CN113889956B - 一种馈能式多重耗能防振锤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种馈能式多重耗能防振锤，包括线夹、连接杆以及锤头组件，线夹固定在连接杆中部，所述连接杆两端设置锤头组件，所述的锤头组件包括两个相同的保护筒，所述的保护筒被隔板和质量块分成四个腔体，依次为第一腔体、第二腔体、第三腔体和第四腔体，四个腔体内部设有能量收集单元、“惯容‑阻尼”单元、负刚度单元和半主动控制单元，所述的保护筒内部设有滚珠螺杆，滚珠螺穿过四个腔体；质量块上开有滑道，滑道内部装有永磁铁c、耗能滚球和弹簧，弹簧一端连接在质量块上，一端连接在耗能滚球上，耗能滚球只能沿孔洞滚动，弹簧随耗能滚球的轴向运动而被拉伸或压缩。

Description

一种馈能式多重耗能防振锤

技术领域

本发明属于输电线路技术领域，具体涉及一种馈能式多重耗能防振锤，主要应用于控制输电线路的振动响应。

背景技术

高压架空线路杆位高，档距大，当导线受到风荷载作用时，会发生振动。导线周期性振动会发生疲劳破坏，因此在高压架空线路中一般采用防振锤防振。

目前，现有防振锤结构简单，在导线发生振动时，通过质量调谐阻尼器原理来消减导线的振动能量。但导线振动方式复杂，现有的防振锤不能充分满足防振要求，同时质量调谐阻尼器主要是通过悬吊质量锤的钢绞线内部摩擦消耗能量，对能量的消耗效果过弱。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种馈能式多重耗能防振锤，旨在减小高压架空线路在风荷载的振动响应，增强耗能减振。为了增强耗能效果，利用永磁体之间同性相斥的特点提供负刚度状态，将磁流变阻尼单元和惯容单元相结合提供正刚度，并结合半主动控制理论，提出一种馈能式多重耗能防振锤。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种馈能式多重耗能防振锤，其特征在于，包括线夹、连接杆a以及锤头组件，线夹固定在连接杆中部，所述连接杆两端设置锤头组件；所述的锤头组件包括两个相同的保护筒，所述的保护筒被隔板和质量块分成四个腔体，依次为第一腔体、第二腔体、第三腔体和第四腔体，其中一个保护筒的第二腔体与另一保护筒的第三腔体通过交叉设置的连接管连接；在第一腔体内部设有能量收集单元；质量块设置在第二腔体和第三腔体分界处，且在质量块中设有永磁铁c，保护筒的内壁设有多个永磁体b，永磁铁b与质量块中永磁铁c的位置相对应，两磁铁间留有空隙，同时永磁铁c与永磁铁b相邻处磁性相同，在发生相对运动时提供负刚度，所述质量块内设有滑道，在滑道内设有耗能滚球，耗能滚球通过弹簧与质量块水平连接，且耗能滚球通过连接杆与保护筒内壁相连；在第四腔体内设有半主动控制单元，所述的保护筒内部设有滚珠螺杆，滚珠螺杆从上向下依次穿过穿过四个腔体所述的质量块通过螺母与滚珠螺杆配合。作为进一步的技术方案，所述的能量收集单元位于第一腔体，包括转子铁芯、永磁铁a、定子铁芯、线圈 a、整流器和蓄电池；所述的永磁铁a固定在转子铁芯上，转子铁芯固定在滚珠螺杆上，永磁铁a和转子铁芯随滚珠螺杆转动，线圈a缠绕在定子铁芯上，定子铁芯固定在保护筒上。

作为进一步的技术方案，所述的半主动控制单元包括线圈b、保险丝、控制器、磁流变液、蓄电池、加速度传感器、挡板和旋转板，旋转板固定在所述的滚珠螺杆上，通过两块挡板将第四腔体分为左中右三部分，旋转板位于中间部分，且中间部分被磁流变液充满，左右两部分分别放置线圈b、控制器、蓄电池、加速度传感器，所述的蓄电池与能量收集单元的蓄电池为同一块蓄电池。

作为进一步的技术方案，所述隔板中心处留有通过滚珠螺杆的孔洞，滚珠螺杆穿过孔洞，两端伸入保护筒的轴承中，保证滚珠螺杆仅发生转动而不发生移动。

作为进一步的技术方案，所述的质量块为一个圆柱形，在圆柱形质量块内开有多个滑道，每个滑道沿着滑道径向方向设置，多个滑道在圆柱形质量块的圆周方向上均匀布置。

作为进一步的技术方案，在所述滚珠螺杆上下设有限位板，所述质量块在上下两个限位板之间运动。

作为进一步的技术方案，所述的弹簧采用形状记忆合金制作而成。

本发明的工作原理如下：

将该防振锤安装在高压架空线路的导线上，在风荷载作用下，导线发生振动时，带动连接管和保护筒同步振动，使得保护筒和质量块竖向产生相对位移，挤压第二腔体或第三腔体内的空气，为了平衡第二腔体和第三腔体内部的不均匀压强，第二腔体和第三腔体内部的空气通过连接管循环流动；螺母随质量块同步移动，钢球随螺母的移动在滚珠螺杆的螺纹中滚动，使得滚珠螺杆旋转，带动能量收集单元中的永磁铁旋转，缠绕在定子铁芯的线圈内开始产生电流，电流经过整流器储存在蓄电池中，滚珠螺杆的旋转带动第四腔体内旋转板的旋转，旋转板搅动磁流变液消耗能量。蓄电池与第四腔体内的线圈相连，加速度传感器将保护筒的振动信号传给控制器，控制器根据保护筒的振动加速度响应控制蓄电池释放的电流大小，使得第四腔体中磁流变液的流动性和粘度发生变化；实现能量收集单元、半主动控制单元、惯容单元联合作用控制导线振动的目的；

在初始状态时，固定在保护筒内壁的永磁铁和质量块中的永磁铁的几何中心在同一水平位置上，此时处于平衡状态；当导线振动带动保护筒和质量块产生相对位移时，平衡状态被打破；由于同磁极相斥，从而产生一个与质量块运动方向相同的作用力，根据胡克定律，力的方向与位移方向相同产生负刚度作用，加强装置对能量的消耗，实现减小建筑结构振动响应的目的；

当导线发生振动带动保护筒振动时，质量块内的弹簧发生压缩或拉伸变形，进一步提高该减振装置的控制能力，实现多重耗能减振的目的；同时，当导线振动结束后，利用形状记忆合金显著的可恢复变形能力，将该防振锤恢复初始状态，保证下次应用时的正常工作。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用空气在细长连接管中流动时具有的惯性效应，并与活塞式阻尼器相结合，形成“惯容-阻尼”减振单元实现高效耗能的目的。同时，细长连接管的联通作用避免活塞式阻尼器中可能出现的“空行程”现象，保证了“惯容-阻尼”减振机构的可靠性。

(2)本发明利用磁流变液的瞬时流变特性，采用半主动控制技术理论，根据结构响应状态，实时调节磁流变液的粘度和流动状态，使得该防振锤在较宽的频域内具有稳定的工作状态。

(3)本发明采用磁致负刚度效应的技术原理，通过合理设计磁铁位置从而形成稳定的磁场，一旦该防振锤进入工作状态，利用同性磁铁相斥来提供推动力，能够使导线的低幅振动转化成该防振锤中减振元件的剧烈运动，提高了防振锤的耗能能力，扩大了减振范围。

(4)本发明利用滚珠丝杆的技术原理，将质量块的竖向移动转化成滚珠螺杆的旋转，同时通过能量收集单元将旋转动能转化为电能，并将此电能供给半主动控制单元，既合理利用了能量，同时也提高了防振锤的耗能能力。

(5)本发明中涉及的弹簧采用智能材料形状记忆合金制作而成，当导线发生振动时，配合“惯容-阻尼”减振单元和半主动控制单元实现多重减振的目的。同时，当导线振动结束后，形状记忆合金利用其显著的可恢复变形能力，将该防振锤恢复到初始状态，保证下次应用时的正常工作。

(6)本发明可适用于高压架空线路，在风荷载作用下仍能保证导线满足所要求的的安全性和耐久性，能够产生较好的社会效益和经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为一种馈能式多重耗能防振锤的结构示意图；

图2为一种馈能式多重耗能防振锤的结构左视图；

图3为一种馈能式多重耗能防振锤的能量收集单元的示意图；

图4为一种馈能式多重耗能防振锤的A-A剖面图；

图5为一种馈能式多重耗能防振锤的B-B剖面图；

图6为一种馈能式多重耗能防振锤的滚至螺杆的示意图；

图7为一种馈能式多重耗能防振锤的线夹的示意图；

图8为一种馈能式多重耗能防振锤的线路示意图。

图中：1导线；2线夹；3连接杆a；4保护筒；5定子铁芯；6线圈a；7永磁铁a；8转子铁芯；9轴承；10万向铰；11连接杆b；12耗能滚球；13永磁铁 b；14永磁铁c；15隔板；16滚珠螺杆；17弹簧；18钢球；19螺母；20橡胶密封圈；21挡板；22旋转板；23限位板；24磁流变液；25线圈b；26半主动控制器组件；27第一腔体；28第二腔体；29第三腔体；30第四腔体；31能量收集单元；32整流器；33保险丝；34加速度传感器；35蓄电池；36控制器；37质量块；38连接管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种馈能式多重耗能防振锤，如图1所示，一种馈能式多重耗能防振锤，包括线夹2、连接杆a3以及锤头组件，线夹2固定在连接杆a中部，所述连接杆a3两端设置锤头组件，锤头组件包括两个相同的保护筒4，保护筒4被两处隔板15和质量块37分成四处腔体，自上而下依次为第一腔体27、第二腔体28、第三腔体29和第四腔体30，四个腔体内部设有能量收集单元31、“惯容-阻尼”单元、负刚度单元和半主动控制单元。沿着竖直方向，所述的保护筒4内部设有滚珠螺杆16，滚珠螺杆16穿过四个腔体，两端伸入位于保护筒侧壁上保护筒的轴承9中，保证滚珠螺杆16仅发生转动而不发生上下左右移动；

在保护筒内设有能量收集单元31如图3所示、“惯容-阻尼”单元、负刚度单元和半主动控制单元；能量收集单元31位于第一腔体27，包括转子铁芯8、永磁铁a、定子铁芯5、线圈a6、整流器32和蓄电池35；所述的永磁铁a7固定在转子铁芯8上，转子铁芯8固定在滚珠螺杆16上，永磁铁a7和转子铁芯8随滚珠螺杆16转动，线圈a6缠绕在定子铁芯5上，定子铁芯5固定在保护筒4上；

“惯容-阻尼”单元包括质量块37、第二腔体28、第三腔体29、连接管38；所述的质量块37位于第二腔体28和第三腔体29中间，第二腔体28和第三腔体 29的远端开设预留孔，其中一个筒体的第二腔体28与另一筒体的第三腔体29 通过连接管38相连，两个连接管38形成交叉；保护筒内质量块37的上下运动行程通过固定在滚珠螺杆16上的两个限位板23限制在远端的预留孔之间，质量块37直径小于保护筒内径，使得在第二腔体和第三腔体之间留有空气的流动通道；

负刚度单元如图4所示，由永磁铁组成，在保护筒内壁安装多个永磁铁b13，多个永磁铁b13的位置与质量块中多个永磁铁c14的位置相对应，两磁铁间留有空隙，同时永磁铁b13与永磁铁c14相邻处磁性相同，在发生相对运动时提供负刚度；

半主动控制单元如图5所示，包括线圈b25、保险丝33、控制器36、磁流变液24、蓄电池35、加速度传感器34、挡板21和旋转板22，旋转板22固定在上述的滚珠螺杆16上，通过两块挡板21将第四腔体30分为左中右三部分，旋转板22位于中间部分，且中间部分被磁流变液24充满，左右两部分分别放置线圈b25，控制器36、蓄电池35、加速度传感器34等固定在第四腔体30的左部分，半主动控制单元的蓄电池35与能量收集单元的蓄电池35为同一块蓄电池35。

质量块37为一个圆柱体，在圆柱体内开有多个滑道，如图2、图4所示，滑道包括上下两层，上层包括四个滑道，下层包括四个滑道，每个滑道内部装有永磁铁c14、耗能滚球12和弹簧17，弹簧17一端连接在质量块37上，另一端连接在耗能滚球12上，同时保护筒4内设有八根连接杆b11，八根连接杆b11用于连接8个耗能滚球12，连接杆b11一端通过万向铰10固定在保护筒4内壁上，连接杆10另一端与耗能滚球12连接；耗能滚球12只能沿滑道滚动，弹簧17随耗能滚球12的轴向运动而被拉伸或压缩，永磁铁c14固定在滑道的边缘。进一步的，螺母19固定在质量块37的中心位置，随质量块37同步上下移动，同时螺母19通过钢球18与滚珠螺杆16相连接，钢球18顺滚珠螺杆16的螺纹滚动，使得滚珠螺杆16转动。

进一步的，所述的弹簧17采用形状记忆合金制作而成。

将该防振锤安装在高压架空线路的导线上，在风荷载作用下，导线1发生振动时，带动连接杆a3和保护筒4同步振动，使得保护筒4和质量块37竖向产生相对位移，挤压第二腔体28或第三腔体29内的空气，为了平衡阻尼腔内部的不均匀压强，两个保护筒的第二腔体28和第三腔体29内部的空气通过连接管38 循环流动；螺母19随质量块37同步移动，钢球18随螺母19的移动在滚珠螺杆 16的螺纹中滚动，使得滚珠螺杆16旋转，带动能量收集单元31中的永磁铁a7 旋转，缠绕在定子铁芯5的线圈a6内开始产生电流，电流经过整流器32储存在蓄电池35中，滚珠螺杆16的旋转带动第四腔体30内旋转板22的旋转，旋转板 22搅动磁流变液24消耗能量。蓄电池35与第四腔体内的线圈b25相连，加速度传感器34将保护筒4的振动信号传给控制器36，控制器36根据保护筒4的振动加速度响应控制蓄电池35释放的电流大小，使得第四腔体中磁流变液24的流动性和粘度发生变化；实现能量收集单元31、半主动控制单元、惯容单元联合作用控制导线振动的目的；

在初始状态时，固定在保护筒4内壁的永磁铁b13和质量块中的永磁铁c14 的几何中心在同一水平位置上，此时处于平衡状态；当导线1振动带动保护筒4 和质量块37产生相对位移时，平衡状态被打破；由于同磁极相斥，从而产生一个与质量块37运动方向相同的作用力，根据胡克定律，力的方向与位移方向相同产生负刚度作用，加强装置对能量的消耗，实现减小建筑结构振动响应的目的；

当导线1发生振动带动保护筒4振动时，质量块37内的弹簧17发生压缩或拉伸变形，进一步提高该防振锤的控制能力，实现多重耗能减振的目的；同时，当导线1振动结束后，利用形状记忆合金显著的可恢复变形能力，将该防振锤恢复初始状态，保证下次应用时的正常工作。

该防振锤利用空气在细长连接管11中流动时具有的惯性效应，并与活塞式阻尼器相结合，形成“惯容-阻尼”减振单元实现高效耗能的目的。同时，细长连接管11的联通作用避免活塞式阻尼器中可能出现的“空行程”现象，保证了“惯容-阻尼”减振机构的可靠性。

该防振锤利用磁流变液24的瞬时流变特性，采用半主动控制技术理论，根据结构响应状态，实时调节磁流变液24的粘度和流动状态，使得该防振锤在较宽的频域内具有稳定的工作状态。

该防振锤采用磁致负刚度效应的技术原理，通过合理设计磁铁位置从而形成稳定的磁场，一旦该防振锤进入工作状态，利用同性磁铁相斥来提供推动力，能够使导线的低幅振动转化成该减振装置中减振元件的剧烈运动，提高了防振锤的耗能能力，扩大了减振范围。

该防振锤利用滚珠丝杆的技术原理，将质量块37的竖向移动转化成滚珠螺杆16的旋转，同时通过能量收集单元31将旋转动能转化为电能，并将此电能供给半主动控制单元，既合理利用了能量，同时也提高了防振锤的耗能能力。

该防振锤中涉及的弹簧17采用智能材料形状记忆合金制作而成，当导线1 发生振动时，配合“惯容-阻尼”减振单元和半主动控制单元实现多重减振的目的。同时，当导线1振动结束后，形状记忆合金利用其显著的可恢复变形能力，将该防振锤恢复到初始状态，保证下次应用时的正常工作。

该防振锤可适用于高压架空线路，在风荷载作用下仍能保证导线满足所要求的的安全性和耐久性，能够产生较好的社会效益和经济效益。

本专利的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本专利的实施方式不限于此，凡此种种根据本专利的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本专利上述基本技术思想前提下，对本专利上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种馈能式多重耗能防振锤，其特征在于，包括线夹、连接杆a以及锤头组件，线夹固定在连接杆中部，所述连接杆两端设置锤头组件；所述的锤头组件包括两个相同的保护筒，所述的保护筒被隔板和质量块分成四个腔体，依次为第一腔体、第二腔体、第三腔体和第四腔体，其中一个保护筒的第二腔体与另一保护筒的第三腔体通过交叉设置的连接管连接；在第一腔体内部设有能量收集单元；质量块设置在第二腔体和第三腔体分界处，且在质量块中设有永磁铁c，保护筒的内壁设有多个永磁体b，永磁铁b与质量块中永磁铁c的位置相对应，两磁铁间留有空隙，同时永磁铁c与永磁铁b相邻处磁性相同，在发生相对运动时提供负刚度，所述质量块内设有滑道，在滑道内设有耗能滚球，耗能滚球通过弹簧与质量块水平连接，且耗能滚球通过连接杆与保护筒内壁相连；在第四腔体内设有半主动控制单元，所述的保护筒内部设有滚珠螺杆，滚珠螺杆从上向下依次穿过四个腔体，所述的质量块通过螺母与滚珠螺杆配合；

所述的半主动控制单元包括线圈b、保险丝、控制器、磁流变液、蓄电池、加速度传感器、挡板和旋转板，旋转板固定在所述的滚珠螺杆上，通过两块竖直设置的挡板将第四腔体分为左中右三部分，旋转板位于中间部分，且中间部分被磁流变液充满，左右两部分分别放置线圈b、控制器、蓄电池、加速度传感器，所述的蓄电池与能量收集单元的蓄电池为同一块蓄电池。

2.如权利要求1所述的馈能式多重耗能防振锤，其特征在于，所述的能量收集单元位于第一腔体，包括转子铁芯、永磁铁a、定子铁芯、线圈a、整流器和蓄电池；所述的永磁铁a固定在转子铁芯上，转子铁芯固定在滚珠螺杆上，永磁铁a和转子铁芯随滚珠螺杆转动，线圈a缠绕在定子铁芯上，定子铁芯固定在保护筒上。

3.如权利要求2所述的馈能式多重耗能防振锤，其特征在于，所述的定子铁芯包括多个，沿保护筒的圆周方向均匀设置。

4.如权利要求1所述的馈能式多重耗能防振锤，其特征在于，所述隔板中心处留有通过滚珠螺杆的孔洞，滚珠螺杆穿过孔洞，两端伸入保护筒的轴承中，保证滚珠螺杆仅发生转动而不发生移动。

5.如权利要求1所述的馈能式多重耗能防振锤，其特征在于，所述的质量块为一个圆柱形，在圆柱形质量块内开有多个滑道，每个滑道沿着质量块径向方向设置，多个滑道在圆柱形质量块的圆周方向上均匀布置。

6.如权利要求1所述的馈能式多重耗能防振锤，其特征在于，在所述滚珠螺杆上下设有限位板，所述质量块在上下两个限位板之间运动。

7.如权利要求1所述的馈能式多重耗能防振锤，其特征在于，所述的弹簧采用形状记忆合金制作而成。

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