CN114513105A - 一种用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置，属于桥梁工程的技术领域，该装置中减振发电器和储电装置均安装在底座上；减振发电器包括外壳以及设置在外壳中的减振发电单元，减振发电单元包括在外壳中竖向均匀缠绕的电感线圈、位于电感线圈中的磁铁以及连接磁铁和外壳底部的内部弹簧；磁铁与连接杆的底端连接；位移放大装置与拉索铰接，位于拉索上方的部分通过减振器与拉索连接，位于拉索下方的部分通过球铰连接装置和球铰弹簧分别与连接杆的顶端和拉索连接。本发明可同时实现高效率的减振和发电的功能，有效解决目前阻尼器安装高度限制，导致减振效果不理想的问题，以及健康监测传感器供电成本高、不稳定的问题，使斜拉桥更加安全和环保。

Description

一种用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置
技术领域
本发明属于桥梁工程的技术领域，尤其是涉及一种用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置。
背景技术
斜拉索是斜拉桥的主要受力构件之一，由于拉索具有大柔度、小质量和小阻尼等特点，容易产生各种形式的大幅振动。拉索振动除了会引起索的疲劳破坏，还会使人们产生对桥梁安全性的怀疑。因此，人们对拉索的减振的研究比较多。高阻尼橡胶阻尼器结构简单，易于安装，但橡胶圈可提供的阻尼有限，因而减振效果不是很理想；油压阻尼器所能提供的阻尼超过了橡胶阻尼器，但其机械构造复杂，对微小振动不敏感，使其安装调节比较麻烦，由于油压阻尼器阻尼介质为液体，易发生漏油和渗油现象，其维修费用相对较高；粘性剪切型阻尼器对微小振动较敏感，相对较易安装调节，其缺点是所能提供的阻尼严重依赖于环境温度及振动频率。
在现有技术中，由于空间限制和装置安装要求，导致减振装置的安装高度受限，通常只能安装在靠近拉索端部的位置。但是，拉索振动过程中，跨中的振动幅值较大，端部振动幅值通常较小，因此，这类减振装置并不能很好的发挥作用，对拉索减振效果有限。另外，在对拉索进行监测时，需要对一些健康监测传感器供电，若采用长距离接线供电，成本高、接线复杂；若采用电池供电，需经常更换电池，传感器工作周期较短，系统维护费较高；采用太阳能也可为传感器进行供电，但该方法极易受环境影响，阴天条件下无法给传感器正常供电；温差能经过转化可为传感器供电，该方法适合冬季温差较大环境下使用，其他季节温差较小时，产生电能无法使传感器正常工作。而拉索振动无时无刻不在发生，通过振动发电装置将拉索振动能量转化为电能，供此类传感器使用，可达到自给自足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置，可实现索端减振装置对斜拉索中部位置的减振，并将斜拉索减振和振动发电相结合，将斜拉索振动能量转换为电能，同时实现高效率的减振和发电的功能，使斜拉桥更加安全和环保。
本发明提供一种用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置，包括底座、储电装置、减振发电器、连接杆、球铰连接装置、位移放大装置、球铰弹簧和减振器；储电装置和减振发电器均安装在底座上，储电装置用于储存减振发电器产生的电能；减振发电器包括外壳以及设置在外壳中的减振发电单元，减振发电单元包括在外壳中竖向均匀缠绕的电感线圈、位于电感线圈中的磁铁以及连接磁铁和外壳底部的内部弹簧；磁铁与连接杆的底端连接；位移放大装置与拉索铰接，位于拉索上方的部分通过减振器与拉索连接，位于拉索下方的部分通过球铰连接装置和球铰弹簧分别与连接杆的顶端和拉索连接；球铰弹簧包括与拉索相连的球铰座、球头与球铰座连接的球铰杆以及连接铰杆和位移放大装置的弹簧。
进一步地，位移放大装置包括位于拉索两侧的主杆、连接两根主杆上端的上连接板以及连接两根主杆下端的下连接板；主杆与拉索铰接，上连接板与减振器连接，下连接板的上下两侧面分别与球铰弹簧和球铰连接装置连接。
进一步地，主杆与拉索的铰点位置根据下式确定：
Figure BDA0003548966710000021
式中，H为主杆与拉索的铰点距地面的高度；h1为位移放大装置下连接板距拉索的竖向距离；h2为位移放大装置下连接板距地面的高度；α为拉索和地面的夹角，即拉索的倾角；β为位移放大装置主杆和地面的夹角，即位移放大装置主杆的倾角。
位移放大装置的放大倍数根据下式确定：
Figure BDA0003548966710000031
式中，k为放大倍数；H为铰点距地面的高度；h2为位移放大装置下连接板距地面的高度；β为位移放大装置主杆和地面的夹角，即位移放大装置主杆的倾角；L为位移放大装置主杆的长度。
进一步地，外壳中设置有三个减振发电单元；每个减振发电单元均包括圆筒，每个减振发电单元的电感线圈、磁铁和内部弹簧均设置在圆筒中。
进一步地，球铰连接装置包括固定在下连接板上的球铰座、球头、球铰杆；球铰杆的底端固定有连接板；连接杆穿过外壳的顶盖与连接板连接。
进一步地，上述用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置，还包括套设在拉索上的套筒Ⅰ、套筒Ⅱ和套筒Ⅲ；减振器与套筒Ⅰ焊接，与位移放大装置的上连接板通过螺栓连接；位移放大装置的主杆与套筒Ⅱ两侧固定设置的铰杆连接；球铰弹簧的球铰座与套筒Ⅲ焊接。
本发明具有以下有益效果。
1、本发明将拉索下部减振发电装置通过位移放大装置与拉索中部相连，实现减振发电装置对拉索中部的振动控制，解决了目前减振装置安装高度不高，减振效果不理想的问题。
2、位移放大装置和球铰连接可将拉索中部的位移振动转换为拉索下部减振发电器的竖向位移，并对位移进行放大，以此实现减振发电器中磁铁有较大的位移变化，并且磁铁的底部和外壳的底部通过内部弹簧连接，促使磁铁做上下往复的阻尼振动，增强通过磁铁切割磁感线产生的发电量，保证了减振发电器具有较好的发电效果。
3、磁铁切割磁感线产生的感应电流会阻碍磁铁运动，磁铁的底部和外壳的底部有内部弹簧连接，当磁铁运动时弹簧起到减振作用，另外，位移放大装置上部和下部与拉索连接的减振器和球铰弹簧也可起到拉索减振的效果，保证了减振发电装置具有较好的减振效果。
4、本发明同时实现高效率的减振和发电的功能，使斜拉桥更加安全和环保。
5、本发明的位移放大装置的下部接近地面，方便减振发电装置的安装和后期检测维护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置的平面示意图；
图2为图1中A-A方向的剖视图；
图3为图1所示减振发电装置的立体图；
图4为图3中A部分的爆炸图；
图5为图4中减振发电单元的轴向剖视图；
图6为公式参数示意图。
图标：1-底座；2-储电装置；3-减振发电器；3.1-外壳；3.2-减振发电单元；3.2.1-电感线圈；3.2.2-磁铁；3.2.3-内部弹簧；3.2.4-圆筒；4-连接杆；5-球铰连接装置；6-位移放大装置；7-球铰弹簧；8-拉索；9-铰杆；10.1-套筒Ⅰ；10.2-套筒Ⅱ；10.3-套筒Ⅲ；11-减振器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置，包括底座1、储电装置2、减振发电器3、连接杆4、球铰连接装置5、位移放大装置6、球铰弹簧7、套筒和减振器11。
储电装置2和减振发电器3均安装在底座1上，储电装置2用于储存减振发电器3产生的电能。
减振发电器3包括外壳3.1以及设置在外壳3.1中的减振发电单元3.2，本实施例中，外壳3.1中设置有三个减振发电单元3.2；减振发电单元3.2包括设置在外壳3.1中的圆筒3.2.4、在圆筒3.2.4中竖向均匀缠绕的电感线圈3.2.1、位于电感线圈3.2.1中的磁铁3.2.2以及连接磁铁3.2.2和外壳3.1底部的内部弹簧3.2.3；磁铁3.2.2与连接杆4的底端连接。
球铰连接装置5包括球铰座以及球头与球铰座连接的球铰杆；球铰杆的底端固定有连接板；连接杆4穿过外壳3.1的顶盖，通过螺栓与连接板连接。
球铰弹簧7包括与套筒Ⅲ10.3焊接的球铰座、球头、球铰杆以及设置在球铰杆底部的弹簧。
套筒Ⅰ10.1、套筒Ⅱ10.2和套筒Ⅲ10.3固定套设在拉索8上。
位移放大装置6的材质应满足刚度大、质量小和耐疲劳的条件，包括位于拉索8两侧的主杆、连接两根主杆上端的上连接板以及连接两根主杆下端的下连接板；主杆与套筒Ⅱ10.2两侧焊接的铰杆9铰接，上连接板通过螺栓与减振器11连接，减振器11与套筒Ⅰ10.1焊接，下连接板的上侧面与球铰弹簧7的弹簧通过挂钩连接，下连接板的下侧面与球铰连接装置5的球铰座通过螺栓固定，便于前期的安装以及后期的拆卸维修。
主杆与拉索8的铰点位置根据下式确定：
Figure BDA0003548966710000061
式中，H为主杆与拉索8的铰点距地面的高度；h1为位移放大装置6下连接板距拉索8的竖向距离；h2为位移放大装置6下连接板距地面的高度；α为拉索8和地面的夹角，即拉索8的倾角；β为位移放大装置6主杆和地面的夹角，即位移放大装置6主杆的倾角。
位移放大装置6的放大倍数根据下式确定：
Figure BDA0003548966710000062
式中，k为放大倍数；H为铰点距地面的高度；h2为位移放大装置6下连接板距地面的高度；β为位移放大装置6主杆和地面的夹角，即位移放大装置6主杆的倾角；L为位移放大装置6主杆的长度。
上述减振发电装置的使用方法(工作原理)如下。
拉索8在外部激励下发生振动，与位移放大装置6上连接板连接处的拉索8振动会带动减振器11振动并消耗部分能量，减振器11振动带动位移放大装置6上部振动，起到减振作用的同时更多的是将振动位移转递给位移放大装置6。根据杠杆原理，位移放大装置6上部的振动传递到位移放大装置6的下部，同时，将上部振动幅值放大k倍，作用于下部减振发电器3处。位移放大装置6下连接板的上侧面与球铰弹簧7相连，下侧面与减振发电器3相连，位移放大装置6的下部振动会带动减振发电器3和球铰弹簧7振动，起到减振和发电的目的。其中，减振发电器3的工作机理为：位移放大装置6下部振动通过球铰连接装置5转化为竖向振动，并带动连接杆4上下振动，进一步带动磁铁3.2.2一起振动；由于圆筒3.2.4内侧壁均匀缠绕有电感线圈3.2.1，当磁铁3.2.2在圆筒3.2.4内部运动时会切割电感线圈3.2.1产生感应电流，同时根据楞次定律，磁铁切割磁感线产生的感应电流会阻碍磁铁运动，从而起到发电和减振的效果。另外磁铁3.2.2的底部与内部弹簧3.2.3相连，当磁铁3.2.2运动时内部弹簧3.2.3会产生弹性变形，在内部弹簧3.2.3的作用下磁铁3.2.2会做上下往复的阻尼振动，使得磁铁3.2.2反复切割磁感线产生电流，也会起到减振和发电的效果。
通过以上手段，本减振发电装置可有效解决目前阻尼器安装高度限制，导致减振效果不理想的问题，同时，可充分利用拉索振动能量进行发电，供拉索日常监测使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (6)

1.一种用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置，其特征在于，包括底座(1)、储电装置(2)、减振发电器(3)、连接杆(4)、球铰连接装置(5)、位移放大装置(6)、球铰弹簧(7)和减振器(11)；
所述储电装置(2)和减振发电器(3)均安装在底座(1)上，储电装置(2)用于储存减振发电器(3)产生的电能；
所述减振发电器(3)包括外壳(3.1)以及设置在外壳(3.1)中的减振发电单元(3.2)，减振发电单元(3.2)包括在外壳(3.1)中竖向均匀缠绕的电感线圈(3.2.1)、位于电感线圈(3.2.1)中的磁铁(3.2.2)以及连接磁铁(3.2.2)和外壳(3.1)底部的内部弹簧(3.2.3)；
所述磁铁(3.2.2)与连接杆(4)的底端连接；
所述位移放大装置(6)与拉索(8)铰接，位于拉索(8)上方的部分通过减振器(11)与拉索(8)连接，位于拉索(8)下方的部分通过球铰连接装置(5)和球铰弹簧(7)分别与连接杆(4)的顶端和拉索(8)连接；
所述球铰弹簧(7)包括与拉索(8)相连的球铰座、球头与球铰座连接的球铰杆以及连接球铰杆和位移放大装置(6)的弹簧。
2.根据权利要求1所述的用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置，其特征在于，所述位移放大装置(6)包括位于拉索(8)两侧的主杆、连接两根主杆上端的上连接板以及连接两根主杆下端的下连接板；
主杆与拉索(8)铰接，上连接板与减振器(11)连接，下连接板的上下两侧面分别与球铰弹簧(7)和球铰连接装置(5)连接。
3.根据权利要求2所述的用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置，其特征在于，主杆与拉索(8)的铰点位置根据下式确定：
Figure FDA0003548966700000011
式中，H为主杆与拉索(8)的铰点距地面的高度；h1为位移放大装置(6)下连接板距拉索(8)的竖向距离；h2为位移放大装置(6)下连接板距地面的高度；α为拉索(8)和地面的夹角，即拉索(8)的倾角；β为位移放大装置(6)主杆和地面的夹角，即位移放大装置(6)主杆的倾角；
位移放大装置(6)的放大倍数根据下式确定：
Figure FDA0003548966700000021
式中，k为放大倍数；H为铰点距地面的高度；h2为位移放大装置(6)下连接板距地面的高度；β为位移放大装置(6)主杆和地面的夹角，即位移放大装置(6)主杆的倾角；L为位移放大装置(6)主杆的长度。
4.根据权利要求3所述的用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置，其特征在于，外壳(3.1)中设置有多个减振发电单元(3.2)；
每个减振发电单元(3.2)均包括圆筒(3.2.4)，每个减振发电单元(3.2)的电感线圈(3.2.1)、磁铁(3.2.2)和内部弹簧(3.2.3)均设置在圆筒(3.2.4)中。
5.根据权利要求4所述的用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置，其特征在于，球铰连接装置(5)包括固定在下连接板上的球铰座以及球头与球铰座连接的球铰杆；
球铰杆的底端固定有连接板；
连接杆(4)穿过外壳(3.1)的顶盖，与连接板连接。
6.根据权利要求5所述的用于斜拉桥斜拉索的减振发电装置，其特征在于，还包括套设在拉索(8)上的套筒Ⅰ(10.1)、套筒Ⅱ(10.2)和套筒Ⅲ(10.3)；
减振器(11)与套筒Ⅰ(10.1)焊接，与位移放大装置(6)的上连接板通过螺栓连接；
位移放大装置(6)的主杆与套筒Ⅱ(10.2)两侧固定的铰杆(9)连接；
球铰弹簧(7)的球铰座与套筒Ⅲ(10.3)焊接。
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