CN111287916B - 一种用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，包括承托机构、阻尼器、质量块、多个惯容机构和多个碰撞机构；所述承托机构设于平台上，阻尼器安装于承托机构上，阻尼器的上部与质量块的下部相连，阻尼器的活塞杆固接于承托机构上，质量块通过若干连接机构与风机发电机舱的舱壁相连；所述惯容机构和碰撞机构分别间隔设于质量块的外侧，所述惯容机构的一端与质量块的外壁连接固定，惯容机构的另一端分别与风机发电机舱的舱壁相连；所述碰撞机构与质量块的外壁留有碰撞间隙。本发明的有益效果为：本发明将惯容机构与碰撞机构结合起来，利用二者耦合产生的惯性力、惯容力、碰撞力和阻尼力进行结构减振，并减小质量块的工作空间。

Description

一种用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置

技术领域

本发明涉及一种阻尼器，具体涉及一种用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置。

技术背景

风能作为一种无污染、可再生的清洁能源，成为当今各国争相开发的能源之一，风力发电机的制造和维护也有了重要的研究意义与价值。近海单桩风力发电机主要受风、波浪等荷载，在这些荷载以及环境因素（如土壤效应）联合作用下，风力发电机会承受过大的振动。为减轻振动对发电机带来的不利影响，保持系统正常运转，维持其良好的输电状态并延长其使用寿命，通过在风力发电机机舱内加入阻尼器，利用控制装置以达到减振的目的。

目前已有多种类型的阻尼器应用到风机减振上，其中被动控制因其技术相对成熟、切实可靠而被广泛使用。传统调谐质量阻尼器（Tuned mass damper，简称TMD）作为一种设计简单、成本低廉的减振控制装置，可以有效的减小风力发电机振动响应。然而，传统阻尼器都需要一定的附加质量，随着风力发电技术的发展，风力发电机体型和种类都在逐渐增加，有时需要在顶端附加一个显著的质量才能达到较为满意的减振效果。但是风机发电机内安装空间有限，大型或重型TMD无法满足现役发电机的设计安装要求。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种将碰撞机构与惯容机构耦合利用的用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼器。

本发明采用的技术方案为：一种用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，包括承托机构、阻尼器、质量块、多个惯容机构和多个碰撞机构；所述承托机构设于平台上，阻尼器安装于承托机构上，阻尼器的上部与质量块的下部相连，阻尼器的活塞杆固接于承托机构上，质量块通过若干连接机构与风机发电机舱的舱壁相连；所述惯容机构和碰撞机构分别间隔设于质量块的外侧，所述惯容机构的一端与质量块的外壁连接固定，惯容机构的另一端分别与风机发电机舱的舱壁相连；所述碰撞机构与质量块的外壁留有碰撞间隙。

按上述方案，所述碰撞机构包括设于质量块外侧的挡板，质量块与挡板之间留有间隙；挡板的下端安装于承托机构上；挡板位于质量块一侧的表面设有粘弹性材料。

按上述方案，挡板下端与滚轮连接，滚轮设置于限位卡槽内且可沿限位卡槽滑动，所述限位卡槽开设于承托机构上。

按上述方案，所述质量块的横截面呈十字型；所述挡板设有四组，分设于质量块的四角。

按上述方案，所述承托机构包括动力机构和转盘，所述动力机构设于平台上，动力机构的上部安装转盘，驱动转盘转动；所述转盘上设附座，阻尼器的活塞杆固接于两端附座上；所述限位卡槽可安装于承托机构的转盘上。

按上述方案，所述承托机构还增设有限位导轨，限位导轨的底部设于转盘上，其两端通过附座限位固定。

按上述方案，所述限位导轨内设有弧形的导槽；在质量块的底部由若干支撑机构支撑，支撑机构的上端与质量块固连，支撑机构与导槽配合安装，且可沿导槽滑动或滚动，具体地，所述支撑结构可为导轮。

按上述方案，所述连接机构为弹簧。

按上述方案，所述惯容机构包括惯容器，惯容器包括壳体、滚珠丝杠和飞轮，所述壳体内部中空，构成滚珠丝杠的行程腔，滚珠丝杠的丝杠一端与质量块相连，滚珠丝杠的丝杠另一端伸入行程腔内；所述滚珠丝杠其通过轴承装配，所述轴承一侧端面与滚珠丝杠的螺母内端面相贴，轴承的另一端面设有用于预紧的预紧螺母；轴承设于轴承座内，轴承座与壳体固连；所述飞轮与滚珠丝杠的螺母固定连接，螺母装配于滚珠丝杠的丝杠上，螺母与丝杠构成的螺旋副内设有滚珠，丝杠将其直线运动转换为螺母与飞轮的旋转运动。

按上述方案，滚珠丝杠的丝杠设端部挡板，端部挡板上安装有第一吊耳，第一吊耳通过第一连杆与质量块相连；所述壳体设计为喇叭式结构，壳体的小口径端设有第二吊耳，第二吊耳通过第二连杆与风机发电机舱的舱壁相连。

本发明的有益效果为：

1、本发明将惯容机构与碰撞机构结合起来，利用二者耦合惯性力、惯容力、碰撞力和阻尼力进行结构减振，具体为：惯容机构将线性运动转化为高速旋转运动，使所述阻尼装置产生比其实际物理质量大得多的表观质量，在具备传统TMD减振结构的优点的同时，可以显著减小质量块的质量；当振动距离大于碰撞间距时，碰撞机构的加入可有效限制质量块的工作空间，质量块与挡板通过碰撞耗能；以上两种减振模式耦合：惯容机构使得碰撞机构更加轻质化，表观质量的加入可使得碰撞耗能增加和质量块位移减小的同时不增加质量块实际质量，而质量块越轻又使最优碰撞间隔越小，质量块工作空间越小；（2）碰撞机构的加入不仅进一步减小惯容机构的工作空间，还可有效改善整个惯容机构的鲁棒性。两种机构的耦合使本发明所述阻尼装置在保留传统TMD优势的同时，有了更多的工作耗能模式，缩小了所述阻尼装置的工作空间，提高了其适用性；通过调节碰撞间隔和惯容系数，使阻尼装置在传统TMD、TMDI和本发明所述PTMDI三种系统中切换：当粘弹性挡板移至卡槽轨道边缘，即质量块不能与之发生碰撞时，本发明可视为TMDI控制系统，在此基础上，当惯容系数为0时，本发明可视为传统TMD。

2、设计弧形导轨，质量块在振动结束后可以自动归位，质量块在振动时克服重力做功也可增加耗能，提高减振效果。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的正视图。

图2为本实施例的俯视图。

图3为本实施例中滚珠丝杠式惯容机构示意图。

其中：1、质量块；2、弹簧；3、惯容器；4、限位导轨；5、滚轮；6、动力机构；7、阻尼器；8、转盘；9、附座；10、连杆；11、挡板；12、粘弹性材料；13、活塞杆；14、限位卡槽；15、飞轮；16、轴承；17、轴承座；18、行程室；19、第二吊耳；20、壳体；21、预紧螺母；22、螺母；23、端部挡板；24、第一吊耳；25、丝杠。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1和图2所示的一种用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，包括承托机构、阻尼器7、质量块1、多个惯容机构和多个碰撞机构；所述承托机构设于平台上，阻尼器7安装于承托机构上，阻尼器7的上部与质量块1的下部相连，阻尼器7的活塞杆13固接于承托机构上，质量块1通过若干连接机构与风机发电机舱的舱壁相连；所述惯容机构和碰撞机构分别间隔设于质量块1的外侧，所述惯容机构的一端与质量块1的外壁连接固定，惯容机构的另一端分别与风机发电机舱的舱壁相连；所述碰撞机构与质量块1的外壁留有碰撞间隙。本实施例中，所述阻尼器7为现有结构，未进行改进，这里不再赘述。

优选地，所述碰撞机构包括设于质量块1外侧的挡板11，挡板11的下端安装于承托机构上；挡板11位于质量块1一侧的表面设有粘弹性材料12，具体地，粘弹性材料12设于可与质量块1接触的挡板11上部。

优选地，所述质量块1的横截面呈十字型；所述挡板11设有四组，分设于质量块1的四角。本实施例中，所述挡板11为刚性结构，也可钢板；所述质量块1与挡板11之间留有间隙，不直接接触，挡板11下端与滚轮5连接，滚轮5设置于限位卡槽14内且可沿限位卡槽14滑动，以控制质量块1与挡板11间的碰撞间隔；所述限位卡槽14开设于承托机构上：当质量块1的振动距离小于碰撞间隔时，本发明所述阻尼装置可近似等效为调谐惯容质量阻尼减振结构（Tuned mass damper inerter，简称TMDI），在TMDI基础上，当惯容系数为0时，可等效为传统TMD。

优选地，所述承托机构包括动力机构6和转盘8，所述动力机构6设于平台上，动力机构6的上部安装转盘8，驱动转盘8转动；所述转盘8上设附座9，阻尼器7的活塞杆13固接于两端附座9上；所述限位卡槽14可安装于承托机构的转盘8上。

优选地，所述承托机构还增设有限位导轨4，限位导轨4底部设于转盘8上，其两端通过附座9限位固定；所述限位导轨4内设有弧形的导槽；在质量块1的底部由若干支撑机构支撑，支撑机构的上端与质量块1固连，支撑机构与导槽配合安装，且可沿导槽滑动或滚动，具体地，所述支撑结构可为导轮。本实施例中，所述支撑机构为四个，两两一组对称安装于质量块1的底部；相应地，限位导轨4上设前后两个导槽。

优选地，所述连接机构为弹簧2。

本实施例中，如图3所示，所述惯容机构包括惯容器3，惯容器3包括壳体20、滚珠丝杠和飞轮15，所述壳体20内部中空，构成滚珠丝杠的行程腔18，滚珠丝杠的丝杠25一端与质量块1相连，滚珠丝杠的丝杠25另一端伸入行程腔18内；所述滚珠丝杠其通过轴承16装配，所述轴承16一侧端面与滚珠丝杠的螺母22内端面相贴，轴承16的另一端面设有用于预紧的预紧螺母21；轴承16设于轴承座17内，轴承座17与壳体20固连；所述飞轮15与滚珠丝杠的螺母22固定连接，螺母22装配于滚珠丝杠的丝杠25上，螺母22与丝杠25构成的螺旋副内设有滚珠，丝杠25将其直线运动转换为螺母22与飞轮15的旋转运动，行程腔18外设防尘罩。滚珠丝杠的丝杠25设端部挡板23（可设计为圆形），端部挡板23上安装有第一吊耳24，第一吊耳24通过一连杆10与质量块1相连；所述壳体20设计为喇叭式结构，壳体20的小口径端设有第二吊耳19，第二吊耳19通过另一连杆10与风机发电机舱的舱壁相连。本实施例中惯容器3为现有技术，并未对其结构进行改进，这里不作赘述。

本发明的工作原理为：

风机正常工作时，风机叶片旋转方向随风向改变，而此时动力机构6随之驱动转盘8转动，直至质量块1的运动方向与风向一致，这样最大程度上可保证所述阻尼装置的减振方向与风向一致，减振效果最佳。风机受外荷载作用时，惯容机构与机舱之间产生相对加速度，惯容机构工作产生惯容力。当等大反向的力沿轴向施加于惯容器3左右两个吊耳中心时，第一吊耳24相对与第二吊耳19做直线运动，二者产生相对位移，此时滚珠丝杠的螺母22和丝杠25将二者的相对直线运动转化为螺母22的旋转运动，螺母22驱动飞轮15旋转，由此实现对飞轮15惯性的封装；惯容机构的质量放大效应可提高控制装置的表观质量而减小质量块1的实际质量，滚珠丝杠型惯容器3可高达其实际飞轮15质量10³个数量级。若风力较小，质量块1的振幅也较小，质量块1未与挡板11发生碰撞，即碰撞机构无需工作，惯容机构发挥其质量放大效应，此时本发明控制装置通过质量块1、惯容器3、阻尼器7和弹簧2发挥其减振控制效果。限位导轨4使得质量块1振动时相比传统TMD耗能更大，且在振动结束时能自动复位。当风力较大时，碰撞机制和惯容机构同时投入工作，此时系统新增碰撞力耗能，耗能能力可通过调节挡板11的碰撞刚度来调整，一般来说，刚度越大的材料耗能能力越差但对质量块1的限位能力越好。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，其特征在于，包括承托机构、阻尼器、质量块、多个惯容机构和多个碰撞机构；所述承托机构设于平台上，阻尼器安装于承托机构上，阻尼器的上部与质量块的下部相连，阻尼器的活塞杆固接于承托机构上，质量块通过若干连接机构与风机发电机舱的舱壁相连；所述惯容机构和碰撞机构分别间隔设于质量块的外侧，所述惯容机构的一端与质量块的外壁连接固定，惯容机构的另一端分别与风机发电机舱的舱壁相连；所述碰撞机构与质量块的外壁留有碰撞间隙。

2.如权利要求1所述的用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，其特征在于，所述碰撞机构包括设于质量块外侧的挡板，质量块与挡板之间留有间隙；挡板的下端安装于承托机构上；挡板位于质量块一侧的表面设有粘弹性材料。

3.如权利要求2所述的用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，其特征在于，挡板下端与滚轮连接，滚轮设置于限位卡槽内且可沿限位卡槽滑动，所述限位卡槽开设于承托机构上。

4.如权利要求2所述的用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，其特征在于，所述质量块的横截面呈十字型；所述挡板设有四组，分设于质量块的四角。

5.如权利要求3所述的用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，其特征在于，所述承托机构包括动力机构和转盘，所述动力机构设于平台上，动力机构的上部安装转盘，驱动转盘转动；所述转盘上设附座，阻尼器的活塞杆固接于两端附座上；所述限位卡槽可安装于承托机构的转盘上。

6.如权利要求5所述的用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，其特征在于，所述承托机构还增设有限位导轨，限位导轨的底部设于转盘上，其两端通过附座限位固定。

7.如权利要求6所述的用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，其特征在于，所述限位导轨内设有弧形的导槽；在质量块的底部由若干支撑机构支撑，支撑机构的上端与质量块固连，支撑机构与导槽配合安装，且可沿导槽滑动或滚动，具体地，所述支撑结构可为导轮。

8.如权利要求1所述的用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，其特征在于，所述连接机构为弹簧。

9.如权利要求1所述的用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，其特征在于，所述惯容机构包括惯容器，惯容器包括壳体、滚珠丝杠和飞轮，所述壳体内部中空，构成滚珠丝杠的行程腔，滚珠丝杠的丝杠一端与质量块相连，滚珠丝杠的丝杠另一端伸入行程腔内；所述滚珠丝杠其通过轴承装配，所述轴承一侧端面与滚珠丝杠的螺母内端面相贴，轴承的另一端面设有用于预紧的预紧螺母；轴承设于轴承座内，轴承座与壳体固连；所述飞轮与滚珠丝杠的螺母固定连接，螺母装配于滚珠丝杠的丝杠上，螺母与丝杠构成的螺旋副内设有滚珠，丝杠将其直线运动转换为螺母与飞轮的旋转运动。

10.如权利要求9所述的用于风机的调谐碰撞惯容质量阻尼装置，其特征在于，滚珠丝杠的丝杠设端部挡板，端部挡板上安装有第一吊耳，第一吊耳通过第一连杆与质量块相连；所述壳体设计为喇叭式结构，壳体的小口径端设有第二吊耳，第二吊耳通过第二连杆与风机发电机舱的舱壁相连。

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