CN109577362A - 一种球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器 - Google Patents

一种球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器。它包括底板，底板上面均匀固定有若干根竖直的立柱；立柱中部的内立面上固接有水平的主承压板，主承压板的中心开孔并安装有球形轴承，主承压板的中心孔外围均匀开有3个以上的螺栓孔；中心摆杆穿过该球形轴承，中心摆杆下端与端板固接，中心摆杆上端与质量块连接；在主承压板与端板之间对应于主承压板上螺栓孔位置竖向安装有3个以上的主弹簧，主弹簧下端与端板连接，主弹簧上端连接于穿过螺栓孔的调节螺杆下端。本发明克服了现有摆式TMD占用空间大、安装成本高的缺点，其固有频率可调，在摆杆较短的情况下轻松实现超低频。

Description

一种球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器
技术领域
本发明属于调谐减振技术领域，具体涉及一种球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器。
背景技术
目前，风力发电机塔筒的高度达到140m以上，而塔筒直径仅4m左右，风机塔筒在大风的作用下易发生大幅振动，强烈的振动易引发塔筒疲劳损伤、混凝土基础疲劳开裂、发电机主轴断裂、及其它许多问题。
由于风机塔筒主要振动形式为弯曲振动，其任意横截面为圆形，振动方向为水平方向，并且塔筒的弯曲方向随风向的变化而不断变化。如图1所示为悬臂式调谐减振阻尼器(TMD)，下部必须为弹性杆件，因存在压杆失稳问题，不能设计出低频的TMD；如图2所示为弹簧质量式TMD，由于摩擦力的存在，下面必须设计滚轮，其振动方向不可调；因此，现有水平减振都采用摆式调谐减振阻尼器(TMD)，结构如图3所示，为吊索悬挂质量块的形式，能适应塔筒横截面水平万向振动的特点，目前塔筒减振都采用摆式TMD。图1至图3中，m为质量块的质量，k为弹簧刚度，L为摆长。
采用绳索悬挂质量块方式的摆式TMD，其固有频率其中，ωn为摆式TMD的固有频率，g为重力加速度，l为摆长。TMD的减振原理如图4所示，图4中，m为质量块的质量，k为弹簧刚度，c为阻尼器阻尼，M为主结构的质量，k1为主结构刚度，c1为主结构阻尼，F为结构所受到的风、流体等激励荷载的动力部分，F0为外激励的幅值，ω为外激励的频率，t为时间。
当结构发生大幅振动时，利用共振原理，即TMD的固有频率与结构固有频率一致，使TMD发生大幅振动，利用TMD的惯性力平衡外加激励，从而抑制结构的振动。TMD的减振原理决定了其仅能对结构的单阶频率进行减振，当TMD本身的频率与结构振动频率偏离时，TMD的振幅迅速减小，导致其减振效果迅速下降。
由于塔筒高度大，横截面尺寸小，其振动基频接近0.1Hz，采用摆式TMD减振时其摆长超过10m。随着塔筒高度的进一步增长，TMD摆长会进一步加长，占用空间大，安装成本高的问题会变得更加突出。另外，摆式TMD本身的振幅大，必须采用适当的耗能元件消耗其本身的振动能量，保证其质量块具有一定的振幅为结构提供足够的惯性力，同时又防止其质量块振幅过大与结构发生碰撞的事故；由于摆式TMD的摆长大、质量块振幅大，阻尼器的安装难度也非常大。除塔筒减振外，现有高耸建筑结构同样采用摆式TMD，占用数层楼高的空间，浪费了资源，极大地增加了安装成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有摆式TMD占用空间大、安装成本高的缺点，提供一种球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器。
本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器，它包括安装于结构上的底板，底板上面沿圆周线上均匀固定有若干根竖直的立柱；立柱中部的内立面上固接有一块水平的主承压板，主承压板的中心开孔并安装有一个球形轴承，主承压板的中心孔外围均匀开有3个以上的螺栓孔；一中心摆杆穿过该球形轴承，中心摆杆的下端与一端板固接，中心摆杆的上端与质量块连接，中心摆杆位于该球形轴承之上对应设有下轴肩；在主承压板与端板之间对应于主承压板上螺栓孔的位置竖向安装有3个以上的主弹簧，主弹簧的下端与端板连接，主弹簧上端连接于穿过主承压板上螺栓孔的调节螺杆下端，调节螺杆用于调节中心摆杆竖的竖直度和中心摆杆的竖向移动。
进一步的，在主弹簧外围的主承压板与端板之间均匀铰接有若干竖向的耗能阻尼器。
进一步的，在质量块与主承压板之间的一段中心摆杆的外围上安装有套环，在立柱的内立面上对应于套环高度安装有调节环，套环与调节环之间安装有3个以上的调节弹簧，调节弹簧的刚度小。
具体的，所述调节弹簧为8个。
具体的，所述质量块由多片中心开孔的圆形板叠加而成，中心摆杆上部设有上轴肩，上轴肩之上的中心摆杆顶端是螺杆，圆形板从中心摆杆顶端的螺杆套入后旋紧压紧螺母固定。
进一步的，在质量块的外围安装有环形的碰撞缓冲垫，在立柱的内立面上对应于碰撞缓冲垫的高度安装有碰撞环。
具体的，所述立柱为4根。
具体的，所述主弹簧为8个。
本发明的球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器(简称：BLTMD)减振原理如下：
当塔筒弯曲振动时，塔筒内层间板沿水平方向振动(塔筒横截面转动的角度很小，可忽略)，带动BLTMD底板和立柱水平振动；当塔筒振动频率与BLTMD固有频率一致时，中心摆杆和质量块随结构发生共振，质量块的惯性力通过立柱反向施加于塔筒，平衡塔筒的外加激励(如风的涡激力等)，适当的BLTMD的阻尼器耗能阻止质量块过大的振幅。
本发明的创新点体现如下：
(1)利用水平安装的球形轴承内中心摆杆可以万向转动的特性，设计了抑制结构水平振动的万向水平调谐减振阻尼器(BLTMD)。
(2)利用质量块重力与主弹簧拉力的平衡，既增大了BLTMD的有效质量，又防止质量块巨大的重力直接作用于球形轴承而导致球形轴承内转动环从外缸套中被挤出。
(3)球形轴承转动环与外缸套很小的相互作用力不但可减小摩擦力，同时又可以减小轴向摆杆转动时可能发生的轴向振动。
(4)质量块到转轴的距离与主弹簧到转轴的距离单独可调，可以通过改变主弹簧与中心摆杆的距离调节改变BLTMD的固有频率，在摆杆较短的情况下轻松实现超低频。
(5)多主弹簧的设计保证BLTMD在任意方向的固有频率一致。
(6)调节弹簧刚度小，其位置可调，同时不改变BLTMD主体结构的平衡性，易于实现对BLTMD频率的精确调整。
(7)缓冲垫及碰撞杆的设计可保证BLTMD的安全性。
附图说明
图1是为悬臂式调谐减振阻尼器的原理结构示意图。
图2为弹簧质量式减振阻尼器的原理结构示意图。
图3为吊索悬挂质量块减振阻尼器的原理结构示意图。
图4为绳索悬挂质量块方式的摆式减振阻尼器的减振原理图。
图5是本发明实施例的立面结构示意图。
图6是图5的A-A剖视图。
图7是图5的B-B剖视图。
图8是图5的C-C剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图5、图6、图7、图8，本实施例的球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器(简称：BLTMD)由4根竖直的立柱1支撑，4根立柱1沿圆周线均匀固定于底板2上面，底板2固接于塔筒层间板上。从图中可见，4根立柱1中部的内立面上固接有水平的圆形主承压板3，主承压板3的中心开孔并安装有球形轴承4，主承压板3的中心孔外围均匀开有8个螺栓孔；中心摆杆5穿过球形轴承4，中心摆杆5的下端与端板6固接，中心摆杆5的上端与质量块7连接，中心摆杆5位于球形轴承4之上对应设有下轴肩；在主承压板3与端板6之间对应于主承压板3上螺栓孔的位置竖向安装有8个主弹簧8，主弹簧8的下端与端板6连接，主弹簧8上端连接于穿过主承压板3上螺栓孔的调节螺杆9下端，所有主弹簧共同作用时保证中心摆杆5竖直，调节螺杆9用于调节中心摆杆5的竖直度和中心摆杆5的竖向移动。质量块7由多片中心开孔的圆形板叠加而成，中心摆杆5上部设有上轴肩，上轴肩之上的中心摆杆5顶端是螺杆，圆形板由中心摆杆5顶端的螺杆按顺序套入，圆形板压在中心摆杆5上轴肩上，随着质量块的增加，中心摆杆5与端板6间主弹簧8被拉伸，中心摆杆5下移；当中心摆杆5下轴肩与球形轴承4端面接触时，继续在中心摆杆5上端增加适当的质量块，既保证中心摆杆5下轴肩与球形轴承4端面接触，又保证球形轴承4能够承受新增的重力，防止中心摆杆5竖向振动；确定适当的质量块后，用压紧螺母10固定质量块7。这样就完成了BLTMD的主要功能，当主弹簧8足够多(达到3个及以上)时，BLTMD可绕球形轴承4的中心点在任意方向发生转动(即转轴为过球形轴承4中心点的水平轴)。
若仅考虑如图的8个主弹簧，BLTMD固有频率为：
式中，k为主弹簧刚度，R为主弹簧所在圆的半径，m约为质量块的质量，L为中心摆杆的摆长，g为重力加速度。由式(1)可知，BLTMD固有频率受R、L的影响大，当R比L足够小时，可以实现超低频。调节R与L的关系，使得BLTMD的固有频率略低于结构振动频率，为后续精确调整留出空间。
在质量块7的外围安装有环形的碰撞缓冲垫11，在4根立柱1的内立面上对应于碰撞缓冲垫11的高度安装有碰撞环12，以防止质量块的过大振动撞击主塔或其它物体，防止意外发生。
在主弹簧8外围的主承压板3与端板6之间均匀连接有4个竖向的耗能阻尼器13，耗能阻尼器13上端与主承压板3铰接，下端与端板6铰接，当端板6随中心摆杆5转动时，对耗能阻尼器13进行拉伸与压缩，消耗BLTMD振动的能量。
在质量块7与主承压板3之间的一段中心摆杆5的外围上安装有套环14，套环14套在中心摆杆5外，在4根立柱1的内立面上安装有调节环15，套环14与调节环15保持同一高度，套环14与调节环15之间均匀安装有8个调节弹簧16，调节弹簧16的刚度小(可为主弹簧刚度的1/5-1/100)。当调节弹簧16上移时，中心摆杆5频率增大(即BLTMD的固有频率)，当调节弹簧16下移时，中心摆杆5频率减小；调整调节弹簧16到适当的高度，BLTMD的固有频率与塔筒固有频率基本相等(二者调谐，塔筒振动使得中心摆杆有最大振幅，即共振)，从而实现BLTMD的固有频率的精调。
以上是本发明的一个具体实施例，本发明还有其它可能的等同变换或类同修改，如：
(1)中心摆杆改为空心杆，减轻摆杆质量。
(2)取消调节弹簧。
(3)主承压板以下改油桶，端板浸泡在油中，增加阻尼，省略阻尼器。
(4)主承压板和端板改为轮辐形状，降低非摆动结构重量，并增大刚度。
(5)缓冲垫和碰撞环改为拉绳式。
(6)改变阻尼器的安装位置或角度。
(7)主弹簧采用交叉斜拉式，可以满足本设计的效果，并能增大摆杆抗扭能力。
(8)立柱采用超过2根以上的任意多根或圆筒。
(9)取消球形轴承，采用多根绳索连接摆杆与主承压板代替。
(10)改变主弹簧、调节弹簧、阻尼器的数量。
因此，在不改变本发明基本构思的情况下，任何其它等同技术特征的变换或修改，都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器，其特征在于：它包括安装于结构上的底板，底板上面沿圆周线上均匀固定有若干根竖直的立柱；立柱中部的内立面上固接有一块水平的主承压板，主承压板的中心开孔并安装有一个球形轴承，主承压板的中心孔外围均匀开有3个以上的螺栓孔；一中心摆杆穿过该球形轴承，中心摆杆的下端与一端板固接，中心摆杆的上端与质量块连接，中心摆杆位于该球形轴承之上对应设有下轴肩；在主承压板与端板之间对应于主承压板上螺栓孔的位置竖向安装有3个以上的主弹簧，主弹簧的下端与端板连接，主弹簧上端连接于穿过主承压板上螺栓孔的调节螺杆下端，调节螺杆用于调节中心摆杆竖的竖直度和中心摆杆的竖向移动。
2.根据权利要求1所述球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器，其特征在于：在主弹簧外围的主承压板与端板之间均匀铰接有若干竖向的耗能阻尼器。
3.根据权利要求1所述球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器，其特征在于：在质量块与主承压板之间的一段中心摆杆的外围上安装有套环，在立柱的内立面上对应于套环高度安装有调节环，套环与调节环之间安装有3个以上的调节弹簧，调节弹簧的刚度小。
4.根据权利要求3所述球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述调节弹簧为8个。
5.根据权利要求1所述球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述质量块由多片中心开孔的圆形板叠加而成，中心摆杆上部设有上轴肩，上轴肩之上的中心摆杆顶端是螺杆，圆形板从中心摆杆顶端的螺杆套入后旋紧压紧螺母固定。
6.根据权利要求5所述球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器，其特征在于：在质量块的外围安装有环形的碰撞缓冲垫，在立柱的内立面上对应于碰撞缓冲垫的高度安装有碰撞环。
7.根据权利要求1所述球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述立柱为4根。
8.根据权利要求1所述球形轴承式超低频水平万向振动调谐质量阻尼器，其特征在于：所述主弹簧为8个。
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