CN209603169U - 频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器。本实用新型包括底板和顶板，底板和顶板之间由数根竖直的立柱连接；顶板下面连接有数根主摆绳，主摆绳的下端连接主质量块并使主质量块保持水平；在顶板之下的立柱上连接有一个水平的环形梁，环形梁上固接有调节杆，调节杆一侧垂直对应于主摆绳的位置设有压环，主摆绳穿过压环并被压环压紧；在主质量块底面中心位置固接有一个中心环，在对应于中心环水平位置的立柱内立面上固接有一个加力环，中心环和加力环之间沿中心环周向辐射状均匀间隔安装有弹簧和阻尼‑弹簧组合体。本实用新型实现了减振调谐质量阻尼器频率阻尼的方便可调，以适应塔筒万向水平振动特点。

Description

频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器

技术领域

本实用新型属于调谐减振技术领域，具体涉及一种频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器。

背景技术

目前，风力发电机塔筒的高度达到140m以上，而塔筒直径仅4m左右，风机塔筒在大风的作用下易发生大幅振动，强烈的振动易引发塔筒疲劳损伤、混凝土基础疲劳开裂、发电机主轴断裂及其它许多问题。

由于风机塔筒主要振动形式为弯曲振动，其任意横截面为圆形，振动方向为水平方向，并且塔筒的弯曲方向随风向的变化而不断变化。如图1所示为悬臂式调谐减振阻尼器(TMD)，下部必须为弹性杆件，因存在压杆失稳问题，不能设计出低频的TMD；如图2所示为弹簧质量式TMD，由于摩擦力的存在，下面必须设计滚轮，其振动方向不可调；因此，现有水平减振都采用摆式调谐减振阻尼器(TMD)，结构如图3所示，为吊索悬挂质量块的形式，能适应塔筒横截面水平万向振动的特点，目前塔筒减振都采用摆式TMD。图1至图3中，m为质量块的质量，k为弹簧刚度，L为摆长。

采用绳索悬挂质量块方式的摆式TMD，其固有频率其中，ω_n为摆式TMD的固有频率，g为重力加速度，l为摆长。TMD的减振原理如图4所示，图4中，m为质量块的质量，k为弹簧刚度，c为阻尼器阻尼，M为主结构的质量，k1为主结构刚度，c1为主结构阻尼，F为结构所受到的风、流体等激励荷载的动力部分，F₀为外激励的幅值，ω为外激励的频率，t为时间。

当结构发生大幅振动时，利用共振原理，即TMD的固有频率与结构固有频率一致，使TMD发生大幅振动，利用TMD的惯性力平衡外加激励，从而抑制结构的振动。TMD的减振原理决定了其仅能对结构的单阶频率进行减振，当TMD本身的频率与结构振动频率偏离时，TMD的振幅迅速减小，导致其减振效果迅速下降。

风机塔筒除第一阶振动频率极低外，还可能发生第二阶弯曲振动(约1.0Hz)，目前已有塔筒因第二阶振动而致倒塔事故的发生。

对于塔筒的第二阶振动，因风力发电机叶片具有扁平的外形，使得塔筒前后(沿风轮主轴方向)与左右(垂直于风轮主轴方向)的振动频率有较大的差异，同时风轮主轴随风向的变化而变化，因此，同为塔筒的第二阶弯曲振动，不但塔筒振动方向随风向变化，而且振动频率也随风向而变化。

此外，TMD必须加入适当的阻尼消耗质量块振动的能量，现有阻尼器普遍采用油阻尼器，摆式TMD的阻尼器安装方式一般采用图5所示方式。图5中，m为质量块的质量。

由于油阻尼器活塞杆既要受拉，又要受压，小阻尼器活塞杆截面积很小，长度不能太长，否则存在压杆失稳问题，因此其行程很短。摆式TMD的摆动振幅很大，需要的阻尼力又比较小，目前，这一问题一直没有得到很好的解决。并且油阻尼器属于精密仪器，其参数调整需要机械加工和力学性能试验的循环配合，周期长、费用大，小批量产品质量难以保证，一般需要采用常规的大批量产品就有价格、质量优势，更换也非常方便。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器，以适应塔筒万向水平振动特点。

本实用新型的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器，它包括底板和顶板，底板和顶板之间由均布于圆周线上的数根竖直的立柱连接和支撑；顶板下面均匀连接有数根主摆绳，主摆绳的下端连接主质量块并使主质量块保持水平，且使主质量块中心轴线与立柱所围合的圆周中心轴线重合；在顶板之下的立柱上连接有一个水平的环形梁，环形梁上固接有调节杆，调节杆一侧垂直对应于主摆绳的位置设有压环，主摆绳穿过压环并被压环压紧，环形梁的高度可调；在主质量块底面中心位置固接有一个中心环，在对应于中心环水平位置的立柱内立面上固接有一个加力环，中心环和加力环之间沿中心环周向辐射状均匀间隔安装有弹簧和阻尼-弹簧组合体，所述阻尼-弹簧组合体由常规的油阻尼器与弹簧并联、串联而成。

具体的，所述中心环和加力环之间沿中心环周向辐射状均匀间隔安装有6个弹簧和3个阻尼-弹簧组合体；所述阻尼-弹簧组合体包括一根串联弹簧，该串联弹簧一端与中心环固接，另一端与一根横梁的一侧中心固接，横梁的另一侧均匀固接有两根并联弹簧和一个油阻尼器，两根并联弹簧和油阻尼器的另一端与加力环固接。

进一步的，在主质量块的中心环底面中心连接有一根副摆绳，副摆绳下端连接有一个调节螺杆，一个中心开孔的副质量块套在调节螺杆上，并通过调节螺杆下端的调节螺母固定。

具体的，所述立柱为4根。

具体的，所述主摆绳为4根，调节杆为2根，每2根主摆绳穿过一根调节杆侧面的两个压环内。

本实用新型的频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器(简称AKCTMD)，为了适应塔筒万向水平振动特点，采用了双摆TMD结构，为了解决油阻尼器不能直接应用于TMD减振的缺陷，采用了阻尼-弹簧组合体的方法。其创新点主要体现如下：

(1)利用双级摆TMD的两个固有频率，实现了塔筒同一阶弯曲振动在不同方向频率有差异的调谐减振。

(2)副摆(二级摆)负责修改主摆(一级摆)的振动频率，通过主质量块M、副质量块m、及主摆频率、副摆频率的大小关系，就可任意调节双级摆TMD的两个固有频率。

(3)采用调节杆调节主摆频率。

(4)采用调节螺母、螺杆调节副摆的频率，调节方便。

(5)主摆和副摆频率的可调性，使得风机结构参数小范围改变时不需要改变TMD的结构参数，形成频率可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器。

(6)采用串联弹簧、并联弹簧、阻尼器共同形成阻尼-弹簧组合体，常规阻尼器通过与不同刚度弹簧的不同组合，就可以实现组合体整体需要的刚度系数和粘性系数，形成频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器(AKCTMD)。

(7)径向均匀分布的多个主弹簧及阻尼-弹簧组合体(各3个及更多)，可为主质量块任意方向的摆动提供相等的刚度和阻尼力，满足TMD最优阻尼的需求。

附图说明

图1为悬臂式调谐减振阻尼器的结构示意图。

图2为弹簧质量式TMD的结构示意图。

图3为摆式调谐减振阻尼器的结构示意。

图4为绳索悬挂质量块方式的摆式TMD的减振原理图。

图5为摆式TMD的阻尼器安装方式示意图。

图6是本实用新型实施例的立面结构示意图。

图7是图6的A-A剖面结构示意图。

图8是图6的B-B剖面结构示意图。

图9是图6中阻尼-弹簧组合的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的描述。

参见图6、图7，本实施例的频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器(简称AKCTMD)，包括底板1和顶板2，底板1和顶板2之间由均布于圆周线上的4根竖直的立柱3连接和支撑；底板1固接于塔筒层间板上或者顶板2固接于塔筒层间板上。由图6、图7可见，顶板2下面均匀连接有4根主摆绳4，4根主摆绳4下端连接主质量块5，将主质量块5水平悬挂，并使主质量块5中心轴线与4根立柱3所围合的圆周中心轴线重合。主摆绳长度较长，以保证TMD工作时，摆绳的摆角较小。从图6、图7中还可见，在顶板2之下的4根立柱3上连接有一外水平的环形梁6，环形梁6上固接有两根平行的调节杆7，两根调节杆7的一侧垂直对应于主摆绳4的位置分别设有2个压环8，主摆绳4穿过压环8并被压环8压紧，通过压环8约束主摆绳4上部的摆动，使得主摆绳的有效长度为如图6所示的L；环形梁6的高度可调，使L的长度可通过改变环形梁6在立柱3上的安装高度来实现。

参见图6、图8、图9，对应于中心环9水平位置的4根立柱3的内立面上固接有一个加力环14，中心环9和加力环14之间沿中心环9的周向辐射状均匀间隔安装有6个弹簧15和3个阻尼-弹簧组合体。由图8、图9可见，本实施例的阻尼-弹簧组合体包括1根串联弹簧16，串联弹簧16的一端与中心环9固接，串联弹簧16的另一端与横梁17的一侧中心固接，横梁17的另一侧均匀固接有两根并联弹簧18和一个油阻尼器19，两根并联弹簧18和油阻尼器19的另一端与加力环14固接。阻尼-弹簧组合体采用常规的油阻尼器与弹簧的串联、并联方式，通过弹簧与阻尼器参数的不同组合，同一个阻尼器就获得不同TMD所需要的力学性能指标，保证TMD具有最佳的减振效果。例如：通过串联弹簧刚度k₁、并联弹簧刚度k₂，组合体刚度k为：

可以实现组合体的刚度与其它弹簧的刚度一致(如图8中的其它弹簧)；同时，通过增大k₁，减小k₂，保证k不变的前提下，对于同一阻尼器和相同振幅，阻尼器的行程加大，耗能加大，相当于提高了阻尼器在TMD中的粘性系数；反之，可以减小阻尼器在TMD中的粘性系数。

此时，AKCTMD固有频率如下：

式(2)中，K为弹簧总刚度，M约为主质量块的质量，L为有效摆长，g为重力加速度。由式(2)可知，调节M、k、L的关系，使L足够长，主质量块的回复力主要由弹簧总刚度K实现，便于调节杆精确调节到需要的频率。

参见图6，在主质量块5的底面中心位置固接有一个中心环9，在中心环9的底面中心连接有一根副摆绳10，副摆绳10下端连接有一个调节螺杆11，一个中心开孔的副质量块12套在调节螺杆11上，并通过调节螺杆11下端的调节螺母13固定，调整调节螺母13能改变副质量块12的高度(即二级有效摆长h)，形成二级摆。此时，二级摆的频率ω_2n为：

式(3)中，h为二级有效摆长，g为重力加速度。

通过调节M、m、L、h的关系，使双摆振动方向一致时，即双摆的第一阶频率与塔筒前后振动频率调谐(偏低频率)，双摆振动方向相反时，即双摆的第二阶频率与塔筒左右振动频率调谐(偏高频率)；并且不论塔筒发生那种频率的振动(偏高或偏低)，双摆TMD会由于共振原理自动寻找主振动；当塔筒振动频率不断改变时，双摆TMD也随之改变并发挥减振效果。

以上是本实用新型的一个具体实施例，本实用新型还有其它可能的等同变换或类同修改，如：

(1)AKCTMD既可以悬挂于塔筒层间板的下方，也可以安装于塔筒层间板的上方，同时增加立柱或增加斜撑。

(2)加力环可取消或改变形状。

(3)主摆绳的数量可以改变。

(4)主摆绳与立柱间可增加调节弹簧，起到调节杆的作用。

(5)副摆绳采用多根。

(6)以主质量块上同样的方法在副质量块上加弹簧和阻尼。

(7)采用不同的阻尼器。

(8)立柱采用超过3根以上的任意多根或圆筒。

(9)质量块采用部分液体代替，即水箱形式。

因此，在不改变本实用新型基本构思的情况下，任何其它等同技术特征的变换或修改，都应属于本实用新型权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器，其特征在于：它包括底板和顶板，底板和顶板之间由均布于圆周线上的数根竖直的立柱连接和支撑；顶板下面均匀连接有数根主摆绳，主摆绳的下端连接主质量块并使主质量块保持水平，且使主质量块中心轴线与立柱所围合的圆周中心轴线重合；在顶板之下的立柱上连接有一个水平的环形梁，环形梁上固接有调节杆，调节杆一侧垂直对应于主摆绳的位置设有压环，主摆绳穿过压环并被压环压紧，环形梁的高度可调；在主质量块底面中心位置固接有一个中心环，在对应于中心环水平位置的立柱内立面上固接有一个加力环，中心环和加力环之间沿中心环周向辐射状均匀间隔安装有弹簧和阻尼-弹簧组合体，所述阻尼-弹簧组合体由常规的油阻尼器与弹簧并联、串联而成。

2.根据权利要求1所述频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器，其特征在于：所述中心环和加力环之间沿中心环周向辐射状均匀间隔安装有6个弹簧和3个阻尼-弹簧组合体；所述阻尼-弹簧组合体包括一根串联弹簧，该串联弹簧一端与中心环固接，另一端与一根横梁的一侧中心固接，横梁的另一侧均匀固接有两根并联弹簧和一个油阻尼器，两根并联弹簧和油阻尼器的另一端与加力环固接。

3.根据权利要求1所述频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器，其特征在于：在主质量块的中心环底面中心连接有一根副摆绳，副摆绳下端连接有一个调节螺杆，一个中心开孔的副质量块套在调节螺杆上，并通过调节螺杆下端的调节螺母固定。

4.根据权利要求1所述频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器，其特征在于：所述立柱为4根。

5.根据权利要求1所述频率阻尼可调式两自由度万向水平减振调谐质量阻尼器，其特征在于：所述主摆绳为4根，调节杆为2根，每2根主摆绳穿过一根调节杆侧面的两个压环内。