調諧質量阻尼器減振控制裝置的製作方法

2023-04-27 00:07:41 1

專利名稱：調諧質量阻尼器減振控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於減振控制領域，涉及一種調諧質量阻尼器減振控制裝置，可用於各種需要減振的高聳結構。
背景技術：
風力發電機組是將風的動能轉化為電能的系統，分為定槳距失速控制型風力發電機組和變槳控制型風力發電機組。對於定槳距失速控制型風力發電機組，如果風電場的環境溫度低於-20°C，風速超過額定點以後，在風力發電機組正常運行的過程中，葉片會發生無規律的、不可預測的瞬間擺振現象，即，發生葉片在旋轉平面內的振動(edgewise vibration)。這種振動有時會發散，導致風力發電機組振動迅速增加，造成風力發電機組停機，影響風力發電機組的正常發電。同時，這種振動對葉片也是有害的，它會導致葉片後緣結構失效，產生裂紋，在葉片最大弦長位置產生橫向裂紋，嚴重威脅葉片結構安全。葉片產生振動的首要原因是葉片失速運行時的氣動力導致葉片失速後氣動阻尼變為負值。而通常氣動阻尼與葉片翼型的靜態、動態空氣動力特性、葉片的布局(葉片的幾何分布)、葉片的結構特性(結構阻尼)等有關。葉片產生振動的次要原因是，在低溫時複合材料葉片的結構阻尼下降，最後導致總的阻尼下降。因此，為了在不改變現有失速型葉片的結構下減輕由於外部激勵所引起的振動， 可以考慮在在風力發電機組的機艙內設置結構振動控制。所謂結構振動控制，是指在需要減振的結構某個部位設置一些控制裝置，當結構振動時，被動或主動地施加一組控制力或改變結構的動力特性，減小結構振動反應，以滿足主體結構能承受的振動要求。根據是否需要外部能量輸入，結構振動控制可分為被動控制、 主動控制、半主動控制、智能控制、混合控制五類。由於被動控制不需要能量輸入，原理和結構都比較簡單，實現起來比較容易，適用性、可靠性較好，因此在土木工程、橋梁建築以及高聳結構中廣泛應用。調諧質量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)減振控制裝置是包括彈簧、阻尼器和質量塊的振動系統，通常支撐或懸掛在結構上。TMD減振控制裝置對需要減振的結構進行振動控制的原理是通過將TMD減振控制裝置的振動頻率調整到與需要減振的主體結構頻率接近或一致，當結構在外部激勵作用下產生振動時，帶動TMD減振控制裝置一起振動，TMD 減振控制裝置相對運動產生的慣性力反作用到該結構上，調諧這個慣性力，使其對結構的振動產生控制作用，從而達到減小結構振動反應的目的。但是，現有的TMD減振控制裝置存在以下缺點1、對結構的控制僅在窄頻率域內有效，對頻率調諧和阻尼比的波動十分敏感；2、TMD減振控制裝置通常包括阻尼器，其結構複雜，加工困難，成本較高；3、如果使用液體阻尼器，還容易發生液體滲漏。調液質量阻尼器(Tuned Liquid Damper,TLD)減振控制裝置在結構振動控制中的應用始於二十世紀80年代。它所用的質量是液體質量，它是一種結構被動控制裝置。TLD減振控制裝置的減振原理是將TLD減振控制裝置安裝在需要減振的結構上，當結構受荷載作用產生振動時，TLD減振控制裝置中的液體發生振蕩；液體振蕩產生的動水壓力作用於剛性容器壁並傳播到結構上，從而對結構運動產生影響。這個作用是慣性力和耗能作用的組合，利用其阻尼的耗能作用和慣性吸振作用，達到減小結構反應的目的。TLD減振控制裝置早期被用在航天和航海技術中(參見iToshiyuki N. et al. Study on a vibration Damper System Using Hydro Dynamic Response of offshore Sloshing Summaries of Technical Papers of Annual Meeting Architecture Institute of Japan,1988,563 570)。20 世紀90年代，李宏男等開始了地震作用下的TLD減振控制裝置對高層建築及高聳結構的振動控制研究，同時進行了模型實驗，取得了有意義的研究成果(李宏男，賈影，「利用TLD減小高柔結構多振型地震反應的研究」 [J].《地震工程與工程振動》，2000，20 (2) :122 1觀)。 第一個TLD減振控制裝置用於實際建築是於1995年在位於日本長崎機場的鋼結構中，設計安裝了 25個TLD減振控制裝置。對結構進行自由振動實驗結果表明結構的阻尼係數比安裝TLD減振控制裝置前增大了近5倍，達到4. 7% ；當在20m/s的風載作用下，結構的響應可減少35 % 50 %。TLD減振控制裝置在日本有著廣泛的應用，最著名的是日本長崎機場指揮塔和日本橫濱導航塔。但是，現有的TLD減振控制裝置存在以下缺點1、由於所用的質量為液體質量，因此容易發生滲漏；2、液體容易受環境溫度的影響，使得TLD減振控制裝置本身的減振效果受到影響；3、TLD減振控制裝置對結構的控制僅在較窄的頻域範圍內有效。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠有效地減小主體結構的振動的TMD減振控制裝置。根據本發明的一方面，提供一種TMD減振控制裝置，該TMD減振控制裝置包括外殼，固定到需要減振的主體結構上；長杆，所述長杆的一端固定在外殼中，所述長杆的另一端延伸到外殼的外部；加強管，裝配在長杆上；橡膠與金屬粘合物，固定在外殼中並包繞長杆的固定在外殼中的一端；配重塊，安裝在加強管上，配重塊的重心與外殼隔開預定距離。加強管的一部分可延伸至外殼中，加強管的所述一部分被橡膠與金屬粘合物包繞。橡膠與金屬粘合物可包括內層金屬和外層橡膠，內層金屬包繞長杆的固定在外殼中的所述一端，外層橡膠覆蓋內層金屬。可貫穿配重塊形成有通孔，加強管穿過所述通孔，通過螺栓將配重塊安裝在加強管上。配重塊可以是鋼塊、混凝土塊以及裝滿液體的容器中的一種。可通過改變配重塊的質量、配重塊的重心與外殼之間的距離以及長杆的延伸到外殼之外的部分的長度中的至少一個，來調節調諧質量阻尼器減振控制裝置與主體結構的匹配。可通過調節配重塊的質量以及配重塊的重心與外殼之間的距離中的至少一個，來改變調諧質量阻尼器減振控制裝置的固有頻率。可通過調節配重塊的質量，來改變調諧質量阻尼器減振控制裝置與主體結構的質量比。
根據本發明的TMD減振控制裝置具有以下有益效果UTMD減振控制裝置的結構簡單可靠，製造成本低廉，安裝簡便。由於TMD減振控制裝置的穩定性較好，沒有傳統的機械傳動部分，所以無需特殊保養。與採用液壓阻尼器、 電液伺服阻尼器等其它的阻尼器相比，根據本發明的TMD減振控制裝置節省了很多成本。2、通過調整配重塊5的質量和/或配重塊5在長杆2的位置，可方便地改變TMD 減振控制裝置的固有頻率，從而適應不同的主體結構。


通過結合附圖，從下面的實施例的描述中，本發明這些和/或其它方面及優點將會變得清楚，並且更易於理解，其中圖1是根據本發明示例性實施例的調諧質量阻尼器減振控制裝置的剖視圖。
具體實施例方式本發明的基本構思是，通過將調諧質量阻尼器(TMD)減振控制裝置與需要減振的主體結構相連，使主體結構的振動傳遞到調諧質量阻尼器減振控制裝置上。以下，參照附圖來詳細描述本發明的實施例。圖1是根據本發明示例性實施例的調諧質量阻尼器減振控制裝置的剖視圖。參照圖1，根據本發明示例性實施例的TMD減振控制裝置包括外殼1，固定到需要減振的主體結構上(外殼可根據實際安裝條件被形成為各種形狀，諸如盒形、圓柱形等)； 長杆2，長杆2的一端固定在外殼1中，長杆2的另一端延伸到外殼1的外部；加強管3，裝配在長杆2上，用於增強長杆的機械強度；橡膠與金屬粘合物4，固定在外殼1中並包繞長杆2的固定在外殼1中的一端；配重塊(也可稱為質量塊)5，安裝在加強管3上，配重塊5 的重心與外殼1隔開預定距離Li。外殼1可通過各種方式(例如焊接、螺紋連接等)固定到需要減振的主體結構上。 在本發明應用於風力發電機組的情況下，TMD減振控制裝置的外殼1可固定到風力發電機組的比較堅固的結構(例如塔身、底座或機艙等)。長杆2的一端可通過螺紋連接或焊接等方式固定在外殼1中。橡膠與金屬粘合物 4可呈球形，並且可通過緊固件連接將橡膠與金屬粘合物4固定在外殼1內部。如圖1所示，外殼1可包括左側殼體部分、中間殼體部分以及右側殼體部分，可通過多個螺栓將左側殼體部分、中間殼體部分以及右側殼體部分連接在一起，從而形成外殼1。橡膠與金屬粘合物4可直接固定在長杆2的固定在外殼1中的一端上，以包繞長杆2的固定在外殼1中的所述一端。外殼1的內部尺寸和橡膠與金屬粘合物4的外部結構尺寸進行配合，從而使得外殼1、橡膠與金屬粘合物4和長杆2組成一個整體(即，橡膠與金屬粘合物4在外殼1與長杆2的固定在外殼1中的所述一端之間被卡緊)。加強管3的一部分可延伸至外殼1中， 加強管3的所述一部分被橡膠與金屬粘合物4包繞。橡膠與金屬粘合物4可包括內層金屬41和外層橡膠42，內層金屬41包繞長杆2 的固定在外殼1中的所述一端，外層橡膠42覆蓋內層金屬41，內層金屬41和外層橡膠42 可通過硫化工藝結合為一體。可以貫穿配重塊5形成通孔，加強管3穿過該通孔，通過螺栓將配重塊5安裝在加強管3上。TMD減振控制裝置的外殼1、長杆2、加強管3和配重塊5可由鋼材製成，也可由與鋼材具備同樣強度的其它材料製成，例如工程塑料等。另外，配重塊5也可以是混凝土塊， 或者可以是裝滿液體的容器，只要能夠起到配重的作用即可。當施加到主體結構的振動傳遞到TMD減振控制裝置上時，長杆2可相對於與長杆 2的軸線垂直的平面進行任何方向的擺動，同時帶動安裝在加強管3上的配重塊5擺動。橡膠與金屬粘合物4可通過硫化工藝形成，具有預定的彈性。由於橡膠與金屬粘合物4包繞長杆2的固定在外殼1中的一端，因此可對長杆2和配重塊5的擺動起到阻尼的作用，使得在長杆2和配重塊5的擺動與施加到主體結構的振動之間產生預定的相位差， 從而長杆2和配重塊5的擺動與施加到主體結構的振動彼此部分抵消，以達到減振的目的。由於TMD減振控制裝置的配重塊質量影響到TMD減振控制裝置的調諧頻帶寬度， 所以在比較有針對性的實際設計過程中要考慮到實際的使用環境和激勵力的頻率範圍來選取質量參數。一般來說，TMD減振控制裝置的配重塊質量越大，TMD減振控制裝置的調諧頻帶寬度越寬，但是配重塊質量越大，成本就越高，而且還要考慮到安裝空間問題。TMD減振控制裝置的配重塊質量、阻尼比、固有頻率對需要減振的主體結構的振動響應有很大影響。業界通常認為TMD減振控制裝置的配重塊質量與主體結構的質量比在 0. 005 0. 03之間，因此主體結構質量確定後，可計算出TMD減振控制裝置的配重塊質量； 此外，TMD減振控制裝置與主體結構的固有頻率比接近1時，減振效果最好；而阻尼比則取決於橡膠的配方，可以由實驗獲得。因此，可通過適當選擇TMD減振控制裝置的阻尼比和固有頻率等參數，使TMD減振控制裝置的振動響應曲線的一個峰點與主體結構的擺振頻率重合，從而使主體結構的動力響應最小。在本發明應用於風力發電機組的情況下，主體結構的擺振頻率是指由風力發電機組葉片轉動引起的擺振頻率，當擺振頻率與TMD減振控制裝置的固有頻率接近時，TMD減振控制裝置開始響應，將由葉片引起的擺振能量傳遞到TMD減振控制裝置上，使其轉化為TMD減振控制裝置的動能，從而減小葉片擺振對風力發電機組的損害。因此，可通過改變TMD減振控制裝置的配重塊5的質量M、配重塊5的重心與外殼 1之間的距離Ll以及長杆2的延伸到外殼1之外的部分的長度L2中的至少一個，來調節 TMD減振控制裝置與主體結構的匹配，從而達到更好的振動抑制效果。具體地講，可考慮以下3個方面1、可根據主體結構的不同，調節控制裝置的配重塊5的質量M以及配重塊5的重心與外殼1之間的距離Ll中的至少一個，從而改變TMD減振控制裝置的固有頻率；2、可以調節配重塊5的質量M,來改變TMD減振控制裝置與主體結構的質量比，使減振效果達到最佳；3、可改變長杆2的延伸到外殼1之外的部分的長度L2，以更有效地調節TMD減振控制裝置的參數。根據本發明的TMD減振控制裝置具有以下有益效果UTMD減振控制裝置的結構簡單可靠，製造成本低廉，安裝簡便。由於TMD減振控制裝置的穩定性較好，沒有傳統的機械傳動部分，所以無需特殊保養。與採用液壓阻尼器、 電液伺服阻尼器等其它的阻尼器相比，根據本發明的TMD減振控制裝置節省了很多成本。2、通過調整配重塊5的質量和/或配重塊5在長杆2的位置，可方便地改變TMD 減振控制裝置的固有頻率，從而適應不同的主體結構。
在本發明中雖然以風力發電機組作為TMD減振控制裝置的應用示例，但是本發明不限於此，根據本發明的TMD減振控制裝置可應用於需要減振的各種主體結構，諸如輸電塔、電信發射塔、指揮塔、景觀塔等各種高聳結構。雖然本發明是參照其示例性的實施例被具體描述和顯示的，但是本領域的普通技術人員應該理解，在不脫離由權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對其進行形式和細節的各種改變。
權利要求
1.一種調諧質量阻尼器減振控制裝置，包括外殼，固定到需要減振的主體結構上；長杆，所述長杆的一端固定在外殼中，所述長杆的另一端延伸到外殼的外部；加強管，裝配在長杆上；橡膠與金屬粘合物，固定在外殼中並包繞長杆的固定在外殼中的一端；配重塊，安裝在加強管上，配重塊的重心與外殼隔開預定距離。
2.根據權利要求1所述的調諧質量阻尼器減振控制裝置，其特徵在於，加強管的一部分延伸至外殼中，加強管的所述一部分被橡膠與金屬粘合物包繞。
3.根據權利要求2所述的調諧質量阻尼器減振控制裝置，其特徵在於，橡膠與金屬粘合物包括內層金屬和外層橡膠，內層金屬包繞長杆的固定在外殼中的所述一端，外層橡膠覆蓋內層金屬。
4.根據權利要求3所述的調諧質量阻尼器減振控制裝置，其特徵在於，貫穿配重塊形成有通孔，加強管穿過所述通孔，通過螺栓將配重塊安裝在加強管上。
5.根據權利要求4所述的調諧質量阻尼器減振控制裝置，其特徵在於，配重塊是鋼塊、 混凝土塊以及裝滿液體的容器中的一種。
6.根據權利要求4所述的調諧質量阻尼器減振控制裝置，其特徵在於，通過改變配重塊的質量、配重塊的重心與外殼之間的距離以及長杆的延伸到外殼之外的部分的長度中的至少一個，來調節調諧質量阻尼器減振控制裝置與主體結構的匹配。
7.根據權利要求6所述的調諧質量阻尼器減振控制裝置，其特徵在於，通過調節配重塊的質量以及配重塊的重心與外殼之間的距離中的至少一個，來改變調諧質量阻尼器減振控制裝置的固有頻率。
8.根據權利要求6所述的調諧質量阻尼器減振控制裝置，其特徵在於，通過調節配重塊的質量，來改變調諧質量阻尼器減振控制裝置與主體結構的質量比。
全文摘要
本發明提供一種調諧質量阻尼器減振控制裝置，該調諧質量阻尼器減振控制裝置包括外殼，固定到需要減振的主體結構上；長杆，所述長杆的一端固定在外殼中，所述長杆的另一端延伸到外殼的外部；加強管，裝配在長杆上；橡膠與金屬粘合物，固定在外殼中並包繞長杆的固定在外殼中的一端；配重塊，安裝在加強管上，配重塊的重心與外殼隔開預定距離。該調諧質量阻尼器減振控制裝置的結構簡單可靠，製造成本低廉，安裝簡便。
文檔編號E04B1/98GK102409775SQ201110263289
公開日2012年4月11日 申請日期2011年9月7日 優先權日2011年9月7日
發明者張才盛, 李祺 申請人:江蘇金風風電設備製造有限公司