CN105156586A - 一种电力设施用阻尼隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力设施用阻尼隔振器，该隔振器包括水平方向同轴平行设置的顶板、中间板、底板，每两个相邻板间均设置有支座和限位件。该隔振器设有垂直方向的限位装置，限制叠层支座的拉伸位移，避免支座发生超过其最大拉伸极限的拉伸距离而受到拉伸破坏，延长隔振器的使用寿命。

Description

一种电力设施用阻尼隔振器

技术领域

本发明涉及一种隔震装置，具体讲涉及一种电力设施用阻尼隔振器。

背景技术

地震多发地区的电力设施不仅需要具有良好的工艺布置，且需要具有良好的抗震性能。电力设施设置减震器，可有效提高电力设施的抗震性能。

将结构与地基隔离的隔震装置包括隔振器和耗能阻尼器。隔振器具有承受上部结构传递的载荷和抵抗刚度的能力。隔振器的水平刚度越小，上部结构与基础间的相对位移越大，而层间的加速度反应与隔震层位移的关系则相反。

目前，广泛采用的隔振器为叠层支座，由薄橡胶片和薄钢板交替叠合而成。支座受压时，钢板对橡胶片横向变形产生约束，使其变形很小，具有很大的竖向刚度；叠层支座在受拉而延伸时，薄橡胶片和薄钢板的接触面容易发生撕裂，从而导致隔振器失效。

发明内容

为克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种电力设施用阻尼隔振器，隔振器包括水平方向同轴平行设置的顶板、中间板、底板、相邻的两板间设置的支座和限位件，该隔振器设有垂直方向的限位装置，限制叠层支座的拉伸位移，避免支座发生超过其最大拉伸极限的拉伸距离而受到拉伸破坏，延长隔振器的使用寿命。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：

一种电力设施用阻尼隔振器，隔振器包括水平方向同轴平行设置的顶板、中间板、底板，每两个相邻板间均设置有支座和限位件。

优选的，支座包括圆柱形铅合金芯和包覆的橡胶片和薄钢板交替设置的复合层。

优选的，限位件包括分别对应设置于相邻两板上表面和下表面垂直相交的倒U形下限位块和U形上限位块，限位件设于支座内侧。

限位块由钢板焊接制得。

优选的，顶板、中间板、底板采用边长对应相等的方形钢板，设置在每两个相邻板间的支座数量为四。

优选的，连接每两个相邻板间的支座中心构成正方形，正方形与顶板、中间板、底板同轴设置；支座轴线与板的交点距该板的最近顶点的距离为板对角线长度的1/10～1/5。

优选的，底板焊接有固定件，固定件与基础通过连接件固接，顶板设有与电力设备连接的连接件，连接件为螺栓。

顶板、中间板、底板与支座通过连接件连接，连接件为沉头螺钉。

优选的，限位件通过连接件与底板和顶板固接，限位件与中间板焊接连接。

优选的，铅合金芯由下述质量百分比计的组分制成：铝0.05～0.15％,锑0％～3％，钙0％～5％，锶0％～2％，余量为铅和不可避免的杂质。

优选的，铅合金芯由下述质量百分比计的组分制成：铝0.05～0.15％,锑2％～3％，钙0.1％～5％，锶1％～2％，余量为铅和不可避免的杂质。

优选的，铅合金芯由下述质量百分比计的组分制成：铝0.05～0.15％,锑2％～3％，钙3％～5％，锶1％～2％，余量为铅和不可避免的杂质。

优选的，上限位块下表面与下限位块上表面间距小于支座最小失效伸长量。

优选的，底板、中间板、顶板和限位件进行表面除锈镀锌处理。

将结构(振动源)与基础隔离，从而减小结构振动对于基础的影响。

支座受拉延伸时，橡胶和钢板的接触面易发生撕裂使支座失效，上下限位块的间距小于支座失效时的伸长量的最小值，当支座受拉所产生伸长量等于上下限位块间距时，上限位块与下限位块的顶部相接触，限制了支座的进一步拉伸，从而达到保护支座的作用。

与最接近的现有技术比，本发明的有益效果包括：

1.本发明中的橡胶阻尼隔振器，采用多层橡胶阻尼隔震支座叠加成并联式结构，减小隔振器整体的水平刚度，地基与上部结构间的相对位移增加，显著提高隔振器的耗能能力。

2.本发明中的橡胶阻尼隔振器，支座采用多层橡胶和钢板叠加结构，支座受压时，钢板对橡胶片横向变形产生约束，使其变形很小，具有很大的竖向刚度，多层橡胶受压时的弹性模量比橡胶本身的弹性模量大得多，中间加入的合金棒可以提高阻尼，支座既具有弹性又具有高阻尼。

3.本发明中的橡胶阻尼隔振器，阻尼器采用新的合金材料,铅合金强度大、硬度大，延展性与纯铅棒相近，采用铅合金棒的耗能效果明显。

4.本发明中的橡胶阻尼隔振器，节约原料，降低成本，节能，环保。

5.本发明中的橡胶阻尼隔振器，结构简单，制作简单，制造成本低，易于安装和维护。

6.本发明中的橡胶阻尼隔振器，设有垂直方向的限位装置，限制叠层支座的拉伸位移，避免支座发生超过其最大拉伸极限的拉伸距离而受到拉伸破坏，延长隔振器的使用寿命。

附图说明

图1是隔振器的主视图；

图2是隔振器立体图；

图3是限位装置的立体图；

图4是铅合金的工程应力-应变曲线；

图5是纯铅的晶相图；

图6是Al含量为0.05％的铅合金的晶相图；

图7是Al含量为0.10％的铅合金的晶相图；

图8是Al含量为0.15％的铅合金的晶相图；

其中(1)底板,(2)支座,(3)中间板,(4)顶板，(5)下限位块，(6)上限位块。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细的说明。

实施例1：

如图1所示，一种电力设施用阻尼隔振器，隔振器包括水平方向同轴平行设置的顶板4、中间板3、底板1，每两个相邻板间均设置有支座2和限位件。

优选的，支座2包括圆柱形铅合金芯和包覆的橡胶片和薄钢板交替设置的复合层。

优选的，限位件包括分别对应设置于相邻两板上表面和下表面垂直相交的倒U形下限位块5和U形上限位块6，限位件设于支座2内侧。

限位块由钢板焊接制得。

优选的，顶板4、中间板3、底板1采用边长对应相等的方形钢板，设置在每两个相邻板间的支座2数量为四。

优选的，连接每两个相邻板间的支座2中心构成正方形，正方形与顶板4、中间板3、底板1同轴设置；支座2轴线与板的交点距该板的最近顶点的距离为板对角线长度的1/10。

优选的，底板1焊接有固定件，固定件与基础通过连接件固接，顶板4设有与电力设备连接的连接件，连接件为螺栓。

顶板4、中间板3、底板1与支座2通过连接件连接，连接件为沉头螺钉。

铅合金芯由下述质量百分比计的组分制成：铝0.05％,余量为铅和不可避免的杂质。

上限位块66下表面与下限位块55上表面间距小于支座22最小失效伸长量。

底板11、中间板33、顶板44和限位块进行表面除锈镀锌处理。

将结构(振动源)与基础隔离，从而减小结构振动对于基础的影响。

当支座22受拉所产生伸长量等于上下限位块55间距时，上限位块66与下限位块55的顶部相接触，限制了支座22的进一步拉伸，从而达到保护支座22的作用。

实施例2：

结构与实施例1一致，铅合金芯由下述质量百分比计的组分制成：铝0.10％,锑2％，钙0.1，锶1％，余量为铅和不可避免的杂质。

连接支座22中心构成正方形，正方形中心位于板的轴线上；支座22轴线与板的交点距该板的最近顶点的距离为板对角线长度的1/5。

实施例3：

结构与实施例1一致，铅合金芯由下述质量百分比计的组分制成：铝0.15％,锑2％，钙3％，锶1％，余量为铅和不可避免的杂质。

连接支座22中心构成正方形，正方形中心位于板的轴线上；支座22轴线与板的交点距该板的最近顶点的距离为板对角线长度的1/9。

实施例4：

结构与实施例1一致，铅合金芯由下述质量百分比计的组分制成：铝0.05％,锑3％，钙5％，锶2％，余量为铅和不可避免的杂质。

连接支座22中心构成正方形，正方形中心位于板的轴线上；支座22轴线与板的交点距该板的最近顶点的距离为板对角线长度的1/7。

时效强化是许多合金的强化途径—合金在放置过程中由于固溶体发生分解，进而析出细小弥散的第二相并发生强化现象。时效强化效应能长久保持的铅合金中。

锑加入铅中对合金强度和硬度的影响很明显。在加入量低于共晶成分的情况下，强化效应随锑含量增加而逐渐增大，大约在共晶时成分达强化峰值。随后，在Sb含量进一步增加时，强度大小又逐渐降低。

Pb-Ca合金具有非常明显的时效强化效应。在含钙量约0.lwt.％时，不论是铸态合金还是进行热处理的合金均可达强度及硬度的最大值。

金属铝(Al)具有质量轻、强度高等优点，其机械、物理、电化学性能正好与Pb相反，且极具互补性；另外，Al元素价格便宜，获取容易，熔点约为660℃，与铅相差不大，易于冶炼，适合做铅强化元素。如果采用Al和Pb制备出合金材料，利用金属间极大的互补性，有望提降低内阻，提高强度，使减震器用铅基材料的综合性能得到全面的提升。

铅合金中由于各组元间存在复杂的物理和化学作用，因而合金中会出现众多成分、结构各异的合金相。根据形成条件、结构特点和相图中的位置，固态铅合金中的相可分为两大类，即固溶体与金属间化合物(中间相)。

固溶体通常是指以某一纯金属组元为基体(溶剂)，其他组元溶入其中所形成的均匀固相，溶入的这些组元又称溶质。固溶体的晶格结构与溶剂元素相同，由于溶入了溶质原子，可能导致晶格畸变及晶格常数的变化。

在一定条件下(温度、压力)，溶质组元在固溶体内的浓度只能在一个有限度的范围内变化，超过这个限度后，即不能再溶解，这个限度较固溶极限，或者称为固溶度。具有固溶极限的固溶体较有限固溶体。若溶质组元可以以任何比例溶入溶剂时，所形成的固溶体称为无限固溶体或者连续固溶体。铅合金的固溶体均为有限固溶体。

铅合金中的固溶体相主要为α相—Pb，及其他组元所形成的端际固溶体。以纯铅为基体的固溶体，为大多数铅合金的基体相是α相。该相具有与纯铅相同的面心立方晶格。不同元素在铅中的固溶度不同，与铅的熔体温度下形成混溶间隙的元素，碱金属及碱土金属以及使相图中液相线由铅侧陡直上升的元素在铅中的固溶度一般均很低。

影响铅固溶体(α相)的浓度因素有：

(1)原子尺寸差：若原子半径差不大于14％～15％时，则两组元之间可形成范围宽广的固溶体。铅的原子半径(按配位数12计)为0.175nm。

(2)电负性，电负性△x<0.4～0.5时对形成固溶体有利，电负性增大则更有利于形成化合物。铅的电负性为1.5。

除上述两个因素外，晶体结构的差异和价电子浓度等均对铅中固溶度的大小产生影响。

从铅铝二元合金相图可以看出，常温下铝在铅中的固溶度低于0.1％wt，而铝本身对铅的力学性能的影响微弱，因此比较适合用作对铅合金力学性能微调的元素。

表1金属铝、铅的性能比较

晶体结构

熔点℃

密度g/cm3

比热cal/g/℃

弹性模量GPa

电阻率Ω·m

硬度

铝

面心立方

660

2.71

0.215

66.6

2.9×10-8

34BHV

铅

面心立方

327.4

11.4

0.031

16.46

2.08×10-7

4HV

表2铅合金力学性能

铅合金的强度增强，含有0.05％-0.15％wt的Al元素的铅合金，强度分别提高了31％、13％和21％。

图4是铅合金的工程应力-应变曲线，从Ⅰ区可以看出，铅和铅合金均无明显的屈服平台，拉伸过程初期存在弹性变形和塑性变形，在达到最大载荷以后，载荷开始明显降低(如Ⅱ区所示)，这种现象与拉伸过程中金属发生“径缩”现象有关；Ⅱ区强度迅速下降是由于铅合金在0℃以上有回复再结晶现象发生，塑性变形过程中位错的产生和消失是同时进行的，因此形变对铅合金的强化效果不明显；下降到一定程度后，由于拉伸过程中晶粒被拉长变形和回复再结晶现象导致的晶粒细化，使拉伸载荷出现了突然的上升现象，如Ⅲ所示；当强度持续上升一定程度后，由于“径缩”现象使载荷进一步下降直至断裂。

四种不同成分的铅合金断面收缩率均为100％，说明室温下该成分范围内的铅合金具有较好的塑性变形能力。

晶相分析：

用线切割切取不同成分铅合金试样，为了防止加热对铅合金显微组织的影响，采用冷镶嵌法制备金相试样，经600#和800#砂纸打磨后，用天鹅绒抛光布抛光，金相腐蚀液采用比列为4(甘油):1(冰醋酸):1(双氧水)进行侵蚀，利用光学显微镜和扫描电镜对显微组织形貌和析出相进行500倍放大观察。

铅经室温锻压后，显微组织主要为单一孪晶组成；添加0.05％的Al时，显微组织有向等轴晶粒转化趋势；当Al含量至0.10％和0.15％时，铅合金的个别晶粒出现爆发式增长趋势，二次再结晶。当Al含量大于0.1％时，晶粒内部有明显的析出相沉淀，能谱分析该析出相为富Al相，当Al含量为0.15％时析出相比较均匀。

铅合金的回复温度约为-130℃～-100℃，再结晶温度-40～-10℃，室温下铅合金可发生再结晶。细小弥散的析出相在初期对晶粒的长大起抑制作用。随着析出相的粗化，对晶粒长大的抑制作用逐渐降低，阻碍因素消除，少数特殊晶界将迅速迁移，导致个别晶粒突发性迅速粗化，发生二次再结晶。二次再结晶产生混晶，最终致使强度产生明显下降。

Al过量时(>0.10％wt时)，会有富Al的析出相产生，析出相粒子初期对晶粒长大起抑制作用，但是随着颗粒尺寸的增大，抑制作用降低，导致“二次再结晶”现象的发生，使基体组织产生混晶现象，反而会降低铅合金的强度和冲击韧性。

合金中溶质的半径与溶剂的原子半径或原子间隙相比特别小的情况下易于形成间隙固溶体，即添加的原子愈小，易形成固溶体。铝的原子半径为0.143nm，纯Pb的晶格常数为0.4949nm，最小原子间距为0.3499nm，为铝原子半径的2～3倍。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。所以Al元素在Pb中是以间隙固溶体的形式存在的，而间隙固溶体的形成常有助于晶体的硬度、熔点和强度的提升。从Pb-Al合金相图分析，在一定范围内，随着Al含量的增加，Pb-Al合金的熔点时逐渐升高的，如添加微量的Al元素(0～0.1％wt范围内)后，合金的熔点自327℃升高至327.502℃，也说明了Al在铅中是以间隙固溶体的形式存在的。

溶质Al在溶剂Pb中是以间隙固溶体的形式存在的，合金元素Al对铅合金强化的效应主要体现在固溶强化方面。

冲击韧性(耐冻融)分析

表3铅合金冲击功

添加Al元素以后，能够提高Pb-Al合金的低温冲击韧性。

影响冲击韧性的因素主要有晶粒尺寸、显微组织、宏观纤维流向等，晶粒尺寸为主要影响因素。金属材料的晶粒细小，冲击功较高，反之则降低。铅及其合金的再结晶温度在零度以下，在铅合金再结晶温度临界点以上，铅合金的晶粒有随着温度的升高而逐渐长大的趋势，粗大晶粒会导致冲击功的降低，因此在试验中测出的冲击功会随着温度的升高而降低。

在相同温度下，铅合金的冲击功随着Al含量的增加呈现出现先升高，后降低的趋势。除铅合金(0.10Al％)在20℃冲击功比纯铅略低外，添加Al元素以后铅合金(0.05Al％)和铅合金(0.15Al％)合金在不同温度下的冲击功均比相同条件下纯铅高。

铅合金不存在低温脆化现象，具有较好的低温稳定性。和纯铅相比，添加Al元素以后，铅铝合金的冲击功有所提高，当添加Al含量为0.05％wt时，具有最高的冲击功，适合用作隔振器填充材料。

耐久性能分析(盐雾试验)

观察不同阶段试样的腐蚀情况，每隔一段时间，开箱检验一次，并对试样进行目测和拍照，收集腐蚀过程信息。随着产物膜的增厚，延长观察间隔。

开始后光亮的表面上逐渐生成一层暗灰色的氧化膜。在最初的2h、4h、6h、8h内，产物膜生长速度较快，随着时间的延长，被腐蚀面逐渐变暗淡。在随后的24h、48h、72h和最后的96h，产物膜也在不断增厚，但是颜色变化较前期慢，说明前期生成的产物膜能够阻止腐蚀液对基体的进一步侵蚀。

96h试验结束后取出试样，除掉试样背面和边缘的保护膜，为减少腐蚀产物的脱落，试样在清洗前放在室内自然干燥0.5～1h，然后用温度不高于40℃的清洁流动水轻轻清洗以除去试样表面残留的盐雾溶液，再立即用吹风机吹干。用l：l(体积比)的盐酸溶液(ρ20＝1.18g/mL)，其中加入3.5g/L的六次甲基四胺缓蚀剂，浸泡试样除去腐蚀产物，然后在室温中用水清洗试样，再用丙酮清洗，干燥后称重。试样称重精确到1mg，计算质量损失(g/m²)。

96h腐蚀试验后，纯铅的平均质量损失为0.0125g/m²，比铅合金(0.05Al％)、铅合金(0.10Al％)和铅合金(0.15Al％)分别多0.00685g/m²、0.00825g/m²、0.005g/m²，添加铝元素后，铅合金的耐腐蚀性能得到了明显的提高。

表4铅及铅合金盐雾试验后的质量损失

Al是活泼金属，但在空气中铝的表面能立即形成一层厚约50埃的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水。金属Pb虽然为惰性金属，但是在含有离子的水中容易被离子腐蚀。自然界中的雨水多为微弱的酸性，含有很少量的正、负离子，在这种情况下铝的耐腐蚀性能优于铅。Al在Pb中的溶解度很小，在铅基合金的凝固过程中Al有向Pb晶界偏析的倾向，Al的微量偏析将Pb包裹，阻碍了离子和Pb的接触，抑制了Pb腐蚀，起到了一定的保护作用。

为了防止冶炼过程中合金元素的高温氧化并避免液态铅的挥发对环境的污染，选择使用真空感应炉进行合金的冶炼。

冶炼后的合金在保护气氛下进行浇铸(保护气氛为氩气：Ar)。为了防止合金元素铝的重力偏析以及沿晶界偏析生成金属间化合物，在浇铸过程中使用水进行加速冷却，将盛有金属液体的模具置于水中，进行强冷，使铅铝合金以较快的速度从液态凝固成固体。

铅铝合金的熔点略高于纯铅的熔点，约为327.5℃左右，且铸造成型后经目测发现铅合金质地较柔软，比较适合冷加工，因此铅合金锻造工艺选择在常温下进行。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种电力设施用阻尼隔振器，其特征在于，所述隔振器包括水平方向同轴平行设置的顶板、中间板、底板，每两个相邻板间均设置有支座和限位件。

2.如权利要求1所述的一种电力设施用阻尼隔振器，其特征在于：所述支座包括圆柱形铅合金芯和包覆的橡胶片和薄钢板交替设置的复合层。

3.如权利要求1所述的一种电力设施用阻尼隔振器，其特征在于：所述限位件包括分别对应设置于相邻两板上表面和下表面垂直相交的倒U形下限位块和U形上限位块，所述限位件设于所述支座内侧。

4.如权利要求1所述的一种电力设施用阻尼隔振器，其特征在于：所述顶板、中间板、底板采用边长对应相等的方形钢板，设置在每两个相邻板间的所述支座数量为四。

5.如权利要求4所述的一种电力设施用阻尼隔振器，其特征在于：连接每两个相邻板间的支座中心构成正方形，所述正方形与所述顶板、中间板、底板同轴设置；所述支座轴线与板的交点距该板的最近顶点的距离为所述板对角线长度的1/10～1/5。

6.如权利要求1所述的一种电力设施用阻尼隔振器，其特征在于：所述底板焊接有固定件，所述固定件与基础通过连接件固接，所述顶板设有与电力设备连接的连接件，所述顶板、中间板、底板与所述支座通过连接件连接。

7.如权利要求1所述的一种电力设施用阻尼隔振器，其特征在于：所述限位件通过连接件与底板和顶板固接，所述限位件与中间板焊接连接。

8.如权利要求2所述的一种电力设施用阻尼隔振器，其特征在于：所述铅合金芯由下述质量百分比计的组分制成：铝0.05～0.15％,锑0％～3％，钙0％～5％，锶0％～2％，余量为铅和不可避免的杂质。

9.如权利要求3所述的一种电力设施用阻尼隔振器，其特征在于：所述上限位块下表面与下限位块上表面间距小于支座最小失效伸长量。

10.如权利要求1所述的一种电力设施用阻尼隔振器，其特征在于：所述底板、中间板、顶板和限位件进行表面除锈镀锌处理。