CN1904406A - 悬架装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于悬架器械的悬架装置，包括至少一个可固定在器械(10，11)和支架(20，21)之间的悬架部件(30)，其中所述的悬架部件包括一层压材料，具有至少一层金属层(32)和至少一层层压在其上的弹性材料层(34)。

Description

悬架装置
技术领域
本发明涉及一种悬架装置和一种包括该悬架装置的风力涡轮机。
背景技术
由工业设备特别是电力系统所发出的噪音是关系到安全和环境的事。法律规定了某个地区可以连续排放的噪音源的可接受的声压级，所以减小噪音的排放对于低冲击环境整体是一个关键的需求。设定这些标准的规则在不同的国家通常是变化的。在欧洲，欧洲指令2000-194-EC和2002-49-EC给出了标准。在德国，标准值是以VDI标准2058为基础的，该值曾经被法律规定的噪声控制技术指令采用。可允许的最大值由环境的特性和时间决定。例如，白天普通工业环境中允许65dB(A)，但是晚上在特定的居住环境下只允许35dB(A)。这些规则决定了对风力涡轮机设备的环境需求和声音指标。
风力涡轮机产生的噪音一部分是机械的，一部分是空气动力的。机械噪音主要由机舱的机械产生，特别是齿轮箱和发电机，虽然其中可能也有部分来自冷却风扇，辅助设备(比如泵和压缩机)，轴承和偏航装置。机械噪音涉及高频率动力，其能够产生结构传递或空气传递的机械噪声。其中，与高频率动力相关的低频率噪音能够被分配给静载荷和准静载荷，例如，由风力导致的转子力矩。典型地，低于20Hz的准静载荷结构的动力不会导致噪音的产生，除了结构疲劳。典型地，频率范围在20-1000Hz之间的高频率结构传递机械噪音，经常与来自机械齿轮系统的齿轮相互啮合机械力或来自发电系统的定子转子极啮合的静电力有关。因为来自相应由啮合频率导致的非连续力的范围的机械的动力，相关的噪音范围也能够在本质上是非连续的并且导致音调噪音分量。
因此，结构传递机械噪音由来自机械的动力产生，这些动力通过在机械安装面上的机械齿轮或发电机设备施加到支承构件或机架上。通过机架响应来传递的动力能够激发结构振动模式，其结构振动模式来自更大的构件比如塔，叶片和机舱壳。通过加上环境空气，振动表面产生声音辐射。当结构谐振沿着传递链相匹配时，并且当结构模式波长与声音波长在空中匹配涉及声波辐射的最大量时，力的传递和噪音辐射是特别有效的。
因此，机械振动的阻尼或隔绝是需要的。F.Mitsch在1999年7月2日提出的DE19930751A1中记载了另一种尝试，该文献公开了一种减少风力涡轮机组件振动的方法。根据所述的方法，多个由非常柔软的弹性材料制成的支承被用来阻碍振动。同样，柱形弹性衬套被用在现有的风力涡轮机中来实现振动绝缘。然而，柱形弹性衬套具有几个缺点，也就是它们具有高非线性构件，因此如果承受高载荷会动态地变的象钢一样硬。此外，由于它们的柱形，弹性衬套在整个频率范围中显现了不良振动绝缘性，并且它们的动刚度随着频率升高。而且，弹性衬套的振动绝缘性能随着环境温度迅速减弱。标准柱形弹性衬套的更进一步的缺点是它们工作时只提供低动刚度和因此得到的沿径向轴线方向的振动绝缘特性，只允许非常小的横向位移，因而，由于典型地与振动绝缘矛盾的高径向动刚度，使得在其它轴线上只有非常低的绝缘。
振动绝缘的另外的方面是机械支承必须能够承受由高风速或强阵风造成的高载荷。因此，在为了控制噪音而需要采用非常柔软的装配来提供振动绝缘与非常坚硬的装配能够支承高负荷并且只允许机械的很小位移之间存在着一个矛盾。
因此，本发明的一个目的是提供一种隔震悬架装置用来克服至少一部分的上面所提及的现有技术中的问题。此外，本发明的目的还提供一种具有上述悬架装置的风力涡轮机。
发明内容
该目的通过权利要求1所述的悬架装置来解决。更多的方面，优点，特征和本发明的细节通过从属权利要求，说明书和附图中可以明显看出。
根据本发明的第一个方面，提供一种用于悬挂一个器械的悬架装置，该悬架装置包括至少一个可固定在器械和支架之间的悬架部件，其中所述悬架部件包括一个层压材料，具有至少一层金属层和至少一层弹性层层压在上面。
如上所述的一个层压悬架部件产生和弹簧一样的效果，并且对于单纯的压缩，单纯的剪切或甚至将其组合都显示了连续线性动刚度。具有代表性的是，该悬架部件可以有相当扁平的几何形状，相比较于圆柱形弹性衬套这使其更加强化了这些特性。因此，悬架部件在任何假定的载荷下提供了高减震。与标准的弹性衬套相比，上述悬架部件的动态特性能够容易预知和模拟。
根据本发明的一个实施例，该悬架部件具有低动刚度和低动力减震，通过使器械相对于它的支撑构件动态地减震来实现高减震。因此，典型地，悬架部件具有范围从10kN/mm左右到500kN/mm左右的动刚度和范围从1％左右到5％左右的动力减震损耗。为了让弹性层更加柔软，提供特别的造型模型，例如延伸穿过弹性层的纵向或横向条纹。典型地，这些特别的造型模型形成空腔，并且可以占到弹性层面积的50％以上。典型地，被这些造型模型覆盖的面积其范围从1％到50％，尤其在弹性层总面积的10％到40％之间或15％到30％之间。该造型模型能够提高在压缩或剪切载荷下的该弹性体膨胀或变形的面积。
根据本发明的另一个实施例，悬架装置也包括至少一个位移限制部件(也叫做限止器)，可固定在支架上并且当被固定在支架上时与器械通过一定的间隙隔开的设置，其中至少一个位移限制部件包括一个层压材料，其上层压有至少一层金属层和至少一层弹性层。
该附加位移限制部件固定在支架上并且在正常工作期间不会与器械接触，因为在正常工作期间器械震动的位移比间隙要小。然而，当高载荷出现时，例如，正常短期强阵风或异常事故如极端的强阵风，紧急停机，横杆事故等类似的情况下，位移限制部件限制器械横向或纵向地位移。典型地，因此在极端载荷期间，位移限制部件具有高动刚度和高动力减震来实现位移的控制和能量的损耗。典型地，位移限制部件具有范围从100kN/mm左右到50000kN/mm左右的动刚度和范围从5％左右到25％左右的动力减震损耗。典型地，位移限制部件的刚度曲线是非线性的。
根据本发明的另一个实施例，悬架装置包括至少两个悬架部件，其中每个悬架部件的表面法线与作用于器械的主载荷方向成一定角度α，其中角度α的范围为0°≤α≤90°。典型地选择范围从20°到70°的角度。通过提供与主载荷的方向成一定角度的悬架部件，剪切载荷和压缩载荷的结合作用于悬架部件。
根据本发明更进一步的实施例，该悬架装置和/或位移限制部件具有几个金属夹层和/或弹性夹层。具体地，金属层是独立地具有单位频率，而弹性层独立地具有单位刚度曲线。根据上下文，可以明白一个单独部件的不同金属层可以由不同的金属形成。同样，一个单独部件的不同的弹性层可以由不同的弹性体形成。因此，层压夹心弹性层可以专门具有分段刚度曲线和几种调谐频率，例如，通过采用级联质量弹簧线路模型。同样，悬架部件和/或位移限制部件可以被热绝缘来保持单位刚度。
根据本发明的另一个方面，提供一种风力涡轮机包括至少一个上述提到的悬架装置。具体地，通过悬架装置悬挂的风力涡轮机机械具有刃型支承，内部机舱框架，塔式支承，齿轮箱，发电机或轴承。然而，每种其它的机械都可以由上述的悬架装置来悬挂。
附图说明
在本说明书的其余内容中将更加具体的阐述本发明充分且能够公开的内容，包括相对于现有技术中普通技术的最佳的方式，其中用于提供参照的附图如下：
图1是根据本发明的一个实施例示出的悬架装置的示意图。
图2是根据本发明的另一个实施例示出的悬架装置的横截面图。
图3a和3b示出了本发明的更进一步的实施例的横截面图。
图4a和4b根据本发明的实施例示出的悬架部件。
图5a和5b根据本发明的实施例示出的位移限制部件。
图6是根据本发明的实施例示出的装有悬架部件的风力涡轮机的示意图。
具体实施方式
本发明的各个实施例现在可以得到详细地参考，其中一个或多个例子通过附图阐明。现在本发明不同的实施例，每个例子通过本发明的解释来提供，并不局限于本发明。例如，作为一个实施例的一部分被阐述或描述的特性能够与其它实施例一起来产生更进一步的实施例。意思是本发明包括这样的修改和变化。
图1是根据本发明一个实施例示出的悬架装置的示意图。其中，悬架部件30被安装于器械10和支架20之间。器械10振动，也就是，在箭头所示的Z方向和Y方向移位。悬架部件30使得器械10从支架20动态地减震，从而器械的振动不会或只具有一个小角度传递给支架20。为了实现这个目的，悬架部件30采用包括金属层32和弹性层34的层压材料构成。具体地，弹性层包括至少一种下述材料：天然橡胶，丙烯酸橡胶，聚丁橡胶，丁基橡胶，氯丁二烯、氯化聚乙烯、三元乙丙橡胶，氟硅酮橡胶，氟烃橡胶，腈橡胶，聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚丙烯、聚异丁烯、聚氨基甲酸脂、聚醋酸乙烯、聚异戊二烯、丁苯橡胶，硅橡胶，聚氨酯橡胶。悬架部件30基本上是扁平的，就是说，它的厚度在10mm到500mm之间，可以考虑比它的横向延伸要小，且具有低动刚度和低动力减震，靠动态地使得器械10相对于它的支承构件脱离连接来实现高减震。因此，悬架部件典型地具有从10kN/mm左右到500kN/mm左右的动刚度和从1％左右到5％左右的动力减震损耗。图1显示的器械中，器械10在Z方向上的位移给悬架部件30加压/降压，而器械10在Y方向上的位移给悬架部件30施加剪切。由于它特殊的结构，悬架部件30在载荷大范围上显示了线性动刚度。
作为一种可选择的部件，位移限制部件40如图1中虚线显示。位移限制部件40具有类似于悬架部件30的结构，也就是，位移限制部件也包括至少一层金属层和至少一层弹性层。然而，附加的位移限制部件40固定在支架上但是在正常工作期间不与器械接触。特别地，在位移限制部件40和器械10之间具有一间隙。间隙的尺寸设置成那样，使得器械10在正常工作期间的振动位移比间隙要小，从而器械在正常工作期间不会与位移限制部件40接触。然而，当高载荷存在，例如，在紧急停机，横杆事故，极端的强阵风时，位移限制部件40有效的限制了器械10的纵向位移。典型地，在极端载荷期间，位移限制部件40具有高动刚度和高动力减震来实现位移的控制和能量的损耗。典型地，位移限制部件40具有从100kN/mm左右到50000kN/mm左右的动刚度和从5％左右到25％左右的动力减震损耗。典型地，位移限制部件的刚度曲线是非线性的。当然，更进一步的位移限制部件可以被提供，例如用来限制器械10在Y方向上的横向移动。
图2是根据本发明的另一个实施例所给出的悬架装置的横截面图。其中，在钢轴承11中支撑着转动轴10。该转动轴10可以和风力涡轮机的转子相连。轴承11通过四个悬架部件30悬挂，其悬架部件安装在轴承11和由钢架20，21构成的支架之间。更进一步，位移限制部件40，45被安装在每个悬架部件之间的钢架20上。在每个位移限制部件40，45和轴承11之间具有间隙41。间隙41的尺寸如此设置使得轴承11在正常工作期间不会和位移限制部件40，45具有任何接触。
如图2所示，轴10对轴承11产生扭矩Mx、垂直载荷Fz和横向载荷Fy。由于这些运行力，通过振动位移使得轴10和轴承11移动。由于悬架部件30动态地使得轴10和轴承11相对于钢架20减震，轴10和轴承11的振动不会传递给框架20。因此，来自外部钢架20的噪音排放被有效地抑制。
如图2所示，悬架部件相对于主载荷方向成α角，接下来参考悬架部件31和32进行解释。轴承11为八角形，其中具有垂直于主载荷方向的端面和锥形端面。钢架20具有一个矩形截面，具有垂直于主载荷方向的矩形端面。然而，锥形支承面21设置在钢架20上，支承面21的锥形端面与轴承11的锥形端面平行。悬架部件31和32(选择此两部件仅仅是为了举例)安装在支承面21和轴承11的锥形端面之间。因此，悬架部件31，32相对于主载荷方向Fz和Fy成一定的角度。典型地，悬架部件和主载荷方向之间的角度α的范围在0°≤α≤90°之间或在20°≤α≤70°之间。由于该角度的设置，悬架部件通过压缩和剪切来吸收横向和纵向的载荷。当然，上述内容也同样适用于图2的其它悬架部件。由于悬架部件交叉布置和象弹簧一样的特性，图2所示的这种布置是一个迫使轴10回到它原始的位置的自动定心装置。当然，应当能够明白，悬架部件也能够设置在X方向上，因而能够使图2所示的系统为一个3轴悬架装置。同样，该装置也能够通过设置α＝0°来配置成1轴悬架装置。
图2中，箭头表示垂直载荷Fz(例如，由风力涡轮机转子的上下摇摆移动所产生的)大于轴向载荷Fy，例如，由风力涡轮机转子的偏转移动所产生的。因此，支承面21的角度α不是45°而是小于45°，使得悬架部件更加水平地设置。因而，悬架部件在高载荷Z方向上产生更大程度的压缩和在Y方向上产生更大程度的剪切。更进一步地，在高载荷Z方向上的位移限制部件40不同于Y方向上的位移限制部件45。在高载荷Z方向上的位移限制部件40被设计成比Y方向上的位移限制部件45承受更高的载荷。附加地或可选择地，在位移限制部件40和轴承11之间的间隙41可以比位移限制部件45和轴承11之间的间隙要大。
图3a和3b显示了本发明其它实施例的横截面示意图。在此示出了两个具有与图2所示的悬架装置相似的结构的悬架装置。这些悬架装置安装在一个构架或支架上。该机械设备具有延伸入悬架装置的轴，因此，该机械设备被悬挂。在这两种情况下，该机械设备具有比悬架装置更大的尺寸。根据本发明的图3a所示的实施例，所述机械设备被悬挂在它的底部上，根据本发明的图3b所示，所述机械设备被悬挂在它的水平轴线上，因为构架在所述机械设备延伸的方向上具有一凹坑。虽然只有两个悬架装置显示在图3a和3b的横截面示意图中，应当明白也可以在这些实施例中采用四个悬架装置。从图3a和3b可以明白，悬架装置设置在所述机械设备的前面。同样，多于两个的悬架装置可以通过类似的方式设置在所述机械设备的后面。因此，对称和冗余的布置被改善并且单独的悬架装置可以具有更小的尺寸。
接下来参照图4a和4b更加详细地解释悬架部件30，附图4a示出了第一个实施例中的悬架部件30的横截面示意图。悬架部件30具有扁平的层压夹心结构，具有多层金属层33和弹性层34夹设在其中。每个弹性层34在其外端具有凹坑36。当弹性层34在工作期间被压缩，该容积弹性体可以延伸入所述凹坑。因此，弹性层表面的损坏的危险降低并且悬架部件30的疲劳强度得到提高。
悬架部件30的其它实施例的横截面示意图如图4b所示。虽然基本的设计与图4a所示的实施例相同，但图4b中所示的悬架部件30包括几个位于弹性层34中的空腔38。空腔38的尺寸和分布可以例如通过弹性层34的动态特性的计算机模拟来设计。应当明白空腔38占据的面积越大，弹性层就变得越柔软。因此，弹性层34中的空腔的一部分能够用来形成所述层的刚度曲线，从而形成悬架部件的刚度曲线。空腔可以占弹性层面积的50％以上。典型地，空腔覆盖的面积占弹性层总面积的1％到50％，尤其在弹性层34总面积的10％到40％之间或15％到30％之间。
悬架部件更进一步的特性如图4b所示。横截面示意图显示了弹性材料沿着空腔38的边缘凹陷。因此，当弹性层34被压缩时，弹性材料能够延伸进入这些凹坑。同样，弹性体的容积进一步减小，因而弹性层34更加柔软。
图5a和5b显示了位移限制部件，也就是本发明各个实施例中的位移限制部件。它们主要的构造与悬架部件的构造相似，也就是，位移限制部件也由金属层和弹性层层压而成，并且具体地弹性层包括至少一种下述材料：天然橡胶，丙烯酸橡胶，聚丁橡胶，丁基橡胶，氯丁二烯、氯化聚乙烯、三元乙丙橡胶，氟硅酮橡胶，氟烃橡胶，腈橡胶，聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚丙烯、聚异丁烯、聚氨基甲酸脂、聚醋酸乙烯、聚异戊二烯、丁苯橡胶，硅橡胶，聚氨酯橡胶。
然而，位移限制部件与悬架部件之间不同之处在于在极端载荷期间，他们具有高动刚度和高动力减震来实现位移的控制和能量的损耗。具体地，位移限制部件具有从100kN/mm左右到50000kN/mm左右的动刚度和从5％左右到25％左右的动力减震损耗。典型地，位移限制部件的刚度曲线为非线性的。此外，不同类型的位移限制部件可以被提供，例如，较柔软的位移限制部件45设置在相对低载荷的方向，较坚硬的位移限制部件40设置在高载荷方向。象悬架部件，位移限制部件的动刚度曲线可以对应于每次应用具有独立的形状。此外，位移限制部件具有非常厚的弹性层用来与悬架器械相接触。
最后，应用该悬架装置的风力涡轮机如图6所示。其中，风力涡轮机的机舱包括一个外钢架100和其中装有齿轮箱300和发电机400的内钢架110。该外钢架100固定在塔200的顶部。此外，该风力涡轮机具有固定在毂盘上的转动叶片500。悬架部件130固定在外钢架100的内角和内钢架110的外角之间，使得内钢架110与外钢架100完全动态隔绝。因此，内钢架110的振动不会传递给外钢架110。此外，齿轮箱300由悬架部件330悬挂在内钢架110内，同时发电机400由悬架部件430悬挂在内钢架110内。因此，齿轮箱300和发电机400相对于内钢架110减震。同样，机舱的轴承悬挂在设置在钢塔200的顶部的悬架部件230上，使得机舱的振动，也就是，在这种情况下外钢架100的振动不会传递给钢塔200。最后，转动叶片500也由悬架装置530悬挂，使得它们与毂盘隔绝。由于这些措施，噪音，特别是从风力涡轮机发出的可听到的噪音在很大程度上被减少。当然，更进一步应当明白，位移限制部件也可以被设置在内钢架110，齿轮箱300和/或发电机400上。
因此，通过对本发明详细的描述，在不背离权利要求的精神和范围的情况下，对于本领域的技术人员来说应当明白根据本发明作出的各种修改。例如，显而易见的是，除了用于上述的风力涡轮机，上述的悬架装置可以用于悬挂任何振动或移动的机械，例如用于船，飞机或陆地运输方式中。此外，悬架部件和/或位移限制部件可以被提供热绝缘来保持相对持续的工作温度。因此，弹性体特殊的刚度特性在运行期间可以被保持。

Claims (13)

1、一种用于悬架器械的悬架装置，包括
至少一个可固定在器械(10，11)和支架(20，21)之间的悬架部件(30)，其中所述的悬架部件包括一层压材料，该层压材料具有至少一层金属层(32)和至少一层层压在其上的弹性材料层(34)。
2、如权利要求1所述的悬架装置，其中至少一个悬架装置(30)具有从10kN/mm左右到500kN/mm左右的动刚度和从1％左右到5％左右的动力减震损耗。
3、如上述任一权利要求所述的悬架装置，其中所述至少一层弹性层(34)包括至少一个空腔(38)。
4、如权利要求3所述的悬架装置，其中弹性层(34)面积的50％以上被一个空腔或多个空腔所覆盖。
5、如上述任一权利要求所述的悬架装置，进一步包括至少一个位移限制部件(40)，其可固定在支架(20，21)上并且当其被固定在支架上(20，21)时与器械(10，11)隔开一间隙(41)，其中至少一个位移限制部件(40)包括一层压材料，该层压材料具有至少一层金属层(42)和至少一层层压在其上的弹性层(43，44)。
6、如权利要求5所述的悬架装置，其中至少一个位移限制部件(40)具有从100kN/mm左右到50000kN/mm左右的动刚度和从5％左右到25％左右的动力减震损耗。
7、如上述任一权利要求所述的悬架装置，其中悬架部件(30)的弹性层(34)和/或位移限制部件(40)的弹性层(43，44)包括位于在它们相应的外端处和/或在边缘处的凹坑(36，46)和/或在弹性层(34，43，44)中的空腔(38)。
8、如上述任一权利要求所述的悬架装置，其中悬架部件(30)和/或位移限制部件包括多个层压的金属层和弹性层(32，34；42，43，44)。
9、如上述任一权利要求所述的悬架装置，其中弹性层(34，43，44)包括至少一种下述材料：天然橡胶，丙烯酸橡胶，聚丁橡胶，丁基橡胶，氯丁二烯、氯化聚乙烯、三元乙丙橡胶，氟硅酮橡胶，氟烃橡胶，腈橡胶，聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚丙烯、聚异丁烯、聚氨基甲酸脂、聚醋酸乙烯、聚异戊二烯、丁苯橡胶，硅橡胶，聚氨酯橡胶。
10、如上述任一权利要求所述的悬架装置，包括至少两个悬架部件(31，32)，其中每个悬架部件(31，32)的表面法线与作用于器械(10，11)的主载荷的方向(FZ)形成从0°到90°范围的角度。
11、如上述任一权利要求所述的悬架装置，其中至少一个所述的悬架部件(30，31，32)和/或位移限制部件(40，45)具有热隔绝。
12、一种风力涡轮机，具有至少一个上述任一权利要求所述的悬架装置。
13、如权利要求12所述的风力涡轮机，其中通过悬架装置悬架的器械为叶片支撑件，内机舱框架，塔支承，齿轮箱，发电机，或轴承。
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