一种输电塔圆管构件微风振动的减振方法

本发明属于输电塔构件风振防护技术领域，具体涉及输电塔圆管构件微风振动的减振方法。

背景技术：

输电塔是用于支撑电缆的钢结构建筑物，一般由杆件、管件、板件连接而成。输电塔的安全性是整个输电线路安全的基础。气象条件是影响输电塔安全性的重要外界因素，其中杆件、管件的风振现象是最为常见的影响输电塔安全性的因素之一，其振动机理复杂。抑制风振对于提高输电塔安全性具有重要意义。对于输电铁塔圆管构件，由于其在微风振动时，会产生垂直于迎风面的振动，可忽略顺风向的振动，因此可以看做单自由度振动。考虑到圆管构件的风振现象相对简单，因而更容易应对。现有技术公开了一些基于阻尼器的振动减震器。中国专利文献cn111164326a公开了一种用于风力设备或建筑物的旋转阻尼器和装备有旋转阻尼器的振动减振器，其将摆动棒或摆动绳索处的振动转化为衰减组件的部件的转动，基于涡流衰减组件、摩擦衰减、流体阻尼器或传统的磁体衰减原理起到减振效果。然而，上述振动减震器结构相对复杂，成本较高，不适用于输电塔上多个圆杆构件的减振。目前仍缺少一种简单有效地抑制圆杆构件振动的方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种输电塔圆管构件微风振动的减振方法。

其技术方案如下：

一种输电塔圆管构件微风振动的减振方法，其关键在于包括以下步骤：

步骤一，现场调查并确定输电塔上需要进行减振的圆管构件；

步骤二，在所述输电塔上为每根所述圆管构件选定至少一个靠近所述圆管构件的铁塔固定部，以用于在所述圆管构件和铁塔固定部之间安装可调式惯容器；

所述可调式惯容器包括支架，该支架上安装有飞轮和转动驱动机构；

所述转动驱动机构与所述飞轮之间设置有增速传动机构，该增速传动机构可拆卸地安装在所述支架上，该增速传动机构允许通过改变其结构来调节所述可调式惯容器的惯性力；

所述转动驱动机构设置有第一连接端，所述支架上设置有第二连接端；

步骤三，安装可调式惯容器：将所述第一连接端与所述圆管构件连接，所述第二连接端与所述铁塔固定部连接，以使所述转动驱动机构将所述圆管构件的振动转化为所述飞轮的旋转运动，以抑制所述圆管构件的振动。

作为优选，上述减振方法还包括步骤四，观测减振效果；若减振效果不足，改变所述飞轮的质量或所述增速传动机构的结构以提高所述可调式惯容器的惯性力。

作为优选，上述第一连接端设置有管套，步骤三中，将所述管套套设在所述圆管构件的中部。

作为优选，上述增速传动机构为齿轮传动机构，包括至少一个增速齿轮副，所述增速齿轮副包括相互啮合的大齿轮和小齿轮；

在传动方向上，第一级的所述大齿轮由所述转动驱动机构所驱动，最后一级的所述小齿轮与所述飞轮同轴转动；

所述步骤四中，通过增减所述增速齿轮副的数量或更换所述大齿轮和小齿轮以改变二者半径比来调节所述可调式惯容器的惯性力。

作为优选，上述转动驱动机构为齿轮齿条机构，包括驱动齿条和从动齿轮，所述驱动齿条滑动设置在所述支架上，其任意一端伸出所述支架，以形成所述第一连接端；

所述从动齿轮转动安装在所述支架上并与所述驱动齿条啮合，所述从动齿轮与所述增速传动机构的第一级的大齿轮同轴设置。

作为优选，下一级的所述增速齿轮副的大齿轮与相邻的上一级的所述增速齿轮副的小齿轮同轴设置，以组成双联齿轮，所述双联齿轮的齿轮轴转动安装在所述支架上；

所述从动齿轮与所述增速传动机构的第一级的大齿轮也组成一个所述双联齿轮。

作为优选，上述从动齿轮、大齿轮和小齿轮的质量分别不超过所述飞轮的质量1/10。

作为优选，上述步骤三中，安装所述可调式惯容器时，所述驱动齿条的长度方向与所述圆管构件的管心线之间的夹角θ满足0°<θ≤90°。

作为优选，上述步骤一的具体过程为，了解现场气象信息，现场调查并确定输电塔上需要进行减振的圆管构件，判断所述圆管构件的振动方向；

步骤三中，安装所述可调式惯容器时，使所述驱动齿条位于所述圆管构件的振动面内。

作为优选，上述步骤三中，对于水平设置的所述圆管构件，安装所述可调式惯容器时，所述驱动齿条位于竖直方向；

对于竖向或倾斜设置的所述圆管构件，若其振动平面超过一个，则布设两个所述可调式惯容器，且两个所述可调式惯容器的所述驱动齿条的夹角大于0°小于180°。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明使用的惯容器结构简单，经济成本低，使用方便，易于通过调整其结构来调节其惯性力特性，以满足输电塔圆管构件的减振需求，模拟实验和工程实践证明其能够取得理想减振效果。

附图说明

图1为可调式惯容器用于输电塔圆管构件减振的结构示意图；

图2为可调式惯容器的安装示意图；

图3为可调式惯容器的结构示意图；

图4为驱动齿条与飞轮之间采用多级增速齿轮副进行传动的示意图；

图5为采用有限元模拟实验研究不同b值的惯容器对圆管构件的微风振动振幅影响；

图6为某型输电塔上易发生振动的圆杆构件的示意图，图中用圈标记出这些圆杆构件；

图7为图6中输电塔上可调式惯容器的布置方案。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例一

如图2、3和4，一种可调式惯容器a，包括支架1，该支架1上安装有飞轮4和转动驱动机构2，二者传动连接。所述转动驱动机构2设置有第一连接端，用于与振动件连接；所述支架1上设置有第二连接端，用于与固定件连接。振动件的振动经转动驱动机构2、增速传动机构传递给飞轮4使其转动，该可调式惯容器a的惯性力反向作用于振动件，以抑制其振动。

为提高可调式惯容器a的惯性力并使得其惯性力可调节，所述转动驱动机构2与所述飞轮4之间设置有增速传动机构，该增速传动机构可拆卸地安装在所述支架1上，该增速传动机构允许通过改变其结构来调节所述可调式惯容器a的惯性力。

本实施例中，所述增速传动机构为齿轮传动机构，包括至少一个增速齿轮副3，所述增速齿轮副3包括相互啮合的大齿轮3a和小齿轮3b。在传动方向上，第一级的所述大齿轮3a由所述转动驱动机构2所驱动，最后一级的所述小齿轮3b与所述飞轮4同轴转动。

为使可调式惯容器a结构紧凑，下一级的所述增速齿轮副3的大齿轮3a与相邻的上一级的所述增速齿轮副3的小齿轮3b同轴设置，以组成双联齿轮，所述双联齿轮的齿轮轴转动安装在所述支架1上。

本实施例中，所述转动驱动机构2为齿轮齿条机构，包括驱动齿条2a和从动齿轮2b，所述驱动齿条2a滑动设置在所述支架1上，其任意一端伸出所述支架1，以形成所述第一连接端。所述从动齿轮2b转动安装在所述支架1上并与所述驱动齿条2a啮合，所述从动齿轮2b与所述增速传动机构的第一级的大齿轮3a同轴设置，所述从动齿轮2b与所述增速传动机构的第一级的大齿轮3a也组成一个所述双联齿轮。

为便于齿轮齿条机构以及各个增速齿轮副3的安装，本实施例中，所述支架1包括若干纵向连接板1a，所有所述纵向连接板1a平行正对设置，所述纵向连接板1a的两端分别设置有横向连接板1b，所述纵向连接板1a的同一端部与对应的横向连接板1b固定连接，从而形成所述支架1。其中两个所述纵向连接板1a之间设置有所述驱动齿条2a和所述从动齿轮2b，所述驱动齿条2a的第一连接端从任一所述横向连接板1b自由穿出，所述驱动齿条2a与位于其两边的两个所述纵向连接板1a滑动配合。

所述从动齿轮2b的齿轮轴、所述双联齿轮的齿轮轴以及所述飞轮4的轮轴均横向设置在所述纵向连接板1a上，所述增速齿轮副3均按照啮合关系设置在所述纵向连接板1a之间的空隙里。

为进一步提高惯性力，所述从动齿轮2b、大齿轮3a和小齿轮3b的质量分别不超过所述飞轮4的质量1/10，例如，可以将这些齿轮设计为空心齿轮。这样做能更有效地将振动件的振动传递给飞轮4，从而增强可调式惯容器a对振动的响应性。

上述可调式惯容器的惯性力公式为

f＝b(a1-a2)(i)，

其中b为惯容器的特性，与双联齿轮的个数、双联齿轮的大齿轮3a与小齿轮3b的半径比例、飞轮4与最后一级的小齿轮3b的半径比例有关；

a1为第一连接端的加速度；

a2为第二连接端的加速度，当第二连接端固定连接时，a2＝0。

如图4，为便于制造惯容器，并方便计算惯容器的惯性力，各个双联齿轮均相同，如图4所示。将驱动齿条2a与飞轮4之间的双联齿轮按照传动方向依次编号为1、2、3、……、n，第k1≤k≤n且为整数个双联齿轮的大齿轮3a的外圈半径记为rk，第k个双联齿轮的小齿轮3b的内圈半径记为prk；

飞轮4的半径记为rr，与飞轮4同轴的小齿轮3b的内圈半径记为rpr；

飞轮4的质量记为mf；

那么，惯容器的特性计算公式为

根据上述分析可知，改变双联齿轮的个数，或改变双联齿轮的大齿轮3a与小齿轮3b的半径大小比例，或改变飞轮4与最后一级的所述小齿轮3b的半径大小比例，或改变飞轮4的质量，可以改变惯容器特性，从而调节其惯性力。

实施例二

一种输电塔圆管构件微风振动的减振方法，使用实施例一所述的可调式惯容器，包括以下步骤：

步骤一，了解现场气象信息，现场调查并确定输电塔b上需要进行减振的圆管构件5，判断所述圆管构件5的振动方向；

步骤二，在所述输电塔b上为每根所述圆管构件5选定至少一个靠近所述圆管构件5的铁塔固定部6，以用于在所述圆管构件5和铁塔固定部6之间安装可调式惯容器a；

步骤三，如图1和2，安装可调式惯容器a：为方便连接，第一连接端设置有管套2c，将所述管套2c套设在所述圆管构件5上，将第二连接端与所述铁塔固定部6连接，以使所述转动驱动机构2将所述圆管构件5的振动转化为所述飞轮4的旋转运动，从而抑制所述圆管构件5的振动。

圆管构件5受到可调式惯容器a的惯性作用力为

f’＝b(a1-a2)sinθ(iii)，

其中a1为第一连接端也即圆管构件的振动加速度；

由于第二连接端固定连接在铁塔固定部6上，因此a2＝0；

其中θ为驱动齿条2a的长度方向与所述圆管构件5的管心线之间的夹角。为起到减振效果，可调式惯容器a在安装时θ满足0°<θ≤90°。根据式(iii)可知，θ优选为90°。

此外，驱动齿条2a位于圆管构件5的振动平面内时，能够使惯容器的惯性力最有效地传递给圆管构件5。因此应尽量使所述驱动齿条2a位于所述圆管构件5的振动面内。

根据上述公式(ii)，通过改变与b值相关的因素，可以调节圆管构件5受到的可调式惯容器a的惯性作用力f’，以将圆管构件5的振动幅度降低至适当范围。

对于水平设置的所述圆管构件5，由于几乎不会出现稳定的竖向吹动的风，因而针对这种圆管构件5，安装可调式惯容器a时，所述驱动齿条2a位于竖直方向。

对于竖向或倾斜设置的所述圆管构件5，由于圆管构件5刚性较大，一般布设一个可调式惯容器a即可满足要求；若其振动平面超过一个或圆管构件5长度较长，根据需要可以布设两个所述可调式惯容器a，且两个所述可调式惯容器a的所述驱动齿条2a的夹角大于0°小于180°。

根据现场情况，在完成可调式惯容器a的安装后进行步骤四，观测减振效果，比如以圆管构件5振动稳定后的振幅不超过3mm作为减振目标；若减振效果不足，增大所述飞轮4的质量或调整所述增速传动机构的结构以提高所述可调式惯容器a的惯性力。

为提高可调式惯容器a的惯性力，调整增速传动机构的结构的方法为：增加所述增速齿轮副3的数量，或/和更换所述大齿轮3a和小齿轮3b以增大二者的半径比，从而增大惯容器特性b值，来增大所述可调式惯容器a的惯性力。

实施例三

采用ansys有限元模型研究上述可调式惯容器的减振效果。本次模拟以某特高压交流输电线路工程作为研究对象，选择该特高压交流输电线路中频繁出现微风振动现象的圆管杆件5进行研究，其尺寸参数与约束条件如表1所示。

表1圆管构件参数表

本次模拟中，可调式惯容器a的相关参数如表2。模拟试验1～3仅通过改变飞轮4质量的方式来改变惯容器特性b值。对应条件下，圆管构件5的振幅如图5所示。可以看到，未安装惯容器即b＝0的条件下，圆管构件5的振动稳定后振幅约为15mm；模拟试验1条件下，圆管构件5的振动稳定后振幅约为14mm；模拟试验2条件下，圆管构件5的振动稳定后振幅约为6mm；模拟试验3条件下，圆管构件5振动稳定后其振幅降低至3mm。本次模拟试验表明，通过增大b值，能够有效提高减振效果。

表2模拟试验的双联齿轮和飞轮参数表

本模拟实验可以用于实施例二的步骤三之前。在安装可调式惯容器a前，根据式(i)以及圆管构件5的参数，先建立ansys有限元模型，通过该模型分析能够对圆管构件5进行减振的可调式惯容器a的惯容器的特性b值，并根据式(ii)确定双联齿轮的个数、双联齿轮的大齿轮3a与小齿轮3b的半径大小比例、飞轮4与最后一级的小齿轮3b的半径大小比例，以及飞轮4的质量。据此设计可调式惯容器a，然后再进行安装。

在步骤四中，若减振效果不足，则可改变双联齿轮的个数、双联齿轮的大齿轮3a与小齿轮3b的半径大小比例、飞轮4与最后一级的小齿轮3b的半径大小比例，以及飞轮4的质量，并再次借助ansys有限元模型预测圆管构件5的振幅，辅助确定如何调整可调式惯容器5的结构。

实施例四

将本发明的减振方法用于某特高压交流输电线路工程。对线路沿线气象了解后，再对现场振动明显的钢管塔进行调查，涉及sz30102、sz30103、sz30105、sj30105等塔型，调查发现：塔腿正面、v面斜材，塔腿隔面水平横材、隔面以上塔身斜材等部位易发生振动，如图6所示。其布置方案根据具体情况制定，如图7所示。安装可调式惯容器a时，所选取的铁塔固定部6可以是铁塔构件的焊接连接节点或平台，其在遇到风吹时不易发生振动。实际使用发现，本方法能够取得较理想的减振效果。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。