CN105908620A - 自开启位移型水力吸耗能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自开启位移型水力吸耗能器，包括钢箱梁、转筒、吊绳、抱紧装置及挂篮，所述的转筒和抱紧装置安装在钢箱梁上，吊绳的一端固定在转筒上，另一端与挂篮链接；抱紧装置能够抱紧吊绳；挂篮包括挂篮外框、阀座、阀芯、导杆及弹簧，所述的挂篮外框为一个下端开口的长方体形盒状结构，挂篮外框的顶板上设有通水孔，通水孔处设有盖板，阀座为一筒状结构，安装在挂篮外框的顶板上，阀座内固定有中心圆盘，导杆上端固定安装在中心圆盘上；中心圆盘底面上固定有磁体；导杆上设有阀芯，导杆的下端与阀芯之间设有弹簧。本发明结构简单，操作方便，且能够通过水力吸耗能及向水中传输结构振动动能，抑制桥梁振动。

Description

自开启位移型水力吸耗能器

技术领域

本发明涉及一种耗能器，尤其是涉及一种自开启位移型水力吸耗能器。

背景技术

大跨度悬索桥能跨越大江大河，可避免深水基础的施工而得到广泛应用。但由于其跨度大，钢箱梁和主缆阻尼小，极易在大风作用下发生大幅扭转或弯-扭组合振动而导致桥梁破坏，其抗风稳定性问题是限制其跨度进一步加大的主要影响因素。增大悬索桥阻尼，可以显著提高其抗风稳定性，但超大跨度悬索桥多处于交通繁忙的航道之上，为保证通航安全，航道中很难设置永久性固定设施，因此，目前没有很好的方法增加钢箱梁或主缆的阻尼。

阻尼器是增加结构阻尼的最直接可靠的办法，并且可抑制结构多种形态的振动。阻尼器两端安装于结构之上，通过结构间的相对运动驱动阻尼器耗能减振，其耗能大小与结构在阻尼器两安装点的相对运动大小直接相关。阻尼器的长度与悬索桥跨度相比很小，因此现有阻尼器很难提高悬索桥钢箱梁或主缆的阻尼。

桥梁施工时常在航道处安装临时抗风桩，用钢缆连接钢箱梁和抗风桩，提高钢箱梁抗风稳定性，但需要在抗风桩处停泊船只和警示标志。在桥梁施工完成后，临时设施必须清理干净，抗风缆也被清除。成桥后的大跨度悬索桥只在大风作用下才发生大幅振动，发生振动持续时间短，且此时船只大都进港避风，航道船只相对稀疏。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种结构简单、操作方便、成本低的自开启位移型水力吸耗能器，能够在桥梁振动较大时自动开启，通过水力吸耗能及向水中传输结构振动动能，抑制桥梁振动。

本发明采用的技术方案是：包括钢箱梁、转筒、吊绳、抱紧装置及挂篮，所述的转筒安装在钢箱梁上，吊绳的一端固定在转筒上，另一端与挂篮链接；

所述的抱紧装置包括外筒、定闸瓦、动闸瓦及抱紧螺杆；外筒的底部安装在钢箱梁上；所述的定闸瓦、动闸瓦安装在外筒内，外筒上对应于动闸瓦设有一螺纹孔，抱紧螺杆安装在螺纹孔内，抱紧螺杆的内端能够顶紧动闸瓦抱紧吊绳；

所述的挂篮包括挂篮外框、阀座、阀芯、导杆及弹簧，所述的挂篮外框为一个下端开口的长方体形盒状结构，挂篮外框的顶板上设有通水孔，通水孔处设有盖板，盖板铰接在挂篮外框的顶板上；阀座为一筒状结构，安装在挂篮外框的顶板上，阀座内固定有中心圆盘，导杆上端固定安装在中心圆盘上；中心圆盘底面上固定有磁体，导杆上设有阀芯， 导杆的下端与阀芯之间设有弹簧。

上述的自开启位移型水力吸耗能器中，所述的钢箱梁的底板上设有容纳挂篮的凹槽，凹槽的底部对应于挂篮的四个角分别设有托肩，托肩与挂篮外框的底面之间设有滚珠或润滑油；每个托肩处分别设有两个挡板，两个挡板平行于相对应的挂篮外框的侧壁，挡板通过限位弹簧与凹槽的侧板连接。

上述的自开启位移型水力吸耗能器中，所述的挂篮外框的顶板的四个角处分别连接一根挂绳，四根挂绳均与吊绳链接。

上述的自开启位移型水力吸耗能器中，所述的抱紧装置还包括内筒，内筒设置在外筒内，位于定闸瓦、动闸瓦的下方。

上述的自开启位移型水力吸耗能器中，所述的钢箱梁或吊绳上设有报警装置。

本发明的工作原理如下：

本发明使用时，在无人力或其它控制手段参与下，挂蓝进入水体内，在重力作用下张紧吊绳，其耗能及将动能由钢箱梁传递至水体原理，按钢箱梁的振动一个周期分为三个阶段：（其中阀座的中心孔因磁力始终关闭）

（1）钢箱梁由最低位置向平衡位置移动的过程中，挂蓝在吊绳牵引下由下往上加速运动，此时（阀座的中心孔因磁体吸住阀芯而关闭）挂蓝上的通水孔的盖板闭合，挂蓝和其内水体动能增加，并驱动挂蓝上方及下方部分水体流动，所有动能来源于吊绳驱动挂蓝所做的功。（与此同时，挂蓝的势能也增加，但由于在整个振动周期中，挂蓝的势能的变化为零，因此不分析势能的变化。）吊绳给挂蓝及水体做功的同时也给钢箱梁做负功，相当于钢箱梁的部分动能由吊绳传递给了水体和挂蓝。

（2）钢箱梁由平衡位置向最高位置移动的过程中，挂蓝在吊绳的牵引下，由下往上减速运动，挂蓝和其内水体动能减小，但同样驱动挂蓝上方及下方部分水体流动，通过流体摩擦耗能；当挂蓝随钢箱梁上升的速度进一步减小后，部分流体在惯性作用下上升速度大于挂蓝，流体冲开挂蓝上的通水孔的盖板，此时具有较大动能密度的水体离开挂蓝，周边水体补充流入，形成局部小循环，挂蓝内水体动能迅速流失；由于吊绳为柔性，挂蓝只能被钢箱梁拉动，而不能推动钢箱梁运动，因此，这过程中初始阶段挂蓝给钢箱梁做负功，减小钢箱梁的动能，后期挂蓝内水体动能流入周围水体，其不给钢箱梁做功。

（3）钢箱梁1由最高位置向最低位置移动的过程中，挂蓝在重力作用下克服水体阻力下降，此时挂蓝上的通水孔的盖板被水体阻力冲开，其可减小水体阻力保证挂蓝与钢箱梁同时达到最低位置。（在这过程中，挂蓝的势能减小，部分势能被水体阻尼耗散，部分势能通过吊绳给钢箱梁做正功，被钢箱梁吸收。但由于在整个振动周期中，挂蓝的势能的变化为零，可以不考虑挂蓝势能变化。）因此，此过程中，水体同样在吸收钢箱梁的动能。

在有人力或其它控制手段参与下，挂蓝进入水体内，在重力作用下张紧吊绳。通过观察，转动转筒，提升挂蓝至水面位置，部分露出挂蓝上部，旋转抱紧装置的抱紧螺杆固定吊绳。此时本发明的吸能与耗能原理按钢箱梁振动一个周期分为三个阶段：

（1）钢箱梁由最低位置向平衡位置移动的过程中，挂蓝在吊绳的牵引下由下往上加速运动，此时阀座的中心孔因磁体吸住阀芯而关闭，挂蓝上的通水孔的盖板因水的流动闭合，挂蓝和其内水体动能增加，并驱动挂蓝上方及下方部分水体流动，所有动能来源于吊绳驱动挂蓝所做的功。（与此同时，挂蓝势能也增加，但由于在整个振动周期中，挂蓝势能的变化为零，因此不分析势能的变化。）吊绳给挂蓝及水体做功的同时也给钢箱梁做负功，相当于钢箱梁的部分动能由吊绳传递给了水体和挂蓝。

（2）钢箱梁1由平衡位置向最高位置移动的过程中（挂蓝下边缘始终低于外水面，保证空气不能从挂蓝下方进入），挂蓝在吊绳的牵引下由下往上减速运动，（可忽略挂蓝和其内水体动能的减小），挂蓝内高出水面的液体（水）的体积和高度随挂蓝高度增加而增加，液体势能增加可视为，其中为水密度，g为重力加速度，A为提升液体的横截面面积，h为提升液体高出水面的高度；当挂蓝随钢箱梁上升到一定高度后，提升液体对阀芯吸力大于磁体对阀芯吸力时，阀芯脱落，空气从阀座进入，挂蓝内液体在重力作用下流出挂蓝，液体势能变为动能进入水体。

（3）钢箱梁由最高位置向最低位置移动的过程中，挂蓝在重力作用下克服水体阻力下降，此时挂蓝上的通水孔的盖板被水体阻力冲开，其可减小水体阻力，保证挂蓝与钢箱梁同时达到最低位置。（在这过程中，挂蓝势能减小，部分势能被水体阻尼耗散，部分势能通过吊绳给钢箱梁做正功，被钢箱梁吸收。但由于在整个振动周期中，挂蓝的势能变化为零，可以不考虑挂蓝势能的变化。）因此，此过程中，水体同样在吸收钢箱梁的动能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）本发明结构简单，成本低。

2）在无外加控制因素时，对于发生较大幅度的钢箱梁，通过吊绳连接钢箱梁和挂蓝，驱动挂蓝及其内和周边小范围内液体（水）在水中运动（挂蓝总处于水面下），实现将钢箱梁动能传递给挂蓝及其内液体，其内液体在具有最大动能密度（动能/体积）时，其迅速向周围水体流动，带走其内液体动能，实现主梁振动每一个周期实现挂蓝内液体吸能和排能（排向周围水体，为下一次吸能准备）一次；同时挂蓝的运动，与周边水体产生摩擦，通过摩擦同时消耗部分能力。

3）在有外加控制因素时，将挂蓝提升至水面位置附近，在主梁的每一个振动周期内，本发明可分步实现：挂蓝与水体摩擦耗能（挂蓝在水中）；主梁振动机械能（包括动能与形变势能）转变为挂蓝内液体重力势能，重力势能流失与水体，不再转换成主梁振动机械能，实现吸耗主梁振动机械能，从而抑制主梁振动。

4）本发明通过弹性限位装置，保持了挂蓝在小扰动时的平衡。

5）本发明通过弹性限位装置、减小摩擦的球形圆珠，并利用桥梁一定幅度振动的主梁倾斜角度，实现吸耗能器挂蓝的自动脱落，从而自动开启吸耗能器的工作；当吸耗能器完成工作后，吸耗能器能方便地重新归位，等待下一次工作的启动，最大限度减小对航道通航的影响。

6）本发明通过挂蓝上通水孔及盖板的设计，下落时水力作用将盖板打开，减小流体对挂蓝阻力，保证挂蓝迅速下沉，与钢箱梁同时达到最低位置；在钢箱梁牵引挂蓝加速上升时，水力作用将盖板关闭，保证挂蓝内水体与挂蓝具有相同的速度，实现尽量多的动能从钢箱梁向水体的传递。

7）本发明保险绳的设计，避免意外事故的发生。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中C处的放大图。

图3是本发明的抱紧装置的主视图。

图4是图3中的D-D剖面图。

图5是本发明的挂篮的主视图。

图6是图5中的B-B剖视图。

图7是本发明工作时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1-6所示，本发明包括钢箱梁1、转筒3、吊绳5、抱紧装置4及挂篮6，所述的转筒3安装在钢箱梁上，吊绳5的一端固定在转筒上，另一端绕过钢箱梁1上的滑轮2与挂篮6链接。

如图5、6所示，所述的挂篮6包括挂篮外框12、阀座、阀芯21、导杆23及弹簧22，所述的挂篮外框12为一个下端开口的长方体形盒状结构，挂篮外框12的顶板上设有多个通水孔14，通水孔14处设有盖板13，盖板13通过扭簧安装在挂篮外框12的顶板上；盖板13一般处于盖紧状态，但预紧力小，下方水流可轻松冲开盖板13，保证水流只能从挂蓝6的下方往上方单向流动。所述的挂篮外框12的顶板的四个角处分别连接一根挂绳30，四根挂绳30连接后通过保险绳29与吊绳5链接。挂篮外框12的底部四个角内侧分别设有一角板8。

阀座为一筒状结构，安装在挂篮外框12的顶板上，阀座内通过连杆15安装有中心圆盘16，中心圆盘16中心设有导向孔，导杆23穿过导向孔，并通过上螺母18和下螺母19固定在中心圆盘16上。中心圆盘16底面上固定有两个磁体17、20，两个磁体17、20位于导杆23的两侧；导杆23上设有阀芯21， 导杆23的下端与阀芯21之间设有弹簧22。

如图2所示，所述的钢箱梁1的底板上设有容纳挂篮6的凹槽，凹槽的底部对应于挂篮6的四个角分别设有托肩11，托肩11与挂篮外框12的底面之间设有滚珠7，以减小托肩11和挂篮外框12之间的摩擦力。还可以采用在挂篮外框12的底部安装万向轮，通过万向轮支撑在托肩上来减小摩擦力。每个托肩11处分别设有两个挡板9，两个挡板9分别平行于相对应的挂篮外框12的侧壁，挡板9通过限位弹簧10与凹槽的侧板连接。挡板9和限位弹簧10保证挂蓝6处于凹槽中心并保持平衡，并在风的直接作用下不产生足够滑落的侧移，但在钢箱梁1发生一定的倾斜角度时滑落。

如图3、4所示，所述的抱紧装置包括外筒24、定闸瓦25、动闸瓦26、抱紧螺杆27及内筒28；所述的外筒24的底部固定安装在钢箱梁1上，所述的外筒24内的下部设有内筒28，定闸瓦25、动闸瓦26安装在外筒24内，位于内筒28的上方。外筒24侧壁上对应于动闸瓦26设有一螺纹孔，抱紧螺杆27安装在螺纹孔内，抱紧螺杆27的内端能够顶紧动闸26瓦抱紧吊绳。抱紧螺杆27使挂蓝6缓慢下落并掉入水中，防止了挂蓝6高速掉落发生意外。

本发明对于上述技术方案可能的改造如下：

1）钢箱梁1或/和吊绳5上可以安装报警装置。

2）挂蓝6上可以安装叶片或风扇，叶片或风扇既能够耗能，又能将部分能量转化为电能或其它能量，用于驱动警示灯或声音报警。

3）将本发明安装于钢箱梁1的外侧，将转筒3安装于悬索桥主缆，即采用不同的安装部位。

4）将挂蓝6形式变化，如多层挂蓝增大耗能效率，流线型减小流水及风的水平作用力，在挂蓝外加防撞装置保证安全.

5）在挂蓝6与托肩11间采用其它减小摩擦装置，如：加万向轮、润滑油、磁悬浮等。

6）将自开启改为手动、电动、遥控或其它能量输入方式；

7）本发明同样适用于其它流体介质。

8）通过增加远程观察和控制系统，可在船只经过时及时提升挂蓝，避免船只碰撞。

如图7所示，本发明使用时，在无人力或其它控制手段参与下，挂蓝6进入水体内，在重力作用下张紧吊绳5，其耗能及将动能由钢箱梁1传递至水体原理，按钢箱梁1的振动一个周期分为三个阶段：（其中阀座的中心孔因磁力始终关闭）

（1）钢箱梁1由最低位置向平衡位置移动的过程中，挂蓝6在吊绳5牵引下由下往上加速运动，此时（阀座的中心孔因磁体吸住阀芯而关闭）挂蓝6上的通水孔14的盖板13闭合，挂蓝6和其内水体动能增加，并驱动挂蓝6上方及下方部分水体流动，所有动能来源于吊绳5驱动挂蓝6所做的功。（与此同时，挂蓝6的势能也增加，但由于在整个振动周期中，挂蓝6的势能的变化为零，因此不分析势能的变化。）吊绳5给挂蓝6及水体做功的同时也给钢箱梁1做负功，相当于钢箱梁1的部分动能由吊绳传递给了水体和挂蓝6。

（2）钢箱梁1由平衡位置向最高位置移动的过程中，挂蓝6在吊绳5的牵引下，由下往上减速运动，挂蓝6和其内水体动能减小，但同样驱动挂蓝6上方及下方部分水体流动，通过流体摩擦耗能；当挂蓝6随钢箱梁1上升的速度进一步减小后，部分流体在惯性作用下上升速度大于挂蓝6，流体冲开挂蓝6上的通水孔14的盖板13，此时具有较大动能密度的水体离开挂蓝6，周边水体补充流入，形成局部小循环，挂蓝6内水体动能迅速流失；由于吊绳5为柔性，挂蓝只能被钢箱梁1拉动，而不能推动钢箱梁1运动，因此，这过程中初始阶段挂蓝给钢箱梁做负功，减小钢箱梁1的动能，后期挂蓝6内水体动能流入周围水体，其不给钢箱梁1做功。

（3）钢箱梁1由最高位置向最低位置移动的过程中，挂蓝6在重力作用下克服水体阻力下降，此时挂蓝6上的通水孔14的盖板13被水体阻力冲开，其可减小水体阻力保证挂蓝6与钢箱梁1同时达到最低位置。（在这过程中，挂蓝6的势能减小，部分势能被水体阻尼耗散，部分势能通过吊绳给钢箱梁1做正功，被钢箱梁1吸收。但由于在整个振动周期中，挂蓝6的势能的变化为零，可以不考虑挂蓝势能变化。）因此，此过程中，水体同样在吸收钢箱梁1的动能。

在有人力或其它控制手段参与下，挂蓝6进入水体内，在重力作用下张紧吊绳。通过观察，转动转筒，提升挂蓝6至水面位置，部分露出挂蓝6上部，旋转抱紧装置4的抱紧螺杆27固定吊绳5。此时本发明的吸能与耗能原理按钢箱梁振动一个周期分为三个阶段：

（1）钢箱梁1由最低位置向平衡位置移动的过程中，挂蓝6在吊绳5的牵引下由下往上加速运动，此时阀座的中心孔因磁体吸住阀芯而关闭，挂蓝6上的通水孔14的盖板13因水的流动闭合，挂蓝6和其内水体动能增加，并驱动挂蓝6上方及下方部分水体流动，所有动能来源于吊绳5驱动挂蓝6所做的功。（与此同时，挂蓝势能也增加，但由于在整个振动周期中，挂蓝势能的变化为零，因此不分析势能的变化。）吊绳5给挂蓝6及水体做功的同时也给钢箱梁1做负功，相当于钢箱梁1的部分动能由吊绳传递给了水体和挂蓝6。

（2）钢箱梁1由平衡位置向最高位置移动的过程中（挂蓝6下边缘始终低于外水面，保证空气不能从挂蓝下方进入），挂蓝6在吊绳5的牵引下由下往上减速运动，（可忽略挂蓝和其内水体动能的减小），挂蓝6内高出水面的液体（水）的体积和高度随挂蓝高度增加而增加，液体势能增加可视为，其中为水密度，g为重力加速度，A为提升液体的横截面面积，h为提升液体高出水面的高度；当挂蓝6随钢箱梁1上升到一定高度后，提升液体对阀芯21吸力大于磁体对阀芯吸力时，阀芯21脱落，空气从阀座进入，挂蓝6内液体在重力作用下流出挂蓝6，液体势能变为动能进入水体。

（3）钢箱梁1由最高位置向最低位置移动的过程中，挂蓝6在重力作用下克服水体阻力下降，此时挂蓝6上的通水孔14的盖板13被水体阻力冲开，其可减小水体阻力，保证挂蓝6与钢箱梁1同时达到最低位置。（在这过程中，挂蓝势能减小，部分势能被水体阻尼耗散，部分势能通过吊绳5给钢箱梁1做正功，被钢箱梁1吸收。但由于在整个振动周期中，挂蓝6的势能变化为零，可以不考虑挂蓝6势能的变化。）因此，此过程中，水体同样在吸收钢箱梁1的动能。

当风速减小后，桥梁停止大幅振动，可以人力或其它动力设施带动转筒3转动，提升挂蓝6，并通过钢箱梁1底板所设置的凹槽，使挂蓝6倾斜进入库后安装就位。

Claims (7)

1.一种自开启位移型水力吸耗能器，其特征是：包括钢箱梁、转筒、吊绳、抱紧装置及挂篮，所述的转筒安装在钢箱梁上，吊绳的一端固定在转筒上，另一端与挂篮链接；

所述的抱紧装置包括外筒、定闸瓦、动闸瓦及抱紧螺杆；外筒的底部安装在钢箱梁上；所述的定闸瓦、动闸瓦安装在外筒内，外筒上对应于动闸瓦设有一螺纹孔，抱紧螺杆安装在螺纹孔内，抱紧螺杆的内端能够顶紧动闸瓦抱紧吊绳；

所述的挂篮包括挂篮外框、阀座、阀芯、导杆及弹簧，所述的挂篮外框为一个下端开口的长方体形盒状结构，挂篮外框的顶板上设有通水孔，通水孔处设有盖板，盖板铰接在挂篮外框的顶板上；阀座为一筒状结构，安装在挂篮外框的顶板上，阀座内固定有中心圆盘，导杆上端固定安装在中心圆盘上；中心圆盘底面上固定有磁体；导杆上设有阀芯，导杆的下端与阀芯之间设有弹簧。

2.根据权利要求1所述的自开启位移型水力吸耗能器，其特征是：所述的钢箱梁的底板上设有容纳挂篮的凹槽，凹槽的底部对应于挂篮的四个角分别设有托肩，托肩与挂篮外框的底面之间设有滚珠或润滑油；每个托肩处分别设有两个挡板，两个挡板平行于相对应的挂篮外框的侧壁，挡板通过限位弹簧与凹槽的侧板连接。

3.根据权利要求1所述的自开启位移型水力吸耗能器，其特征是：所述的挂篮外框的顶板的四个角处分别连接一根挂绳，四根挂绳均与吊绳链接。

4.根据权利要求2所述的自开启位移型水力吸耗能器，其特征是：所述的抱紧装置还包括内筒，内筒设置在外筒内，位于定闸瓦、动闸瓦的下方。

5.根据权利要求1所述的自开启位移型水力吸耗能器，其特征是：所述的钢箱梁或吊绳上设有报警装置。

6.根据权利要求1所述的自开启位移型水力吸耗能器，其特征是：所述的挂蓝上安装叶片或风扇。

7.根据权利要求2所述的自开启位移型水力吸耗能器，其特征是：所述的挂篮外框的底部设有万向轮，通过万向轮支撑在托肩上。