CN107338885A - 一种输电塔减振器及其制备和使用方法 - Google Patents

Abstract

一种输电塔减振器，包括固定安装在输电塔顶部中心处的一个圆筒形金属箱体，在金属箱体内顶板的中心处悬挂由马氏体形状记忆合金制成的高阻尼弹簧，高阻尼弹簧的下端系实心钢球，在金属箱体内侧壁上粘贴弹性胶带。该减振器的高阻尼弹簧在外部激励作用下，在实心钢球与箱体不发生碰撞时靠高阻尼弹簧的摆动模态与振动模态的内共振及高阻尼弹簧的恢复力进行减振；实心钢球在动荷载作用下与箱体碰撞时，依靠箱体对实心钢球的碰撞力做功进行减振；实心钢球与输电塔的质量比、金属箱体的内径和高度及高阻尼弹簧的长度和强度按给出的计算公式求得，可使减振效果达到最佳。

Description

一种输电塔减振器及其制备和使用方法

技术领域

本发明涉及输电工程，特别是一种用于减轻输电塔振动的输电塔减振器及其制备和使用方法。

背景技术

用于架设输电线的输电塔在风荷载及地震作用下会产生动力响应，严重时甚至会发生倒塌，对输电塔进行减振是保证其结构安全的重要举措。

CN102936926A专利文献披露了一种可用于输电塔减振的多维碰撞耗能质量摆阻尼器。该阻尼器由通过钢索悬吊在下部开口的金属圆筒内的质量球构成，在金属圆筒的内壁上贴附粘弹材料，利用质量球在外部荷载作用下产生惯性力碰撞金属圆筒的内壁达到耗能减振效果。

该阻尼器存在以下缺点：

(1)钢索悬挂质量球不具备内共振特性，只利用质量球振动产生的惯性力进行减振，减振效果不佳。

(2)未给出阻尼器达到最佳减振效果时的设计参数与输电塔的有关技术参数的关系，不能保证设计的装置达到最佳减振效果。

(3)该阻尼器下端开口，钢索、质量球和粘弹材料层易受腐蚀，耐久性差。

CN105297939A专利文献披露了一种安装在输电塔顶部的非线性动力吸振电磁耗能装置。该装置在一个箱型结构的顶部与底部分别固定永磁铁，形成均匀磁场，在箱体内悬挂下端带有质量块的弹簧，弹簧中间穿插绞线，弹簧和质量块组成弹簧摆，弹簧摆动频率与被控结构的主振频率一致，弹簧摆的运动方式为弹簧振动和整体摆动两种模态的耦合，当满足内共振条件时，会发生一种振动激发另一种振动，从而达到非线性吸振的效果；同时外壳为铝导体的质量快摆动时切割磁力线，在质量快的导体中产生涡流，涡流转化为电阻热，达到耗能减振效果。该装置虽然克服了上述阻尼器的第一个缺陷，但仍存在以下缺点：

(1)采用电磁感应耗能，质量块结构复杂；永磁铁长期使用会退磁，影响减振装置的耗能减振效果。

(2)未给出装置达到最佳减振效果时的设计参数与输电塔的有关技术参数的关系，不能保证设计的装置达到最佳减振效果。

(3)在外部激励作用下，质量块可能与箱体侧面发生碰撞，严重时易造成装置损坏。

发明内容

本发明的目的是结合上述现有技术的结构特点，提供一种可达到最佳减振效果的输电塔减振器及其制备和使用方法。

本发明提供的输电塔减振器，包括固定安装在输电塔顶部中心处的一个圆筒形金属箱体，在金属箱体内顶板的中心处悬挂由马氏体形状记忆合金制成的高阻尼弹簧，高阻尼弹簧的下端系实心钢球，在金属箱体内侧壁上粘贴弹性胶带；

所述实心钢球与输电塔的质量比μ＝m₂/m₁＝0.01～0.02，

实心钢球的半径

所述金属箱体的内径

金属箱体的高度

所述高阻尼弹簧的长度

高阻尼弹簧的刚度k_s＝16m₂π²f²(N/m)，

以上各式中：

m₁为输电塔的质量(kg)，

m₂为实心钢球的质量(kg)，

ρ为实心钢球的密度(kg/m³)，取ρ＝7.85×10³kg/m³，

g为重力加速度(m/s²)，

f为输电塔(8)的一阶频率(Hz)，可通过建立输电塔有限元模型求得，

g_p为实心钢球(4)弹性胶带(5)之间的距离(m)，g_p＝0.05～0.2(m)，

c_n为弹性胶带(5)的厚度(m)，c_n＝0.01～0.025(m)。

上述输电塔减振器的制备和使用方法，包括：

步骤一、制作减振器：

先通过焊接制作下端开口、上部顶板为方形的圆筒形金属箱体；在金属箱体的内侧底部用胶黏剂粘贴所述弹性胶带；将下端连接有实心钢球的高阻尼弹簧的上端焊接在金属箱体的顶板中心处；用与顶板相同的底板封闭箱体，制成顶板和底板为方形、中间为圆筒形的减振器；

步骤二、架设输电塔；

步骤三、输电塔架设施工完成后，将步骤一减振器的金属箱体通过焊接(顶板和底板分别与输电塔焊接)竖直固定安装在输电塔的顶部中心处。

本发明的有益效果是：

1、本发明输电塔减振器，当外部激励作用在短时间内大小不断发生交迭变化时，实心钢球在箱体内随着外部激励作用大小的变化发生幅度不等的摆动，在与箱体发生碰撞和不碰撞两种情形下的减振效果分别是：

实心钢球与箱体不发生碰撞时，由于高阻尼弹簧的恢复力方向总是与外部激励的方向相反，减振器相当于为输电塔增加了一个非线性的刚度，从而实现了对输电塔的减振。进一步，外部激励较小时，由于高阻尼弹簧的存在，可产生高阻尼弹簧的摆动模态与振动模态的内共振，高阻尼弹簧将减振器吸收的输电塔的动能由摆动模态向振动模态转化，减振效果显著增强；

实心钢球在动荷载作用下与箱体碰撞时，箱体对实心钢球的碰撞力总是与地震激励方向相反，利用碰撞力做功，从而实现了对输电塔的耗能减振。进一步，在箱体内侧壁上粘贴弹性胶带，实心钢球撞击在具有非线性特性的弹性胶带上，减振器相当于被附加了一个非线性的阻尼，利用粘弹性材料压缩耗能，进一步增强了减振效果。

总之，高阻尼弹簧在外部激励作用下，在实心钢球与箱体不发生碰撞时靠高阻尼弹簧的摆动模态与振动模态的内共振及高阻尼弹簧的恢复力进行减振；实心钢球在动荷载作用下与箱体碰撞时，在碰撞过程开始前及结束后均依靠高阻尼弹簧的摆动模态与振动模态的内共振及高阻尼弹簧的恢复力进行减振，在碰撞过程中依靠箱体对实心钢球的碰撞力做功进行减振。

本发明限定箱体的内径可使得减振器在外部激励作用下，外部激励较小时，实心钢球与箱体以不发生碰撞为主要耗能方式；外部激励较大时，实心钢球与箱体以发生碰撞为主要耗能方式。

2、本发明给出了使减振器达到最佳减振效果的减振器设计参数及其计算公式，包括：

(1)本发明将实心钢球与输电塔的质量比限定为μ＝m₂/m₁＝0.01～0.02，该质量比是通过大量减振仿真模拟计算，对计算结果反复进行归纳、对比得出的。实心钢球与输电塔的质量保持该比例，可使高阻尼弹簧产生的恢复力最大，减振效果最佳。实心钢球的半径正是根据这一结果得出的。

(2)本发明限定高阻尼弹簧的长度可确保减振器的振荡频率与输电塔的一阶频率相同，以有效降低输电塔的动力响应，提高减振效果；同时限定高阻尼弹簧的刚度k_s＝16m₂π²f²，可使得外部激励作用下实心钢球的动能由摆动模态向振动模态转化，实现非线性能量阱的减振效果。

(3)基于实心钢球在箱体中呈“∞”形摆动(如图4所示)，限定箱体的高度可使高阻尼弹簧及实心钢球在箱体内摆动过程中，既不与底板发生碰撞，又可将箱体的高度限制到最小，达到节省材料消耗的目的。

3、本发明采用圆筒形金属箱体及高阻尼弹簧，可对输电塔实现多维减振。

附图说明

图1为本发明输电塔减振器的立面图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为本发明减振器的安装使用示意图；

图4为实心钢球运动轨迹示意图。

图中，1-金属箱体，2-顶板，3-高阻尼弹簧，4-实心钢球，5-弹性胶带，6-底板，7-减振器，8-输电塔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图3所示，本实施例的输电塔8的质量为m₁＝17068.03kg；通过建立输电塔有限元模型，求得输电塔的一阶频率f＝1.87Hz。

如图1和图2所示，该实施例的输电塔减振器7，包括圆筒形金属箱体1，金属箱体有外延的顶板2和底板6，在金属箱体内顶板的中心处悬挂由马氏体形状记忆合金制成的高阻尼弹簧3，高阻尼弹簧的下端系实心钢球4，在箱体底部内侧壁上粘贴环状、材质为3M-VHB的弹性胶带5，弹性胶带的厚度c_n＝0.02m。

实心钢球与输电塔的质量比取μ＝m₂/m₁＝0.015，由此得出实心钢球的质量m₂＝μm₁＝0.015×17068.03＝256kg，取实心钢球的密度ρ＝7.85×10³kg/m³，实心钢的半径圆筒形金属箱体的顶板和底板采用Q235级、厚10mm、边长为0.8m正方形钢板，顶板和底板之间的圆形箱壁为Q235级钢板，厚度cg＝10mm，箱体的内径金属箱体的高度所述高阻尼弹簧的上端焊接在顶板的中心处，高阻尼弹簧的长度高阻尼弹簧的刚度k_s＝16m₂π²f²＝16×256×3.14²×1.87²＝1.41×10⁵N/m。

该实施例输电塔减振装置的制备和使用方法：

步骤一、制作减振装置：

先采用焊接制作下端开口、上部为方形顶板的圆筒形金属箱体；在金属箱体的内侧底部用胶黏剂粘贴所述弹性胶带；将高阻尼弹簧的上端焊接在金属箱体的顶板中心处，下端与实心钢球固定连接；用与顶板相同的底板通过焊接封闭箱体，制成顶板和底板为方形、中间为圆筒形的减振装置，待用。

步骤二、架设输电塔。

步骤三、输电塔架设施工完成后，如图3所示，将步骤一减振装置的金属箱体通过焊接(顶板和底板分别与电视塔焊接)竖直固定安装在输电塔的顶部中心处，即可用其对输电塔进行减振。减振过程中实心钢球的运动轨迹如图4所示。

Claims (3)

1.一种输电塔减振器，包括固定安装在输电塔顶部中心处的一个圆筒形金属箱体(1)，在金属箱体内顶板(2)的中心处悬挂由马氏体形状记忆合金制成的高阻尼弹簧(3)，高阻尼弹簧的下端系实心钢球(4)，在金属箱体内侧壁上粘贴弹性胶带(5)；

其特征在于：

所述实心钢球与输电塔的质量比μ＝m₂/m₁＝0.01～0.02，

实心钢球的半径

所述金属箱体的内径

金属箱体的高度

所述高阻尼弹簧的长度

高阻尼弹簧的刚度k_s＝16m₂π²f²，

以上各式中：

m₁为输电塔的质量，

m₂为实心钢球的质量，

ρ为实心钢球的密度，

g为重力加速度，

f为输电塔的一阶频率，可通过建立输电塔有限元模型求得，

g_p为实心钢球与弹性胶带之间的距离，

c_n为弹性胶带的厚度。

2.根据权利要求1所述输电塔减振器，其特征在于：所述弹性胶带(5)为3M-VHB弹性胶带。

3.权利要求1所述输电塔减振器的制备和使用方法，包括：

步骤一、制作减振器：

先通过焊接制作下端开口、上部顶板为方形的圆筒形金属箱体；在金属箱体的内侧底部用胶黏剂粘贴所述弹性胶带；将下端连接有实心钢球的高阻尼弹簧的上端焊接在金属箱体的顶板中心处；用与顶板相同的底板封闭箱体，制成顶板和底板为方形、中间为圆筒形的减振器；

步骤二、架设输电塔；

步骤三、输电塔架设施工完成后，将步骤一减振器的金属箱体通过焊接竖直固定安装在输电塔的顶部中心处。