CN115693567A - 一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，包括保护筒，保护筒内部设置有空气阻尼壳体，空气阻尼壳体内部具有多个空气阻尼内腔，空气阻尼内腔的顶部设有第一磁铁组件，底部设有第二磁铁组件，第一磁铁组件和/或第二磁铁组件具有电磁铁，空气阻尼内腔内设有质量块，质量块设有第三磁铁组件，质量块与空气阻尼内腔侧面密封滑动连接，第三磁铁组件在第一磁铁组件和第二磁铁组件的磁力作用下保持平衡，电磁铁通过控制器与保护筒内的电源连接，本发明的抑制耗能装置拓宽了减振频带，实现了对导线振动的高效抑制。
Description
技术领域
本发明涉及减振控制技术领域，具体涉及一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置。
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。
架空输电线路在受0.5～10m/s风速的稳定来流风作用时会产生微风振动，导线的背风侧会产生卡门漩涡，对导线产生上下交变力。导线会因此在较长时间内保持垂向谐振状态，导致其内部经常发生疲劳断股等破坏，严重影响输电线路的安全稳定运行。而随着输电线路供电要求的增加，更大档距和截面的导线不断投入使用，致使输电线路微风振动更加严重。同时导线在受风力和覆冰影响下发生的次档距振动和舞动也对其寿命和安全性造成极大损害。输电线路振动的控制问题一直是输电线路安全研究的重点课题。
目前常用的减振控制技术是通过在导线上安装防振锤来消耗导线振动的能量，达到减小振幅的目的。但是防振锤的结构形式较单一，通常只拥有一阶或几阶的谐振频率，在非谐振频率导线振动的激励下响应较小，自调谐能力弱，而增加锤头增大响应频带又会增加防振锤质量和所占空间，增加导线负荷；而且防振锤一般通过锤头振动带动内部钢绞线摩擦消耗能量，耗能方式单一，耗能能力不强。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，自调谐能力强，扩展了响应频带。
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输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，包括保护筒，保护筒内部设置有空气阻尼壳体，空气阻尼壳体内部具有多个空气阻尼内腔，空气阻尼内腔的顶部设有第一磁铁组件，底部设有第二磁铁组件，第一磁铁组件和/或第二磁铁组件具有电磁铁，空气阻尼内腔内设有质量块，质量块设有第三磁铁组件，质量块与空气阻尼内腔侧面密封滑动连接，第三磁铁组件在第一磁铁组件和第二磁铁组件的磁力作用下保持平衡，电磁铁通过控制器与保护筒内的电源连接。
可选的，质量块的两侧均设置有第一限位块，第一限位块固定在空气阻尼内腔的内侧面，用于对质量块的移动进行限位。
可选的，不同空气阻尼内腔内的初始气体压力不同。
可选的，所述保护筒内安装有加速度检测元件。
可选的，所述空气阻尼内腔通过连接管与活塞腔体的顶部连通，活塞腔体内设置有活塞，活塞与连接杆的一端连接，连接杆的另一端与液体阻尼壳体第一腔室内的螺母固定，螺母与转轴螺纹连接，转轴伸入液体阻尼壳体第一腔室外部的第二腔室且固定有多个叶片，其中，第二腔室内填充有耗能液体。
可选的，活塞腔体固定在液体阻尼壳体的顶端，活塞与液体阻尼壳体之间设有弹簧。
可选的，活塞的两侧均设置有第二限位块，第二限位块与活塞腔体的内侧面固定，用于限制活塞的位移。
可选的，耗能液体采用磁流变液，液体阻尼壳体外周缠绕有线圈，线圈通过控制器与电源连接。
可选的，保护筒内还设置有连接柱，连接柱的柱面沿环向与多个压电梁的一端固定，压电梁的另一端设置有重量块，压电梁的上下表面均设置有压电片，压电片通过整流器与电源连接。
可选的，重量块与保护筒之间设置有非线性弹簧。
本发明的有益效果：
1.本发明的抑制耗能装置，通过空气阻尼内腔、第一磁铁组件、第二磁铁组件、质量块及第三磁铁组件的设置，当导线发生振动时，空气阻尼内腔和保护筒同步振动，与质量块发生相对移动，空气阻尼内腔内的空气形成空气弹簧，吸收振动，同时第三磁铁组件偏离平衡位置受第一磁铁组件或第二磁铁组件的磁力，磁力方向和运动方向相同形成负刚度，通过改变电磁铁通入电流的大小从而改变磁致负刚度，从而在不增加整个装置体积和重量的前提下，通过负刚度的半主动调节实现了宽频调谐，拓宽了装置的减振频带，自调谐能力强，增大了装置的耗能效率，实现了对导线振动的高效抑制。
2.本发明的抑制耗能装置，设置有加速度检测元件，能够实现导向振动加速度的实时检测，进而通过控制器控制电源向电磁铁输出电流的大小，实现了宽频自适应调节，实现了智能吸振耗能的目的。
3.本发明的抑制耗能装置，不同空气阻尼内腔内的初始气体压力不同，使装置具有多个初始谐振频率，在不增加装置体积和重量的前提下有效拓宽了减振频带。
4.本发明的抑制耗能装置，还具有液体阻尼壳体，液体阻尼壳体的第二腔室内填充耗能液体，并与叶片配合，实现了利用耗能液体的粘滞性耗能，进而实现了多种耗能方式，耗能效果好，同时耗能液体采用磁流变液，配合线圈，能够实现粘度和流动特性的调节，达到了智能耗能目的。
5.本发明的抑制能耗装置，通过压电梁、压电片、重量块及非线性弹簧的设置，实现了自供电，无需外部能量输入，利用压电结构对振动能加以俘获和利用，提高了能量的利用率；采用非线性弹簧引发压电梁更大幅度的混沌振动，提高了装置的俘能效率。
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为本发明实施例1抑制耗能装置结构正视图；
图2为本发明实施例1抑制耗能装置结构侧视图；
图3为本发明图1中的A-A剖面图；
图4为本发明图2中的B-B剖面图；
图5为本发明实施例1连接板上的磁铁安装示意图；
图6为本发明实施例1质量块上的磁铁安装示意图；
图7为本发明实施例1抑制耗能装置磁流变液及叶片示意图；
图8为本发明实施例1抑制耗能装置滚珠丝杠副示意图；
图9为本发明实施例1抑制耗能装置控制电路示意图。
其中，1.导线；2.线夹；3.保护筒；4.控制盒；5.止动块；6.连接柱；7.压电片；8.压电梁；9.重力块；10.非线性弹簧；11.空气阻尼壳体；12.空气阻尼内腔；13.连接板；14.质量块；15.空气弹簧；16.中部强磁铁；17.第一限位块；18.强磁铁；19.电磁铁；20.连接管；21.第二限位块；22.活塞；23.弹簧；24.连接杆；25.滚珠螺杆；26.滚珠；27.滚珠螺母；28.液体阻尼壳体；29.磁流变液；30.第一腔室；31.叶片；32.轴承；33.线圈；34.蓄电池；35.压电原件；36.整流器；37.加速度传感器；38.第一控制器；39.第二控制器；40保险丝。
具体实施方式
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”字样，仅表示与附图本身的上、下方向一致，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。
实施例1
本实施例提供了一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，如图1-图4所示，包括保护筒3，保护筒3顶部设置有线夹2，线夹2能够与导线1固定连接，进而将整个耗能装置固定在导线1上。导线1发生振动时，保护筒3能够进行同步的振动。
本实施例中，为了保证固定的稳定性，设置两个线夹1。
保护筒3呈十字型结构，节约了空间。
保护筒3的顶部筒壁内侧面固定有控制盒4，控制盒4内安装有控制器、电源等控制元件。
控制盒4采用圆环状结构与保护筒3同轴设置，所述保护筒3内还设置有连接柱6，连接柱6穿过控制盒4，其顶部与保护筒3顶部筒壁的中心位置固定，其底端与空气阻尼壳体11的顶端固定，空气阻尼壳体11的底端与保护筒3的底部筒壁固定。
空气阻尼壳体11上方的连接柱部分沿环向设置有多个压电减振俘能结构，本实施例中，设置四个压电减振俘能结构，四个压电减振俘能结构等间隔设置。
所述压电减振俘能结构包括压电梁8，压电梁8的一端与连接柱6固定，另一端设置有重量块9，压电梁8的上下表面均粘贴设置有压电片7，压电片7作为压电元件35，通过导线和控制盒4内的整流器36与控制盒4内的电源连接，电源采用蓄电池34。
导线1振动带动保护筒3振动，压电梁8端部的重量块9随之上下振动，使得压电梁8和压电片7发生形变，压电片7产生的电荷通过整流器36形成电流储存在蓄电池34中，实现了自供电，无需外部能量的输入。
本实施例中，不同压电梁8端部的重量块9根据需要设置不同的质量，使装置具有多个初始谐振频率，有效拓宽了减振频带。
所述重量块9与保护筒3的侧部筒壁之间设置有非线性弹簧10，非线性弹簧10的弹性系数随位移变化，采用非线性弹簧10，能够引发压电梁8更大幅度的混沌振动，提高了整个压电减振俘能结构的俘能效率。
空气阻尼壳体11上表面和控制盒4的下表面均设置有止动块5，用于防止压电梁8和重量块9与保护筒3内壁发生剧烈碰撞。
所述空气阻尼壳体11内部设置有多个空气阻尼内腔12，本实施例中，设置四个空气阻尼内腔12，四个空气阻尼内腔12沿环向等间隔布置。空气阻尼壳体11采用不导磁的铝合金材料制成。
空气阻尼内腔12的顶部腔面和底部腔面均固定有连接板13，定义顶部腔面固定的连接板13为上连接板，底部腔面固定的连接板13为下连接板。
如图5-图6所示，上连接板上镶嵌固定有第一磁铁组件，下连接板镶嵌固定有第二磁铁组件，第一磁铁组件和第二磁铁组件均包括电磁铁19和强磁铁18。
其中，第一磁铁组件中，电磁铁19设置在上连接板的中部位置，多个强磁铁18设置在电磁铁的外周，且沿环向等间隔设置。
第二磁铁组件中，电磁铁19设置在下连接板的中部位置，多个强磁铁18设置在电磁铁的外周且沿环向等间隔设置。
第一磁铁组件和第二磁铁组件的电磁铁19位置相对应，强磁铁18位置相对应。
所述空气阻尼内腔12内部设置有质量块14，质量块的外周面与空气阻尼内腔12的侧腔面密封滑动连接。空气阻尼内腔12的腔面设置涂覆有润滑油，使得质量块14运动时具有较小的阻力。
所述质量块14内部镶嵌有第三磁铁组件，第三磁铁组件包括中部强磁铁16和外围强磁铁，其中中部强磁铁16与第一磁铁组件和第二磁铁组件的电磁铁19位置对应，外围强磁铁与第一磁铁组件和第二磁铁组件的强磁铁18位置对应。
本实施例中，第三磁铁组件与第一磁铁组件中磁铁相互靠近端部的极性相反，第三磁铁组件与第二磁铁组件中磁铁相互靠近端部的极性相反，使得质量块14和第三磁铁组件受到的第一磁铁组件和第二磁铁组件产生的磁力相互抵消，在第一磁铁组件和第二磁铁组件的作用下保持平衡。
质量块14和第三磁铁组件将空气阻尼内腔分隔为上下分布的两个腔室，腔室内预先充入气体，形成空气弹簧15。空气弹簧15对质量块的斥力始终大于强磁铁的引力；强磁铁采用钕铁硼等金属制成。
不同的空气阻尼腔内设置不同压强的空气弹簧15，即空气阻尼内腔12内的气压不同，使得整个装置具有多个初始谐振频率，有效拓宽了减振频带，提高了整个装置的灵活性。
当导线1发生上下振动时，质量块14在空气阻尼内腔12内产生上下振动，磁力方向和运动方向相同形成负刚度，所述电磁铁19通过第一控制器38和保险丝40与蓄电池34串联设置，第一控制器38安装在控制盒4内部，控制盒4内部还设置有加速度检测元件，加速度检测元件采用加速度传感器37，加速度传感器37与第一控制器38连接。
通过加速度传感器37能够检测保护筒振动加速度，进而获取振动幅度大小，通过第一控制器38控制通入电磁铁19的电流大小，从而改变磁致负刚度，从而在不增加整个装置体积和重量的前提下，通过负刚度的半主动调节实现了宽频调谐，拓宽了装置的减振频带，自调谐能力强，增大了装置的耗能效率，实现了对导线1振动的高效抑制。
而且通过加速度传感器37和第一控制器38自动调节，实现了智能吸振耗能的目的。
空气阻尼内腔12内还设置有两组第一限位块17，两组第一限位块分别位于质量块14的上方和下方，用于对质量块14的运动进行限位，防止质量块14与电磁铁19和强磁铁18距离太近而吸附固定。
所述质量块14上方的空气阻尼内腔12空间与连接管20的一端连通，连接管20的另一端与活塞腔体的顶端连通，活塞腔体固定在液体阻尼壳体28的顶部，液体阻尼壳体28的底部固定在保护筒3的底部筒壁。
所述活塞腔体内设置有活塞22，活塞22与活塞腔体的内表面密封滑动连接，活塞腔体的内侧面涂覆有润滑油，使得活塞运动时受到较小的阻力。
活塞22的上方和下方均设置有第二限位块21，第二限位块21与活塞腔体的内表面固定，用于限制活塞的运动距离。
活塞底面与液体阻尼壳体28顶面之间设置有弹簧23，弹簧23采用形状记忆合金制成，用于对活塞22进行复位。
活塞22底面与多个连接杆24的一端固定，连接杆24的另一端伸入液体阻尼腔壳体28的第一腔室内并固定连接有螺母，所述螺母采用滚珠螺母27，液体阻尼壳体28内通过隔板分成两个腔室，分别为第一腔室30和第一腔室外部的第二腔室。
液体阻尼壳体28内还同轴设置有转轴，转轴的两端分别与液体阻尼壳体的顶部壳壁和底部壳壁通过轴承32转动连接。
如图8所示，所述转轴位于第一腔室内的轴段为滚珠丝杠轴段，包括滚珠螺杆25，滚珠螺杆25通过滚珠26与滚珠螺母27连接，滚珠螺母27沿转轴轴线方向的运动能够转化为转轴绕自身轴线的转动。
所述第一腔室的高度大于两个第二限位块21之间的距离，为滚珠螺母27提供足够的运动空间。
如图7所示，所述转轴位于第二腔室内的轴段轴面上固定有多个叶片31，本实施例中，叶片31设置四个，四个叶片31沿环向等间隔设置，第二腔室内填充有耗能液体，本实施例中，耗能液体采用磁流变液29。
相应的，液体阻尼壳体28的外周缠绕有线圈33，线圈33通过第二控制器39、保险丝40与蓄电池34串联，其中加速度传感器37与第二控制器39连接。
本实施例中，如图9所示，电磁铁19与第一控制器38串联形成第一通路，线圈33与第二控制器39串联形成第二通路，第一通路和第二通路并联后与加速度传感器37、保险丝40和蓄电池34串联，组成整个控制电路。
加速度传感器37能够采集导线的振动信息，然后第二控制器39控制通入线圈33的电流大小，进而改变磁流变液29的粘度和流动特性，改变阻尼达到智能耗能目的。
本实施例的装置，结合磁致负刚度和半主动控制技术实现了导线振动的宽频自适应性调谐，通过加速度传感器实时监测导线振动状态，利用通入电磁铁和线圈电流大小的调节自动调整负刚度和阻尼，拓宽了装置的减振频带，增大了装置的耗能效率，实现了对导线振动的高效抑制。
本实施例的装置的工作方法为：
将该装置通过线夹安装架空输电线路的导线1上，导线1在振动作用带动保护筒3同步振动，压电梁8上的重量块9随之上下振动，使压电梁8和压电片7发生形变，压电片7产生电荷并通过整流器36形成电流储存在蓄电池34中。受压缩的非线性弹簧10在重量块9振动时提供非线性斥力，并改变结构刚度，引发压电梁更大幅度的混沌振动，增强减振俘能效果。
空气阻尼内腔12随保护筒3同步振动时与质量块14发生相对移动，压缩空气弹簧15吸振，同时质量块14偏离平衡位置时因镶嵌的中央强磁铁16和外围强磁铁的受到近侧连接板13上强磁铁18和电磁铁19的引力，引力方向和运动方向相同形成负刚度。
电磁铁19由蓄电池34供电，第一控制器38根据加速度传感器37探测到的频率信号调节电磁铁19上电流大小从而改变磁致负刚度，根据激励频率调谐实现装置刚度实时适应性调节，达到智能吸振耗能目的。
空气弹簧15受压缩和释放时会带动活塞22上下运动，活塞22通过连接杆24带动滚珠螺母27运动，滚珠螺母27通过滚珠26带动滚珠螺杆25转动，安装在滚珠螺杆25上的叶片31随之转动，搅动磁流变液29耗能。线圈33由蓄电池34通电，第二控制器39根据加速度传感器37探测到的频率信号调节线圈33上电流大小从而改变磁场强度，实时调节磁流变液磁流变液29的粘度和流动特性，改变阻尼达到智能耗能目的。
当振动结束后，由形状记忆合金制成的弹簧23恢复其原来长度，压缩空气弹簧15使质量块14回到初始位置，保证装置下次减振时正常工作。
采用本实施例的装置，能够利用磁质负刚度和磁流变液的阻尼以及压电减振俘能结构实现了多重耗能，耗能效果好。
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 (10)
1.一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，其特征在于，包括保护筒，保护筒内部设有空气阻尼壳体，空气阻尼壳体内部具有多个空气阻尼内腔，空气阻尼内腔的顶部设有第一磁铁组件，底部设有第二磁铁组件，第一磁铁组件和/或第二磁铁组件具有电磁铁，空气阻尼内腔内设有质量块，质量块设有第三磁铁组件，质量块与空气阻尼内腔侧面密封滑动连接，第三磁铁组件在第一磁铁组件和第二磁铁组件的磁力作用下保持平衡，电磁铁通过控制器与保护筒内的电源连接。
2.如权利要求1所述的一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，其特征在于，质量块的两侧均设置有第一限位块，第一限位块固定在空气阻尼内腔的内侧面，用于对质量块的移动进行限位。
3.如权利要求1所述的一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，其特征在于，不同空气阻尼内腔内的初始气体压力不同。
4.如权利要求1所述的一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，其特征在于，所述保护筒内安装有加速度检测元件。
5.如权利要求1所述的一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，其特征在于，所述空气阻尼内腔通过连接管与活塞腔体的顶部连通，活塞腔体内设置有活塞，活塞与连接杆的一端连接，连接杆的另一端与液体阻尼壳体第一腔室内的螺母固定，螺母与转轴螺纹连接，转轴伸入液体阻尼壳体第一腔室外部的第二腔室且固定有多个叶片，其中，第二腔室内填充有耗能液体。
6.如权利要求5所述的一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，其特征在于，活塞腔体固定在液体阻尼壳体的顶端，活塞与液体阻尼壳体之间设有弹簧。
7.如权利要求5所述的一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，其特征在于，活塞的两侧均设置有第二限位块，第二限位块与活塞腔体的内侧面固定，用于限制活塞的位移。
8.如权利要求5所述的一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，其特征在于，耗能液体采用磁流变液，液体阻尼壳体外周缠绕有线圈，线圈通过控制器与电源连接。
9.如权利要求1所述的一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，其特征在于，保护筒内还设置有连接柱，连接柱的柱面沿环向与多个压电梁的一端固定，压电梁的另一端设置有重量块，压电梁的上下表面均设置有压电片，压电片通过整流器与电源连接。
10.如权利要求9所述的一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置，其特征在于，重量块与保护筒之间设置有非线性弹簧。
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