塔器防振用擺動(dòng)式阻尼器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種塔器防振用擺動(dòng)阻尼器，是由連桿、球鉸、擺桿、質(zhì)量塊和彈簧組成；連桿一端與塔體焊接，另一端與球鉸采用螺紋連接；擺桿與連桿垂直，一端與球鉸焊接，另一端焊接質(zhì)量塊；彈簧與連桿平行，一端與質(zhì)量塊焊接，另一端與塔體焊接；阻尼器呈對(duì)稱排列。本發(fā)明解決了塔器發(fā)生共振時(shí)的防振措施，通過增加塔體的阻尼，使塔體振幅迅速衰減，減少塔頂共振時(shí)的振幅，從而降低共振對(duì)塔器造成的破壞。
【專利說明】塔器防振用擺動(dòng)式阻尼器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種塔器防振用阻尼器，尤其是風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)下的塔器防振用擺動(dòng)阻尼器的開發(fā)設(shè)計(jì)。

【背景技術(shù)】
[0002]塔器是化工生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一，作為特種設(shè)備一旦發(fā)生事故危害極大。因此，保證塔器安全運(yùn)行是非常必要的。
[0003]塔器的長(zhǎng)徑比比較大。因此，在運(yùn)行期間，塔體不僅承受重力和操作壓力等載荷，還會(huì)受到風(fēng)載荷的很大影響。安裝在室外的塔器，在風(fēng)載荷作用下將產(chǎn)生兩個(gè)方向的振動(dòng)。一種是順風(fēng)向的振動(dòng)，即塔的振動(dòng)方向與風(fēng)向平行；另一種是橫風(fēng)向振動(dòng)，即振動(dòng)方向垂直于風(fēng)向，又稱橫風(fēng)向振動(dòng)或誘導(dǎo)振動(dòng)。隨著塔高的不斷增加，塔器受風(fēng)載荷的影響也會(huì)越來越大。較大的風(fēng)載荷將誘導(dǎo)塔器振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)頻率與塔器的自振頻率相當(dāng)時(shí)會(huì)發(fā)生共振，導(dǎo)致設(shè)備破壞，造成嚴(yán)重后果。故塔器的防振技術(shù)有很大研究?jī)r(jià)值。
[0004]塔器防振的措施主要有三種，增大自振周期、采用擾流裝置和增大阻尼比。對(duì)塔器來說，增大自振周期可能會(huì)破壞原有工藝條件，增加制造成本；由于平臺(tái)、梯子等附件的存在，安裝軸向翅片或螺旋型翅片等擾流裝置并不適用于所有塔設(shè)備；通過增設(shè)減振器來增大阻尼比則是一個(gè)較為簡(jiǎn)便實(shí)用的方法，在煙囪或高聳建筑物中已得到廣泛的應(yīng)用。
[0005]目前，國(guó)內(nèi)外常用的塔器防振方法主要為增設(shè)翅片和擋板等擾流構(gòu)件，對(duì)于防風(fēng)振減振器的研究仍很少。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所解決的問題的是塔器發(fā)生共振時(shí)的防振措施，通過增加塔體的阻尼，使塔體振幅迅速衰減，減少塔頂共振時(shí)的振幅，從而降低共振對(duì)塔器造成的破壞。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種塔器防振用擺動(dòng)式阻尼器，由連桿5、球鉸2、擺桿6、質(zhì)量塊7和彈簧3組成；連桿5 —端與塔體I焊接，另一端與球鉸2采用螺紋連接；擺桿6與連桿5垂直，一端與球鉸2焊接，另一端焊接質(zhì)量塊7 ;彈簧3與連桿5平行，一端與質(zhì)量塊7焊接，另一端與塔體I焊接；阻尼器呈對(duì)稱排列。
[0009]優(yōu)選4個(gè)阻尼器呈90°排列，安裝在塔頂外側(cè)。
[0010]優(yōu)選連桿長(zhǎng)度與塔體半徑相等。
[0011 ] 優(yōu)選彈簧長(zhǎng)度與連桿長(zhǎng)度相等。
[0012]優(yōu)選阻尼器質(zhì)量塊總質(zhì)量與塔體自身質(zhì)量(不含阻尼器)之比范圍在0.65%?4%。
[0013]優(yōu)選擺桿長(zhǎng)度與塔高之比范圍在5%?9%。
[0014]優(yōu)選阻尼器安裝高度大于2/3塔高。
[0015]本發(fā)明是一種擺動(dòng)式阻尼器。其工作原理是:調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的自振頻率，使其與塔的一階固有頻率相等；在振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊與塔形成η/2的相位差，質(zhì)量塊的作用反力與塔運(yùn)動(dòng)方向相反，從而增加了塔體阻尼比。在JB4710-2005中有塔頂一階振幅yT1計(jì)算公式如下:
CtBw% K* 0^* 二.Vrl = ■_"-其中yT1為塔頂振幅，Cl為升力系數(shù)，D為塔器外徑，為一階臨界風(fēng)速，H為塔高，P為空氣密度，X1為計(jì)算系數(shù)，ζ為塔體阻尼比，E為彈性模量，I為截面慣性矩。由上式可以看出，塔體阻尼比ζ與塔頂振幅yT1呈反比例關(guān)系。也就是說，塔體阻尼比越大，塔頂振幅yT1就越小。
[0016]由于彈簧勁度系數(shù)較小，需保證質(zhì)量塊有足夠的運(yùn)動(dòng)空間，所以設(shè)置連桿長(zhǎng)度與塔體半徑相等。為保證彈簧初始位移為零，并確保質(zhì)量塊在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，設(shè)置彈簧長(zhǎng)度與連桿長(zhǎng)度相等。通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的質(zhì)量和擺桿長(zhǎng)度兩個(gè)參數(shù)可以改變阻尼器的阻尼比。其減振效果通過有限元軟件ANSYS模擬以及小試實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。
[0017]本裝置設(shè)置了 4個(gè)阻尼器，由于質(zhì)量塊平動(dòng)距離相對(duì)擺桿長(zhǎng)度很小，故可以看作是沿水平面的運(yùn)動(dòng)。平面內(nèi)的彈簧和質(zhì)量塊，會(huì)產(chǎn)生4個(gè)水平控制力，其大小為:
[0018]Ftmdj = k7MB, (x TMDj — λ%.) τ CTMOj— X,)
[0019](j = 1,2,3,4)
[0020]塔體在阻尼器控制下的動(dòng)力方程為:
[0021 ] iM]{x} + + Μ(χ} =CQ + {Frso}
[0022]式中:&_一第j個(gè)阻尼器提供的水平回復(fù)力；
[0023]kTm-H j個(gè)阻尼器彈簧的勁度系數(shù)；
[0024]Ctb3j-H j個(gè)阻尼器的固有阻尼；
[0025]Xtm3j-H j個(gè)阻尼器質(zhì)量塊相對(duì)于地面的位移；
[0026]x-Μ j個(gè)阻尼器所在塔體段相對(duì)于地面的位移；
[0027]*j個(gè)阻尼器質(zhì)量塊相對(duì)于地面的速度；
[0028]一第j個(gè)阻尼器所在塔體段相對(duì)于地面的速度；
[0029][M]—塔體的質(zhì)量矩陣；
[0030][C]一塔體的阻尼矩陣；
[0031][K] 一塔體的剛度矩陣；
[0032]街一塔體的加速度向量；
[0033]{i.}一塔體的速度向量；
[0034]{x}—塔體的位移向量；
[0035]{f}一風(fēng)載荷向量；
[0036]{FTm}—阻尼器作用力向量；
[0037]利用ANSYS有限元軟件建立塔器和阻尼器模型，將風(fēng)載荷加載在塔模型上，模擬塔器在風(fēng)中的振動(dòng)，并根據(jù)上述公式計(jì)算獲得塔頂振幅yT1。通過比較塔體安裝阻尼器后塔頂振幅yT1與原始塔頂振幅yT1得到減振效果。其中，塔體采用S0LID185單元，擺桿與連桿采用BEAM188單元，彈簧采用C0MBIN14單元，質(zhì)量塊采用MASS21單元，耦合擺桿與連桿重合端的X、Y、Z三個(gè)方向自由度來模擬球鉸。采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，將風(fēng)載荷以面壓力的形式加載在塔器表面，使塔體發(fā)生振動(dòng)，計(jì)算軟件根據(jù)上述公式計(jì)算得到阻尼器作用力向量{F.}，并將此作用力通過彈簧傳遞給塔體，在風(fēng)載荷和阻尼器作用力共同作用下，計(jì)算得到塔頂振幅yT1。模擬完成后，制作塔器和阻尼器的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。施加力使塔發(fā)生振動(dòng)，通過壓電式加速度傳感器得到塔頂振幅yT1，利用動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。得到如下結(jié)果:
[0038]將質(zhì)量塊總質(zhì)量與塔體自身質(zhì)量(不含阻尼器)之比記為質(zhì)量比μ。擺桿長(zhǎng)度與塔高之比記為長(zhǎng)度比。
[0039]在工程實(shí)際中，阻尼器的質(zhì)量不能過大，通常設(shè)定阻尼器質(zhì)量與安裝結(jié)構(gòu)質(zhì)量之比在4%以內(nèi)，且阻尼器質(zhì)量與安裝結(jié)構(gòu)質(zhì)量之比不能低于0.5%，否則減振效果不明顯。優(yōu)選設(shè)定質(zhì)量比μ范圍在0.65%?4%。隨著質(zhì)量比μ的增加，塔體阻尼比逐漸增大，阻尼器減振效果越來越明顯。在長(zhǎng)度比為9%的條件下，質(zhì)量比μ為0.65%時(shí)，塔體阻尼比變?yōu)樵瓉淼?.9倍，此時(shí)塔頂振幅yT1可減少約60% ;質(zhì)量比μ為4%時(shí)，塔體阻尼比變?yōu)樵瓉淼?.5倍，此時(shí)塔頂振幅yT1可減少約84%。當(dāng)質(zhì)量比μ小于0.65%時(shí)，減振效果不佳；當(dāng)質(zhì)量比μ大于4%時(shí)，阻尼器將給塔體帶來過大的附加載荷。
[0040]通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)，擺桿長(zhǎng)度不能過長(zhǎng)，否則阻尼器擺桿所受扭矩過大，且所需安裝空間過大。擺桿長(zhǎng)度過短會(huì)使阻尼器質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)形式由平動(dòng)變?yōu)閿[動(dòng)，減振效果變差，優(yōu)選長(zhǎng)度比范圍在5%?9%。在質(zhì)量比μ為2%的情況下，長(zhǎng)度比為5%時(shí)，塔體阻尼比變?yōu)樵瓉淼?.3倍，此時(shí)塔頂振幅yT1可減少約70%;長(zhǎng)度比為9%時(shí)，塔體阻尼比變?yōu)樵瓉淼?倍，此時(shí)塔頂振幅yT1可減少約80%。
[0041]阻尼器減振效果隨質(zhì)量比μ及擺桿長(zhǎng)度的提高而提高。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，可根據(jù)具體的安裝空間選擇擺桿長(zhǎng)度。如果安裝空間較小，可以選擇長(zhǎng)度比為5%的短擺桿；當(dāng)安裝空間較富裕時(shí)，可選擇長(zhǎng)度比為9%的長(zhǎng)擺桿以達(dá)到更優(yōu)減振效果。在質(zhì)量比μ為2%的條件下，長(zhǎng)度比為5%時(shí)，塔頂振幅yT1可減少70% ;長(zhǎng)度比為9%時(shí)，塔頂振幅yT1可減少80%。若在長(zhǎng)度比9%條件下繼續(xù)增加質(zhì)量塊的質(zhì)量，當(dāng)質(zhì)量比μ增加到4%時(shí)，塔頂振幅yn可減少84%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1擺動(dòng)式阻尼器安裝位置簡(jiǎn)圖；
[0043]圖2擺動(dòng)式阻尼器裝置簡(jiǎn)圖；
[0044]圖3連桿、球鉸、擺桿局部圖；
[0045]圖4質(zhì)量塊、彈簧局部圖；
[0046]其中:1_塔體，2-球鉸，3-彈簧，4-墊板，5-連桿，6-擺桿，7-質(zhì)量塊。

【具體實(shí)施方式】
[0047]根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0048]本發(fā)明的塔器防振用擺動(dòng)式阻尼器，由連桿5、球鉸2、擺桿6、質(zhì)量塊7和彈簧3組成，四個(gè)阻尼器為一組，呈90°排列，安裝在塔頂外側(cè)。如圖1、2所示。連桿5—端與塔體I焊接，另一端與球鉸2采用螺紋連接，如圖3所示。擺桿6與連桿5垂直，一端與球鉸2焊接，另一端焊接質(zhì)量塊7。彈簧3與連桿5平行，一端與質(zhì)量塊7焊接，另一端與塔體I焊接，如圖4所示。
[0049]設(shè)置連桿長(zhǎng)度與塔體半徑相等。根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定長(zhǎng)度比與質(zhì)量比μ，要求設(shè)定的長(zhǎng)度比范圍在5%?9%，質(zhì)量比μ范圍在0.65%?4%。
[0050]質(zhì)量塊為鋼制圓球，在已知塔體自身質(zhì)量m,球體個(gè)數(shù)η,質(zhì)量比μ后，圓球半徑被唯一確定:
[0051]Γ3 = ^?!?_
31400π?
[0052]質(zhì)量塊通過彈簧將作用力傳遞給塔體，為保證質(zhì)量塊與塔體位移呈現(xiàn)η /2的相位差，需要根據(jù)塔體一階固有頻率f來設(shè)定彈簧勁度系數(shù)k，使質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)頻率與塔體一階固有頻率f 一致。彈簧勁度系數(shù)k由塔體一階固有頻率f與圓球質(zhì)量m確定:
[0053]k = 4 312f2m
[0054]實(shí)例I
[0055]將圖2所示阻尼器，安裝在塔器頂部。連桿5 —端與塔體I焊接，另一端與球鉸2采用螺紋連接；擺桿6與連桿5垂直，擺桿6 —端與球鉸2焊接，另一端焊接質(zhì)量塊7 ;彈簧3與連桿5平行，一端與質(zhì)量塊7焊接，另一端與塔體I焊接；阻尼器共四個(gè)，呈對(duì)稱排列。設(shè)置連桿長(zhǎng)度與塔體半徑相等，設(shè)置質(zhì)量比μ為2%。在上述條件下，分別設(shè)置擺桿的長(zhǎng)度比分別為5%、6.6%,7.3%、8%和9%。通過設(shè)置彈簧的勁度系k使質(zhì)量塊的振動(dòng)頻率與塔體一階固有頻率f 一致。由實(shí)驗(yàn)證明，塔頂振幅yT1隨擺桿長(zhǎng)度的增加而減小，在對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度比條件下，塔頂振幅yT1分別可減少70 %、76 %、77 %、79 %和80 %。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?，利用ANSYS建立有限元模型。塔體選用S0LID185單元，桿件選用BEAM188單元，彈簧選用C0MBIN14單元。設(shè)定單元材料屬性中的彈簧勁度系數(shù)k使質(zhì)量塊振動(dòng)頻率與塔體一階固有頻率f 一致，質(zhì)量塊選用MASS21單元,設(shè)定單元材料屬性中質(zhì)量m來滿足所選用的質(zhì)量比μ。模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一致。
[0056]實(shí)例2
[0057]將圖2所示阻尼器，安裝在塔器頂部。連桿5 —端與塔體I焊接，另一端與球鉸2采用螺紋連接；擺桿6與連桿5垂直，擺桿6 —端與球鉸2焊接，另一端焊接質(zhì)量塊7 ;彈簧3與連桿5平行，一端與質(zhì)量塊7焊接，另一端與塔體I焊接；阻尼器共四個(gè)，呈對(duì)稱排列。設(shè)置連桿長(zhǎng)度與塔體半徑相等，設(shè)置擺桿長(zhǎng)度比為9%。在上述條件下，分別設(shè)置質(zhì)量比μ為0.65%、1.3%、2%、3.3%和4%。通過設(shè)置彈簧的勁度系k使質(zhì)量塊的振動(dòng)頻率與塔體一階固有頻率f 一致。由實(shí)驗(yàn)證明，塔頂振幅yT1隨質(zhì)量比μ的增加而減小，在對(duì)應(yīng)質(zhì)量比條件下，塔頂振幅yT1分別可減少66 %、74 %、77 %、82 %和84 %。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?，利用ANSYS建立有限元模型。塔體選用S0LID185單元，桿件選用BEAM188單元，彈簧選用C0MBIN14單元。設(shè)定單元材料屬性中的彈簧勁度系數(shù)k使質(zhì)量塊振動(dòng)頻率與塔體一階固有頻率f 一致，質(zhì)量塊選用MASS21單元,設(shè)定單元材料屬性中質(zhì)量m來滿足所選用的質(zhì)量比μ。模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一致。
【權(quán)利要求】
1.一種塔器防振用擺動(dòng)式阻尼器，其特征是由連桿、球鉸、擺桿、質(zhì)量塊和彈簧組成；連桿一端與塔體焊接，另一端與球鉸采用螺紋連接；擺桿與連桿垂直，一端與球鉸焊接，另一端焊接質(zhì)量塊；彈簧與連桿平行，一端與質(zhì)量塊焊接，另一端與塔體焊接；阻尼器呈對(duì)稱排列。
2.如權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征是四個(gè)阻尼器個(gè)數(shù)為4個(gè)。
3.如權(quán)利要求2所述的阻尼器，其特征是四個(gè)阻尼器呈90°排列，安裝在塔頂外側(cè)。
4.如權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征是連桿長(zhǎng)度與塔體半徑相等。
5.如權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征是彈簧長(zhǎng)度與連桿長(zhǎng)度相等。
6.如權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征是阻尼器質(zhì)量塊總質(zhì)量與塔體自身質(zhì)量之比范圍在0.65%?4%。
7.如權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征是擺桿長(zhǎng)度與塔高之比范圍在5%?9%。
8.如權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征是阻尼器安裝高度大于2/3塔高。
【文檔編號(hào)】E04B1/98GK104141352SQ201410347429
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】譚蔚, 徐樂, 田雅婧 申請(qǐng)人:天津大學(xué)