CN115560031A - 一种适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，涉及风电领域，其包括质量块、刚性弹簧、滚珠丝杆元件、电涡流阻尼装置、轨道、安装支架；轨道与安装支架连接；质量块能够沿轨道运动；刚性弹簧分别与安装支架以及质量块连接，刚性弹簧适于对质量块沿轨道的运动提供弹性力；滚珠丝杆元件分别与质量块以及安装支架连接，滚珠丝杆元件通过滚珠丝杠副带动飞轮旋转调整质量块的惯性；电涡流阻尼装置分别与质量块以及安装支架连接，电涡流阻尼装置适于对质量块沿轨道的运动提供阻尼力。本发明提供的调谐质量阻尼惯容器，在基本不改变结构物理质量的前提下提升阻尼器对于结构低阶振动模态的控制能力，保证结构安全和可靠性。

Description

一种适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器

技术领域

本发明涉及风电领域，尤其涉及一种适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器。

背景技术

调谐质量阻尼器(TMD)是一种装入结构内用以减少结构在外部激励作用下结构振动的装置，其通常由质量块、弹簧以及阻尼组成，经设计当阻尼器固有频率与受控结构固有频率达到一致时，将对结构振动起到一定的抑制作用。

现有技术中的风机塔筒作为风力发电机的重要结构构件之一，其高耸、细长的结构特征使得环境荷载对塔筒的作用更加显著，通过对风机塔筒安装调谐质量阻尼器可有效控制塔筒结构的振动水平。然而，风力发电机内部空间非常有限，且塔筒的一阶固有频率通常相对较低，根据固有频率计算公式ω＝k/m，若需对低阶振型进行控制将对质量块的总重及运动行程具有较高要求，故传统的调谐质量阻尼器受体积、布放空间等影响将不再适用于风机塔筒的振动控制，尤其是对于浮式风机而言，过大的调谐质量将使得风机系统重心上移，影响浮式风机的稳性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在基本不改变结构物理质量的前提下实现惯性特征的调整与优化，较少阻尼器的空间利用，进而提升阻尼器对于结构低阶振动模态的控制能力，保证结构安全和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，包括质量块、刚性弹簧、滚珠丝杆元件、电涡流阻尼装置、轨道、安装支架；

所述轨道与所述安装支架连接；

所述质量块能够沿所述轨道运动；

所述刚性弹簧分别与所述安装支架以及所述质量块连接，所述刚性弹簧适于对所述质量块沿所述轨道的运动提供弹性力；

所述滚珠丝杆元件分别与所述质量块以及所述安装支架连接，所述滚珠丝杆元件通过滚珠丝杠副带动飞轮旋转调整所述质量块的惯性；

所述电涡流阻尼装置分别与所述质量块以及所述安装支架连接，所述电涡流阻尼装置适于对所述质量块沿所述轨道的运动提供阻尼力。

在本发明的一些实施方式中，所述质量块为若干个钢制质量片堆叠而成，所述各质量片之间通过角隅位置的螺钉紧固不发生相对运动，质量块下层钢片垂直于轨道方向的边长减小，并在侧面安装若干滑轮；所述滑轮与轨道连接，可在轨道内进行相对运动；所述轨道上表面光滑，轨道两端连接支架；所述安装支架与风机塔架塔壁和平台结构连接。

在本发明的一些实施方式中，所述刚性弹簧包括若干个刚度相等的弹簧组成，所述弹簧两端设置钢丝绳，所述钢丝绳一端与质量块连接，通过定滑轮经质量块下方与支架连接，弹簧段在质量块下方面内平行布置；所述定滑轮与支架连接。

在本发明的一些实施方式中，所述滚珠丝杆元件包括丝杆、滚珠轴承、滚珠、联轴器、支架以及套筒，所述套筒首端通过安装钣金由螺钉与质量块侧面连接，当质量块运动时与其保持相对静止状态，套筒末端与套筒支架连接，所述套筒支架末端与惯容器安装支架连接；

所述丝杆首端安装联轴器，末端自由，丝杆上自质量块至安装支架方向，依此安装有滚珠轴承和飞轮，所述滚珠轴承呈阶梯圆柱状，轴承内部设置闭合滚珠轨道内含滚珠，当丝杆发生转动时，所述滚珠将在丝杆螺纹牙内和轴承轨道内循环运动，并带动滚珠轴承发生转动；所述飞轮与滚珠轴承固定连接且不发生相对转动，飞轮不与丝杆、套筒直接连接，所述飞轮具有一定质量且依据实际需要进行拆卸和更换。

在本发明的一些实施方式中，所述电涡流阻尼装置，包括磁钢和阻尼板，所述磁钢通过隔磁钢板安装在隔磁钢板的中心位置处，所述隔磁钢板与质量块顶层质量片固定连接，所述阻尼板为金属板，所述阻尼板下表面与磁钢间保持一定间隙，所示阻尼板与支架两端固定。

在本发明的一些实施方式中，所述弹簧其数量可以根据实际设计需要进行布置，各弹簧布置方向与质量块运动方向平行。

在本发明的一些实施方式中，所述安装支架两侧设置有限位装置，所述套筒的行程室内侧设置有限位装置。

在本发明的一些实施方式中，所述滚珠丝杆元件于质量块运动方向上设置。

在本发明的一些实施方式中，所述阻尼板为具有导电性合金板。

在本发明的一些实施方式中，所述限位装置材料为橡胶。

本发明提供的一种适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：

1、该调谐质量阻尼惯容器可适用于风机塔架的滚珠丝杆型调谐质量阻尼惯容器充分考虑了风机内部狭小空间和传统调谐质量阻尼器的布置，利用滚珠丝杆结构，加入飞轮提升了调谐质量减振装置的质量可调范围，在基本保持阻尼器总体质量不变的基础上，获得更大的惯性力和更短的质量运动行程，同时风机结构在外激励下发生运动时，对于惯性力的影响较小，提升了减振器的稳定性。

2、该调谐质量阻尼惯容器可适用于风机塔架的滚珠丝杆型调谐质量阻尼器通过定滑轮，将各刚性弹簧沿质量块底部布置，使得惯容器整体结构更为紧凑，质量块下方滚轮的内嵌式设计进一步降低了惯容器的整体体积，减少了工作空间的使用面积，提升风机塔筒内部空间的利用率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明实施例中一种适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器的立体结构示意图；

图2是本发明实施例中质量块立体结构示意图；

图3是本发明实施例中滚珠丝杆元件的立体结构示意图；

图4是本发明实施例中弹簧的立体结构示意图；

图5是本发明实施例中支架的立体结构示意图；

图6是本发明实施例中电涡流阻尼装置的立体结构示意图。

附图标记：

1、质量块；2、垂向支架；3、横向支架；4、轨道；5、套筒；6、定滑轮；7、滑轮；8、滑轮固定器；9、托承结构；10、钩锁；11、隔磁钢板；12、磁钢；13、丝杆；14、飞轮；15、滚珠轴承；16、滚珠；17、套筒支架；18、安装钣金；19、行程室；20、首端钢丝绳；21、刚性弹簧；22、末端钢丝绳；23、阻尼板。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

在现有技术中，随着越来越多的高层建筑物的出现，结构物振动成了影响结构安全的重要因素之一，为了有效控制地抑制振动，学者们提出了调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(TLD)等，其通过将振动频率调整至主结构频率附近，改变结构共振特性以达到减震作用。近年来，许多学者在调谐质量阻尼器的基础上提出加入惯容元件，构成调谐质量阻尼惯容器(TMDI)，这样可以更灵活有效地实现改变结构惯性和调谐的目的，常见的惯容元件形式包括齿轮齿条型、滚珠丝杆型以及螺旋液柱型，从目前已有的惯容装置来看，其产生的惯容系数可以远大于其自身的物理质量，且不会增加结构所受的外部激励作用。风机塔筒作为风力发电机的重要结构构件之一，其高耸、细长的结构特征使得环境荷载对塔筒的作用更加显著，由于风力发电机内部空间非常有限，且塔筒的一阶固有频率通常相对较低，根据固有频率计算公式ω＝k/m，若采用传统的调谐质量阻尼器对风机塔筒进行振动控制将对质量块的总重及运动行程具有较高要求，为风机结构设计带来不利影响，尤其是对于浮式风机而言，过大的调谐质量将使得风机系统重心上移，影响浮式风机的稳性。结合调谐质量阻尼惯容器的优点，可通过滚珠丝杆带动飞轮旋转，进而获得在一定重量下更大的惯性力，改进阻尼器的惯性特性，进而达到在狭小空间下的甚低频率的振动控制效果，因此，针对风机塔架结构特征，设计出一种适用于风机塔架的调谐质量阻尼惯容器具有重要意义。经检索，中国专利文献CN 112538907 A中公开了一种双惯容并联式四阶减振结构。该结构包括两级二阶减振结构，依据弹簧与惯容的减振、隔振特点，叠加并联两个系统以抑制外部风浪载荷导致的海上风机自身结构振动。但是，上述减振结构仅以元器件的形式给出了的结构示意形式，以阐明当前布置形式下的针对抑制有效性，并未针对风机塔筒的结构形式进行实物性的设计，故与本发明存在较大差异。综上所述，结合风机塔架内部实际特征，在保证风机整机重量的基础上，以提升阻尼器的质量调谐能力为目的，设计出一种充分利用风机内部空间，具备小质量、短行程特点的调谐质量阻尼惯容器，进而提升风机塔架的结构振动特性，提高塔架的安全与可靠性，已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。

如图1至图6所示，为解决上述现有技术中的技术问题，在本申请的实施例1中，提供了一种适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，可安装在风机塔筒内部，用于控制但不限于塔筒一阶结构振动，当风机塔筒受到实际风载荷或海浪载荷作用发生动力学响应，外激励频率接近结构固有频率时，结构发生共振，并在固有振型位置处发生较大位移。在塔筒振动过程中，惯容器中的滑块将偏离平衡位置并在轨道4内滑动，此时，各刚性弹簧21发生形变为质量块1提供弹性力，质量块1顶部磁钢12与阻尼板23间发生相对运动，阻尼板23内能够产生涡流并为质量块1提供阻尼力，同时，质量块1顶推丝杆13做平行于轨道4方向的直线运动，使得滚珠16在丝杆13与滚珠轴承15内运动并带动滚珠轴承15和飞轮14转动，产生惯性力，经设计，当质量块1重量、所受弹性力以及阻尼力达到最优化控制参数时，阻尼器固有频率与塔筒一阶振动频率保持一致，即可实现对风机塔筒结构低阶模态的振动控制。

如图1、2、4所示，一种适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器包括质量块1、刚性弹簧21、滚珠丝杆元件、电涡流阻尼装置、轨道4、安装支架以及连接组件。其中，所述质量块1由多片质量片相互叠加组成，上层质量片为正方形状，下层质量片在沿垂直于轨道4方向的边长减小(为了节省阻尼器的体积，下层的质量片边长减小，使得质量块1下面的轮子可以嵌进质量块1内部，从而减少阻尼器质量块1的体积)，呈长方形状，这样可以使得滑轮7通过滑轮7固定器安装在下层质量片的两侧，进而达到减少惯容器体积的目的；所述刚性弹簧21两端分别设置有顶端钢丝绳和末端钢丝绳22，顶端钢丝绳与质量块1底部的托承结构9连接，托承结构9前后两侧分别连接两个钢丝绳，首段钢丝绳经过支架上的定滑轮76，与轨道4下方的刚性弹簧21连接，各刚性弹簧21在平面内平行布置，并由末端刚性钢丝绳与垂向支架2连接，大大减少了惯容器的空间适用面积，使所设计的阻尼器可更好地适用于风机塔筒的狭小空间。

如图3所示，调谐质量阻尼惯容器中的惯容元件为滚珠丝杆型，惯容器通过安装钣金18件与质量块1侧面连接，当质量块1偏移平衡位置在轨道4内发生运动时，与钣金相连的套筒5将顶推丝杆13做直线运动，此时滚珠16将在丝杆13的螺纹牙内和滚珠轴承15内轨道4之间滑动，并带动滚珠轴承15发生转动，该转动过程丝杆13所受摩擦阻力相对较小，由于飞轮14与滚珠轴承15侧面固定连接，故当滚珠轴承15转动时将带动飞轮14转动，这样一来，可为减振装置带来一定的惯性力，使得调谐质量装置在小重量情况下达到与受控结构固有频率一致的振动频率，减小装置的附加质量和缩短调谐质量块1的运动行程，更有效地在塔筒狭小空间内控制塔筒的结构振动加速度响应。

如图5所示，调谐质量阻尼惯容器的支架根据所承载质量块1的重量，在考虑整体强度下设计，本实例中设置有两个垂向支架2，垂向支架2可通过螺钉与塔筒塔壁或待安装平台连接，垂向支柱上端连接阻尼板23，阻尼板23上设置减轻孔，以减少装置整体重量，下端设置横向支架3，用于安装轨道4，轨道4横截面为T型截面，以保证轨道4的纵向强度，各支架构件之间通过螺钉连接，支架为可拆卸结构，以方便惯容器整体的安装与拆卸维护。

如图6所示，磁钢12安装在隔磁钢12板11上，磁钢12数量由设计最佳阻尼力进行设计，阻尼板23两端固定与垂向支架2上，磁钢12与阻尼板23间保持一定间隙，经设计两者间隙可调整质量块1所受阻尼力的大小，当磁钢12与阻尼板23间发生相对运动时，导体板中将产生感应电涡流，电涡流与原磁场相互作用，产生阻碍导体板和磁场相对运动的阻尼力力，同时导体板由于电磁感应产生的电能通过导体板的电阻转换为热能耗散，从而将发电塔振动速度和振动位移有效降低。

在本申请的实施例2中，提供了一种适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，该调谐质量阻尼器包括质量块1、刚性弹簧21、滚珠丝杆元件、电涡流阻尼装置、轨道4、安装支架以及连接组件。其中，质量块1下方安装有滑轮7，滑轮7与轨道4连接，可在轨道4内发生相对位移；刚性弹簧21两端分别连接质量块1与支架，提供弹性力；电涡流阻尼装置由磁钢12、阻尼板23组成，磁钢12固定安装与质量块1上表面，当磁钢12与阻尼板23之间发生相对运动时，阻尼板23内能够产生涡流，提供阻尼力；滚珠丝杆元件由丝杆13、滚珠轴承15、滚珠16、联轴器以及套筒5组成，套筒5两端通过套筒5支架分别与质量块1侧面和惯容器垂向支架2连接，靠近质量块1一端经联轴器与丝杆13相连，所述丝杆13末端自由，丝杆13上依此连接滚珠轴承15和飞轮14，当质量块1运动带动丝杆13转动时，滚珠轴承15与飞轮14在滚珠16作用下发生旋转，为系统提供较大的惯性力。

作为优选，所述质量块1为材质为高碳钢板或是其他高密度合金，保证质量块1具有大质量的同时保持小的体积，节省阻尼器布置空间。

作为优选，所属质量块1下端设置托承结构9，用于承载各质量片和安装滑轮7与滚珠丝杆元件，所述托承结构9侧面安装滑轮7，所述滑轮7数量为8个，对称布置于质量快的四角，滑轮7轮印直径略小于轨道4直径，具体根据其承载能力设计。

作为优选，所述滚珠丝杆元件布置根据空间和惯性力需要可布置但不限于质量块1一侧，每测数量为2个，所述滚珠丝杆元件中除套筒5外各零部件材质均为高强度合金，所述丝杆13与滚珠轴承15接触连接，轴承内滚珠16可在丝杆13和轴承内轨道4运动，所述轴承内轨道4保持光滑。

作为优选，所述滚珠丝杆元件中的飞轮14，其与滚珠轴承15同轴转动，飞轮14质量、直径根据惯容器所需最佳惯性力进行设计，飞轮14数量不限于一个。

作为优选，所述电涡流阻尼装置中的磁钢12组件为铷铁硼永磁材料，所示磁钢12安装在质量块1上表面隔磁钢12板11上，磁钢12与阻尼板23间存在间隙，磁钢12数量与间隙大小可根据实际情况设计，当磁钢12与阻尼板23发生相对运动时，将产生电涡流，从而阻碍两者的相互作用，为系统提供阻尼力。

作为优选，所述弹簧系统中，各弹簧末端钢丝绳22设置钩锁10组件，所述钩锁10组件可连接支架，也可依据塔筒内空间情况，与风机塔筒的上层平台或塔壁上设置的钩环连接。

作为优选，所述轨道4截面可为工字形截面，材质选为高强度合金钢，轨道4两端与支架焊接，以提升轨道4的纵向强度。

作为优选，所述刚性弹簧21形变区域与轨道4方向保持平行。

作为优选，所述支架各结构件件通过螺钉连接，为可拆卸结构，方便装置的安装与更换。

本发明提供的一种适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：

1、该调谐质量阻尼惯容器可适用于风机塔架的滚珠丝杆型调谐质量阻尼惯容器充分考虑了风机内部狭小空间和传统调谐质量阻尼器的布置，利用滚珠丝杆结构，加入飞轮14提升了调谐质量减振装置的质量可调范围，在基本保持阻尼器总体质量不变的基础上，获得更大的惯性力和更短的质量运动行程，同时风机结构在外激励下发生运动时，对于惯性力的影响较小，提升了减振器的稳定性。

2、该调谐质量阻尼惯容器可适用于风机塔架的滚珠丝杆型调谐质量阻尼器通过定滑轮76，将各刚性弹簧21沿质量块1底部布置，使得惯容器整体结构更为紧凑，质量块1下方滚轮的内嵌式设计进一步降低了惯容器的整体体积，减少了工作空间的使用面积，提升风机塔筒内部空间的利用率。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，其特征在于，包括质量块、刚性弹簧、滚珠丝杆元件、电涡流阻尼装置、轨道、安装支架；

所述轨道与所述安装支架连接；

所述质量块能够沿所述轨道运动；

所述刚性弹簧分别与所述安装支架以及所述质量块连接，所述刚性弹簧适于对所述质量块沿所述轨道的运动提供弹性力；

所述滚珠丝杆元件分别与所述质量块以及所述安装支架连接，所述滚珠丝杆元件通过滚珠丝杠副带动飞轮旋转调整所述质量块的惯性；

所述电涡流阻尼装置分别与所述质量块以及所述安装支架连接，所述电涡流阻尼装置适于对所述质量块沿所述轨道的运动提供阻尼力。

2.如权利要求1所述的适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，其特征在于，所述质量块为若干个钢制质量片堆叠而成，所述各质量片之间通过角隅位置的螺钉紧固不发生相对运动，质量块下层钢片垂直于轨道方向的边长减小，并在侧面安装若干滑轮；所述滑轮与轨道连接，可在轨道内进行相对运动；所述轨道上表面光滑，轨道两端连接支架；所述安装支架与风机塔架塔壁和平台结构连接。

3.如权利要求1所述的适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，其特征在于，所述刚性弹簧包括若干个刚度相等的弹簧组成，所述弹簧两端设置钢丝绳，所述钢丝绳一端与质量块连接，通过定滑轮经质量块下方与支架连接，弹簧段在质量块下方面内平行布置；所述定滑轮与支架连接。

4.如权利要求1所述的适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，其特征在于，所述滚珠丝杆元件包括丝杆、滚珠轴承、滚珠、联轴器、支架以及套筒，所述套筒首端通过安装钣金由螺钉与质量块侧面连接，当质量块运动时与其保持相对静止状态，套筒末端与套筒支架连接，所述套筒支架末端与惯容器安装支架连接；

所述丝杆首端安装联轴器，末端自由，丝杆上自质量块至安装支架方向，依此安装有滚珠轴承和飞轮，所述滚珠轴承呈阶梯圆柱状，轴承内部设置闭合滚珠轨道内含滚珠，当丝杆发生转动时，所述滚珠将在丝杆螺纹牙内和轴承轨道内循环运动，并带动滚珠轴承发生转动；所述飞轮与滚珠轴承固定连接且不发生相对转动，飞轮不与丝杆、套筒直接连接，所述飞轮具有一定质量且依据实际需要进行拆卸和更换。

5.如权利要求1所述的适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，其特征在于，所述电涡流阻尼装置，包括磁钢和阻尼板，所述磁钢通过隔磁钢板安装在隔磁钢板的中心位置处，所述隔磁钢板与质量块顶层质量片固定连接，所述阻尼板为金属板，所述阻尼板下表面与磁钢间保持一定间隙，所示阻尼板与支架两端固定。

6.如权利要求1所述的适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，其特征在于，所述弹簧其数量可以根据实际设计需要进行布置，各弹簧布置方向与质量块运动方向平行。

7.如权利要求4所述的适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，其特征在于，所述安装支架两侧设置有限位装置，所述套筒的行程室内侧设置有限位装置。

8.如权利要求1或2所述的适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，其特征在于，所述滚珠丝杆元件于质量块运动方向上设置。

9.如权利要求5所述的适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，其特征在于，所述阻尼板为具有导电性合金板。

10.如权利要求7所述的适用于风机塔架的滚珠丝杠型调谐质量阻尼惯容器，其特征在于，所述限位装置材料为橡胶。

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