CN114566931B - 一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置，包括外筒，外筒的筒壁与多个空气弹簧机构的一端铰接，空气弹簧机构的另一端与夹板铰接，多个夹板夹住变位器，变位器伸入固定在外筒内部的内筒中且与内筒滑动连接，内筒内设有第一分隔板，第一分隔板为多孔板，变位器与第一分隔板之间的第一空腔通过连接部件与空气弹簧机构的充气腔相连通，本发明的耗能装置耗能减振效果好。

Description

一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置

技术领域

本发明涉及输电线路防舞动技术领域，具体涉及一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

作为电能输送的载体，架空导线的安全运行也越来越受到重视。输电导线会由于覆冰、风激励、导线自身结构参数等因素发生舞动，一般持续时间较长，造成导线及金具的疲劳破坏、导线鞭击、磨损、断股、断裂、脱落等，有时甚至造成输电线路停电跳闸、基础钢筋与混凝土分层及杆塔倾斜或倒塌等恶性事件，严重威胁到输电线路的安全运行。

目前，针对输电导线舞动，已经提出了各项技术措施，如防舞间隔棒等，用以限制导线的相对运动，并将振动的能量转化为其他形式的能量消耗，包括将负刚度隔振技术应用在防舞间隔棒上面，可以防止导线在环境荷载激励作用下发生低频率大幅度舞动。但是现阶段研究表明，作为提供负刚度的关键元件—预压弹簧，随着压缩量的减小，其提供的预应力会显著降低，无法持续发挥作用；并且导线受地形、档距、架设高度、架设张力影响明显，导线大部分时间在微风吹动下大概率会发生高频小幅度振动，对导地线损伤严重，而间隔棒则难以发挥作用；而且目前所设计的装置多为被动式防舞，不能自发调控，对输电导线的振动约束能力有限，不满足当下输电导线防舞需求。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置，能够实现自适应调节，保证了持续作用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案

本发明的实施例提供了一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置，包括外筒，外筒的筒壁与多个空气弹簧机构的一端铰接，空气弹簧机构的另一端与夹板铰接，多个夹板夹住变位器，变位器伸入固定在外筒内部的内筒中且与内筒密封滑动连接，内筒内设有第一分隔板，第一分隔板为多孔板，变位器与第一分隔板之间的第一空腔通过连接部件与空气弹簧机构的充气腔相连通。

可选的，所述空气弹簧机构包括固定部和与固定部伸缩连接的活动部，固定部的端部与外筒的筒臂铰接，活动部的端部与夹板铰接，活动部伸入固定部的端部一侧的固定部内部空腔为充气腔。

可选的，所述连接部件包括多个依次铰接连接的连接管，连接部件的一端与固定部铰接，另一端与内筒铰接，或者，连接部件采用柔性空心管。

可选的，第一分隔板将内筒空间分为第一空腔和第二空腔，第二空腔内设有能够绕自身轴线转动的丝杆，丝杆螺纹连接有第一滚珠螺母，丝杆与叶轮连接，叶轮位于盛装有液体的液体箱内，液体箱与内筒固定。

可选的，液体箱内的液体为磁流变液，外筒固定有与磁流变液配合的线圈绕组，线圈绕组与电源组件连接。

可选的，线圈绕组通过电流控制器与电源组件连接，第二空腔内设有气压传感器。

可选的，所述电源组件包括设置在变位器外周面的聚酯纤维薄片及设置在夹板表面的聚二甲基硅氧烷薄片，聚二甲基硅氧烷薄片与聚酯纤维薄片接触，聚二甲硅氧烷薄片和聚酯纤维薄片通过导线与蓄电池连接，蓄电池与线圈绕组连接。

可选的，内筒内还设置有第二分隔板，第二分隔板与第一分隔板之间的空间为第二空腔，第二分隔板另一侧的空腔为第三空腔，第三空腔内填充滞流体，且第三空腔内设有活塞，活塞两侧的空间通过位于内筒外部的外伸管连通；

进一步的，外伸管内设置有阻尼网。

可选的，所述内筒的外筒面与多个悬臂杆的一端固定，悬臂杆的另一端与第二滚珠螺母固定，第二滚珠螺母螺纹连接有螺纹杆，螺纹杆端部通过弹性件连接有减振锤。

可选的，减振锤内设有空腔，空腔内设置有金属球，金属球通过弹性件与空腔的腔壁连接，外筒设有线圈绕组，线圈绕组的位置与减振锤位置对应。

本发明的有益效果：

1.本发明的耗能装置，使用空气弹簧机构代替普通弹簧，且空气弹簧机构的充气腔通过连接部件与内筒的第一腔室连通，变位器随输电导线上下运动时，空气弹簧机构会发生运动，导致变形刚度下降，此时，第一腔室内的气体能够通过连接部件补充入空气弹簧机构的充气腔，增大空气弹簧机构的预压力，减小的变形刚度得到补充，在输电导线持续舞动的情况下，使得空气弹簧机构的负刚度进行自适应调节，实现了自发调控。

2.本发明的耗能装置，通过活塞、内筒、滞流体、阻尼网等元件形成惯容系统，惯容和空气弹簧可以调节结构的惯性和刚度特性，即通过调节外部环境激励下的振动频率以避免整个耗能装置与外部激励的共振，作为一个完整的动力学系统，惯容减振系统内部的振动与整个耗能装置并不同步，这种异步振动可以使惯容系统内部耗能装置的有效变形得以放大，从而起到耗能增效的作用以进一步抑制响应。

3.本发明的耗能装置，减振锤与螺旋杆、滚珠螺母及弹性件结合，通过悬臂与内筒连接，在输电导线高频小幅度振动时，减振锤由于惯性通过弹簧带动螺旋杆直线运动，并通过滚珠丝螺母实现自我旋转，实现增幅，在线圈绕组通电后，减振锤内的金属小球切割磁感线，使振动的能量以电涡流的形式耗散。实现了耗能装置在输电导线轻微振动时的减振效果。

4.本发明的耗能装置，通过使用磁流变液，气压传感器，通过气压传感器检测得到的气压大小，控制线圈绕组电流的大小，改变磁流变液的粘度，进而改变叶轮的阻尼力，实现对减振耗能的调节，而且线圈绕组能够利用夹板和变位器的相对运动发电来进行供电，实现了半主动控制。

5.本发明的耗能装置，通过丝杆、滚珠螺母带动叶轮转动，将滚珠螺母的线性运动转换为叶轮的转动，相比传统的传动机械有更高的联动效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明实施例1整体结构示意图；

图2是本发明实施例1负刚度阻尼空气弹簧结构示意图；

图3是本发明实施例1叶轮结构示意图；

图4是本发明实施例1蓄电池供电原理示意图；

图5是本发明实施例1减振锤结构示意图；

图6是本发明实施例1减振锤内金属球安装示意图；

图7是本发明实施例1使用状态示意图；

其中，1.外筒，2.内筒，3.固定部，4.活动部，5.导轨，6.夹板，7.变位器，8.对位螺栓，9.第一连接件，10.第一分隔板，11.第一空腔，12.第二空腔，13.连接部件，14.限位挡板，15. 聚酯纤维薄片，16. 聚二甲基硅氧烷薄片，17.蓄电池，18.保险，19.整流器，20.第二分隔板，21.线圈绕组，22.丝杆，23.第一滚珠螺母，24.叶轮，25.限位器，26.磁流变液，27.电流控制器，28.总开关，29.气压传感器，30.活塞杆，31.第二连接件，32.滞流体，33.外伸管，34.阻尼网，35.悬臂杆，36.第二滚珠螺母，37.螺旋杆，38.弹簧，39.弹性垫层，40.金属球，41.弹簧，42.输电线。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置，如图1-图6所示，包括外筒1，外筒1顶部敞口设置，外筒1内部同轴设置有内筒2，内筒2固定在外筒1的封闭端，即内筒2固定在外筒1的底部筒壁上，且内筒2的高度小于外筒1的高度。

所述外筒1采用绝缘材料制成，保证外筒内部不受外界输电导线磁场影响。

本实施例的耗能装置分为两个功能区，其中一个功能区安装有自适应负刚度阻尼弹簧系统，另一个功能区安装有惯容粘滞阻尼系统。

两套系统分别调节耗能装置的刚度和惯性，达到减振耗能的目的。

自适应负刚度阻尼弹簧系统包括多个空气弹簧机构，本实施例中设置两个空气弹簧机构，两个空气弹簧机构沿外筒的同一条直径线设置。

空气弹簧机构为负刚度阻尼空气弹簧，包括固定部3和伸入固定部内部并与固定部伸缩连接的活动部4，活动部4与固定部3的内壁密封滑动连接。

活动部4伸入固定部3的端部一侧的固定部内部空腔作为负刚度阻尼空气弹簧的充气腔，本实施例中，为了使得活动部的运动平稳，在固定部内部设置导轨5，活动部4通过导轨5与固定部3滑动连接。

固定部3的端部与外筒1的筒壁顶端铰接连接，活动部4伸出至固定部3外部的端部与夹板6铰接，两个夹板6夹住变位器7。

两个夹板6之间设置有对位螺栓8，对位螺栓包括螺杆，螺杆穿过两个夹板，且螺杆的两端旋紧有螺母，其中一端的螺母压紧在一侧夹板的外侧面，另一个螺母压紧在另一侧夹板的外侧面。

变位器7的一端伸入内筒内部，并且变位器与内筒密封滑动连接，变位器的另一端设置有第一连接件9，第一连接件9能够与输电线连接，第一连接件9采用现有吊环结构，其具体结构在此不进行详细叙述。

本实施例中，活动部4伸入固定部的端部一侧的固定部内空腔为充气腔，内部具有设定压力的气体，对活动部施加压力，进而通过夹板6将变位器7夹住。

所述内筒2内部设置有第一分隔板10，第一分隔板10为多孔板，第一分隔板10与变位器7之间的空腔为第一空腔11，第一分隔板10另一侧的空腔为第二空腔12。

第一空腔11通过连接部件13与充气腔连通，连接部件13包括多个依次铰接的连接管，本实施例中，设置两个连接管分别为相互连通的第一连接管和第二连接管，第一连接管和第二连接管均为中空管，第一连接管的一端与固定部铰接，且与充气腔连通，第一连接管的另一端与第二连接管的一端铰接，第二连接管的另一端与内筒铰接且与第二空腔连通。通过铰接的连接管，能够使得负刚度阻尼空气弹簧发生运动时，连接部件能够随动，保证第一空腔和充气腔的连通，负刚度阻尼空气弹簧能够自适应不同频率下的导线舞动，更好地协调共同工作避免撞击其他配置。

但采用上述实施方式需要对第一连接管和第二连接管设置复杂的密封结构，防止漏气，因此本实施例中，连接部件采用由柔性材料制成的柔性管，柔性管为中空管，柔性管的一端连接至固定部，且与充气腔连通，柔性管的另一端连接至内筒，且与第一空腔相连通。

本实施例中，输电线在大风荷载下发生低频大幅度振动时，舞动幅度比较大时，第一连接件9随着输电线的舞动带动变位器在两块夹板之间上下移动，在变位器7和夹板6摩擦力的作用下，固定部绕与外筒1连接的铰接点转动，且活动部伸出，此时充气腔内的压力会减小，第一空腔11内的气体会流入充气腔，使负刚度阻尼空气弹簧的负刚度会根据导线舞动的剧烈程度自适应调节大小，不会发生显著降低。

具体的，当变位器7由初始位置下行时，会将第一空腔11内的气体压入充气腔，当变位器7由初始位置上行时，由于第一分隔板10为多孔板，因此内筒内其余空间的气体会补入第一空腔11，第一空腔11内的气体仍然能够进入充气腔。

第一空腔的内筒壁设置有多个限位件，限位件采用限位挡板14，限位挡板14采用橡胶材料制成，通过设置限位挡板14，能够防止变位器7与第一分隔板10发生剧烈碰撞。

所述变位器7的外周面设置有聚酯纤维（PET）薄片15，夹板6用于夹住变位器7的表面设置有聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄片16，聚酯纤维薄片15和聚二甲基硅氧烷薄片16接触，当二者相对滑动产生摩擦力时，两层聚合物薄膜之间产生电荷分离并形成电势差，经由外部电路即可形成电流。在摩擦中，聚酯纤维（PET）产生电子，聚二甲基硅氧烷（PDMS）则负责接收电子。

聚酯纤维薄片和聚二甲基硅氧烷薄片通过导线与电源组件连接，能够将产生的电能在电源组件中进行存储，本实施例中，电源组件采用蓄电池17，具体的，聚酯纤维薄片通过感应导电极板及导线与蓄电池17的正极连接，聚二甲基硅氧烷薄片通过感应导电极板和导线与蓄电池17的负极连接，且聚二甲基硅氧烷薄片与蓄电池负极之间依次设置有保险18和整流器19，摩擦产生的电能能够通过整流器在蓄电池中存储。蓄电池与内筒固定连接。

内筒内还设置有第二分隔板20，第二分隔板20为实心板，第一分隔板10与第二分隔板20之间的空腔为第二空腔，第二分隔板一侧为第二空腔，另一侧为第三空腔。

外筒上缠绕有线圈绕组21，且线圈绕组21与第二空腔和第三空腔的位置相对应。

本实施例中，所述第二空腔内设置有丝杆22，丝杆22与内筒2同轴设置，丝杆一端与第一分隔板转动连接，另一端与第二分隔板转动连接，具体的，第一分隔板和第二分隔板的中心部位均设置有圆形的限位槽，丝杆的端部插入限位槽中，防止丝杆产生移动，使得丝杆只能够绕自身轴线转动。

丝杆上螺纹连接有第一滚珠螺母23，第一滚珠螺母23与内筒的筒壁滑动连接，使得第一滚珠螺母23能够沿丝杆的轴线方向运动。

所述丝杆22还固定连接与叶轮24，叶轮24位于液体箱内部，液体箱内部盛装有液体，液体箱由两个挡板和内筒的筒壁共同构成，挡板与内筒筒壁之间设有密封圈，防止液体泄漏。

输电线发生低频大幅度振动时，第一腔室和第二腔室两侧会产生压差，第一滚珠螺母会沿丝杆的轴线做直线运动而不旋转，进而带动丝杆绕自身轴线方向转动，进而带动叶轮转动，液体箱内部的液体对叶轮产生阻力，从而达到耗能减振的目的。

所述液体箱与第一滚珠螺母之间设置有限位器25，限位器25采用橡胶材质制成，用于防止第一滚珠螺母23与挡板发生剧烈碰撞。

本实施例中，液体箱内盛装的液体为磁流变液26，蓄电池与绕组线圈连接，能够对绕组线圈通入电流，且蓄电池与绕组线圈之间的连接导线上设置有电流控制器27和总开关28，电流控制器27能够调节蓄电池输出电流的大小。

所述第二腔室内还安装有气压传感器29，气压传感器29能够检测第二腔室内的气压，根据不同的输电线的振动幅值所引起的内筒2气压变化，位于内筒2的气压传感器29可以感应空气压强变化，并通过电流控制器27调节线圈绕组21的电流大小，线圈绕组21通电后产生的磁场强度不断变化，改变磁流变液的流动粘度，提高转轮转动的阻尼力，从而达到耗能减振的目的。

气压传感器与蓄电池连接，由蓄电池对其进行供电。

惯容粘滞阻尼系统包括位于第三腔室内的活塞，活塞能够沿第三腔室的轴线做直线运动，活塞上开设有多个通孔，活塞通过活塞杆30与第二连接件31连接，第二连接件31能够与输电线连接。

第二连接件31的结构与第一连接件的结构相同，在此不进行重复叙述。

第三腔室内充填有滞流体32，滞流体采用现有的粘滞阻尼器用阻尼液体即可，所述内筒第三腔室对应的筒壁还连接有外伸管33，外伸管33一端连接至活塞一侧第三腔室对应的内筒筒壁上，外伸管33的另一端连接至活塞另一侧第三腔室对应的内筒筒壁上。

所述外伸管为折线管，外伸管内部设置有至少一个阻尼网34，外伸管33的内径为内筒2直径的1/2-1/3，使得滞流体在外伸管33中流速加快，形成惯容元件。

第二连接件31跟随输电线带动活塞在滞流体里自由活动，滞流体在受到挤压后，一部分从活塞通孔流入活塞另一侧，从而产生阻尼力,将振动能量通过粘滞耗能消掉,达到减振的目的，另一部分滞流体通过外伸管穿过阻尼网流入活塞另一侧，进一步产生阻尼力，由于内筒口径大于外伸管内径，滞留体在外伸管33流速加快，从而形成液压惯容系统。实现高效的抑制导线舞动的目的。

惯容系统和空气弹簧机构可以调节结构的惯性和刚度特性，即通过调节外部环境激励下的振动频率以避免整个耗能装置与外部激励的共振，作为一个完整的动力学系统，惯容减振系统内部的振动与整个耗能装置并不同步，这种异步振动可以使惯容系统内部耗能装置的有效变形得以放大，从而起到耗能增效的作用以进一步抑制响应。

本实施例中，内筒的第三腔室对应的筒壁外侧面设置有多个悬臂杆35，悬臂杆35一端与内筒的筒壁固定连接，另一端与第二滚珠螺母36固定，第二滚珠螺母36中心螺纹连接有螺旋杆37，螺旋杆37的上下两端均通过弹性件连接有减振锤39，本实施例中的弹性件采用弹簧38。弹簧采用具有恢复变形能力的形状记忆合金材料制成。

减振锤的上下表面均设置有弹性垫层39，防止与第二滚珠螺母36发生剧烈碰撞。

减振锤39内部设置有多个空腔，空腔内设有金属球40，金属球通过弹簧41与空腔的腔壁连接。

当输电线在微风吹动下发生高频小幅度振动时，减振锤由于惯性会挤压或拉伸弹簧，从而增大振幅，并拖拽螺旋杆上下直线运动，同时螺旋杆在第二滚珠螺母的作用下发生旋转，螺旋杆将扭矩通过弹簧传递给减振锤令其旋转，使得减振锤内的金属小球切割通电线圈绕组所产生的磁感线，产生电涡流，以达到耗能减振的目的，有效减轻导线耗损。实现了耗能装置在输电线轻微振动时的减振效果。

本实施例的工作原理为：

如图7所示，当输电线42在大风荷载下发生低频大幅度振动时，第一连接件随着导线的舞动带动变位器在夹板之间上下直线运动，变位器通过摩擦力可以使负刚度阻尼空气弹簧变形，且弹力始终与变位器运动方向相同，呈负刚度阻尼特征。负刚度空气弹簧的刚度会随着变形逐渐减小，气压降低，此时位于内筒第一腔室内的空气由于受到变位器的挤压或气压差的影响会流经连接部件最终进入到负刚度空气弹簧的充气腔里，继续给负刚度空气弹簧施加预压力，使其负刚度不会发生显著降低，以持续发挥作用；同时变位器表面的聚酯纤维薄片与摩擦层表面的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄片摩擦产生电力，在两层聚合物薄膜之间产生电荷分离并形成电势差，经由外部电路即可形成电流，且在摩擦中，聚酯纤维产生电子，聚二甲基硅氧烷负责接收电子，最终电能经过整流器储存在蓄电池内；而第一滚珠螺母由于两侧的气压差变化会作上下直线运动而不发生旋转，第一滚珠带动螺丝杆快速旋转，使得与螺旋杆固定连接的叶轮在磁流变液内也作旋转运动，根据不同的导线的振动幅值所引起的内筒气压变化，位于内筒的气压传感器可以感应空气压强变化，并通过控制器调节线圈绕组的电流大小，线圈绕组通电后产生的磁场强度不断变化，改变磁流变液的流动粘度，提高转轮转动的阻尼力，从而达到耗能减振的目的；

第二连接件则随着导线的舞动带动活塞在内筒缸的滞留体里上下移动，滞流体在受到挤压后，一部分从活塞通孔流入活塞另一侧，从而产生阻尼力,将振动能量通过粘滞耗能消掉,达到减振的目的，另一部分滞流体通过外伸管透过阻尼网流入活塞另一侧，进一步产生阻尼力，由于内筒口径大于外伸管内径，滞留体在外伸管流速加快，从而形成液压惯容系统，实现高效的抑制导线舞动的目的。

当输电线在微风吹动下发生高频小幅度振动时，减振锤会随之拉伸或压缩弹簧，从而增大振幅，并拖拽螺旋杆上下直线运动，同时螺旋杆在第二滚珠螺母的作用下发生旋转，螺旋杆将扭矩通过弹簧传递给减振锤令其旋转，使得减振锤内的金属小球切割通电线圈绕组所产生的磁感线，产生电涡流，以达到耗能减振的目的，可以有效减轻导线耗损。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置，其特征在于，包括外筒，外筒的筒壁与多个空气弹簧机构的一端铰接，空气弹簧机构的另一端与夹板铰接，多个夹板夹住变位器，变位器伸入固定在外筒内部的内筒中且与内筒密封滑动连接，内筒内设有第一分隔板，第一分隔板为多孔板，变位器与第一分隔板之间的第一空腔通过连接部件与空气弹簧机构的充气腔相连通；

第一分隔板一侧为第一空腔，另一侧为第二空腔，第二空腔内设有能够绕自身轴线转动的丝杆，丝杆螺纹连接有第一滚珠螺母，丝杆与叶轮连接，叶轮位于盛装有液体的液体箱内，液体箱与内筒固定；

内筒内还设置有第二分隔板，第二分隔板与第一分隔板之间的空间为第二空腔，第二分隔板另一侧的空腔为第三空腔，第三空腔内填充滞流体，且第三空腔内设有活塞，活塞两侧的空间通过位于内筒外部的外伸管连通；

所述内筒的外筒面与多个悬臂杆的一端固定，悬臂杆的另一端与第二滚珠螺母固定，第二滚珠螺母螺纹连接有螺纹杆，螺纹杆端部通过弹性件连接有减振锤；

减振锤内设有空腔，空腔内设置有金属球，金属球通过弹性件与空腔的腔壁连接，外筒设有线圈绕组，线圈绕组的位置与减振锤位置对应。

2.如权利要求1所述的一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置，其特征在于，所述空气弹簧机构包括固定部和与固定部伸缩连接的活动部，固定部的端部与外筒的筒臂铰接，活动部的端部与夹板铰接，活动部伸入固定部的端部一侧的固定部内部空腔为充气腔。

3.如权利要求1所述的一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置，其特征在于，所述连接部件包括多个依次铰接连接的连接管，连接部件的一端与固定部铰接，另一端与内筒铰接，或者，连接部件采用柔性空心管。

4.如权利要求1所述的一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置，其特征在于，液体箱内的液体为磁流变液，外筒固定有与磁流变液配合的线圈绕组，线圈绕组与电源组件连接。

5.如权利要求4所述的一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置，其特征在于，线圈绕组通过电流控制器与电源组件连接，第二空腔内设有气压传感器。

6.如权利要求5所述的一种自适应复合式宽频防舞动耗能装置，其特征在于，所述电源组件包括设置在变位器外周面的聚酯纤维薄片及设置在夹板表面的聚二甲基硅氧烷薄片，聚二甲基硅氧烷薄片与聚酯纤维薄片接触，聚二甲硅氧烷薄片和聚酯纤维薄片通过导线与蓄电池连接，蓄电池与线圈绕组连接。

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