述的调谐质量阻尼器减振控制装置，其特征在于，通过调节配重块的质量以及配重块的重心与外壳之间的距离中的至少一个，来改变调谐质量阻尼器减振控制装置的固有频率。

8.根据权利要求6所述的调谐质量阻尼器减振控制装置，其特征在于，通过调节配重块的质量，来改变调谐质量阻尼器减振控制装置与主体结构的质量比。

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