调谐质量阻尼器和系统的制作方法

1.本公开总体上涉及一种调谐质量阻尼器。特别地，提供了一种用于阻尼结构中的振动的调谐质量阻尼器、以及一种包括结构和调谐质量阻尼器的系统。


背景技术：

2.安装在电力设备上的现有技术地震阻尼器通常是复杂且昂贵的。此外，在抗震要求增加的情况下，在现有的电力设备上安装此类地震阻尼器是困难的并且有时是不可能的。
3.us 3911199 a公开了一种地震运动阻尼器，其包括设置在容器内的惯性元件，该容器包含附接到立式电气设备的上部分的流体-液体。阻尼器被调谐，以便通过利用共振来倾向于抵消地震振动。


技术实现要素：

4.本公开的一个目的是提供一种用于阻尼结构(诸如，高压结构)中的振动的调谐质量阻尼器，该调谐质量阻尼器改进了结构的地震(seismic)承受能力。
5.本公开的进一步目的是提供一种用于阻尼结构(诸如，高压结构)中的振动的调谐质量阻尼器，该调谐质量阻尼器可以改进在广泛范围的不同结构中的地震承受能力。
6.本公开的再进一步目的是提供一种用于阻尼结构中的振动的调谐质量阻尼器，其中可以容易地调节调谐质量阻尼器的固有频率。
7.本公开的再进一步目的是提供一种用于阻尼结构中的振动的调谐质量阻尼器，其中可以容易地调节调谐质量阻尼器的有效质量和/或相对阻尼特性。
8.本公开的再进一步目的是提供一种用于阻尼结构中的振动的调谐质量阻尼器，该调谐质量阻尼器使得能够简单地安装到结构。
9.本公开的再进一步目的是提供一种用于阻尼结构中的振动的调谐质量阻尼器，该调谐质量阻尼器可以容易地改装到现有结构。
10.本公开的再进一步目的是提供一种用于阻尼结构中的振动的调谐质量阻尼器，该调谐质量阻尼器具有简单的设计。
11.本公开的再进一步目的是提供一种用于阻尼结构中的振动的调谐质量阻尼器，该调谐质量阻尼器具有可靠且稳健的设计。
12.本公开的再进一步目的是提供一种用于阻尼结构中的振动的调谐质量阻尼器，该调谐质量阻尼器具成本效益。
13.本公开的再进一步目的是提供一种用于阻尼结构中的振动的调谐质量阻尼器，该调谐质量阻尼器结合解决了前述目的中的几个或全部目的。
14.本公开的再进一步目的是提供一种系统，该系统包括结构和连接到该结构的调谐质量阻尼器，该系统解决了前述目的中的一个、几个或全部目的。
15.根据一个方面，提供了一种用于阻尼结构中的振动的调谐质量阻尼器，该调谐质
量阻尼器包括：长形元件，具有自由端以及与自由端相对的接头端；固定构件，用于固定到结构；质量布置，连接到长形元件，其中，固定构件和质量布置之间的线限定在长形元件的中性位置中的中性轴线；接头，布置在接头端和固定构件之间，该接头布置成允许长形元件在包括中性轴线的至少一个位移平面中的运动；弹簧布置，布置成当长形元件从中性位置移位时向长形元件施加复位弹簧力；以及阻尼布置，布置成施加阻尼力以抵抗长形元件从中性位置的运动。
16.因此，调谐质量阻尼器的功能是基于枢转的长形元件，该长形元件附接有质量布置。调谐质量阻尼器由此是简单且稳健的。在调谐质量阻尼器的移动期间，动能借助于阻尼布置而消散。由此(特别是在地震期间)可以减少结构上的载荷。调谐质量阻尼器由此改进了结构的结构完整性。
17.调谐质量阻尼器的固有频率基本地由弹簧布置的一个或多个弹簧常数、阻尼布置的一个或多个阻尼系数、质量布置的质量、以及质量布置沿着长形元件的位置来限定。可以容易地调节这些参数中的一个、几个或每个参数，以便调节调谐质量阻尼器的固有频率。质量布置沿着长形元件的位置可被限定为质量布置的重心沿着长形元件的位置。
18.由于调谐质量阻尼器的简单的设计所致，调谐质量阻尼器可以容易地后安装或改装到现有结构。长形元件可布置成在结构周围的空气中移动。因此，长形元件例如不必在充满液体的容器内移动。
19.调谐质量阻尼器可以是被动式调谐质量阻尼器。例如，被动式调谐质量阻尼器可不采用任何致动器来控制长形元件的移动。此外，一旦质量布置连接到长形元件，质量布置就可沿着长形元件保持固定到长形元件。也就是说，当连接到长形元件时，质量布置可沿着长形元件维持在固定位置处。然而，可选地，可允许质量布置围绕长形元件旋转。
20.长形元件的长度可例如为长形元件的宽度的至少五倍，诸如至少十倍、诸如至少15倍、诸如至少20倍。替代地或另外，长形元件可为柱或杆件。
21.长形元件可为基本上笔直的或笔直的。在这种情况下，长形元件的纵向轴线可限定中性轴线。
22.弹簧布置可包括在功能上布置在接头端和固定构件之间的至少一个弹簧。调谐质量阻尼器可以采用广泛范围的市售弹簧用于弹簧布置。这促成了改进的模块化设计。弹簧布置的每个弹簧可例如包括螺旋弹簧或平板弹簧。每个弹簧可被构造成提供复位弹簧力，该复位弹簧力取决于质量布置在所述至少一个位移平面中的位移，诸如与该位移成比例。
23.替代地，弹簧布置可集成在接头中。为此，接头可由弹性接头构成。
24.阻尼布置可包括在功能上布置在接头端和固定构件之间的至少一个阻尼器。调谐质量阻尼器可以采用广泛范围的市售阻尼器用于阻尼布置。这促成了改进的模块化设计。阻尼布置的每个阻尼器可例如包括减震器、液压阻尼器、线阻尼器或阻尼元件(例如，软钢的c形支架)，其被构造成通过长形元件和固定构件之间的相对移动而塑性变形。每个阻尼器可被构造成提供阻尼力，该阻尼力取决于质量布置在所述至少一个位移平面中的位移速度，诸如与该位移速度成比例。
25.替代地，阻尼布置可集成在接头中。为此，接头可由摩擦接头构成，例如弹性摩擦接头。
26.至少在调谐质量阻尼器的操作期间，质量布置可固定地连接到长形元件。当质量
布置固定到长形元件时，长形元件可被构造成在结构中没有任何振动的情况下自动采用中性位置。
27.贯穿本公开中，调谐质量阻尼器可以是地震阻尼器，即，被构造成阻尼结构中的地震振动。
28.质量布置可以是能够沿着长形元件调节的。通过沿着长形元件调节质量布置，可以调节调谐质量阻尼器的固有频率(本征频率)。以这种方式，可以在调谐质量阻尼器连接到结构的同时调节调谐质量阻尼器的固有频率，以便匹配结构的固有频率。
29.通过调节更靠近接头的质量布置，调谐质量阻尼器的刚度得以增加。通过调节离接头更远的质量布置，调谐质量阻尼器的刚度得以减小。以这种方式，可以容易地调节调谐质量阻尼器的固有频率以匹配结构的初级固有频率。
30.质量布置可以是沿着长形元件可调节的，以改变调谐质量阻尼器的固有频率。例如，通过沿着长形元件调节质量布置，调谐质量阻尼器的固有频率可在0.15hz到40hz(诸如0.5hz到15hz、诸如1hz到10hz、诸如1hz到2hz)之间变化。替代地或另外，质量布置可以是沿着长形元件可调节的，以将调谐质量阻尼器的固有频率从1hz及以上改变。
31.质量布置可包括至少一个重量体，并且所述至少一个重量体中的一个或多个重量体可以是能够沿着长形元件移动的，以便沿着长形元件调节质量布置。每个配量体可例如借助于接合在长形元件中的开口中的销而附接到长形元件。贯穿本公开，每个重量体可由复合材料或陶瓷材料制成。
32.质量布置可包括至少一个重量体，并且所述至少一个重量体中的一个或多个可被可拆卸地附接到长形元件，并且质量布置可通过从长形元件移除所述至少一个重量体中的一个或多个而沿着长形元件进行调节。每个重量体可被构造成通过长形元件的自由端来引导，以便添加或移除重量体。然后，所添加的重量体可借助于接合在长形元件中的开口中的销而固定到长形元件。替代地或另外，每个重量体可闭合以附接到长形元件以及打开以从长形元件上拆卸，反之亦然。
33.所述至少一个重量体中的一个、几个或每个重量体可例如焊接或胶合到长形元件。以这种方式，一个或多个重量体可以永久地固定到长形元件。
34.所述至少一个位移平面可包括第一位移平面和第二位移平面。第一位移平面可与第二位移平面不平行。例如，第一个位移平面和第二位移平面可彼此基本上垂直或垂直。
35.弹簧布置可包括与第一位移平面相关联的第一弹簧以及与第二位移平面相关联的第二弹簧。以这种方式，可以定制复位弹簧力以匹配具有不同定向行为(directional behavior)的结构。
36.第一弹簧的附接点和/或第二弹簧的附接点可以是可调节的，以便调节弹簧力的弹簧特性。例如，第一弹簧的初级端可从第一主附接点上拆卸，并且第一弹簧的次级端可从第一次级附接点上拆卸。然后，第一弹簧的初级端可附接到不同于第一主附接点的第二主附接点，并且第一弹簧的次级端可附接到不同于第一次级附接点的第二次级附接点。这同样可适用于第二弹簧。
37.阻尼布置可包括与第一位移平面相关联的第一阻尼器以及与第二位移平面相关联的第二阻尼器。以这种方式，可以定制阻尼力以匹配具有不同定向行为的结构。
38.第一阻尼器的附接点和/或第二阻尼器的附接点可以是可调节的，以便调节阻尼
力的阻尼特性。例如，第一阻尼器的初级端可从第一主附接点上拆卸，并且第一阻尼器的次级端可从第一次级附接点上拆卸。然后，第一阻尼器的初级端可附接到不同于第一主附接点的第二主附接点，并且第一阻尼器的次级端可附接到不同于第一次级附接点的第二次级附接点。这同样可适用于第二阻尼器。
39.调谐质量阻尼器可进一步包括布置在第一位移平面中的初级第一臂和次级第一臂、以及布置在第二位移平面中的初级第二臂和次级第二臂。在这种情况下，初级第一臂可刚性地连接到长形元件且次级第一臂可刚性地连接到固定构件，并且初级第二臂可刚性地连接到长形元件且次级第二臂可刚性地连接到固定构件。每个臂可包括多个附接点(诸如，孔)以用于附接弹簧和/或阻尼器。一些或所有连接点可能适合于附接弹簧或阻尼器(在不同时间)。
40.第一弹簧可连接到初级第一臂和次级第一臂，并且第二弹簧可连接到初级第二臂和次级第二臂。以这种方式，第一弹簧和第二弹簧中的每一个在功能上布置在接头端和固定构件之间。
41.第一阻尼器可连接到初级第一臂和次级第一臂，并且第二阻尼器可连接到初级第二臂和次级第二臂。以这种方式，第一阻尼器和第二阻尼器中的每一者在功能上布置在接头端和固定构件之间。
42.调谐质量阻尼器可以是模块化的。调谐质量阻尼器由此可以更容易地后安装或改装到现有结构。例如，质量布置、弹簧布置和阻尼布置中的每一个可以在安装调谐质量阻尼器之后进行调节或更换。因此，质量布置、弹簧布置、阻尼布置和长形元件中的每一个可以是模块。替代地，长形元件、接头、固定构件、弹簧布置和阻尼布置(可选地还有臂)可形成一个模块，并且质量布置可形成进一步的模块。替代地，如果质量布置包括多个重量体，则每个重量体可构成模块。
43.接头可以是二旋转自由度的运动副或三旋转自由度的运动副。例如，接头可以是万向接头(即，二旋转自由度的运动副)。作为进一步示例，接头可以是球形接头(即，三旋转自由度的运动副)。
44.作为二旋转自由度的运动副或三旋转自由度的运动副的替代方案，接头可包括柔性元件。此类柔性元件可以允许长形元件在所述至少一个位移平面中移动，但也可以允许长形元件沿着中性轴线移动。柔性元件可例如为细杆或弹性元件，诸如橡胶元件。
45.该结构可包括高压电气装置，并且调谐质量阻尼器可被构造成连接到电气装置以用于阻尼电气装置中的振动。因此，调谐质量阻尼器可适合与电气装置一起使用。在这种情况下，调谐质量阻尼器可附加地包括一个或多个电晕屏蔽件。
46.高压电气装置可例如为断路器、仪器用互感器、电容器组、立式换流阀、串补平台、高压直流(hvdc)母线支撑结构、开关站电抗器、避雷器或隔离开关。本公开内的高压可例如为至少30kv(诸如，至少100kv)的电压。
47.中性轴线可以是基本上竖直的或竖直的。在这种情况下，调谐质量阻尼器可以是立式抑或悬挂式。
48.在立式调谐质量阻尼器的情况下，长形元件可在大地测量学上布置在接头上方。立式调谐质量阻尼器操作为倒立摆。
49.在悬挂式调谐质量阻尼器的情况下，长形元件可在大地测量学上布置在接头下
方。悬挂式调谐质量阻尼器操作为摆(pendulum)。
50.作为可设想的替代方案，中性轴线可基本上水平地或水平地定向。这种替代方案例如对于沿竖直方向薄弱的结构可能是有用的。
51.根据进一步的方面，提供了一种系统，包括：结构；以及根据本公开的调谐质量阻尼器，连接到该结构以用于阻尼该结构中的振动。该结构可包括高压电气装置，并且调谐质量阻尼器可连接到电气装置以用于阻尼电气装置中的振动。包括高压电气装置的结构是高压结构。
附图说明
52.本公开的进一步细节、优点和方面将从结合附图的以下实施例中变得显而易见，其中：
53.图1：示意性地表示包括结构和调谐质量阻尼器的系统的侧视图；
54.图2：示意性地表示调谐质量阻尼器的透视前视图；以及
55.图3：示意性地表示调谐质量阻尼器的透视后视图。
具体实施方式
56.在下文中，将描述一种用于阻尼结构中的振动的调谐质量阻尼器、以及一种包括结构和调谐质量阻尼器的系统。相同或相似的附图标记将用于表示相同或相似的结构特征。
57.图1示意性地表示系统10的侧视图。系统10包括结构12和调谐质量阻尼器14。该示例的结构12是高压结构，其具有至少100kv的系统电压。结构12包括三个高压电气装置16。结构12进一步包括绝缘体18，该绝缘体连接在电气装置16中的一个和接地20之间。
58.在图1中，调谐质量阻尼器14连接到结构12。更具体地，调谐质量阻尼器14连接到电气装置16中的一个。调谐质量阻尼器14可以通过起重机作为一个单元抑或按顺序逐个模块地提升到结构12的顶部。调谐质量阻尼器14可以安装在已经存在的结构12上。
59.图2示意性地表示调谐质量阻尼器14的透视前视图。图3示意性地表示调谐质量阻尼器14的透视后视图。
60.共同参考图2和图3，调谐质量阻尼器14包括长形元件22、固定构件24、质量布置26、接头28、弹簧布置30、32、以及阻尼布置34、36。调谐质量阻尼器14被构造成抑制结构12中的振动。在图2和图3中，长形元件22被图示为处于中性位置38中。出于参考目的，图2和图3进一步示出了笛卡尔坐标系x、y、z。
61.长形元件22包括自由端40以及与自由端40相对的接头端42。该示例的长形元件22是直且刚性的柱。在中性位置38中，长形元件22的纵向轴线由此限定中性轴线44。长形元件22布置成在结构12周围的空气中自由移动。
62.该示例的调谐质量阻尼器14是立式的。也就是说，中性轴线44是竖直的，并且长形元件22在大地测量学上定位在接头28上方。在该具体示例中，长形元件22的长度是长形元件22的宽度的大约20倍。
63.在图2和图3中，存在第一位移平面xz和第二位移平面yz，该第二位移平面垂直于第一位移平面yz。第一位移平面xz和第二位移平面yz中的每一个包括中性轴线44。尽管为
了清楚的目的坐标系x、y、z的原点被图示为从长形元件22偏移，但原点可在长形元件22中居中。
64.固定构件24固定到结构12(图2和图3中未示出)。质量布置26连接到长形元件22。
65.接头28布置在接头端42和固定构件24之间。在该示例中，接头28是万向接头。然而，广泛范围的替代性接头28是可设想的。
66.该示例的接头28具有垂直于中性轴线44的两个旋转自由度。接头28由此布置成允许长形元件22在第一位移平面xz和第二位移平面yz中的每一个中移动。
67.弹簧布置30、32布置成当长形元件22通过绕接头28枢转而从中性位置38移位时向长形元件22施加复位弹簧力。如图2和图3中所示，弹簧布置30、32包括第一弹簧30和第二弹簧32。第一弹簧30与第一位移平面xz相关联，并且第二弹簧32与第二位移平面yz相关联。在该示例中，弹簧30、32中的每一个是u形平板弹簧。然而，广泛范围的替代类型的弹簧30、32是可设想的。
68.阻尼布置34、36布置成通过绕接头28枢转来施加阻尼力以抵抗长形元件22从中性位置38的移动。如图2和图3中所示，阻尼布置34、36包括第一阻尼器34和第二阻尼器36。第一阻尼器34与第一位移平面xz相关联，并且第二阻尼器36与第二位移平面yz相关联。在该示例中，阻尼器34、36中的每一个是液压阻尼器。然而，广泛范围的替代类型的阻尼器34、36是可设想的。
69.该示例的质量布置26包括第一重量体46和第二重量体48。重量体46、48中的每一个包括贯通孔50，长形元件22穿过该贯通孔。重量体46、48中的每一个是沿着长形元件22可调节的。长形元件22包括多个开口52。重量体46、48中的每一个可以与相应的开口52对齐并且借助于接合开口52的销(未示出)固定到长形元件22。重量体46、48可由陶瓷材料制成。如图所示。如图2和图3中所示，重量体46、48关于中性轴线44旋转对称。
70.由于每个重量体46、48可以沿着长形元件22进行调节，因此质量布置26也可以沿着长形元件22进行调节以改变调谐质量阻尼器14的固有频率。通过以这种方式调节质量布置26，调谐质量阻尼器14的固有频率可例如在1hz和10hz之间变化。
71.可将附加的重量体添加到长形元件22。替代地，第二重量体48可从长形元件22移除。同样以这些方式，质量布置26可以沿着长形元件22进行调节，以改变调谐质量阻尼器14的固有频率。
72.该示例的固定构件24包括板54。固定构件24固定到结构12，使得固定构件24和结构12之间的所有自由度都被锁定，例如通过将板54旋拧到结构12。
73.该示例的调谐质量阻尼器14包括初级第一臂56、次级第一臂58、初级第二臂60和次级第二臂62。初级第一臂56刚性地连接到长形元件22的接头端42，例如通过焊接。次级第一臂58刚性地连接到固定构件24，例如通过焊接。初级第二臂60刚性地连接到长形元件22的接头端42，例如通过焊接。次级第二臂62刚性地连接到固定构件24，例如通过焊接。
74.在图2和图3的具体示例中，初级第一臂56和次级第一臂58彼此平行并且垂直于中性轴线44。此外，初级第一臂56和次级第一臂58布置在第一位移平面xz中。初级第一臂56和次级第一臂58从中性轴线44沿相同方向延伸。此外，初级第二臂60和次级第二臂62布置在第二位移平面xz中。初级第二臂60和次级第二臂62彼此平行并且垂直于中性轴线44。在该示例中，初级第一臂56、次级第一臂58、初级第二臂60和次级第二臂62中的每一个由u形片
材金属制成。
75.然而，臂56、58不需要平行且臂60、62不需要平行。例如，初级第一臂56可相对于次级第一臂58向上成角度，并且初级第二臂60可相对于次级第二臂62向上成角度。以这种方式，可以增加长形元件22的行程长度或幅度。
76.每个臂56、58、60、62包括多个孔64。第一弹簧30连接到初级第一臂56中的孔64和次级第一臂58中的孔64，此处借助于螺钉。第一弹簧30由此在功能上布置在接头端42和固定构件24之间。
77.第一阻尼器34连接到初级第一臂56中的孔64和次级第一臂58中的孔64，此处借助于螺钉。第一阻尼器34由此在功能上布置在接头端42和固定构件24之间。第一弹簧30和第一阻尼器34布置在初级第一臂56和次级第一臂58的相对侧上。
78.第二弹簧32连接到初级第二臂60中的孔64和次级第二臂62中的孔64，此处借助于螺钉。第二弹簧32由此在功能上布置在接头端42和固定构件24之间。
79.第二阻尼器36连接到初级第二臂60中的孔64和次级第二臂62中的孔64，此处借助于螺钉。第二阻尼器36由此在功能上布置在接头端42和固定构件24之间。第二弹簧32和第一阻尼器34布置在初级第二臂60和次级第二臂62的相对侧上。
80.弹簧30、32和孔64之间的连接形成了多个附接点66。阻尼器34、36和孔64之间的连接也形成了多个附接点66。
81.通过调节第一弹簧30的至少一个附接点66，可以调节第一位移平面xz中的弹簧力特性，且由此也调节调谐质量阻尼器14的固有频率。通过调节第二弹簧32的至少一个附接点66，可以调节第二位移平面yz中的弹簧力特性，且由此也调节调谐质量阻尼器14的固有频率。通过调节第一阻尼器34的至少一个附接点66，可以调节第一位移平面xz中的阻尼力特性。通过调节第二阻尼器36的至少一个附接点66，可以调节第二位移平面yz中的阻尼力特性。因此，调谐质量阻尼器14可以补偿结构12的各种定向行为。
82.调谐质量阻尼器14可以安装到已经存在的高压结构12，即，进行改装。为此，可将第一模块(包括长形元件22、接头28、固定构件24、臂56、58、60、62、弹簧布置30、32、以及阻尼布置34、36)向上提升到电气装置16的顶部。然后，通过将固定构件24固定地连接到电气装置16(例如，通过将板54旋拧到电气装置16)，可将第一模块连接到电气装置16。
83.然后，可将包括第一重量体46的第二模块向上提升到电气装置16的顶部。然后，可将第一重量体46提升到长形元件22上，例如，使得长形元件22的自由端40被接收穿过贯通孔50。然后，可将第一重量体46沿着长形元件22降低到期望高度，在该期望高度处，第一重量体46连接到长形元件22，例如借助于销。
84.然后，可将包括第二重量体48的第三模块向上提升到电气装置16的顶部。然后，可将第二重量体48提升到长形元件22上，例如，使得长形元件22的自由端40被接收穿过贯通孔50。然后，可将第二重量体48沿着长形元件22降低到期望高度，在该期望高度处，第二重量体48连接到长形元件22，例如借助于销。
85.借助于模块化设计，调谐质量阻尼器14可以容易地改装到现有结构12。这对于非常重的结构12(其中需要重型调谐质量阻尼器14来匹配结构12的固有频率)是特别有用的。
86.在安装调谐质量阻尼器14之后，可以调节弹簧布置30、32和/或阻尼布置34、36以分别校准弹簧力和/或阻尼力。如果必要的话，也可以调节质量布置26。
87.该示例的调谐质量阻尼器14是被动式的。当结构12中没有振动时，长形元件22借助于弹簧布置30、32被迫进入中性位置38中。
88.通过沿着长形元件22调节质量布置26、通过调节弹簧布置30、32的附接点66、和/或通过调节阻尼布置34、36的附接点66，可以调节调谐质量阻尼器14的固有频率以匹配结构12的固有频率和其他机械特性。该示例的调谐质量阻尼器14在发生地震的情况下阻尼水平振动方面是特别有效的。来自地震的振动常常位于从0.15hz到30hz的频率范围内。调谐质量阻尼器14改进了结构12的动态性能，而对结构12本身几乎没有修改。
89.在该示例中，即，为了阻尼图1中的结构12中的振动，每个重量体46、48可具有10kg的质量。因此，该示例的质量布置26可具有20kg的质量。长形元件22可具有一米的长度。可选择弹簧30、32以匹配约1.5hz的共振频率。每个阻尼器34、36可具有1kns/m的阻尼系数。计算表明，调谐质量阻尼器14可以将作用在绝缘体18上的弯矩减小36％。
90.虽然已参考示例性实施例描述了本公开，但将了解，本发明不限于上文已描述的内容。例如，将了解，零件的尺寸可根据需要变化。因此，本发明旨在可仅由所附权利要求书的范围来限制。