CN111271410A - 减震器和包括减震器的用于支柱类电气设备的减震装置 - Google Patents

减震器和包括减震器的用于支柱类电气设备的减震装置 Download PDF

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CN111271410A CN202010034756.3A CN202010034756A CN111271410A CN 111271410 A CN111271410 A CN 111271410A CN 202010034756 A CN202010034756 A CN 202010034756A CN 111271410 A CN111271410 A CN 111271410A
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程永锋
林森
卢智成
孙宇晗
朱祝兵
李圣
刘振林
王海菠
刘海龙
张谦
孟宪政
钟珉
韩嵘
高坡
薛耀东
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Abstract

本发明提供一种减震器和包括减震器的用于支柱类电气设备的减震装置，包括中空的外壳、传动轴(4)以及设置于所述外壳内的压缩弹簧(6)和两个摩擦组件(5)；两个摩擦组件(5)设置于所述压缩弹簧(6)的两端，且压缩弹簧(6)两端分别紧贴摩擦组件(5)；传动轴(4)依次穿过其中一个摩擦组件(5)、压缩弹簧(6)和另一个摩擦组件(5)，压缩弹簧(6)两端分别紧贴摩擦组件(5)，多个减震器均匀分布在支撑机构周围，减震器具有自动复位功能，大大减小了震后存在残余变形的可能性，不容易造成电气设备累积倾斜和偏移现象，可靠性高；本发明结构紧凑，造价低廉，减震效果好，摩擦组件的不同形式可提供不同大小出力，适用各类支柱类电气设备。

Description

减震器和包括减震器的用于支柱类电气设备的减震装置
技术领域
本发明涉及电力设施抗震安全防护技术领域，具体涉及一种减震器和包括减震器的用于支柱类电气设备的减震装置。
背景技术
中国处于欧亚地震带和环太平洋地震带之间，由于能源基地与用电负荷分布不均，大量变电站/换流站需建设于地震烈度高的抗震不利地区。变电站/换流站内60％以上的关键设备为支柱类电气设备(如避雷器、互感器等)，为保证绝缘性能，支柱类电气设备通常采用瓷质材料，而为满足电气间隙要求支柱类电气设备在结构上细而高，设计制造难以兼顾抗震性能，因此支柱类电气设备地震损坏严重。支柱类电气设备还会受到大风影响，且要进行开关开合闸等动作，这些均会造成支柱类电气设备受力及振动，但这些情况不会破坏支柱类电气设备，此时要避免减震器动作，保证支柱类电气设备稳定运行。而当一定等级的地震发生时，减震装置应触发并工作，通过耗能降低支柱类电气设备地震反应，因此用于保护支柱类电气设备的减震系统应设置一定的触发力。
为提高地震高烈度区站内支柱类电气设备的抗震性能，现有技术一般采用基于铅合金变形耗能的减震装置，电气设备的底端设有法兰底板，用于支撑电气设备的设备支架的顶端设有支架顶板，通过该减震装置将法兰底板和支架顶板相连接，该减震装置包括支撑垫块、螺栓和减震器，支撑垫块置于法兰底板和支架顶板之间，减震器穿过法兰底板和支架顶板后通过螺栓将法兰底板、支撑垫块和支架顶板固紧在一起。上述基于铅合金变形耗能的减震装置不具有自恢复功能，且在遭遇地震时触发动作，在往复荷载作用下减震器的滞回曲线为占据四个象限的四边形，震后存在残余变形，电气设备可能累积倾斜、偏移等不利影响。
发明内容
为了克服上述现有技术中无法自复位的不足，本发明提供一种减震器和包括减震器的用于支柱类电气设备的减震装置，减震器包括：中空的外壳、传动轴(4)以及设置于所述外壳内的压缩弹簧(6)和两个摩擦组件(5)；两个摩擦组件(5)设置于所述压缩弹簧(6)的两端，且压缩弹簧(6)两端分别紧贴摩擦组件(5)；传动轴(4)依次穿过其中一个摩擦组件(5)、压缩弹簧(6)和另一个摩擦组件(5)，压缩弹簧(6)两端分别紧贴摩擦组件(5)，不仅具有自复位功能，且可靠性高。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种减震器，包括：中空的外壳、传动轴(4)以及设置于所述外壳内的压缩弹簧(6)和两个摩擦组件(5)；
所述两个摩擦组件(5)设置于所述压缩弹簧(6)的两端，且压缩弹簧(6)两端分别紧贴摩擦组件(5)；
所述传动轴(4)依次穿过其中一个摩擦组件(5)、压缩弹簧(6)和另一个摩擦组件(5)。
还包括两个调节螺母(7)和两个防松螺母(8)；
所述调节螺母(7)安装于摩擦组件(5)的外侧，用于给压缩弹簧(6)施加预紧力；
所述防松螺母(8)安装于调节螺母(7)的外侧。
所述摩擦组件(5)包括单锥面内环(11)和与单锥面外环(10)。
所述单锥面内环(11)和单锥面外环(10)各有一个；
所述单锥面内环(11)位于单锥面外环(10)内部，其外锥面与单锥面外环(10)的内锥面贴合，所述传动轴(4)穿过单锥面内环(11)。
所述单锥面内环(11)和单锥面外环(10)各有多个；
所述单锥面内环(11)位于单锥面外环(10)内部，其外锥面与单锥面外环(10)的内锥面贴合，形成摩擦单元，多个摩擦单元依次排列；
所述传动轴(4)穿过所有单锥面内环(11)。
所述单锥面外环(10)包括多个尺寸相同的分段环，所有分段环形成圆环。
所述外壳包括筒形本体(2)、上端盖(3)和下端盖(1)；
所述上端盖(3)与筒形本体(2)的顶部固定，所述下端盖(1)与筒形本体(2)的底部固定；
所述筒形本体(2)的长度等于压缩弹簧(6)预紧后两个摩擦组件(5)外端面间的距离。
所述下端盖(1)设有凸台，所述凸台与支架顶板贴合，且通过螺栓与支架顶板连接。
所述摩擦组件(5)的加载刚度和卸载刚度均基于摩擦系数、摩擦单元个数、压缩弹簧(6)的刚度以及单锥面内环(11)/单锥面外环(10)的锥角确定。
所述加载刚度按下式确定：
Figure BDA0002365618110000021
所述卸载刚度按下式确定：
Figure BDA0002365618110000031
式中，kl为摩擦组件(5)的加载刚度，ku为摩擦组件(5)的卸载刚度，ks为压缩弹簧(6)的刚度，n为摩擦单元的个数，μ1为单锥面内环(11)与单锥面外环(10)之间的摩擦系数，μ2为单锥面外环(10)与筒形本体(2)之间的摩擦系数，θ为单锥面内环(11)/单锥面外环(10)的锥角。
所述上端盖(3)与筒形本体(2)之间、下端盖(1)与筒形本体(2)均采用螺钉固定。
所述压缩弹簧(6)采用圆柱螺旋压缩弹簧、矩形截面圆柱螺旋压缩弹簧或蝶形弹簧。
另一方面，本发明提供一种用于支柱类电气设备的减震装置，设置于支架与支柱类电气设备之间，包括：支撑机构(16)和多个减震器(14)；
多个减震器(14)均匀分布在支撑机构周围；
每个减震器(14)顶部通过紧固件与支柱类电气设备(13)底部连接，其底部通过紧固件与支架顶板连接。
所述支撑机构(16)为圆柱形；
所述支撑机构(16)顶端放置支柱类电气设备(13)，其底端固定于支架顶板的中心位置。
所述紧固件和包括螺栓和螺母；
所述螺母配有垫片或为双螺母。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的减震器包括中空的外壳、传动轴(4)以及设置于所述外壳内的压缩弹簧(6)和两个摩擦组件(5)；两个摩擦组件(5)设置于所述压缩弹簧(6)的两端，且压缩弹簧(6)两端分别紧贴摩擦组件(5)；传动轴(4)依次穿过其中一个摩擦组件(5)、压缩弹簧(6)和另一个摩擦组件(5)，压缩弹簧(6)的回弹力克服摩擦组件(5)与外壳之间的摩擦力，具有自复位功能；
本发明提供的用于支柱类电气设备的减震装置包括支撑机构和多个减震器；多个减震器均匀分布在支撑机构周围，减震器具有自复位功能，大大减小了震后残余变形，不容易造成电气设备累积倾斜和偏移现象，可靠性高；
本发明结构紧凑，造价低廉，减震效果好；
本发明中摩擦组件的不同形式可提供不同大小出力，适用各类支柱类电气设备；
本发明在支柱类电气设备正常工作时设置有触发力保证设备在大风、机械操作等外力作用下不会误动作，在地震发生时减震装置被触发从而动作，通过往复摩擦耗能减少传入支柱类电气设备的地震能量，且支柱类电气设备摆动幅度越大摩擦阻尼越大，减震效率高；在震后通过自恢复可使支柱类电气设备复位，残余变形量小，使减震装置恢复初始状态。
附图说明
图1是本发明实施例中减震器结构图；
图2是本发明实施例中用于支柱类电气设备的减震装置结构图；
图3是本发明实施例中摩擦组件第一种结构俯视图；
图4是本发明实施例中摩擦组件第一种结构正视图；
图5是本发明实施例中摩擦组件第一种结构剖视图；
图6是本发明实施例中摩擦组件第二种结构正视图；
图7是本发明实施例中摩擦组件第二种结构剖视图；
图8是本发明实施例中摩擦组件第三种结构正视图；
图9是本发明实施例中摩擦组件第三种结构剖视图；
图10是本发明实施例中摩擦组件第四种结构正视图；
图11是本发明实施例中摩擦组件第四种结构剖视图；
图12是本发明实施例中减震器的滞回曲线图；
图中，1、下端盖，2、筒形本体，3、上端盖，4、传动轴，6、压缩弹簧，5、摩擦组件，6、压缩弹簧，7、调节螺母，8、防松螺母，9、双锥面内环，10、单锥面外环，11单锥面内环，12、双锥面外环，13、支柱类电气设备，14、减震器，15、支架，16、支撑机构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供了一种减震器，包括：中空的外壳、传动轴(4)、以及设置于外壳内的压缩弹簧(6)和两个摩擦组件(5)；
传动轴(4)依次穿过其中一个摩擦组件(5)、压缩弹簧(6)和另一个摩擦组件(5)，两个摩擦组件(5)设置于所述压缩弹簧(6)的两端，压缩弹簧(6)两端分别紧贴摩擦组件(5)，若压缩弹簧(6)接触面不平，可在摩擦组件(5)与压缩弹簧(6)之间增设垫圈。
本发明实施例提供的减震器还包括两个调节螺母(7)和两个防松螺母(8)；
调节螺母(7)安装于摩擦组件(5)的外侧，用于给压缩弹簧(6)施加预紧力；
防松螺母(8)安装于调节螺母(7)的外侧。
外壳包括筒形本体(2)、上端盖(3)和下端盖(1)；
上端盖(3)与筒形本体(2)的顶部固定，下端盖(1)与筒形本体(2)的底部固定；筒形本体(2)的内壁可做特殊处理以增强耐磨性并保证摩擦特性的稳定。
筒形本体(2)的长度等于压缩弹簧(6)预紧后两个摩擦组件(5)外端面间的距离。
下端盖(1)设有凸台，凸台与支架顶板贴合，且通过螺栓与支架顶板连接。
本发明实施例中摩擦组件的不同形式可提供不同大小出力，适用各类支柱类电气设备，摩擦组件具体有以下四种形式：
形式(1)：
如图4和图5，摩擦组件(5)包括单锥面内环(11)和与单锥面外环(10)。
单锥面内环(11)和单锥面外环(10)各有一个；
单锥面内环(11)位于单锥面外环(10)内部，其外锥面与单锥面外环(10)的内锥面贴合，传动轴(4)穿过单锥面内环(11)。单锥面外环(10)包括多个尺寸相同的分段环，多个尺寸相同的分段环拼合为一个完整的单锥面外环。
具有形式(1)摩擦组件的减震器体型较小、重量较轻，对震后复位要求较高时可选用此形式。
形式(2)：
如图6和图7，单锥面内环(11)和单锥面外环(10)各有多个；
所述单锥面内环(11)位于单锥面外环(10)内部，其外锥面与单锥面外环(10)的内锥面贴合，形成摩擦单元，多个摩擦单元依次排列；
传动轴(4)穿过所有单锥面内环(11)。
单锥面外环(10)包括多个尺寸相同的分段环。
具有形式(2)摩擦组件的减震器可增大出力，增强摩擦阻尼。
形式(3)：
如图8和图9，单锥面内环(11)有两个，所述双锥面外环(12)有一个；
两个单锥面内环(11)位于双锥面外环(12)内部，两者的外锥面与双锥面外环(12)的内锥面贴合，所述传动轴(4)穿过两个单锥面内环(11)。
具有形式(3)摩擦组件的减震器适用于电压等级较高、体型较大的支柱类电气设备。
形式(4)：
如图10和图11，摩擦组件(5)还包括多个双锥面内环(9)；
单锥面内环(11)有两个，双锥面外环(12)比双锥面内环(9)多一个；
两个单锥面内环(11)和所有双锥面内环(9)均位于双锥面外环(12)内部，两个单锥面内环(11)和所有双锥面内环(9)各自的外锥面与双锥面外环(12)的内锥面贴合，所述传动轴(4)穿过依次穿过一个单锥面内环(11)、所有双锥面内环(9)和另一个单锥面内环(11)。
形式(5)的摩擦组件中的双锥面外环(12)可以选择黄铜、青铜、各类合金钢等常用摩擦副材料。
本发明实施例1提供的减震器滞回曲线如图12，纵坐标表示力，横坐标表示位移。当外力较小时，减震器的力学行为处于OA段，表示减震器未被触发，外环与筒形本体(2)内壁之间的静摩擦力随外力增大而增大。当外力超过最大静摩擦力，即设计触发力，传动轴(4)带动摩擦组件(5)滑动，如图12中AB段所示，此时减震器刚度为加载刚度kl。当外力减小，传动轴(4)停止之前运动，BC段表示静摩擦力随外力减小而减小，到达C点时静摩擦力为0。CDO段表示减震器在压缩弹簧(6)的恢复力作用下克服摩擦恢复原位的过程，此时减震器刚度为卸载刚度ku。在往复作用下，减震的滞回曲线为一、三象限的对称双旗帜形。
摩擦组件(5)的加载刚度和卸载刚度均基于摩擦系数、摩擦单元个数、压缩弹簧(6)的刚度以及单锥面内环(11)/单锥面外环(10)的锥角确定。
本发明实施例1根据支柱类电气设备的重量、高度、底法兰安装孔布置半径和地震动参数等计算出合理的减震器设计触发力，该触发力应保证电气设备在大风、机械操作等外力作用下不动作，在一定的地震作用下减震器才被触发。根据触发力的大小选择摩擦组件(5)的形式、摩擦组件(5)中内环和外环的锥角、压缩弹簧(6)的型号、刚度及预压缩量等，同时需要保证压缩弹簧(6)的回复力大于摩擦力。传动轴(4)的下端与下端盖(2)的间距，以及上端防松螺母(8)与上端盖(3)的间距应设计一致，该距离为减震器的行程，其取值应保证当电气设备遭遇设防等级的地震时减震器可充分动作发挥耗能功效，而当地震等级超过设防目标时，合理限制减震器的位移，避免支柱类电气设备地震作用下摆动幅度过大。
令Ft表示减震器的设计触发力，Ft＝klΔL0，kl为摩擦组件(5)的加载刚度，ΔL0表示压缩弹簧(6)的预压缩量。形式(1)和形式(2)的摩擦组件(5)的加载刚度按下式确定：
Figure BDA0002365618110000061
形式(1)和形式(2)的摩擦组件(5)的卸载刚度按下式确定：
Figure BDA0002365618110000071
式中，kl为摩擦组件(5)的加载刚度，ku为摩擦组件(5)的卸载刚度，ks为压缩弹簧(6)的刚度，n为摩擦单元的个数，μ1为单锥面内环(11)与单锥面外环(10)之间的摩擦系数，μ2为单锥面外环(10)与筒形本体(2)之间的摩擦系数，θ为单锥面内环(11)/单锥面外环(10)的锥角。
形式(3)和形式(4)的摩擦组件的加载刚度按下式确定：
Figure BDA0002365618110000072
形式(3)和形式(4)的摩擦组件的卸载刚度按下式确定：
Figure BDA0002365618110000073
上端盖(3)与筒形本体(2)之间、下端盖(1)与筒形本体(2)均采用螺钉固定。
压缩弹簧(6)采用圆柱螺旋压缩弹簧、矩形截面圆柱螺旋压缩弹簧或蝶形弹簧。
本发明实施例1提供的减震器组装过程如下：
传动轴(4)两端各拧入一枚调节螺母(7)，将上述传动轴(4)、摩擦组件(5)、压缩弹簧(6)、调节螺母(7)装入筒形本体(2)中，拧紧调节螺母(7)推动摩擦组件(5)相向挤压压缩弹簧(6)至预设压缩量，之后在两枚调节螺母(7)外侧各拧入一枚防松螺母(8)。拧紧调节螺母(7)后，压缩弹簧(6)存在预紧力，挤压摩擦组件使摩擦组件(5)与筒形本体(2)内侧之间产生压力，此时若移动摩擦组件(5)则存在摩擦阻力，为方便装配，筒形本体(2)长度宜令筒形本体(2)的两端面与预紧后的摩擦组件(5)外侧端面平齐。上端盖(3)和下端盖(2)分别从上、下两端盖住筒形本体(2)，通过螺钉紧固。上端盖(3)和下端盖(2)的内挡环应与摩擦组件外端面贴合。传动轴(4)上端通过两螺母与支柱类设备底法兰连接，下端盖(1)下部凸台与支架顶板贴合，凸台下部螺栓杆穿过支架顶板螺栓孔通过螺母与支架连接。
本发明实施例1提供的减震器工作原理如下：
地震时，支柱类电气设备发生晃动，以支撑机构为支点带动传动轴(4)上下拉压动作，内环在压缩弹簧(6)轴向力作用下推挤外环，外环与筒形本体(2)与同时传动轴(4)上下运动过程中外环外圆表面与筒形本体(2)内壁摩擦耗散地震能量。支柱类电气设备正常工作或受较小外力时，由于压缩弹簧(6)存在预紧力，外环在预紧轴向力作用下与筒形本体(2)内壁始终保持压力，外力无法克服筒形本体(2)内壁和外环之间的静摩擦力因此无法触发减震器。当地震停止，减震器所受外力消失，若减震器存在残余变形，即传动轴4不在初始位置，此时压缩弹簧(6)的回弹力将克服摩擦力外环与筒形本体(2)内壁之间的摩擦力将传动轴(4)推回原位。
实施例2
本发明实施例2提供一种用于支柱类电气设备的减震装置，减震装置位于支柱类电气设备(13)和支架(15)之间，减震装置包括支撑机构(16)和多个减震器(14)；
多个减震器(14)均匀分布在支撑机构周围。
每个减震器(14)顶部通过紧固件与支柱类电气设备(13)底部连接，其底部通过紧固件与支架顶板连接。
支撑机构(16)为圆柱形；支撑机构(16)顶端放置支柱类电气设备(13)，支撑机构与支柱类电气设备不连接，其底端固定于支架顶板的中心位置。减震器的个数和支柱类电气设备底部法兰螺栓孔数量一致，减震器通过螺栓与支柱类电气设备(13)底部法兰固定，螺栓杆直径与支柱类电气设备(13)底部法兰开孔匹配。
紧固件和包括螺栓和螺母；螺母配有垫片或为双螺母，用于防松。
支柱类电气设备(13)不选用本发明实施例2提供的减震装置进行常规安装时，支柱类电气设备(13)直接落于支架顶板上，通过螺栓螺母连接，而选用本发明实施例2提供的减震装置后，不需对支柱类电气设备(13)和支架(15)进行任何设计变更，不改变原有安装布置形式，直接在支柱类电气设备(13)及其支架(15)之间增设本发明实施例2提供的减震装置即可。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种减震器，其特征在于，包括：中空的外壳、传动轴(4)以及设置于所述外壳内的压缩弹簧(6)和两个摩擦组件(5)；
所述两个摩擦组件(5)设置于所述压缩弹簧(6)的两端，且压缩弹簧(6)两端分别紧贴摩擦组件(5)；
所述传动轴(4)依次穿过其中一个摩擦组件(5)、压缩弹簧(6)和另一个摩擦组件(5)。
2.根据权利要求1所述的减震器，其特征在于，还包括两个调节螺母(7)和两个防松螺母(8)；
所述调节螺母(7)安装于摩擦组件(5)的外侧，用于给压缩弹簧(6)施加预紧力；
所述防松螺母(8)安装于调节螺母(7)的外侧。
3.根据权利要求1所述的减震器，其特征在于，所述摩擦组件(5)包括单锥面内环(11)和与单锥面外环(10)。
4.根据权利要求3所述的减震器，其特征在于，所述单锥面内环(11)和单锥面外环(10)各有一个；
所述单锥面内环(11)位于单锥面外环(10)内部，其外锥面与单锥面外环(10)的内锥面贴合，所述传动轴(4)穿过单锥面内环(11)。
5.根据权利要求3所述的减震器，其特征在于，所述单锥面内环(11)和单锥面外环(10)各有多个；
所述单锥面内环(11)位于单锥面外环(10)内部，其外锥面与单锥面外环(10)的内锥面贴合，形成摩擦单元，多个摩擦单元依次排列；
所述传动轴(4)穿过所有单锥面内环(11)。
6.根据权利要求3-5任一所述的减震器，其特征在于，所述单锥面外环(10)包括多个尺寸相同的分段环；所有分段环形成圆环。
7.根据权利要求4或5所述的减震器，其特征在于，所述外壳包括筒形本体(2)、上端盖(3)和下端盖(1)；
所述上端盖(3)与筒形本体(2)的顶部固定，所述下端盖(1)与筒形本体(2)的底部固定；
所述筒形本体(2)的长度等于压缩弹簧(6)预紧后两个摩擦组件(5)外端面间的距离。
所述下端盖(1)设有凸台，所述凸台与支架顶板贴合，且通过螺栓与支架顶板连接。
8.根据权利要求7所述的减震器，其特征在于，所述摩擦组件(5)的加载刚度和卸载刚度均基于摩擦系数、摩擦单元个数、压缩弹簧(6)的刚度以及单锥面内环(11)/单锥面外环(10)的锥角确定。
9.根据权利要求8所述的减震器，其特征在于，所述加载刚度按下式确定：
Figure FDA0002365618100000021
所述卸载刚度按下式确定：
Figure FDA0002365618100000022
式中，kl为摩擦组件(5)的加载刚度，ku为摩擦组件(5)的卸载刚度，ks为压缩弹簧(6)的刚度，n为摩擦单元的个数，μ1为单锥面内环(11)与单锥面外环(10)之间的摩擦系数，μ2为单锥面外环(10)与筒形本体(2)之间的摩擦系数，θ为单锥面内环(11)/单锥面外环(10)的锥角。
10.根据权利要求7所述的减震器，其特征在于，所述上端盖(3)与筒形本体(2)之间、下端盖(1)与筒形本体(2)均采用螺钉固定。
11.根据权利要求1所述的减震器，其特征在于，所述压缩弹簧(6)采用圆柱螺旋压缩弹簧、矩形截面圆柱螺旋压缩弹簧或蝶形弹簧。
12.一种用于支柱类电气设备的减震装置，其特征在于，设置于支架与支柱类电气设备之间，包括：支撑机构(16)和多个如权利要求1-11任一所述的减震器(14)；
多个减震器(14)均匀分布在支撑机构周围；
每个减震器(14)顶部通过紧固件与支柱类电气设备(13)底部连接，其底部通过紧固件与支架顶板连接。
13.根据权利要求12所述的用于支柱类电气设备的减震装置，其特征在于，所述支撑机构(16)为圆柱形；
所述支撑机构(16)顶端放置支柱类电气设备(13)，其底端固定于支架顶板的中心位置。
14.根据权利要求12所述的用于支柱类电气设备的减震装置，其特征在于，所述紧固件和包括螺栓和螺母；
所述螺母配有垫片或为双螺母。
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WO2022217789A1 (zh) * 2021-04-13 2022-10-20 中国电力科学研究院有限公司 一种减震装置及减震装置的设计方法

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