CN106907042B - 多级复合型吸能耗能减振装置、应用及方法 - Google Patents

多级复合型吸能耗能减振装置、应用及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多级复合型吸能耗能减振装置、应用及方法，它解决了现有技术中在复杂的载荷作用，无法进行多方向的能量耗散的不足，可有效实现多级多方向的减振，其方案如下：装置包括外箱，外箱的顶部和底部各自设有一永磁体，两永磁体的磁极相反；质量块设于外箱内部，质量块的侧面通过第一弹性减振组件与外箱内壁连接以实现质量块水平方向上的耗能减振作用；设于质量块下方的液体容器，液体容器内乘有设定体积的液体，液体容器内设有第二弹性减振组件，第二弹性减振组件底端与液体容器内底部连接，顶端与质量块固定，同时，质量块在移动过程中，切割两永磁体产生的磁感线以将机械能转化为电能的形式进行耗散。

Description

多级复合型吸能耗能减振装置、应用及方法
技术领域
本发明涉及结构工程振动控制领域，特别是涉及多级复合型吸能耗能减振装置、应用及方法。
背景技术
输电塔-线体系、通讯铁塔等高耸结构，具有结构高，整体结构柔性强等特征，一旦失效或破坏将会对社会造成巨大损失。地震或风荷载作用下，高耸结构振动十分明显，倒塌破坏时有发生，易损性较高。减小输电塔等高耸结构的振动，提高高耸结构的可靠性具有十分重要的意义。
传统的抗震方法强调的是“抗”，利用构件的承载能力和变形能力消耗地震或风的能量，减轻地震或风反应，这种方法是不经济的、不合理的。针对实际工程的振动问题，国内外学者关于结构振动控制技术开展了大量的研究，取得了突破性进展。简单来说，结构振动控制是通过采取一定的控制措施以减轻动力荷载引起的反应。振动控制分为被动控制、主动控制、混合控制、智能控制四个部分。被动控制分为隔振、耗能减振和吸能减振三类。隔振技术主要为基础隔振、层间隔振。耗能减振技术是在结构上设置耗能机构，从而耗散或者吸收结构的振动能量以达到减小结构的振动。吸能减振技术通常在结构顶部安装附加结构，如调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(TLD)或悬挂质量摆(SMP)，调节附加结构的频率与结构主频率一致，振动时与结构产生共振，产生与结构振动方向相反的惯性力，从而降低结构的振动。主动控制技术需要额外的能量，技术复杂并且造价高。混合控制具有主动控制与被动控制的优点，适应性强、控制效果好。智能控制采用智能化的控制系统，振动时根据环境主动调节内部参数，改变减振装置特性从而迅速减小振动。
而对输电塔-线体系、通讯铁塔等高耸结构，所受震动或风荷载作用方向具有较强的随机性，而现有技术的减震方案控制较为单一，不能实现综合性的有效控制，某一方向的能量耗散受到影响，耗散速度较慢，因此，需要对适用于高耸结构的多级复合型吸能耗能减振装置进行进一步研究分析。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了多级复合型吸能耗能减振装置，该装置可实现多方向的振动控制，并可将机械能转化为电能进行耗散，整个装置具有良好的耐久性、可靠性，有效提高能量耗散效率。
多级复合型吸能耗能减振装置的具体方案如下：
多级复合型吸能耗能减振装置，包括：
外箱，外箱的顶部和底部各自设有一永磁体，两永磁体的磁极相反；
质量块，质量块设于外箱内部，质量块的侧面通过第一弹性减振组件与外箱内壁连接以实现质量块水平方向上的耗能减振作用；
设于质量块下方的液体容器，液体容器内乘有设定体积的液体，液体辅助减振，液体容器内设有第二弹性减振组件，第二弹性减振组件底端与液体容器内底部连接，顶端与质量块固定，以通过第二弹性减振组件带动质量块上下移动以实现竖直方向上的耗能减振作用，同时，质量块在移动过程中，切割两永磁体产生的磁感线以将机械能转化为电能的形式进行耗散。
上述的吸能耗能减振装置属于被动控制范畴，通过能够第一弹性减振组件、第二弹性减振组件的设置配合永磁体额的设置，可以实现多级多方向有效地减振，同时能够根据结构振动的强弱，自动选择不同减振方式进行结构的减振控制。
其中，所述质量块底部设有卡槽，这样质量块底部形成一个容纳腔，以用于容纳所述液体容器的顶部；
所述质量块卡槽顶部与液体容器顶部之间有设定的高度，液体容器顶部可设置保护盖，第二弹性减振组件穿过保护盖设置，以避免内部液体流出，保护盖与液体容器可拆卸设置，以便于对液体的添加，而且液体为水，液体容器能够在动荷载较小时就可以发生晃动，产生与结构振动方向相反的惯性力，同时水与水箱容器的碰撞消耗主体结构的振动能量，实现有效地减振。
所述质量块竖直方向开有通孔，通孔内设置竖向导向杆，竖向导向杆底部与液体容器内底部固定，所述第二弹性减振组件套于竖向导向杆外部，竖向导向杆对第二弹性减振组件的震动起到一个引导作用，以保证质量块在竖直方向上的上下移动，此外，通孔为矩形孔，大于竖向导向杆的直径，以确保质量块在水平方向的运动。
所述通孔底部设有挡板，挡板与质量块固定，挡板的尺寸大于通孔的尺寸，所述第二弹性减振组件顶部与挡板固定，以保证第二弹性减振组件的运动。
所述质量块的侧面设置竖向导轨，竖向导轨内设置滑块，滑块与所述第一弹性减振组件连接，以保证质量块在向上移动过程中，滑块带动第一弹性减振组件向上移动，从而使得第一弹性减振组件保持水平状态，其中，竖向导轨顶部设置限位块以避免滑块离开竖向导轨。
为了保证结构的统一性，所述液体容器的底部与外箱底部的永磁体固定，液体容器为不锈钢制成的刚性容器。
所述液体容器表面粘贴黏弹性材料，当结构振动较大时时能够缓冲质量块与液体容器之间的碰撞进行耗能。
其中，所述第一弹性减振组件为弹簧；
进一步的，所述第二弹性减振组件同样为弹簧；
进一步的，所述弹簧为Ti-Ni形状记忆合金弹簧，该弹簧阻尼大，可提供高效的阻尼力，能够有效地减小结构的振动，具有很强的自复位能力，能够在变形后恢复原状。
所述质量块为电导率较高的紫铜，该质量块产生的涡流大，便于能量的转化。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了多级复合型吸能耗能减振装置的应用，所述装置可应用于输电塔-线体系、通讯铁塔，这样有效地对这两个装置高处所受的载荷进行耗散，有效提高使用寿命。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种减小输电塔振动的方法，采用所述的多级复合型吸能耗能减振装置，并将该装置设于输电塔横担绝缘子串串点处和输电铁塔顶部，因绝缘子串位置较高，所受风向多变，承受的载荷为多方向的，可有效对绝缘子串串点处的能量进行耗散，保证绝缘子串的悬挂寿命。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的多级复合型吸能耗能减振装置，通过第一弹性减振组件、第二弹性减振组件的设置，使得质量块有多方向的振动，能够实现对结构多方向有效的减振控制，减振效果明显，而且多个方向共用一个质量块，能够减轻结构的负荷，可以通过改变质量块的质量，使其能够实现不同频率结构的振动控制，不需要外加能量输入，构造简单。
(2)本发明通过质量块水平方向的振动，能够切割磁感线，引起质量块磁通量的变化，内部产生感应电动势，形成电涡流，将机械能以电能的形式耗散，有效提高了减振耗散的效率。
(3)该装置中弹簧采用Ti-Ni形状记忆合金弹簧，阻尼与弹性模量较大，能够提供高阻尼力，同时具有很强的自动恢复功能。
(4)通过液体容器内液体的设置，能够在小风或小震作用下就能够引起液体的晃动，产生与结构运动相反方向的动水压力，消耗结构的振动能量从而减小结构的振动，原理简单、成本较低、安装简单优点。
(5)该装置在强风或强震作用下引起质量块与水箱容器的碰撞，黏弹性材料能够缓冲两者之间的碰撞吸收能量。
(6)该装置能够实现输电铁塔等高耸结构多方向的有效振动控制，保证结构的安全性，具有良好的经济效益和应用前景。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
附图1是多级复合型电磁耗能减振装置正视图。
附图2是多级复合型电磁耗能减振装置A-A剖面图。
附图3是多级复合型电磁耗能减振装置B-B剖面图。
附图4是多级复合型电磁耗能减振装置图2中C-C剖面图。
图中：1外箱，2磁铁块，3竖向导向杆，4质量块，5导轨，6第一弹簧，7水箱容器，8黏弹性材料，9挡板，10水。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的针对高耸结构，能量耗散速度慢，不能实现多个方向的减振控制的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了多级复合型吸能耗能减振装置、应用及方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，多级复合型吸能耗能减振装置，包括一个外箱1，两个磁极相反的磁铁块2，四根竖向导向杆3，八根导轨5，十二根记忆合金弹簧，一个水箱容器4，四块挡板9。
外箱1的顶部与底部分别固定一个磁极相反的永久磁铁2，在外箱1内部形成均匀稳定的磁场，质量块4中间开有相对较大的通孔，竖向导向杆3穿过该通孔设置，质量块4每个侧面设置两根竖向导轨5，水平布置的第一弹簧6一端连接外箱1，一端通过滑块与竖向导轨5连接，质量块4上下移动时，从而保证质量块4上下移动时水平弹簧不会随之上下振动。
质量块4为方体结构，每一侧面均布置两第一弹簧6，质量块6中通孔尺寸相对竖向导向杆3较大，能够让质量块4水平方向发生移动而不阻碍质量块竖直方向的移动。
竖向布置的弹簧有四根，分别绕在竖向导向杆3上，能够实现质量块水平方向的振动而不阻碍质量块竖向的振动，从而达到多方向减振的目的，一端固定于水箱容器7底部，一端连接挡板9，挡板9比通孔要大，保证质量块4水平移动时，竖向第二弹簧仍能支撑质量块4上下移动，竖向弹簧需要做防腐处理。基于电磁感应原理，质量块4在水平方向移动时能够切割磁感线，形成电涡流，将机械能以电能的形式耗散掉，同时电磁力会阻碍质量块与外箱的相对运动，从而减小结构的振动反应。
质量块4为电导率较高的紫铜，产生的涡流大，质量块4的质量、弹簧的刚度与长度等依据结构的主频率确定，让质量块4的振动频率与结构的主频率达到基本一致形成共振，达到最佳的减振效果。
第一弹簧、第二弹簧均为Ti-Ni形状记忆合金弹簧，该弹簧阻尼大，提供高效的阻尼力，能够有效地减小结构的振动，具有很强的自复位能力，能够在变形后恢复原状。
此外，水箱容器7的设置，能够在动荷载较小时就可以发生晃动，产生与结构振动方向相反的惯性力，同时水10与水箱容器7的碰撞消耗主体结构的振动能量，实现有效地减振。在水箱容器7表面粘贴黏弹性材料8，当结构振动较大时能够缓冲质量块4与水箱容器7之间的碰撞进行耗能。根据建筑结构的主频调整水箱容器7尺寸及液体深度，让水箱容器7的振动频率与结构的主频率达到基本一致，充分发挥该装置的减振效果。
为了使该装置达到理想的减振效果，本实施例中还有以下要求：
第一、根据建筑结构的主频率合理的选择质量块4的质量和记忆合金弹簧的长度与刚度，保证质量块4的振动频率与结构的主频率达到基本一致形成共振。
第二、根据建筑结构的主频率合理设计水箱容器7的尺寸以及水面深度，能够在小风或小震作用下就能够引起水的晃动，通过液体和容器壁之间的摩擦、碰撞来耗散振动能量，从而达到减小振动对结构影响的目的。
第三、竖向记忆合金弹簧需要做好防腐处理，保证该装置的耐久性。
第四、水箱表面需要粘贴黏弹性材料，当结构振动强烈时，能够缓冲质量块与水箱之间的碰撞，吸收能量。
第五，竖向弹簧连接的挡板比孔要大一些，保证质量块水平移动时质量块依旧能够竖直方向振动。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了多级复合型吸能耗能减振装置的应用，所述装置可应用于输电塔-线体系、通讯铁塔，这样有效地对这两个装置高处所受的载荷进行耗散，有效提高使用寿命。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种减小输电塔振动的方法，采用所述的多级复合型吸能耗能减振装置，并将该装置设于输电塔横担绝缘子串串点处，因绝缘子串位置较高，所受风向多变，承受的载荷为多方向的，可有效对绝缘子串串点处的能量进行耗散，保证绝缘子串的悬挂寿命。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.多级复合型吸能耗能减振装置，其特征在于，包括：
外箱，外箱的顶部和底部各自设有一永磁体，两永磁体的磁极相反；
质量块，质量块设于外箱内部，质量块的侧面通过第一弹性减振组件与外箱内壁连接以实现质量块水平方向上的耗能减振作用；
设于质量块下方的液体容器，液体容器内乘有设定体积的液体，液体容器内设有第二弹性减振组件，第二弹性减振组件底端与液体容器内底部连接，顶端与质量块固定，以通过第二弹性减振组件带动质量块上下移动以实现竖直方向上的耗能减振作用，同时，质量块在移动过程中，切割两永磁体产生的磁感线以将机械能转化为电能的形式进行耗散；
所述质量块底部设有卡槽，以用于容纳所述液体容器的顶部；
所述质量块卡槽顶部与液体容器顶部之间有设定的高度；
所述质量块竖直方向开有通孔，通孔内设置竖向导向杆，竖向导向杆底部与液体容器内底部固定，所述第二弹性减振组件套于竖向导向杆外部。
2.根据权利要求1所述的多级复合型吸能耗能减振装置，其特征在于，所述通孔底部设有挡板，挡板与质量块固定，所述第二弹性减振组件顶部与挡板固定。
3.根据权利要求1所述的多级复合型吸能耗能减振装置，其特征在于，所述质量块的侧面设置竖向导轨，竖向导轨内设置滑块，滑块与所述第一弹性减振组件连接，以保证质量块在向上移动过程中，第一弹性减振组件保持水平状态。
4.根据权利要求1所述的多级复合型吸能耗能减振装置，其特征在于，所述液体容器的底部与外箱底部的永磁体固定。
5.根据权利要求1所述的多级复合型吸能耗能减振装置，其特征在于，所述液体容器表面粘贴黏弹性材料。
6.根据权利要求1所述的多级复合型吸能耗能减振装置，其特征在于，所述第一弹性减振组件为弹簧；
进一步的，所述第二弹性减振组件同样为弹簧；
进一步的，所述弹簧为Ti-Ni形状记忆合金弹簧，提供高效的阻尼力，能够有效地减小结构的振动。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的多级复合型吸能耗能减振装置的应用，其特征在于，所述装置可应用于输电塔-线体系、通讯铁塔。
8.一种减小输电塔振动的方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的多级复合型吸能耗能减振装置，并将该装置设于输电塔横担绝缘子串串点处和输电铁塔顶部。
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