CN111456266B - 一种半主动摆式冲击阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半主动摆式冲击阻尼器，包括刚性梁，质量球，锥形挡板，定滑轮，卷扬机，电机，在刚性梁上开设有通孔，锥形挡板固定连接在刚性梁的下方，质量球通过钢丝绳从通孔处悬吊在锥形挡板内，能够自由地绕悬吊点在任意方向摆动。电机能为卷扬机提供动力输入，钢丝绳穿过通孔并绕过定滑轮后与卷扬机相连，通过电机的正反转调整钢丝绳长度。

Description

一种半主动摆式冲击阻尼器
技术领域
本发明涉及一种半主动摆式调谐质量阻尼器，用于多灾害下主结构振动响应双向控制。
背景技术
海上柔性结构如风机基础、灯塔等在风、浪、地震、海冰等多灾害环境载荷作用下易产生剧烈的振动，给其主结构可靠性和疲劳寿命带来巨大隐患，因此，需要安装振动控制阻尼器来缓解其在多灾害作用下的振动水平。
常规的振动控制阻尼器为调谐质量阻尼器(Tune mass damper，TMD)，根据其原理分为被动式、半主动式和主动式，其中被动式阻尼器适用于频率范围较窄的单一环境激励条件，对多灾害作用下的振动控制效果不佳；主动式阻尼器需要额外配备动力源、作动机构等复杂附属设备，因成本和安装空间的限制在工程应用上较少；半主动式阻尼器结构相对简单，造价低，又能够根据外载荷激励情况，调整其自身频率，从而适用于解决多灾害下的结构振动控制问题。
由于现实结构在不同外载荷组合作用下，往往在两个水平方向均有振动时，而常规TMD仅能控制单一载荷方向的振动，这种局限性使得TMD在结构双向振动控制领域具有极差的适用性。
三维摆式阻尼器是近年来提出的一种新型阻尼器，其利用质量球的反向摆动来实现对结构的振动控制，由于质量球的摆动可以为任意方向，因此，能够对任意水平载荷激励下的振动进行控制，从而使得其在结构双向振动控制方面具有较好的使用前景。
然而，摆式阻尼器由于其摆幅较大，需要较大空间，因此，在受限空间往往不具备现实应用性，且在恶劣环境条件下有可能会对主结构造成冲击破坏(如海上风机塔筒顶部的内部直径一般为3至5m，不足以满足质量球摆动的空间需求；且在极端环境下，由于主结构运动剧烈，特别是浮式风机基础，极易造成质量球撞击塔筒，引发安全事故)，因此，需要解决其使用空间和安全性问题。为此，本发明设计了一种带锥形挡板的半主动式摆式阻尼器，实现在受限空间内对主结构在复杂多灾害作用下的双向振动进行实时控制。
发明内容
本发明提供一种带锥形挡板的半主动摆式冲击阻尼器，解决海上主结构，比如风机基础在多灾害作用下的振动问题。本发明通过以下技术方案实现的：
一种半主动摆式冲击阻尼器，包括刚性梁，质量球，锥形挡板，定滑轮，卷扬机，电机，在刚性梁上开设有通孔，锥形挡板固定连接在刚性梁的下方，质量球通过钢丝绳从通孔处悬吊在锥形挡板内，能够自由地绕悬吊点在任意方向摆动。电机能为卷扬机提供动力输入，钢丝绳穿过通孔并绕过定滑轮后与卷扬机相连，通过电机的正反转调整钢丝绳长度。
优选地，所述锥形挡板内部铺设有粘弹性材料覆盖层。
锥形挡板通过圆柱形外壳固定连接在刚性梁的下方，所述圆柱形外壳内径大于所述质量球外径，高度大于所述质量球的半径。所述圆柱形外壳内壁排布有弹性凸起，带有所述弹性凸起的圆柱形外壳内部最小尺寸小于质量球的外径，用于在弹性凸起发生挤压变形情况下收纳质量球。
在通孔内壁固定有耐磨套。
所述锥形钢制挡板外表面设有若干个加强型钢，所述加强型钢沿所述锥形钢制挡板外表面环向和纵向布置。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的摆式阻尼器带有锥形挡板，对质量球的摆幅进行限制，降低了摆式阻尼器的使用空间需求，提高了其在受限空间的适用性；2、本发明的锥形挡板内部安装粘弹性材料层，当质量球运动幅值较大撞击挡板时，粘弹性材料层能够吸收质量球的冲击能量，从而实现进一步耗散能量，提高摆式阻尼器的减振能力；3、本发明采用锥形挡板结构，能够适应半主动阻尼器摆长变化的需求，保证在不同摆长下具有最佳的冲击距离，从而最大程度的吸收主结构传递的振动能量；4、本发明的圆柱形钢制外壳的设计，内部交错布置一些弹性凸起，质量摆能够回收到其内部固定牢靠，从而避免了在极端恶劣条件下由于质量球剧烈运动，撞击主结构造成结构损坏；5、本发明结构简单，造价低，安装方便，采用半主动摆式阻尼器，结合冲击耗能方式，能够适用于多灾害下主结构任意水平方向的振动控制，且具有更高的减振效果，工程应用前景良好。
附图说明
图1是本发明半主动摆式冲击阻尼器的示意图；
图2是本发明半主动摆式冲击阻尼器在风机结构振动控制应用的示意图，(a)为一种应用形式，(b)为另一种应用形式；
图中标号说明：1为刚性立柱；2为刚性梁；3为三相正反电机；4为卷扬机；5为定滑轮；6为耐磨套；7为圆柱形钢制外壳；8为锥形钢制挡板；9为加强型钢；10为弹性凸起；11为粘弹性材料覆盖层；12为钢丝绳；13为质量球。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明主要包括刚性立柱1；刚性梁2；三相正反电机3；卷扬机4；定滑轮5；耐磨套6；圆柱形钢制外壳7；锥形钢制挡板8；加强型钢9；弹性凸起10；粘弹性材料覆盖层11；钢丝绳12；质量球13。
如图1所示，本发明的质量球13通过钢丝绳12悬吊于刚性梁2下方，质量球13在锥形钢制挡板8内部空间可以自由摆动，通过质量球的反向作用力起到达到缓解主结构振动响应的效果；
如图1所示，本发明锥形钢制挡板8内部设有覆盖其内表面的粘弹性材料覆盖层11，当质量球13摆动较大时，与粘弹性材料覆盖层11发生碰撞，通过粘弹性材料覆盖层11的碰撞形变，进一步提高耗散主结构传递的振动能量；
如图1所述，本发明锥形钢制挡板8外部设置有加强型钢9，型钢9可采用T型或工字型钢沿锥形钢制挡板8外部环向和竖向交错布置，以提高其自身刚度，满足抗冲击要求；
如图1所示，本发明的锥形钢制挡板8与圆柱形钢制外壳7制作成一体结构，通过圆柱形钢制外壳7连接于刚性梁2之下；圆柱形钢制外壳7内部沿纵向或横向交错布置有弹性凸起10，本实施例在圆柱形钢制外壳7的内部粘贴的是带有凸起的橡胶层，当质量球13回收到圆柱形钢制外壳7内部时，可以有效防止质量球发生摆动，起到锁紧固牢的作用。
如图1所示，本发明的刚性梁2中部开有圆孔，内部安装耐磨套6，以防止钢丝绳12摆动造成的磨损；钢丝绳12穿过耐磨套6，绕过定滑轮5，缠绕在卷扬机4的滚筒上。
如图1所示，卷扬机4和三相正反电机3安装于刚性梁2上，三相正反电机3通过皮带轮为卷扬机提供动力输入；当三相正反电机3正转时，卷扬机4的滚筒发生顺时针转动，从而释放钢丝绳12的长度，使得质量球13的摆动周期变长；反之，钢丝绳12的长度缩短，摆式阻尼器的周期变短，从而有效实现对不同频率的环境激励的振动控制。
如图1所示，刚性立柱1用于支撑整个装置，并用于与主结构的连接；亦可通过刚性梁2直接与主结构连接，此时，可取消刚性立柱1，直接将整套装置通过刚性梁2悬吊于主结构上。
图2为本发明在风机振动控制的两种具体实施方式：图2(a)为本发明作为控制风机振动实施例的一种安装方式展示，即通过刚性立柱1安装于风机机舱顶部；图2(b)为本发明作为实施例的第二种安装方式，即通过刚性梁2于风机塔筒内部。
将本发明安装于主结构后，当主结构发生小幅振动时，悬吊于刚性梁2下的质量球13发生反方向摆动，通过质量球13的反作用力实现对主结构的振动缓解；当主结构振幅较大时，质量球13大幅摆动，与锥形钢制挡板8发生碰撞，并通过粘弹性材料覆盖层11的变形进一步耗散主结构传递的能量，从而进一步对剧烈振动情况进行有效振动控制。
当主结构受到的外部激励载荷的频域特性发生变化时，通过安装于主结构的辅助振动加速度传感器系统，监测主结构的响应加速度，采用短时傅里叶技术实时识别其响应的主频率，然后根据摆式阻尼器周期计算公式，确定其最佳摆长，最后通过主机控制三相正反电机3调节钢丝绳12的长度至最佳摆长，从而使得摆式阻尼器适应多灾害下的振动控制，且具有最佳的振动控制效果。
当主结构遭遇台风、罕遇地震等极端工况时，为防止摆式阻尼器对结构造成的冲击破坏，通过将质量球13回收至圆柱形钢制外壳7内部，依靠钢丝绳12的拉力和弹性凸起10的摩擦力与挤压力固定牢靠；待度过极端工况后，根据主结构的振动响应监测，通过卷扬机调节摆式阻尼器至最佳长度，继续对主结构进行振动控制。
通过以上方案，安装本发明所提供的半主动摆式冲击阻尼器，能够显著降低主结构在服役期间的振动水平，缓解其多灾害造成的结构疲劳损伤问题，大大提高其服役的安全性和可靠性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种半主动摆式冲击阻尼器，包括刚性梁，质量球，锥形挡板，定滑轮，卷扬机和电机，在刚性梁上开设有通孔，锥形挡板固定连接在刚性梁的下方，质量球通过钢丝绳从通孔处悬吊在锥形挡板内，能够自由地绕悬吊点在任意方向摆动；电机能为卷扬机提供动力输入，钢丝绳穿过通孔并绕过定滑轮后与卷扬机相连，通过电机的正反转调整钢丝绳长度，所述锥形挡板内部铺设有粘弹性材料覆盖层；锥形挡板通过圆柱形外壳固定连接在刚性梁的下方，所述圆柱形外壳内径大于所述质量球外径，高度大于所述质量球的半径；所述圆柱形外壳内壁排布有弹性凸起，带有所述弹性凸起的圆柱形外壳内部最小尺寸小于质量球的外径，用于在弹性凸起发生挤压变形情况下收纳质量球。
2.根据权利要求1所述的阻尼器，其特征在于，在通孔内壁固定有耐磨套。
3.根据权利要求1所述的阻尼器，其特征在于，所述锥形挡板外表面设有若干个加强型钢，所述加强型钢沿所述锥形挡板外表面环向和纵向布置。
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