CN102782357A - 缆索摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及缆索摩擦阻尼器。具体地，提供了一种用于对结构元件（4a，4b，5）之间的相对运动进行阻尼，特别是对建筑物或土木工程结构的斜缆索中的振荡进行阻尼的方法和装置。公开的一种阻尼装置通过由低摩擦聚合物材料（2a，2b，3a，3b）组成的摩擦表面之间的摩擦接合（1a，1b）提供运动阻尼。聚合物材料优选包括分散润滑剂。使用低摩擦聚合物形成恒定阻尼，这在宽范围的位移和力上都有效。

Description

缆索摩擦阻尼器

技术领域

本发明涉及对结构的元件之间的相对运动进行阻尼的技术领域，并特别地涉及结构性斜缆索中的振动阻尼。

背景技术

斜拉索桥、悬索桥和其它的缆索支撑或加固的构造物，例如高铁塔、电信塔和风力涡轮机，需要缆索来确保其结构强度和稳定性。

这种缆索常常经受风雨造成的或结构移动引起的振动。已观察到这些力引起缆索的横向振荡和振动（参见I.Kovacs，“Zur Frage der Seischwingungen und der Seildämpfung”，Die Bautechnik 10/1982，p.3-10）。随着时间的流逝，缆索能被这种重复运动严重损坏，特别是在缆索被紧固到固定锚固点的区域。

已经提出了通过提供缆索振动阻尼器来抑制这种缆索振动。几种阻尼原理已经被使用或提出，例如氯丁橡胶、液压阻尼器，其通过调谐质量系统和甚至涡流闸来进行阻尼。然而，所有这些装置伴随有严重的缺点；液压阻尼器的阻尼作用在振动开始时以非常低的值（接近零）开始，并且这些力与待阻尼的点的速度基本成比例。这种阻尼器因此总是处于操作状态，密封因此会很快地损坏，导致泄漏，泄漏会使这些阻尼器失效。粘性和液压阻尼器的进一步缺点是其仅能对于一种振动模式最优化。调谐质量系统太笨重，并且技术上很难实现，并且其仅阻尼一种特定的本征频率。由于这些系统的阻尼作用甚至对于缆索的非常小的相对振动都会起作用，并且每次运动都会导致磨损，因而这样的系统磨损率高，因而很难维护，所以，使用这些系统迄今被认为是不利的。也认识到了这些阻尼系统中的一些会出现滑程和游隙，结果使得它们的阻尼功能不可预测、不稳定。

为了克服已发现的使用那些对微小运动都起作用的阻尼器的缺点，在本申请人提交的欧洲专利申请EP1035350中提议，使用仅对于包括相对较大力的运动才起作用的阻尼装置。这通过使用摩擦阻尼器实现，该摩擦阻尼器具有比其动态摩擦系数显著更高的静态摩擦系数。虽然在EP1035350没有提及，但事实上是将铸铁用作适当的摩擦材料，这是由于其能够被用来形成摩擦接合，其中静态系数比其动态摩擦系数至少大40%。这一现有技术的摩擦阻尼器特意使用具有高“粘滑”特性的摩擦材料。术语“粘滑”指的是由于摩擦面之间的摩擦界面的静态摩擦系数和动态摩擦系数之间的显著差异而出现的效果。在摩擦元件之间开始运动需要相对较大的切向力。然而，一旦该较大的切向力被超过，并且摩擦元件开始相对于彼此运动，则用于保持运动所需要的切向力显著较小。在这种模式下，静态摩擦系数起到了防止因低于某一阈值的切向力而导致运动的障碍物或过滤器的作用。动态摩擦系数决定切向阻尼力，一旦摩擦表面开始运动，该切向阻尼力将阻碍摩擦表面的相对运动，并且因此起到阻尼运动的作用。在现有技术阻尼器中使用的摩擦材料，例如铸铁的动态摩擦系数一般为其静态摩擦系数的60%的范围内。然而，这两种系数可根据环境因素（例如湿度）和机械因素（例如摩擦面上的磨损或粗糙度）而改变。现有技术摩擦阻尼器因此被设计成仅对较大、较高的能量振荡进行阻尼。铸铁摩擦垫也严重受到使用年限相关的影响。例如，铸铁表面会被摩光，这会消弱其阻尼性能。或者，摩擦会在铁内产生高得足以存在使表面熔融在一起的危险的温度。

注意，EP1035350中公开的现有技术阻尼器试图通过在两个摩擦表面之间使用弹簧施加相对恒定的法向力来减少摩擦系数的这种变化。以这种方式，热膨胀或收缩对摩擦元件中法向力的影响被差不多消除。

然而，这些现有技术的摩擦阻尼器存在以下缺点。

首先，现有技术阻尼器被设计成仅仅阻尼具有大于确定阈值的力和幅值的运动。以这种方式，希望减少摩擦表面之间的相对运动的数量，并且从而减少阻尼器的磨损（和因此造成的维修成本）。这种解决方案意味着阻尼器将不阻尼较小幅度或较低能量的振动，虽然存在这一事实，但还是提出了这种解决方案。然而，通常希望阻尼尽可能宽范围的振动，包括低能量振动或小的力和幅度的运动，这是由于小的振动也能导致被阻尼的结构的加工硬化和磨损。通过阻尼小的和低能量的振动，也可能阻止其例如通过累积共振效应扩大到更大、更有破坏性的振动。

其次，即使被设计成减少摩擦元件之间的运动的数量，现有技术摩擦阻尼器中使用铸铁意味着其摩擦表面的磨损仍然相对较快，因而需要定期检查、调整和维修。

第三，现有技术中使用的摩擦材料会受到侵蚀，特别是在这些阻尼器被用于暴露环境之处，例如斜拉索桥，其中防止湿气和水进入是困难的。

第四，现有技术阻尼器的粘滑特性不可避免地导致在相对运动被阻尼的元件之间的突然的非连续运动。突跳发生在切向力变到足够克服阻尼器的静态摩擦系数的瞬间。发生突跳时，被阻尼的结构元件的材料（通常是钢）遭受突然的相对较大的变形。当这种类型的非连续变形被重复时，由于机械磨损或加工硬化，可导致在钢上的严重结构破坏。阻尼器常常被定位在靠近斜拉索的锚固点，例如，以便阻尼缆索的侧向运动，并且从而减少缆索在其进入固定锚定的地方的变形量。目的是减少在缆索和锚固连接处的钢的变形的数量和幅度，并从而减少磨损和结构损害的风险。

第五，当摩擦表面受湿气影响时，现有技术的阻尼器（以及它们因此的阻尼功能）的制动摩擦能够显著改变。水对于这种阻尼器造成特别的问题；不仅因为其能导致摩擦面上的侵蚀，而且因为任何在摩擦表面上的潮湿能在摩擦表面上形成不可预知的润滑效果，这能够显著减少阻尼器的摩擦系数。

第六，当阻尼器在操作时，在现有技术的阻尼器中使用的材料能够引起显著的噪声水平。钢索反抗铁摩擦垫的每次运动能够产生通过结构的讨厌的可听声音的散发和高频振动的传播，这可影响其长期的结构完整性。

发明内容

本发明旨在提供易维护的阻尼方法和装置，其解决上述问题的一些或全部。特别地，其旨在提供阻尼功能，该阻尼功能具有提高的频率或振荡能量响应宽度、在不同环境条件下更恒定的阻尼性能、以及改善的耐磨性。

注意，在本申请中涉及的阻尼是用缆索相对于一固定结构（例如锚定点）的侧向振荡运动的示例来描述的。先前的专利申请EP1035350被用作如何以及在哪里实现本发明的方法和装置的例示性示例。然而，可以预见，本发明的阻尼不应被限定于该构造，并且能够被应用在任何需要阻尼的情形，并且特别是其中阻尼需要具有宽的频率或振荡能量响应和/或恒定阻尼特征的情形。阻尼不需要仅在一个方向，而是能够在多个方向，例如，在单一平面或在三个维度上进行调节。阻尼装置可包括一组、两组或更多组摩擦表面，它们被布置在适合具体应用的任何空间布置结构。虽然本发明的阻尼器已经在对结构元件的振荡运动进行阻尼的条件下被描述，但是其也能被用于阻尼其他种类的相对运动。

本发明的一个目的是要提供一种用于对某一构造物中的第一结构性构件和第二结构性构件之间的相对运动进行阻尼的阻尼装置，该阻尼装置包括：与第一结构性构件机械地相关联的第一摩擦元件，第一摩擦元件包括由第一摩擦材料制成的第一摩擦表面，与第二结构性构件机械地相关联的第二摩擦元件，第二摩擦元件包括由第二摩擦材料制成的第二摩擦表面，第一摩擦表面和第二摩擦表面互相摩擦接合，使得第一摩擦表面与第二摩擦表面之间的相对运动由第一摩擦表面和第二摩擦表面之间的摩擦接合阻尼，该阻尼装置的特征在于第一摩擦材料和第二摩擦材料中的至少一个为低摩擦聚合物材料。

在本发明的一个实施例中，在本发明的阻尼装置中使用的低摩擦聚合物材料包括分散润滑剂。

在本发明的另一实施例中，低摩擦聚合物材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯。

在本发明的另一实施例中，第一摩擦表面的第一摩擦材料与第二摩擦表面的第二摩擦材料之间的静态摩擦系数和动态摩擦系数使得静态摩擦系数和动态摩擦系数相差一小于静态摩擦系数25%的量。

在本发明的另一实施例中，第一结构性构件和第二结构性构件中的至少一个为张力缆索。

在本发明的另一实施例中，提供了一种用于提供偏置力的偏置装置，该偏置力对第一摩擦表面和第二摩擦表面施加压力，使它们彼此抵靠。根据此实施例的变型，该偏置装置包括至少一个弹簧。

在本发明的另一实施例中，提供了一种摩擦调节装置，用于调节在第一摩擦表面和第二摩擦表面之间的摩擦接合的摩擦力。根据此实施例的变型，摩擦调节装置包括用于调节所述偏置力的偏置调节装置。

在本发明的另一实施例中，第一摩擦材料和第二摩擦材料均为低摩擦聚合物材料。

在本发明的另一实施例中，第一摩擦材料和第二摩擦材料中的一个为低摩擦聚合物材料，另一个为金属。

本发明的一个目的还在于要提供一种包括第一结构性构件和第二结构性构件的土木工程结构，该土木工程结构包括一个或更多个上述阻尼装置。在根据本发明的土木工程结构的一个实施例中，第一结构性构件为附接到第二结构性构件上的至少一个锚固点的张力结构缆索。在此实施例的变型中，阻尼装置或至少一个阻尼装置被布置成阻尼邻近锚固点的缆索的区域中的缆索的振荡运动。

本发明的另一目的是要提供一种对第一结构性构件和第二结构性构件之间的相对运动进行阻尼的方法，该方法包括：提供具有第一摩擦表面的第一结构性构件的第一步骤，该第一摩擦表面包括第一摩擦材料，提供具有第二摩擦表面的第二结构性构件的第二步骤，该第二摩擦表面包括第二摩擦材料，施加力以将第一摩擦表面和第二摩擦表面压靠在一起的第三步骤，以使第一摩擦表面与第二摩擦表面之间的相对运动由第一摩擦表面与第二摩擦表面之间的摩擦接合阻尼，其中第一摩擦材料和第二摩擦材料中的至少一个为低摩擦聚合物材料。

附图说明

本发明的这些和其他优点将通过下面的描述和附图被理解。附图包括：

图1，其示出了本发明的用于对缆索中振动进行阻尼的一个示例性实施方式的局部剖切垂直投影视图，和

图2，其示出了本发明如何能够被用于对缆索中振动进行阻尼的略微不同的示例的局部剖切垂直投影视图。

具体实施方式

本发明的示例应用被示于图1和图2中。每个图的上半部分以剖视图显示，而下半部分以垂直投影视图显示。除非另行指出，否则以下描述都是参考图1和图2进行的。注意，图1和图2所示的布置结构对应于EP1035350的附图，但具有不同的附图标记。

在这两个图中，用纵向轴线12示出了通常由多束缆索股线组成的缆索10。所示缆索阻尼系统实质上包括两个子组件：紧固到缆索的第一子组件，其机械地固定到所述缆索；以及第二子组件，其机械地固定到参考点（未示出）。参考点通常是一固定的参考物，例如缆索的锚具的一部分，或缆索被锚定到其上的那一结构的一部分。然而，它可能是一弹簧质量组件，用于和阻尼装置联合提供一质量阻尼系统，该质量阻尼系统相对于缆索的运动被自阻尼。

固定到缆索的第一阻尼子组件包括紧固在缆索10周围的项圈9、正交元件5和两个安装在正交元件上的摩擦元件3a和3b。

固定于参考物的第二阻尼子组件包括安装在螺纹式可调保持器7a和7b中的两个摩擦元件2a和2b，螺纹式可调保持器7a和7b又安装在框架4a和4b中。框架4a和4b被固定到叶片弹簧5a和5b的端部，并且叶片弹簧5a和5b的另一端通过附接件11固定在一起并固定到参考物。弹簧和框架布置结构与EP1035350中公开的相同，并且被包括以便确保有恒定的法向力促使摩擦元件在一起。

在附图标记1a和1b标示区域中，摩擦表面接合并且导致了进行阻尼所需的摩擦。

图1和图2仅仅在摩擦垫2a、2b、3a和3b的配置上不同。图1示出了一示例性布置结构，其中每对摩擦垫的一半（2a，2b）是安装在螺纹式保持器单元7a、7b中的摩擦材料块。该螺纹式单元能够被用来使该块朝向另一摩擦元件3a、3b前进或使该块缩回远离另一摩擦元件3a、3b，所述另一摩擦元件3a、3b是一块结合到相对于缆索固定的零件5的低摩擦聚合物材料。

图2示出了一类似的布置结构，但摩擦表面更大，并且被实施成按适当方式结合到保持器13a、13b或中心零件5的表面的成对匹配的摩擦垫2a、2b、3a和3b。

注意，虽然这两个图示出了两对摩擦表面，并且这些表面能够由相同的低摩擦聚合物材料制成，但是摩擦接合1a、1b的实现能够使用不同数量的表面、对摩擦垫使用相同的聚合物材料、或为一个或一些摩擦表面使用聚合物材料，而其他表面使用不同的材料，例如金属。

图1和图2所示的摩擦元件（2a、2b、2a和3b）中的一些或全部优选地由例如包含分散润滑剂的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的低摩擦聚合物材料组成。这种材料提供了非常低的和非常恒定的摩擦系数以及高的耐磨损和磨蚀性。它们弹性高，并且能够承受高的负载力，甚至在明显变形或压缩力下仍能保持其形状。一种这种材料由美国公司Quadrant以名称Ertalyte TX^TM出售。这种低摩擦聚合物传统地用于需要机械强度和低摩擦的应用，例如轴承、轴衬、滑轨、辊子和滑动垫。这些材料具有非常低的摩擦系数，对于摩擦制动装置类型的阻尼器而言，选用这些材料是违反直观认识的。然而，已经发现，虽然ErtalyteTX^TM的摩擦系数非常低，但弹簧5a和5b和保持器7a和7b能够被设计成使得，将足够的法向力施加在摩擦元件上，以提供所需要的摩擦接合量。摩擦元件2a、2b、3a和3b的接合表面（1a、1b）的这一区域也能够被选择成提供所需的摩擦接合。

这类低摩擦聚合物材料的使用具有额外的优点，即：它们的摩擦系数不会随着使用年限而显著变化；它们的摩擦系数不会在存在水或湿气的情况下改变；它们在操作中几乎是无声的，而且与现有技术中使用的标准摩擦材料相比，它们的摩擦特性表现出的粘滑行为大大降低。

在每对中的摩擦表面之一或者两者都是由Ertalyte TX^TM制成的优选布置结构中，发现所得到的摩擦系数典型地在0.15至0.18的范围内。静态摩擦系数比动态摩擦系数约大25%。这与具有铸铁摩擦表面的现有技术阻尼器相比，现有技术阻尼器具有0.5至1.0之间的摩擦系数，而且静态系数比其动态摩擦系数大50%至60%。

具有润滑剂的PET材料也呈现出大大降低磨损的倾向，并且磨损以几乎恒定的速率发生。实验结果表明，在操作的开始期（在所谓的磨合或走合期），磨损速率为每2000次振动循环大约0.05mm。然而，在这一初始期之后，磨损速率小到可以忽略。相比之下，现有技术的铸铁材料在其磨合期的磨损速率可大约为每250次循环0.5mm。

Claims (15)

1. 一种用于对构造物中的第一结构性构件与第二结构性构件之间的相对运动进行阻尼的阻尼装置，该阻尼装置包括：

与所述第一结构性构件机械地相关联的第一摩擦元件（2a，2b），所述第一摩擦元件（2a，2b）包括由第一摩擦材料制成的第一摩擦表面，

与所述第二结构性构件机械地相关联的第二摩擦元件（3a，3b），所述第二摩擦元件（3a，3b）包括由第二摩擦材料制成的第二摩擦表面，

所述第一摩擦表面和所述第二摩擦表面互相摩擦接合（1a，1b），使得所述第一摩擦表面与所述第二摩擦表面之间的相对运动由所述第一摩擦表面和所述第二摩擦表面之间的所述摩擦接合（1a，1b）阻尼，

所述阻尼装置的特征在于：所述第一摩擦材料和所述第二摩擦材料中的至少一个是低摩擦聚合物材料。

2. 根据权利要求1所述的阻尼装置，其中所述低摩擦聚合物材料包括分散润滑剂。

3. 根据权利要求1或2所述的阻尼装置，其中所述低摩擦聚合物材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的阻尼装置，其中所述第一摩擦表面的第一摩擦材料与所述第二摩擦表面的第二摩擦材料之间的所述摩擦接合（1a，1b）的静态摩擦系数和动态摩擦系数相差一小于所述静态摩擦系数25%的量。

5. 根据权利要求1至4中任一项所述的阻尼装置，其中所述第一结构性构件和所述第二结构性构件中的至少一个为张力缆索。

6. 根据权利要求1至5中任一项所述的阻尼装置，包括用于提供偏置力的偏置装置（5a，5b），该偏置力对所述第一摩擦表面和所述第二摩擦表面施加压力，使它们彼此抵靠。

7. 根据权利要求6所述的阻尼装置，其中所述偏置装置（5a，5b）包括至少一个弹簧。

8. 根据权利要求1至7中任一项所述的阻尼装置，包括摩擦调节装置（7a，7b），用于调节所述第一摩擦表面与所述第二摩擦表面之间摩擦接合的摩擦系数。

9. 根据从属于权利要求6或7的权利要求8所述的阻尼装置，其中所述摩擦调节装置（7a，7b）包括用于调节所述偏置力的偏置调节装置。

10. 根据权利要求1至9中任一项所述的阻尼装置，其中所述第一摩擦材料和所述第二摩擦材料均为所述低摩擦聚合物材料。

11. 根据权利要求1至10中任一项所述的阻尼装置，其中所述第一摩擦材料和所述第二摩擦材料中的一个为所述低摩擦聚合物材料，另一个为金属。

12. 一种包括第一结构性构件和第二结构性构件的土木工程结构，该土木工程结构的特征在于，其包括一个或更多个根据权利要求1至11中任一项所述的阻尼装置。

13. 根据权利要求12所述的土木工程结构，其中所述第一结构性构件为附接到所述第二结构性构件上的至少一个锚固点的张力结构缆索。

14. 根据权利要求13所述的土木工程结构，其中所述阻尼装置中的至少一个被布置成对邻近所述至少一个锚固点的所述缆索中的振荡运动进行阻尼。

15. 一种对第一结构性构件与第二结构性构件之间的相对运动进行阻尼的方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤：提供具有第一摩擦表面的所述第一结构性构件，该第一摩擦表面包括第一摩擦材料，

第二步骤：提供具有第二摩擦表面的所述第二结构性构件，该第二摩擦表面包括第二摩擦材料，

第三步骤：施加力以将所述第一摩擦表面和所述第二摩擦表面压靠在一起，以使所述第一摩擦表面与所述第二摩擦表面之间的相对运动由所述第一摩擦表面与所述第二摩擦表面之间的摩擦接合（1a，1b）阻尼，

所述方法的特征在于：所述第一摩擦材料和所述第二摩擦材料中的至少一个为低摩擦聚合物材料。

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