CN104894970A - 一种斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器及阻尼产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器及阻尼产生方法，涉及斜拉索振动控制技术领域。该阻尼器包括连接杆、底座、面外位移传递装置和阻尼产生装置，面外位移传递装置固定于连接杆的下端，阻尼产生装置设于面外位移传递装置的两侧且与底座固定连接；面外位移传递装置包括一系传动装置和二系传动装置，一系传动装置包括一系主动齿轮和啮合于一系主动齿轮下方的一系从动齿轮，二系传动装置包括二系主动齿轮和啮合于二系主动齿轮上方的二系从动齿轮，二系从动齿轮内部固定有阻尼轴，二系主动齿轮内部固定有传动轴，面外位移传递装置通过阻尼轴、传动轴与阻尼产生装置连接。本发明不但能有效增强面外减振效果，而且耐久性好。

Description

一种斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器及阻尼产生方法

技术领域

本发明涉及斜拉索振动控制技术领域，具体来讲是一种斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器及阻尼产生方法。

背景技术

斜拉桥结构是大跨度桥梁的首选桥型之一，斜拉索作为斜拉桥的主要受力构件，其重要性显而易见。而斜拉索的长细比大、初始阻尼小，在外界风荷载作用下容易发生振动，久而久之会造成斜拉索的疲劳损伤。当来流风沿横桥向时，斜拉索主要发生面内振动，当来流风沿顺桥向时，斜拉索主要发生面外振动。从工程实践来看，早期内河斜拉桥多发生斜拉索的面内振动，振动控制措施也以面内控制为主；而随着跨海大桥的建设，在多座跨海大桥上发现了斜拉索发生面内振动的同时发生了面外振动，而安装一般的阻尼器后，面外振动仍未得到有效的抑制。

目前，在斜拉索的阻尼器振动控制实践中，要么不考虑面外振动控制，要么以面内控制为主、面外控制为辅，面外控制效果均不理想。例如，公开号为CN203487458U的“斜拉索外置式阻尼减振装置”专利，每根斜拉索上安装2个阻尼器，阻尼器呈一定夹角，可以在控制斜拉索面内振动的同时，对斜拉索的面外振动有一定的控制效果。但该阻尼器的缺点在于：阻尼器支架的面外刚度较弱，随着阻尼器安装高度的提高，斜拉索发生面外振动时，固定阻尼器的支架顶部由于弯曲变形导致阻尼器位移损失较大，削弱了减振效果；且所采用的油阻尼器加工精度要求高，容易发生漏油问题，且阻尼系数不易调节。又如公开号为CN203238543U的“带阻尼器的斜拉索防振装置”，通过在常规粘性剪切型阻尼器上增设了一种传递振动响应的转向机构，保证安装高度的同时，避免了阻尼器主体与风障发生冲突。但该阻尼器的缺点在于：高分子粘性料的温度稳定性差，随着温度的变化，阻尼系数变化较大，还会发生漏料问题；同时，面外位移传递体系的刚度较弱且悬臂长度大，导致面外位移损失较多，影响面外减振效果。

因此，如何减小位移损失，增强面外减振效果，提高阻尼器的耐久性是斜拉索振动控制研究中亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器及阻尼产生方法，不但能有效增强面外减振效果，而且耐久性好。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：提供一种斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器，包括用于连接斜拉索的连接杆、用于与桥面固定的底座，连接杆的下端设有面外位移传递装置，所述面外位移传递装置的两侧设有阻尼产生装置；

所述面外位移传递装置包括两组相对设置的一系传动装置和设于两组一系传动装置之间的二系传动装置，每组一系传动装置包括一系主动齿轮和一系从动齿轮，一系主动齿轮固定设置于连接杆的下端，且与一系从动齿轮啮合；所述二系传动装置包括二系主动齿轮和啮合于二系主动齿轮上方的二系从动齿轮，二系从动齿轮内部固定有阻尼轴，二系主动齿轮内部固定有传动轴；

所述阻尼产生装置包括支架和对称设于支架两侧的导体盘，所述支架的上端通过杠杆轴与连接杆活动连接，下端固定于底座，且支架内嵌有多个永磁铁，所述永磁铁与两导体盘对应设置；

其中，所述阻尼轴由二系从动齿轮向外依次穿过一系主动齿轮、一个导体盘、支架及另一个导体盘，且两个导体盘与阻尼轴固定连接，支架与阻尼轴活动连接；所述传动轴由二系主动齿轮向外依次穿过一系从动齿轮及支架，且一系从动齿轮与传动轴固定连接，支架与传动轴活动连接。

在上述技术方案的基础上，所述一系主动齿轮的半径大于一系从动齿轮的半径；所述二系主动齿轮的半径大于二系从动齿轮的半径。

在上述技术方案的基础上，所述一系主动齿轮内供阻尼轴穿过的通孔为腰圆形。

在上述技术方案的基础上，所述电涡流阻尼器还包括索夹，所述索夹与连接杆的上端活动连接。

在上述技术方案的基础上，所述杠杆轴与支架之间、阻尼轴与支架之间、传动轴与支架之间均通过轴承连接。

在上述技术方案的基础上，所述支架开设有多个预留孔，所述预留孔邻近导体盘的边缘且呈环向设置，每个预留孔内嵌有一个永磁铁。

在上述技术方案的基础上，所述永磁铁按照磁极交替变化的规则设置。

在上述技术方案的基础上，所述导体盘的材质为铝合金；所述永磁铁的材质为汝铁硼永磁铁。

本发明还提供一种基于所述电涡流阻尼器的阻尼产生方法，包括如下步骤：将所述连接杆连接于斜拉索，并将所述底座固定于桥面；当斜拉索发生面外振动时，连接杆带动一系主动齿轮以杠杆轴为中心转动，使一系主动齿轮和一系从动齿轮发生啮合转动，从而带动传动轴转动，所述传动轴带动二系主动齿轮转动，使二系主动齿轮和二系从动齿轮发生啮合转动，从而带动阻尼轴转动，所述阻尼轴带动导体盘在永磁铁形成的环向交变磁场中发生转动，由此产生电涡流阻尼以耗散斜拉索的面外振动能量。

在上述技术方案的基础上，所述一系主动齿轮的半径大于一系从动齿轮的半径；所述二系主动齿轮的半径大于二系从动齿轮的半径。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中，面外位移传递装置由一系传动装置和二系传动装置组成，形成了两系的位移传递，能将斜拉索的面外振动位移有效的转化为导体盘在永磁铁形成的环向交变磁场中的旋转运动，由此产生电涡流阻尼以耗散斜拉索的面外振动能量，达到有效增强面外减振效果的目的。

2、本发明中，由于一系传动装置和二系传动装置所形成的两系的位移传递具有放大作用，可以使传递至阻尼产生装置的位移放大，令阻尼产生装置处的位移大于斜拉索的面外振动位移，解决了阻尼消耗位移过小的问题，使得阻尼耗能更加充分。

3、本发明中，支架的上端通过杠杆轴与连接杆连接，当斜拉索发生面外振动时，连接杆带动一系主动齿轮以杠杆轴为中心转动，该杠杆轴的设置减小了连接杆的自由悬臂长度，降低了由于连接杆的弯曲变形引起的位移损失问题。

4、本发明中，一系主动齿轮内供阻尼轴穿过的通孔为腰圆形，该腰圆形的通孔使得连接杆带动一系主动齿轮转动时，不会与阻尼轴发生干涉，从而保证了面外减振效果。

5、本发明中，每块永磁铁可以为两个导体盘提供交变磁场，不但减振效果好，而且结构简单、生产成本低。

6、本发明中，阻尼器采用电涡流阻尼减振方式，不存在液体泄漏的问题，温度稳定性和安全性好，适合在实际桥梁工程中使用；且阻尼器主要采用金属材料制成，耐久性可做到与桥梁主结构同寿命，优于非金属材料的硅油和高分子粘性料。

附图说明

图1为本发明实施例中电涡流阻尼器的结构示意图；

图2为图1除去索夹、斜拉索后沿A-A线的剖视图；

图3为图1除去索夹、斜拉索后沿B-B线的剖视图；

图4为永磁铁的布置示意图；

图5为两系位移传递的位移放大原理图。

附图标记：

1-连接杆；2-底座；3-面外位移传递装置，3a-一系主动齿轮，3b-一系从动齿轮，3c-二系主动齿轮，3d-二系从动齿轮；4-阻尼产生装置，4a-支架，4b-导体盘，4c-永磁铁；5-杠杆轴；6-阻尼轴；7-传动轴；8-通孔；9-预留孔；10-索夹；11-斜拉索。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器，包括连接杆1、底座2、面外位移传递装置3、阻尼产生装置4和索夹10，所述索夹10通过轴承与连接杆1的上端活动连接，连接杆1通过该索夹10与斜拉索11连接，所述底座2固定于桥面，所述面外位移传递装置3设于连接杆1的下端，所述阻尼产生装置4设于面外位移传递装置3的两侧。

参见图1至图3所示，所述面外位移传递装置3包括两组相对设置的一系传动装置和设于两组一系传动装置之间的二系传动装置，每组一系传动装置包括一系主动齿轮3a和一系从动齿轮3b，一系主动齿轮3a固定设置于连接杆1的下端，且与一系从动齿轮3b啮合；二系传动装置包括二系主动齿轮3c和啮合于二系主动齿轮3c上方的二系从动齿轮3d，且二系从动齿轮3d内部固定有阻尼轴6，二系主动齿轮3c内部固定有传动轴7。

参见图1和图4所示，所述阻尼产生装置4包括支架4a和对称设于支架4a两侧的导体盘4b，所述支架4a的上端通过杠杆轴5与连接杆1活动连接，下端固定于底座2，且支架4a内嵌有多个永磁铁4c，所述永磁铁4c与两导体盘4b对应设置，用于为两个导体盘4b提供交变磁场。本实施例中，导体盘4b的材质优选为铝合金，永磁铁4c的材质优选为汝铁硼永磁铁；另外，为了方便安装永磁铁4c，并使每块永磁铁4c可以为两个导体盘4b提供交变磁场，在支架4a上开设有多个预留孔9，该预留孔9邻近导体盘4b的边缘且呈环向设置，每个预留孔9内嵌有一个永磁铁4c，所嵌入的永磁铁4c按照磁极交替变化的规则设置，且永磁铁4c的表面与支架4a的表面平齐。

其中，参见图1所示，所述阻尼轴6由二系从动齿轮3d向外依次穿过一系主动齿轮3a、一个导体盘4b、支架4a及另一个导体盘4b，且两个导体盘4b与阻尼轴6固定连接，支架4a与阻尼轴6活动连接；所述传动轴7由二系主动齿轮3c向外依次穿过一系从动齿轮3b及支架4a，且一系从动齿轮3b与传动轴7固定连接，支架4a与传动轴7活动连接。本实施例中，一系主动齿轮3a内供阻尼轴6穿过的通孔8为腰圆形，该腰圆形的通孔8能避免一系主动齿轮3a在转动时与阻尼轴6发生干涉。另外，所述杠杆轴5、阻尼轴6、传动轴7均通过轴承与支架4a活动连接；且两个导体盘4b与阻尼轴6之间、一系从动齿轮3b与传动轴7之间均通过平键固定连接。

参见图5所示，两系位移传递的位移放大原理如下：图中，L₀为斜拉索11中心到杠杆轴5中心的距离(即连接杆的自由悬臂长度)，R₁为一系主动齿轮3a的半径，R′₁为一系从动齿轮3b的半径，R₂为二系主动齿轮3c的半径，R′₂为二系从动齿轮3d的半径。则，当斜拉索11面外振动速度为v₀时，传递至阻尼轴6上导体盘4b的角速度ω₂为：

${\mathrm{\ω}}_2=v_0\·\frac{1}{L_0}\·\frac{R_1}{R_2^{\′}}\·\frac{R_2}{R_2^{\′}}=n_1\·n_2\·\frac{v_0}{L_0}$

其中，为一系传动装置放大系数，为二系传动装置放大系数，v₀/L₀是斜拉索11绕杠杆轴5转动的角速度。根据上述公式可知，通过两系传动装置的传动，导体盘4b的转动角速度ω₂放大为原来的n₁·n₂倍，当n₁·n₂＞1时，即实现了面外振动位移的放大，解决了以往斜拉索11面外振动位移传递至阻尼产生装置4处时减小的问题。因此，只需保证一系主动齿轮3a的半径大于一系从动齿轮3b的半径，二系主动齿轮3c的半径大于二系从动齿轮3d的半径，即可达到放大面外振动位移的效果。

另外，由于电涡流阻尼器的转动阻尼系数为C_r(C_r与斜拉索11的振动响应无关)，则电涡流在阻尼轴6上产生的阻尼力矩T₂为：

T₂＝C_r·ω₂

传递至斜拉索11处的线性阻尼力F₀为：

$F_0=C_r\·{\mathrm{\ω}}_2\·\frac{R_2}{R_2^{\′}}\·\frac{R_1}{R_2^{\′}}\·\frac{1}{L_0}=C_r\·{\left(\frac{R_2}{R_2^{\′}}\right)}^2\·{\left(\frac{R_1}{R_1^{\′}}\right)}^2\·{\left(\frac{1}{L_0}\right)}^2\·v_0$

则斜拉索11处的等效线性阻尼系数C₀

$C_0=C_r\·{\left(\frac{R_2}{R_2^{\′}}\right)}^2\·{\left(\frac{R_1}{R_1^{\′}}\right)}^2\·{\left(\frac{1}{L_0}\right)}^2=n_1^2\·n_2^2\·\frac{1}{L_0^2}\·C_r$

通过上式可以看出等效线性阻尼系数与齿轮放大倍数的平方成正比，与斜拉索11中心线至杠杆轴6的距离L₀的平方成反比，即连接杆的自由悬臂长度L₀越小越好。

然而，常见的成角度分布的油阻尼器、VSD阻尼器，其面外减振效果很大程度上受支腿的横向变形影响，支腿上端连接阻尼器、下端固定于桥面上，其受力类型为悬臂梁，随着安装高度的增加，该悬臂长度L增加导致支腿的横向变形过大，面外振动控制效果折减严重。而本发明中，杠杆轴的设置使连接杆的悬臂长度变为L₀，一般对于大桥而言，可以是L₀＝2/3·L，根据悬臂梁的挠度公式可知，最大挠度与悬臂长度的3次方成正比，则使用相同材料和截面的前提下，本发明的最大挠度为常规阻尼器变形的8/27，有效保证了阻尼器的减振效果。

本发明斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器的阻尼产生方法如下：将所述连接杆1连接于斜拉索11，并将所述底座2固定于桥面；当斜拉索11发生面外振动时，连接杆1带动一系主动齿轮3a以杠杆轴5为中心转动，使一系主动齿轮3a和一系从动齿轮3b发生啮合转动，从而带动传动轴7转动，所述传动轴7带动二系主动齿轮3c转动，使二系主动齿轮3c和二系从动齿轮3d发生啮合转动，从而带动阻尼轴6转动，所述阻尼轴6带动导体盘4b在永磁铁4c形成的环向交变磁场中发生转动，由此产生电涡流阻尼以耗散斜拉索11的面外振动能量。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型属在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器，包括用于连接斜拉索(11)的连接杆(1)、用于与桥面固定的底座(2)，其特征在于：连接杆(1)的下端设有面外位移传递装置(3)，所述面外位移传递装置(3)的两侧设有阻尼产生装置(4)；

所述面外位移传递装置(3)包括两组相对设置的一系传动装置和设于两组一系传动装置之间的二系传动装置，每组一系传动装置包括一系主动齿轮(3a)和一系从动齿轮(3b)，一系主动齿轮(3a)固定设置于连接杆(1)的下端，且与一系从动齿轮(3b)啮合；

所述二系传动装置包括二系主动齿轮(3c)和啮合于二系主动齿轮(3c)上方的二系从动齿轮(3d)，二系从动齿轮(3d)内部固定有阻尼轴(6)，二系主动齿轮(3c)内部固定有传动轴(7)；

所述阻尼产生装置(4)包括支架(4a)和对称设于支架(4a)两侧的导体盘(4b)，所述支架(4a)的上端通过杠杆轴(5)与连接杆(1)活动连接，下端固定于底座(2)，且支架(4a)内嵌有多个永磁铁(4c)，所述永磁铁(4c)与两导体盘(4b)对应设置；

其中，所述阻尼轴(6)由二系从动齿轮(3d)向外依次穿过一系主动齿轮(3a)、一个导体盘(4b)、支架(4a)及另一个导体盘(4b)，且两个导体盘(4b)与阻尼轴(6)固定连接，支架(4a)与阻尼轴(6)活动连接；所述传动轴(7)由二系主动齿轮(3c)向外依次穿过一系从动齿轮(3b)及支架(4a)，且一系从动齿轮(3b)与传动轴(7)固定连接，支架(4a)与传动轴(7)活动连接。

2.如权利要求1所述的斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器，其特征在于：所述一系主动齿轮(3a)的半径大于一系从动齿轮(3b)的半径；所述二系主动齿轮(3c)的半径大于二系从动齿轮(3d)的半径。

3.如权利要求1所述的斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器，其特征在于：所述一系主动齿轮(3a)内供阻尼轴(6)穿过的通孔(8)为腰圆形。

4.如权利要求1所述的斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器，其特征在于：所述电涡流阻尼器还包括索夹(10)，所述索夹(10)与连接杆(1)的上端活动连接。

5.如权利要求1所述的斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器，其特征在于：所述杠杆轴(5)与支架(4a)之间、阻尼轴(6)与支架(4a)之间、传动轴(7)与支架(4a)之间均通过轴承连接。

6.如权利要求1所述的斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器，其特征在于：所述支架(4a)开设有多个预留孔(9)，所述预留孔(9)邻近导体盘(4b)的边缘且呈环向设置，每个预留孔(9)内嵌有一个永磁铁(4c)。

7.如权利要求6所述的斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器，其特征在于：所述永磁铁(4c)按照磁极交替变化的规则设置。

8.如权利要求1至7中任一项所述的斜拉索面外振动控制的电涡流阻尼器，其特征在于：所述导体盘(4b)的材质为铝合金；所述永磁铁(4c)的材质为汝铁硼永磁铁。

9.一种基于权利要求1所述的电涡流阻尼器的阻尼产生方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述连接杆(1)连接于斜拉索(11)，并将所述底座(2)固定于桥面；当斜拉索(11)发生面外振动时，连接杆(1)带动一系主动齿轮(3a)以杠杆轴(5)为中心转动，使一系主动齿轮(3a)和一系从动齿轮(3b)发生啮合转动，从而带动传动轴(7)转动，所述传动轴(7)带动二系主动齿轮(3c)转动，使二系主动齿轮(3c)和二系从动齿轮(3d)发生啮合转动，从而带动阻尼轴(6)转动，所述阻尼轴(6)带动导体盘(4b)在永磁铁(4c)形成的环向交变磁场中发生转动，由此产生电涡流阻尼以耗散斜拉索(11)的面外振动能量。

10.如权利要求9所述的阻尼产生方法，其特征在于：所述一系主动齿轮(3a)的半径大于一系从动齿轮(3b)的半径；所述二系主动齿轮(3c)的半径大于二系从动齿轮(3d)的半径。