CN103104646B - 一种控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器 - Google Patents
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Abstract
一种控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器，属于土木工程和机械工程技术领域。在管状结构外部设置内卡箍（1），内卡箍（1）将管状结构箍紧，在内卡箍（1）的轴向设置的减振弹簧（4）与轴向橡胶阻尼环（2）相连，在内卡箍（1）的环向设置的减振弹簧（4）与环向橡胶阻尼环（3）相连，在轴向橡胶阻尼环（2）和环向橡胶阻尼环（3）外部均设置防撞垫（5），在防撞垫（5）外部设置外卡箍（6），在外卡箍（6）外端部设置锁定螺栓（7）；控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器可以有效降低管状结构的轴向及环向振动，部件组合合理，机理明确；本发明造较简单，所用材料成本较低，且可以在管状结构使用的任何阶段进行施工安装。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器，属于土木工程和机械工程技术领域。
背景技术
管状结构一般具有外表呈圆柱形、壁厚相对外直径较小、长细比较大等特征。在土木工程和机械工程中，包括管道、桅杆、塔式结构及其部件等多种形式的管状结构的振动可能严重影响正常的使用，甚至造成较严重的破坏，必要时需要采用有效的减振措施保证结构的适用性和安全性。
例如，管道作为液体动力传输、传动和控制的基本元件，在动力源的压力脉动下可能产生较大振动,以致不能稳定工作.当压力脉动的谐振频率与管道结构的固有频率接近时,会发生共振,甚至使管道系统严重破坏,发生重大事故。又如，对于较高较柔的信号塔等结构，其在飓风和地震作用下将产生较明显的动力响应，如果结构刚度不足或与外界环境产生共振，将产生严重的变形甚至倒塌，必将严重影响使用性能。
近年来，针对土木及机械领域的结构抗振减振措施日益丰富，但由于管状结构的轻柔特性及其有限的内部空间，常用的抗振减振技术很难具备良好的效果。例如，应用于管道的法兰连接一般属于刚性连接，将产生严重的应力集中，而属于柔性连接的普通卡箍又不具备良好的阻尼耗能特性。又如，适用于一般土木结构的粘滞阻尼器和调谐阻尼器，由于安装不便或对结构产生较大的动力性能影响而很难在高耸结构或构件上应用。
借鉴各领域的技术手段，采用新型减振材料和工艺，综合利用各种措施的特点，可以部分克服上述管状结构隔振的不足，为结构防灾减灾提供更多样性的技术支持，具有重大的工程意义。
发明内容
本发明涉及一种控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器，属于土木工程和机械工程技术领域。
本发明提出了一种能够降低管状结构多个方向振动的卡箍式阻尼器。该阻尼器具有功能丰富、安装简便、布置灵活、成本低廉等特点。本发明通过在能够将管状结构箍紧的内卡箍的环向和长轴向上布置具有较强耗能特性的橡胶阻尼环，在振动过程中，橡胶阻尼环由于变形将产生较大阻尼并与管状结构产生相对调谐振动，从而实现对管状结构长轴方向、任意径向的减振，也可以适当降低绕径向的扭转振动。布置于阻尼环和防撞垫外面的外卡箍具有美观性和防护性，可以保证阻尼器普遍适用于外露式和埋入式管状结构。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器，包括内卡箍1、轴向橡胶阻尼环2、环向橡胶阻尼环3、减振弹簧4、防撞垫5、外卡箍6、锁定螺栓7；在管状结构外部设置内卡箍1，内卡箍1将管状结构箍紧，在内卡箍1的轴向设置的减振弹簧4与轴向橡胶阻尼环2相连，在内卡箍1的环向设置的减振弹簧4与环向橡胶阻尼环3相连，在轴向橡胶阻尼环2和环向橡胶阻尼环3外部均设置防撞垫5，在防撞垫5外部设置外卡箍6，在外卡箍6外端部设置锁定螺栓7；在管状结构振动时，布置在内卡箍1外面的轴向橡胶阻尼环2和环向橡胶阻尼环3利用阻尼降低结构多维动力反应，同时和减振弹簧4形成调谐减振器进行多维耗能；防撞垫5控制轴向橡胶阻尼环2和环向橡胶阻尼环3的行程；外卡箍6避免外部环境对阻尼环振动的干扰。
所述的内卡箍1由完全相同的两个半圆柱形薄壁结构组成，材料为橡胶或钢材，其内径与管状结构的外径相同，当内卡箍1将管状结构箍紧后，在两个半圆柱形薄壁结构的接缝处需要进行密封或焊接以及防水处理，内卡箍1沿环向和长轴向的外表均具有嵌入式钢挂钩，保证减振弹簧4能够与之有效连接。
所述的轴向橡胶阻尼环2的内外径分别与内卡箍1的内外径相等，轴向橡胶阻尼环2的厚度不大于其外径的50％。环向橡胶阻尼环3的外径不大于管状结构外径的3倍，环向橡胶阻尼环3的厚度不大于其外径的30％。
所述的轴向橡胶阻尼环2和环向橡胶阻尼环3的材料成分为以下材料中的一种或多种：丁基橡胶、硅橡胶、丁腈橡胶、天然橡胶。
所述的轴向橡胶阻尼环2外表和环向橡胶阻尼环3的内表均具有嵌入式钢挂钩，保证减振弹簧4能够与轴向橡胶阻尼环2有效连接；所述的减振弹簧4的无外力长度不应大于内卡箍1外径的50％。
所述的防撞垫5外形为圆形，材料为天然橡胶，厚度不大于轴向橡胶阻尼环2厚度的50％，且在无外力作用下防撞垫5与轴向橡胶阻尼环2的间隙不小于减振弹簧4长度的30％。
所述的外卡箍6由完全相同的两个半圆柱形薄壁结构组成，外卡箍6的内径与防撞垫5的外径相同，半圆柱形薄壁结构的两侧分别留有两个螺栓孔，使锁定螺栓7能够锁紧。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明中的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器可以有效降低管状结构的轴向及环向振动，部件组合合理，机理明确。
2)本发明中的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器既可以用阻尼减振，也可以用调谐质量的方法减振，综合利用了多种减振技术。
3)本发明构造较简单，所用材料成本较低，普遍适用于外露式和埋入式管状结构，不影响原有管状结构的使用功能，且可以在管状结构使用的任何阶段进行施工安装。
附图说明
图1为本发明的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器轴向剖面示意图；
图2为本发明的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器I-I环向剖面示意图；
图3为本发明的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器内部侧向示意图；
图4为本发明的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器在管道外部布置时的示意图；
图5为本发明的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器在管道外部布置时的示意图；
图中：1—内卡箍，2—轴向橡胶阻尼环，3—环向橡胶阻尼环，4—减振弹簧，5—防撞垫，6—外卡箍，7—锁定螺栓，8—管状结构，9—管道，10—动力泵，11—信号塔。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1：
如图4所示，某露天输液管道9在两个动力泵10之间的长度为50米，管道9内径为0.5米，外径为0.6米。由于中间受使用环境影响不能采取直线型管道，因此管道9振动比较复杂，基本振动频率为0.455Hz，使用时最大加速度幅值为2.11×10-2m/s2。为了降低振动幅值，采用本发明的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器。在管道9每个直段的中部布置同样规格的卡箍式阻尼器，共计三个。
首先，内卡箍1由两个完全相同的半圆柱形薄壁天然橡胶套组成，内径为0.6米，壁厚0.08米，轴长1.2米。内卡箍1沿环向和长轴向的外表均具有嵌入式钢挂钩，保证减振弹簧)能够与之有效连接。轴向橡胶阻尼环2和环向橡胶阻尼环3的材料成分为均为丁基橡胶。轴向橡胶阻尼环2有两个，其内外径均分别与内卡箍1的内外径相等，轴向橡胶阻尼环2的厚度均为0.08米。环向橡胶阻尼环3的壁厚为0.04米，外径为0.84米。轴向橡胶阻尼环2和环向橡胶阻尼环3的外表均具有嵌入式钢挂钩，保证减振弹簧4能够与之有效连接。轴向减振弹簧共计12个，自由长度为0.15米；环向减振弹簧共计8个，自由长度为0.12米。防撞垫5外形为圆形，材料为天然橡胶，厚度为0.05米。外卡箍6由完全相同的两个半圆柱形薄壁钢结构的组成，外卡箍6内径与防撞垫5外径相同。
当内卡箍1将管道9箍紧后，在两个半圆柱形薄壁结构的接缝处需要进行密封以及防水处理。然后将轴向和环向的减振弹簧4分别与轴向橡胶阻尼环2和环向橡胶阻尼环3相连，并确保轴向橡胶阻尼环2对称安装在内卡箍1两端。将防撞垫5和外卡箍6先后放入管道9外径上，用锁定螺栓7将两个半圆柱形薄壁钢结构栓紧，最后使外卡箍6完全密封。
经实体有限元数值仿真分析并结合部分实测，添加卡箍式阻尼器后，管道9的基本振动频率降为0.382Hz，最大加速度幅值降为1.58×10-2m/s2。结果表明控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器具有较明显的减振效果。
实施例2：
如图5所示，某信号塔11外径为0.66米，壁厚0.04米，高22米。该塔水平向基本振动频率为0.911Hz，在风载作用下使用时最大加速度幅值为4.34×10-2m/s2。为了降低振动幅值，采用本发明的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器。在距离信号塔11的顶端5米处布置一个卡箍式阻尼器。
首先，内卡箍1由两个完全相同的半圆柱形薄壁天然橡胶套组成，内径为0.66米，壁厚0.12米，轴长1.8米。内卡箍1沿环向和长轴向的外表均具有嵌入式钢挂钩，保证减振弹簧4能够与之有效连接。轴向橡胶阻尼环2和环向橡胶阻尼环3的材料成分为均为硅橡胶。轴向橡胶阻尼环2有两个，其内外径均分别与内卡箍1的内外径相等，轴向橡胶阻尼环2的厚度均为0.12米。环向橡胶阻尼环3的壁厚为0.07米，外径为0.9米。轴向橡胶阻尼环2和环向橡胶阻尼环3的外表均具有嵌入式钢挂钩，保证减振弹簧4能够与之有效连接。轴向减振弹簧共计15个，自由长度为0.12米；环向减振弹簧共计8个，自由长度为0.12米。防撞垫5外形为圆形，材料为天然橡胶，厚度为0.05米。外卡箍6由完全相同的两个半圆柱形薄壁钢结构的组成，外卡箍6内径与防撞垫5外径相同。
当内卡箍1将信号塔外壁箍紧后，在两个半圆柱形薄壁结构的接缝处需要进行密封以及防水处理。然后将轴向和环向的减振弹簧4分别与轴向橡胶阻尼环2和环向橡胶阻尼环3相连，并确保轴向橡胶阻尼环2对称安装在内卡箍1两端。将防撞垫5和外卡箍6先后放入信号塔11外径上，用锁定螺栓7将两个半圆柱形薄壁钢结构栓紧，最后使外卡箍6完全密封。
经实体有限元数值仿真分析并结合部分实测，添加卡箍式阻尼器后，基本振动频率降为0.875Hz，最大加速度幅值降为4.08×10-2m/s2。结果表明控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器具有较明显的减振效果。
以上为本发明的2个典型实施例，但本发明的实施不限于此。
Claims (7)
1.一种控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器，其特征在于：包括内卡箍（1）、轴向橡胶阻尼环（2）、环向橡胶阻尼环（3）、减振弹簧（4）、防撞垫（5）、外卡箍（6）、锁定螺栓（7）；在管状结构外部设置内卡箍（1），内卡箍（1）将管状结构箍紧，在内卡箍（1）的轴向设置的减振弹簧（4）与轴向橡胶阻尼环（2）相连，在内卡箍（1）的环向设置的减振弹簧（4）与环向橡胶阻尼环（3）相连，在轴向橡胶阻尼环（2）和环向橡胶阻尼环（3）外部均设置防撞垫（5），在防撞垫（5）外部设置外卡箍（6），在外卡箍（6）外端部设置锁定螺栓（7）；在管状结构振动时，布置在内卡箍（1）外面的轴向橡胶阻尼环（2）和环向橡胶阻尼环（3）利用阻尼降低结构多维动力反应，同时和减振弹簧（4）形成调谐减振器进行多维耗能；防撞垫（5）控制轴向橡胶阻尼环（2）和环向橡胶阻尼环（3）的行程；外卡箍（6）避免外部环境对阻尼环振动的干扰。
2.根据权利要求1所述的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器，其特征在于：所述的内卡箍（1）由完全相同的两个半圆柱形薄壁结构组成，材料为橡胶或钢材，其内径与管状结构的外径相同，当内卡箍（1）将管状结构箍紧后，在两个半圆柱形薄壁结构的接缝处需要进行密封以及防水处理，内卡箍（1）沿环向和长轴向的外表均具有嵌入式钢挂钩，保证减振弹簧（4）能够与之有效连接。
3.根据权利要求1所述的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器，其特征在于：所述的轴向橡胶阻尼环（2）的内外径分别与内卡箍（1）的内外径相等，轴向橡胶阻尼环（2）的厚度不大于其外径的50%；环向橡胶阻尼环（3）的外径不大于管状结构外径的3倍，环向橡胶阻尼环（3）的厚度不大于其外径的30%。
4.根据权利要求1所述的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器，其特征在于：所述的轴向橡胶阻尼环（2）和环向橡胶阻尼环（3）的材料成分为以下材料中的一种或多种：丁基橡胶、硅橡胶、丁腈橡胶、天然橡胶。
5.根据权利要求1所述的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器，其特征在于：所述的轴向橡胶阻尼环（2）的外表和环向橡胶阻尼环（3）的内表均具有嵌入式钢挂钩，保证减振弹簧（4）能够与轴向橡胶阻尼环（2）有效连接；所述的减振弹簧（4）的无外力长度不应大于内卡箍（1）外径的50%。
6.根据权利要求1所述的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器，其特征在于：所述的防撞垫（5）外形为圆形，材料为天然橡胶，厚度不大于轴向橡胶阻尼环（2）厚度的50%，且在无外力作用下防撞垫（5）与轴向橡胶阻尼环（2）的间隙不小于减振弹簧（4）长度的30%。
7.根据权利要求1所述的控制管状结构多维振动的卡箍式阻尼器，其特征在于：所述的外卡箍（6）由完全相同的两个半圆柱形薄壁结构组成，外卡箍（6）的内径与防撞垫（5）的外径相同，半圆柱形薄壁结构的两侧分别留有两个螺栓孔，使锁定螺栓（7）能够锁紧。
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