CN108713099B - 具有弹性的球摆轴承的风力设施 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种配备有新型的弹性的球摆轴承的风力设施。所述球摆轴承原则上能够用于摆式减振器优选在风力设施的塔中的万向悬挂，也能够用于浮动的水上设施在水体底部上的绳索紧固。本发明还涉及相应的配备的振动摆式减振器本身以及相应的设施和摆式减振器，其具有附加的减振设备。

Description

具有弹性的球摆轴承的风力设施
技术领域
本发明涉及一种风力设施，其除了用于减弱在设施中出现的不同的振动的常见的设备以外还配备有新型的弹性的球摆轴承。该球摆轴承原则上能够用于摆式减振器优选在风力设施的塔中的万向悬挂，也能够用于浮动的水上设施在水体底部上的绳索紧固。本发明还涉及相应的振动摆式减振器本身，其具有用于减弱或减小摆的扭转振动的附加的阻尼装置，扭转振动在摆振动时例如能够在风力设施中出现，尤其是当摆发生碰撞时。
背景技术
摆式减振器在风力设施中的悬挂根据现有技术大多通过使用吊钩来实现，其本身除了摩擦力以外不为减弱摆动运动做贡献。在其最简单的实施方式中是U形的、可利用螺栓或插销封闭的弓形件的这种吊钩然而遭受剧烈的磨损，从而其必须承受持续的监控，这是因为摆绳索和减振器质量件一同掉下的危险随着运行时间的增加而产生。
替选于所提到的简单的悬挂，在现有技术中也有时使用万向节，万向节然而具有如下缺点：万向节由于其在所使用的滑动或滚动轴承的区域中的磨损的提高也是相对耗费和昂贵的。
在现有技术中也单独地提出若干弹性的摆关节，摆关节在其公知的结构建议中然而将对于使用在风力设施中来说原则上不期望的大的刚度引入振动系统中，从而通过弹性材料的公知的相对强的温度相关性，减振器系统的固有频率根据温度以不可预测的方式受影响和改变。这又更多地需要对振动系统进行耗费的调整。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种尤其是用于使用在具有悬挂或关节轴承的风力设施中的摆式减振器，其在所提到的方面相对于现有技术的公知的解决方案具有更好的特性，其中尤其重要的是高的轴向的强度、很小的复位力矩和对系统固有频率的尽可能不重要的影响和因此在很大程度上的温度独立性。
所提出的任务通过随后说明和描述的发明主题解决。
本发明的主题因此是包括至少一个弹性的轴承的风力设施，弹性的轴承是球摆轴承，球摆轴承又包括具有内关节头（5.4）和关节窝（5.5）的球关节（5），其中关节头至少具有半球形状，并且支承在相应的确定规格的和成形的关节窝中，并且在关节头和关节窝之间以如下方式布置有至少一个，优选两个或三个弹性体层（5.1），从而弹性体层的表面的至少80%，优选90-100%与关节头和关节窝的球面固定连接，并且弹性体层具有5mm-20mm的厚度，其中在存在多个弹性体层时，弹性体层完全或部分通过中间板材（5.3）彼此分离。
在本发明的优选的实施方式中，所提到的球摆关节或轴承具有两个弹性体层，弹性体层通过板材彼此分离，板材优选在弹性体层的中间区域中断（图4d）。
证实的是，有利地应该使用这种关节头和相应的关节窝，其具有至少一个半球形状，然而优选具有带有圆半径或180º到325º，优选180º到245º，或220º到245º的包角的部分球形状，其中尽可能覆盖弹性体层的整个球面。仅在该设计措施的情况下实现的是，摆式减振器能够在承受很大的力的情况下，在很小的空间上经过很大的角度，而系统或风力设施的固有频率不会受到明显影响。
在本发明的特别的实施方式中，在球关节头（5.4）和球关节窝（5.5）之间的弹性体层（5.1）能够是不一样硬的，尤其是关于摆的轴向的和与之垂直的水平的取向，或者换言之，关于各自的球的中心与边缘相比是不一样硬的。这能够根据本发明通过两个措施来实现。一方面，在相关的部位或相关的区域上的弹性体材料能够是不一样硬的，从而摆的偏转特性由此能够受到影响，而在此不会明显改变摆式减振器的阻尼特性。不同的刚度例如能够通过使用具有不同的肖氏硬度的弹性体材料来获得。
另一方面能够设置的是，弹性体材料包含特殊地放置的（例如在关节头球的顶点上的）腔室，腔室能够通过阀从外部在压力下填充以流体（图4b、c）。流体用于形成空心空间，并且元件由此沿万向方向变软。受推进负荷的元件通过更高的压力变得更硬。
腔室也能够原则上通过在弹性体层和关节轴承的金属没有牢固地相互连接的区域中，或者在弹性体层内的弹性体材料仅位于上面并且能够在压力下膨胀到腔室中的区域中压入流体来形成。
本发明的主题此外是相应的风力设施，其中球摆轴承是摆式振动减振器的一部分，摆式振动减振器包括摆杆（2）和减振器质量件（1），其中摆式减振器能够沿所有方向自由地围绕弹性的球摆轴承运动，并且优选地在球摆轴承的区域中具有减小或阻止减振器的扭转振动的设备。
在这种第一实施方式（图1-3）中，提到的设备包括至少一个扭杆（2.1），扭杆基本上垂直于摆杆（2）地安置，并且具有用于俯仰运动的弹性的扭转轴承（6）和用于摆（1、2）的转动运动的弹性的扭转轴承（7）。为了更好的负荷分布也能够设置多个、优选三个这种扭杆。
在本发明的另外的实施方式中，设备包括至少三个弹簧元件（8），弹簧元件在摆关节（5）的区域中基本上均匀地围绕摆杆（2）地分布并且如此布置，从而能够减弱或避免摆（2）的扭转运动（图5）。弹簧元件在此能够是常见的螺旋弹簧，或者由弹性体材料和中间板材的层构成的弹性弹簧。此外也能够使用液压阻尼器。优选地，三个这种元件利用弹簧方向垂直于摆式减振器的轴线地布置在摆关节的区域中，优选围绕摆关节地布置或者在其上方或下方布置，优选地从而其彼此间形成120º的角度。以该方式能够通过作用的弹簧力，通过摆式减振器碰撞到塔壁或为此设置的碰撞设备上来阻止或减小摆式减振器的扭转。
基本上相同的作用通过图6的根据本发明的类似布置的另外的实施方式实现。在此使用相关的设备，设备具有至少三个带有弹性的球轴承（9.1）（9.2）的转向器（9），转向器在摆关节（5）的区域中基本上均匀地围绕摆杆（2）地分布并且如此布置，从而减弱或避免摆（2）的扭转运动。转向器（9）例如能够如在图6中示出的那样通过滚动元件实现。
在本发明的非常特殊的简单的实施方式中，用于减弱摆的扭转运动的设备在摆关节（5）的区域中具有摆轭（2.2）（2.3）与弹性的碰撞元件（10），如例如在图7中示出的那样。
在本发明的另外的实施方式中，所提到的用于减弱摆的扭转运动的设备能够通过组合所提到的实施方案的组合形成。使用摆轭尤其是能够与弹簧装置或转向器装置组合。
所描述的根据本发明的摆关节也优选适用于使用在不同用处的水上平台中，例如用于可运动地紧固平台和海底的风力设施或油输送设施。本发明的主题因此也是尤其是用于风力设施的水上平台（18），水上平台通过绳索（15）与海底或湖底（12）经由基座（11）锚固，其中每个绳索（15）借助绳索紧固件（14）通过提到的根据本发明的上方的球关节（17）紧固在平台上，并且通过提到的根据本发明的下方的球关节（16）紧固在基座上。这种应用在图8中示出。
本发明还涉及相应的摆式振动减振器，其包括摆杆（2）或摆绳索、至少一个减振器质量件（1）和在摆杆/摆绳索的上端部上的弹性的球关节（5），其中
（i）球关节（5）配备有内关节头（5.4）和关节窝（5.5），
（ii）关节头至少具有半球形状，并且支承在相应的确定规格的和成形的关节窝中，
（iii）在关节头与关节窝之间布置有至少一个、优选两个通过板材分离的弹性体层（5.1），从而摆能够沿所有方向自由地围绕弹性的球摆轴承运动，
（iv）与弹性体层连接的关节头（5.4）和相应的关节窝（5.5）具有带有圆半径或180º到325º，优选大于220º，尤其是大于245º，但不大于325º的包角的部分球形状，并且
（v）在球关节（5）的区域中安置有减小或阻止摆的轴向的扭转振动的设备，其中设备附加地
（a）包括至少一个扭杆（2.1），扭杆基本上垂直于摆杆（2）地安置，并且具有用于俯仰运动的弹性的扭转轴承（6）和用于摆（1、2）的轴向的转动运动的弹性的扭转轴承（7），或者
（b）具有至少三个弹簧元件（8），弹簧元件在摆关节（5）的区域中基本上均匀地围绕摆杆（2）地分布并且如此布置，从而减弱或避免摆（2）的扭转运动，或者
（c）具有至少三个带有弹性的球轴承（9.1、9.2）的转向器（9），转向器在摆关节（5）的区域中基本上均匀地围绕摆杆（2）地分布并且如此布置，从而减弱或避免摆（2）的扭转运动，或者
（d）在摆关节（5）的区域中具有摆轭（2.2）（2.3）与弹性的碰撞元件（10）并且如此布置，从而减弱或避免扭转的摆动运动，或者
（e）包括来自（b）至（d），尤其是（b）和（d），或者（c）和（d）的设备元件的组合。
最后，本发明还涉及这种风力设施和摆式振动减振器，其除了描述的扭转减振元件以外还附加地具有减振元件，减振元件能够减弱在设施中出现的不同的振动。这能够是在现有技术已知的涡流阻尼器、液压阻尼器或其他的独立于温度的阻尼器（例如WO 2013/023728，WO 2014/102016，WO 2016/023628）。
附图说明
随后，简短地描述在附图和说明书中所使用的附图标记：
1减振器质量件
2摆杆
2.1扭杆
2.2摆轭
2.3上紧固件
2.4摆杆接头
3紧固结构
4具有转动抑制件的摆元件
5半球关节
5.1内弹性体层
5.2外弹性体层
5.3中间板材
5.4内球
5.5外球
5.6流体
5.7密封隆起部
5.8填充阀
6俯仰扭转轴承
7转动扭转轴承
8扭转弹簧元件
9转向器
9.1转向器中的球轴承
9.1.1球形的弹性体轨道
10碰撞缓冲器
11基座锚固件
12海底
13水
14绳索紧固件
15绳索
16下关节
17上关节
18水上平台
19可运动的轭
20夹紧的轭。
随后，本发明的另外的细节尤其是借助附图1-10来描述。
具体实施方式
所描述的减振器系统在高的轴向的强度的情况下具有很小的复位力矩，从而弹性体对固有频率的影响仅具有对系统的固有频率的很小的影响，并且因此温度相关性也可忽略地变得很小。
该特性通过一个或多个相互堆叠的半球形的弹性体层实现。因此，基于大的球周侧面和特别薄的层来实现高的轴向的刚度，这能够实现传递相应大的轴向力。
轴向的刚度与抗扭刚度的比随着包角的增加而增大，因此，球元件的大于220º，尤其是在220º至325º之间或者220º至245º之间的包角是特别适合的。这种实施方式在图10中示出。具有高达约225º的角度的球元件还能够制造为唯一的部分。在更大的包角中，球元件通常由两个或更多个部分组成。弹性体层尽可能广泛地围绕球半径环绕，以便使空着的橡胶表面与附在金属上的橡胶表面的比保持尽可能小。根据对可能的转角的要求，任意多的弹性体层能够依次接入。
减振器的万向刚度能够通过引入流体（5.6）进一步减小，这是因为在流体的区域内没有弹性体变形。弹性体变形只在流体以外的区域内进行，从而仅更小的弹性体区域发生变形，这导致更小的推力并且因此导致更小的万向力。如在图4b中示出的那样，密封隆起部（5.7）阻止流体渗入金属与弹性体之间的空间中。如通常已知的那样，液体易于以最小的液滴的形式在去负荷时存入橡胶金属化合物中，并且在下一负荷时更深地种入化合物中，从而在频繁的负荷中，液体能够逸出。这能够例如以如下方式阻止：替代水地使用粘的液体，例如粘稠的硅树脂。
常见的摆式减振器通常具有减振器质量件，减振器质量件通过碰撞系统撞击到风力设施的塔的器壁上。在此能够发生的是，减振器切向地碰撞到倒圆部上，并且因此得到比较大的扭矩。该扭矩通过摆杆传递到球关节上。球关节然而仅具有很小的抗扭刚度，从而必需的是，利用另外的结构容纳该球关节。在此，减振器的扭转角度不可很大，以便不能够负荷至阻尼器的连接。根据本发明的解决方案在图1至3中示出。
图1示出了摆式减振器，其由减振器质量件（1）、摆杆（2）、紧固结构（3）和具有转动抑制件的摆元件（4）构成。力矩通过扭杆（2.1）传递。在此，扭杆铰接地连接至摆轭（2.2）。该连接的转动点有利地位于和球摆轴承的转动点相同的高度。该连接例如能够以滑动轴承的形式建立。优选地使用弹性体套筒（6）。扭杆的端部通入转动扭转轴承（7）中，转动扭转轴承垂直于俯仰扭转轴承（6）布置。为了使该轴承能够传递扭转负荷和万向负荷，该轴承实施为弹性体轴承。可能的是，系统如所示的那样实施有扭杆（2.1）。为了能够实现更好的负荷分布，两个或更多个，优选三个这种杆也能够实施在周边上。
替选于一个或更多个扭杆，如描述的那样也可能的是，使用弹簧元件或弹性元件，如在图5和图6中示出的那样。图5的半球关节（5）在此如上面描述的那样构建。为了承受扭转撞击，多个切向布置的多层的扭转弹簧元件（8）安置在关节的区域内。扭转弹簧元件连接摆轭（2.2）与上紧固件（2.3）。爆震弹簧元件（8）因此建立元件（2.2）和（2.3）的弹性连接。该连接沿摆方向基于这种多层的元件的很小的抗剪刚度是软的。基于多层的扭转弹簧元件的相对高的轴向的刚度，在（2.2）和（2.3）之间存在沿扭转方向的高的刚度。图6的系统与根据图5的实施方式类似地构建。然而，上紧固件（2.3）与摆轭（2.2）通过转向器（9）连接。由此同样得到摆轭（2.2）与上紧固件（2.3）之间的抗扭转的和在万向上软的连接。转向器（9）例如由两个弹性体球轴承（9.1）或滚动元件构成，它们在现有技术中本身是已知的。它们具有如下特性：其沿径向是硬的并且沿万向方向是相对软的。
根据图7的实施方式基本上由半球关节（5）、摆轭（2.2）和上紧固件（2.3）构成。由于减振器的切向的碰撞而出现的扭力通过碰撞缓冲件（10）传递。
用于弹性的球摆轴承的完全不同的应用情况是尤其结合风力设施或必要时另外的浮动设施的水上平台的连接和紧固（图8、图9）。轴承既能够特别地用于水上平台本身，也能够特别地用于具有风力设施的水上平台。在紧固水上底座的绳索时存在如下问题，绳索基于万向的运动在夹紧部位上弯折。补救能够通过使用在市场上常见的吊钩实现。吊钩然而基于在各个部件之间形成的摩擦而遭受明显的磨损，从而其仅在有限的时间段内是可用的。在使用根据本发明的弹性体球摆轴承时，无摩擦地进行过渡。元件在长的时间段内是免维护的。在此也使用具有一个或多个半球形的弹性体层的弹性体球摆轴承（5）。其放置在可运动的轭（19）与固定地夹紧的轭（20）之间。在相应可运动的轭（20）上安置有绳索紧固件（14）（图9）。绳索基于弹性体元件的很小的万向刚度而仅遭受很小的弯曲力矩。作用到绳索上的弯折负荷是很小的。根据本发明的这种元件已经能够在大约200mm的直径中，在同时很小的万向刚度的情况下传递大于1000kN的负荷。在此，万向刚度能够通过根据按照图4b、c的布置使用流体（5.6）进一步减小。在使用两个弹性体层的情况下，在内球上也能够装入流体垫，从而万向刚度能够一方面通过多个层，并且同时通过使用流体垫进一步减小。为了能够在更小的复位力时实现更大的角度，多个关节能够依次接入。为此有意义的是，元件沿绳索的进一步远离基座或平台的方向比夹紧部位的元件更软地实施。在相应软的连接部位中能够完全放弃绳索技术。绳索能够通过多个关节利用接入在它们之间的刚性的元件的级联来替代。
在根据本发明的球摆轴承中的弹性体层能够具有不同的厚度，厚度然而主要在5mm至20mm之间改变。在使用两个层的情况下，内层有利地具有外层的厚度的仅大约50-70%，其硫化到关节窝中。弹性的内层的厚度在4.5至9mm之间，而弹性的外层的厚度能够在6至12mm之间。在根据本发明的球摆轴承中使用的弹性体的肖氏硬度在50至100 肖式A之间。

Claims (14)

1.风力设施，包括具有高的轴向的强度的摆式振动减振器，该摆式振动减振器能够承受很大的力，在很小的空间上经过很大的角度，并且沿所有方向自由地运动而设施的固有频率不会受到明显影响，其中振动减振器包括摆杆（2）、减振器质量件（1）和至少一个球摆轴承，球摆轴承位于摆杆（2）的上端部上并且包括具有内关节头（5.4）和关节窝（5.5）的弹性的球关节（5），其中关节头支承在相应的确定规格的和成形的关节窝中，
其特征在于，弹性的球关节（5）的关节头（5.4）和关节窝（5.5）是球形的，并且关节头（5.4）和关节窝（5.5）的整个球面由至少一个弹性体层（5.1）覆盖并且通过该弹性体层彼此固定连接，其中，所述至少一个弹性体层具有5mm-20mm的厚度，并且关节头（5.4）和关节窝（5.5）的由弹性体层覆盖的整个球面具有带有180º至325º的包角的部分球形状。
2.根据权利要求1所述的风力设施，其特征在于，球摆轴承具有至少两个弹性体层（5.1、5.2），弹性体层完全或部分通过一个或多个中间板材（5.3）彼此分离。
3.根据权利要求1或2所述的风力设施，其特征在于，轴承具有在弹性体层（5.1）与关节头（5.4）和/或关节窝（5.5）之间的或在弹性体层（5.1）内的区域，流体（5.6）能够通过填充阀压入所述区域中，从而由此局部不同的抗扭刚度在不变的轴向的刚度的情况下存在。
4.根据权利要求1或2所述的风力设施，其特征在于，关节头和关节窝之间的弹性体层（5.1）沿轴承的轴向方向具有和沿水平方向不同的刚度。
5.根据权利要求1所述的风力设施，其特征在于，振动减振器在球摆轴承的区域中具有减小或阻止减振器的扭转振动的设备。
6.根据权利要求5所述的风力设施，其特征在于，设备包括至少一个扭杆（2.1），扭杆垂直于摆杆（2）或绳索（15）安置，并且具有用于俯仰运动的弹性的扭转轴承（6）和用于摆杆（2）的转动运动的弹性的扭转轴承（7）。
7.根据权利要求5所述的风力设施，其特征在于，为了减弱或避免扭转的摆动运动，设备在球关节（5）或绳索（15）的区域中具有摆轭（2.2）与弹性的碰撞元件（10）。
8.根据权利要求5或7所述的风力设施，其特征在于，为了减弱或避免摆的扭转运动，设备具有至少三个弹簧元件（8），弹簧元件在球关节（5）的区域中均匀地围绕摆杆（2）或绳索（15）分布。
9.根据权利要求5或7所述的风力设施，其特征在于，为了减弱或避免摆的扭转运动，设备具有至少三个带有弹性的球轴承（9.1）的转向器（9），转向器在球关节（5）的区域中均匀地围绕摆杆（2）或绳索（15）分布。
10.根据权利要求1或2所述的风力设施，其特征在于，所述风力设施具有至少一个附加的用于减弱在设施中出现的振动的设备。
11.根据权利要求1或2所述的风力设施，其特征在于，所述风力设施是水上平台（18），水上平台通过绳索（15）与海底或湖底（12）经由基座（11）锚固，其中每个绳索（15）借助绳索紧固件（14）通过上方的所述球关节（5）紧固在平台上，并且通过下方的所述球关节（5）紧固在基座上。
12.根据权利要求10所述的风力设施，其特征在于，所述用于减弱在设施中出现的振动的设备是液压阻尼器、涡流阻尼器或独立于温度的机械阻尼器。
13.风力设施，包括至少一个弹性的球摆轴承，球摆轴承包括具有内关节头（5.4）和关节窝（5.5）的球关节（5），其中关节头至少具有半球形状，并且支承在相应的确定规格的和成形的关节窝中，
其特征在于，在关节头和关节窝之间布置有至少两个弹性体层（5.1、5.2），弹性体层的表面的至少80%与关节头和关节窝的球面固定连接，弹性体层具有5mm-20mm的厚度，并且由弹性体层覆盖的关节头（5.4）和相应的关节窝（5.5）具有带有180º至325º的包角的部分球形状，弹性体层完全或部分通过一个或多个中间板材（5.3）彼此分离。
14.根据权利要求13所述的风力设施，其特征在于，所述风力设施是水上平台（18），水上平台通过绳索（15）与海底或湖底（12）经由基座（11）锚固，其中每个绳索（15）借助绳索紧固件（14）通过上方的所述球关节（5）紧固在平台上，并且通过下方的所述球关节（5）紧固在基座上。
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