管子阻尼器的制作方法

专利名称：管子阻尼器的制作方法
本申请是1992年7月16日于美国递交的申请号为No.07/915，，477、名称为管子阻尼器(piperestraint)的专利申请的延续部分，而No.07/915，477号专利申请又是1991年12月16日于美国递交的No.07/808，132号专利申请的延续部分。
管道系统通常被它们所连接的处理设备固定在两端或多端。由于由热处理液体所引起的热增长所造成的管子膨胀，所以，管子将象

图1所示的那样变形。如果需要在管子的一些位置上以阻尼器来限制动态位移，而管子还具有热位移，则将存在设计矛盾。例如，在发电厂就确实是这样的，在那里，管子的热伸长可达450毫米(18英寸)。
例如，如果象图1A所示的那样在A点放置一个刚性的阻尼器，则管子将不会象图1所示的那样膨胀，而且可能在管子中造成一种过受力状态，或者在处理设备上产生一种不能接受的载荷。工业上已经通过缓冲器的使用解决了这个矛盾。缓冲器可在动态事件的过程中允许管子自由膨胀，但又瞬时约束管子。机械的和液力的缓冲器都已经被用来约束管道系统。缓冲器所具有的缺陷是，它们复杂，需要维修保养，且具有失灵史。例如，在核工业领域，这些问题已经导致了代价高昂的检查程序。反过来，这种状况又促使人们采取措施减少缓冲器的数量并考虑别的可行方案。
一种可代替缓冲器的方案是使用隔开的支撑物。这种形式的动态阻尼器的缺陷是，它不吸收能量，且在结构上施加了非常高的冲击载荷。
另一种可以代替缓冲器的方案是使用能量吸收器。人们已经提出了各种形式的能量吸收器。象美国专利US-4，620，688所公开的那样，一种类型的是使用钢板，通过钢板的塑性变形来吸收能量。这种装置的缺陷是它的循环疲劳寿命非常低。其它类型的能量吸收器如美国专利US-4，955，467和US-4，901，829所示。在这些装置中，能量通过摩擦而被吸收。这些专利的装置的主要缺陷是，由摩擦力引起大的易变性。
在另外一种装置中，阻尼器的基本元件是夹在两块板之间的多股螺旋形钢索，这样，当发生振动时，由钢索的变形来吸收能量。该装置的这种构件-亦即“隔离器”-已经在军事上、人造卫星上、军舰上、航天飞机上、飞机上、越野车上以及其它领域使用了多年。隔离器的主要作用是将振动从一个构件向另一个构件的传递减至最小。隔离器的主要生产者是有关隔离器的两份美国专利US-4，783，038和US-4，190，227的受让人-NewYork，11805，Plainview的“AEPOFLEXInternational，Inc.”。
其它有关的现有技术见美国专利US-2，421，822，US-3，204，911和US-4，397，069。
该发明人在1984年第一个考虑到用螺旋形钢索隔离器作为管子的阻尼器。曾认为，这种装置将是能够替代管道系统中的缓冲器的一种良好的震动阻尼器。同AEPOFLEX-隔离器的主要供应者-的交谈表明，它们不认为这种阻尼器作为隔离器将很好地工作，原因是螺旋形构造响应地震的频率容量比较低。在那个时候，该发明人的想法是，不把管子与设备隔离开，以便将对管子的震动输入量减至最小，而是，用该装置给管道系统添加阻尼，并在一个震动事件期间将管子的位移保持在可接受的水平。他承认，尽管缓冲器限制了位移，但它们对系统几乎没添加什么阻尼。
因此，1984年，他建造了一台测试设备，用以确定用隔离器支撑的和没用隔离器支撑的管子的特性。测试的结果是非常有意义的，其取决于隔离器提供给系统的附加阻尼的量。1986年，在北卡罗来纳州大学召开的“关于核电力工厂结构、设备及管道的现代问题讨论会”上，他发表了这个试验结果。这些相同的结果后来公开在1988年的《核工程和设计》(《NuclearEngineeringandDesign》)上。这篇论文被标记为“Vol.107，North-Holland，Amsterdam，1988，pp201-204”。
根据鼓舞人心的测试结果，该发明人开始宣传用隔离器作为震动的和液力的瞬时应用的管子阻尼器的思想。这种宣传工作主要是在CommonwealthEdisonCompany和通过他在管道设计方面所做的几次公开报告进行的。
1990年，当“国家爱迪生公司”决定试着把隔离器装在一个正导致管子所连的地板以无法容忍的程度振动着的管道系统上的时候，大量的管道使用出现了。该发明人把螺旋隔离器结合进了一种不同于该发明的设计中，并允许使用现有的管子支撑构件。在那种情况下，由于已经事先在管子的问题点用刚性支撑件对管子进行了支撑，因此，管子的热膨胀不是一个问题。还注意到，在那种特殊的应用中，所说装置的主要目的是起隔离器的作用。隔离器的使用隔离了管子和地板，以便将管子对地板的振动输入减至最小。这是隔离器的一种传统应用。那种装置的第二个目的是将管子振动的幅度减至最小。这套设备是成功的。
隔离器用作管子阻尼器，那个申请人已经宣扬了好几年，但是，该发明包括了一个预先不知道的新发现。
使用隔离器的一个主要问题是，管子的热膨胀和一个用于动态事件阻尼的系统之间的设计要求的矛盾没有解决。虽然隔离器的使用能够提供一些热膨胀，然而，由于隔离器作用于管子的阻尼弹力的原因，热膨胀一般仅限于少量。由于常规的隔离器直接用作管子阻尼器产生了相同的在热膨胀和限制动态位移之间的设计要求的矛盾，因此，上述那种提供量限制了隔离器作为管子阻尼器的使用。一种隔离器是弹簧。出于热膨胀方面的考虑，软弹簧是比较理想的，目的是不使管子受力过大或者不使终接的设备超负荷。但是，就动态事项来说，硬弹簧是比较理想的，因为希望用其限制动态位移量。
1991年12月16日，向美国专利局递交了一份申请号为No.07/808，132的专利申请，这项发明是一种结构简单、易于检查和极少维修的能量吸收和管子位移限制装置。对这项专利申请的改进也于1992年7月16日向美国专利局申请了专利，专利申请号为No.07/915，477。这两项申请了专利的发明可作为连接易发生由动态负荷和热变形所造成的位移的管子和相邻的设备的管子阻尼器。它们可以用类似于螺套的方式进行调节，而且，在扩张和压缩两方面具有平衡的硬度，该平衡硬度抵抗在负荷下的弯曲。
美国专利申请No.07/915，477对美国专利申请号为07/808，132的发明进行了几方面的改进。这些改进包括更有效地使用钢丝绳;一种较轻的和更紧凑的阻尼器设计;一个保证双线性弹簧刚度特性的附加装置;一个用以限制传递到设备上的载荷的装置以及为易于生产而提供的各种装置。这些改进是通过钢丝绳绳环的几何外形与结构的壳体的改变，以及添加内部限位件而完成的。每一个改进点解释如下钢丝绳绳环将原始发明中所用的可大量购得的钢丝绳隔离器的绳环这样排列-即当象图2所示那样加上压缩负载时，它们形成一种稳定的几何形状。这一要求是通过象图2所示的那样在相对的两个方向排列绳环而实现的。但是，绳环的这种稳定的布置在本发明中并不要求这样去做。这是因为绳环受的是剪切载荷而不是压缩载荷，而且是由本发明的结构壳体来稳定的。此外，在图2所示的形式中，绳环的那种布置为发明中的钢丝绳提供了低的使用效率。这是由于当隔离器承受图2A所示的剪切载荷时，绳环所承受的载荷方面的差异的缘故。其中一些绳环变形较大，因此，所受载荷比其它的就大一些。可以通过用一根连续的钢丝绳象图6所示的那样沿着一个方向绕成近乎平行的绳环的形式来将低效率减至最小。此外，象美国专利申请07/915，477中所公开的那样，可以通过增加第三个夹持杆、用一定长度的单个钢丝绳制成每一个绳环并将所有的绳环象图6B那样排列在平行的平面而将低效率完全消除。这种使用各个长度的钢丝绳和第三个夹持杆的方式类似于美国专利US-4，783，038中所描述的拱形隔离器。在两种情况下，通常都是将绳环夹在两个夹持板之间，如图7所示。夹持绳环的一种变换方式是，使用一个填充有环氧树脂的长方形管，如图7A所示。夹持绳环的这后一种方式被用在了NewYork，OrchardPark的ENIDINE所生产的隔离器中。夹持绳环的这种方式被本发明扩展成阻尼器的中心负载承受件。例如，中心件可以由圆管构成，圆管具有为钢丝绳穿过而设的孔。然后，将中心管内填上环氧树脂，以便将绳环固定在位置上，如图8所示。作为一种变换方案，铸造金属也可以用来代替环氧树脂填充空腔。夹持绳环的第三种方式是将所说的杆/中心杆浇注在成形后的绳环的周围。
绳环的平行或者近乎平行排列还提供了一种双线性的力偏移特性，同时还不预压绳环。由于平行的或近乎平行的绳环几何形状，因此，当最初偏移时，隔离器在剪切方面是更柔软的，而且，随着偏移的增加，隔离器变得刚硬，如图17所示。图17是从一个具有平行布置的绳环的隔离器得出的实验结果，所说绳环没有预先加压。这种双线性特性一方面提供一种“软”弹簧，允许管子热膨胀，而另一方面又提供一种“硬”弹簧特性，用以限制管子的动态位移。弹簧的“软”的部分的范围可以通过象以前描述于美国专利申请07/808，132中的那样预压绳环而进一步增加。
绳环的有效布置也能够为减小管子阻尼器结构壳体的外形尺寸提供方便。在使用这些阻尼器的核电厂或加工厂，有时候因空间所限，希望壳体外形尺寸小些。另外的阻尼装置提供了一个紧凑的整体形状。减小管子阻尼器的外形尺寸的一种方法是通过把绳环排列成图12所示的形式而实现的。
结构壳体美国专利申请No.07/808，132用一种矩形形状的结构壳体来夹持绳环。美国专利申请07/915，477所描述的和图8所示的绳环的排列形式更适合用圆形管子作为结构的壳体。这是所希望的，因为各种直径和厚度的管子都是很容易买到的。圆形管子的使用提供了一种预压绳环的另外的措施，防止绳环损坏的措施，以及降低在管子移动期间当绳环被偏移的时候人受伤害的机率的措施。
由圆管构成的结构壳体还提供了有效的生产以适应各种刚度和负荷能力的措施。由于所生产的绳环在标准的尺寸组内，因此，通过简单地将更多的绳环组加到较长的杆和结构壳体上(如图15所示)就能够增加阻尼器的刚性和负荷能力。另一种选择方案是，可将三或四个绳环组围绕着中心杆设置，如图16和16A所示。
内部限位件与管道的液力瞬变过程和震动事件有关的力是很难确切知道的。在工业设计中，这些力是用“公称的”设计负荷。尽管所选择的公称设计负荷被认为已包容了最大的实际负荷，然而，有时候实际负荷会超过公称设计负荷。管子阻尼器是根据它们的承受公称的设计负荷的能力而选择的。在美国专利申请07/808，132所描述的阻尼器上，若超过这一负荷，则可能由于过分的偏移而导致钢丝绳绳环的塑性变形。这种过分的偏移还可导致管道系统的过载。作为一种限制这种过分偏移以及在阻尼器的力的承受能力方面提供一个安全范围的措施，象美国专利申请07/915，477所描述的那样，用一个内部限位件来限制位移。绳环的夹持杆可作为限位件，或者将限位件焊接到中心杆上，或者使限位件作为中心杆的整体的一部分。另一种替代方案是，将限位件用安全销固定在中心杆上。这类安全销的尺寸这样选择-即使它们成为阻尼器的各种承受负荷的件中的薄弱环节。它们的尺寸还由阻尼器的额定负荷的安全系数来确定。安全销的使用提供了吸收大量的能量的额外的能力，如果它们被塑性变形的话。在过度的动态活动情况下，这种额外地吸收能量对管道系统提供了额外的保护，并将传递到设备上的负荷限制在安全销失灵的负荷。
本发明以不对称地排列钢丝绳绳环这样一种变换方式提供同美国专利申请07/915，477相同的改进方案。本发明还对美国专利申请号为07/808，132和07/915，477的两项发明进行了改进。改进点包括借助于摩擦件而提供额外的能量吸收;借助于装置中的间隙而提供额外的热膨胀。所说的不对称的绳环布置以及改进描述如下不对称地绳环布置美国专利申请07/808，132和07/915，477都是以对称的方式将绳环布置在中心杆的周围。本发明提供一种布置绳环的变换方案-即如图4所示，将绳环不对称地布置在中心杆的周围。绳环的不对称布置还可允许绳环露在负荷承受件的外面，如图11所示。后面这种布置形式可以直接观察绳环，而不必拆卸阻尼器的负荷承受件，假若这是一些特殊应用所希望的话。这些变换的布置方式可使用如图6所示的由连续的钢丝绳制成的绳环，或者使用如图6C所示的单个的绳环节，同时仍然保持一种紧凑的阻尼器结构。
不对移的绳环结构可在中心杆和结构壳体上产生弯曲负荷。这种弯曲是由结构壳体和用以把绳环夹持在垂直于中心杆的方向上的中心杆所造成的。如果左侧不受约，则当绳环被剪切偏移时，它们还将在垂直方向上偏移，如图3A所示。如图3B所示，通过把绳环夹持在垂直方向上，当绳环被剪切偏移时，会产生一个垂直于剪切方向的力。在不对称的绳环布置中，这一垂直力会导致中心杆和结构壳体弯曲。这一力与绳环在垂直方向上的刚度成比例，并随着绳环被剪切的偏移而增加。
根据在垂直方向上的绳环刚度，当阻尼器被加上负荷时，所说的弯曲负荷可能在中心杆上引起较大的弯曲应力，并可能导致中心杆偏移的增加。如图10A和11B所示，通过在中心杆/绳环组件上添加加强的零件，可将这种应力和偏移减至最小。
具有数量较多的绳环和/或提供了较大的管子热位移的阻尼器将具有较长的结构壳体和中心杆。在这种情况下，在中心杆上连结一个加强件可能是做不到的。如图5所示，一个添加到阻尼器组件中去的滑动轴承可使中心杆和结构壳体上的弯曲负荷减至最小。如图5A所示，在这种构造中，滑动轴承填充了中心杆和邻近于结构壳体的那根绳环夹持杆之间的空间。为了使滑动轴承起作用，绳环的组件不直接固定在结构壳体上。代之的是，如图5所示，将止动板结合进这一设计方案中，以保持绳环组件相对于结构壳体的位置。当阻尼器被加上负荷之后，由于滑动轴承导致在垂直方向上的内力平衡，所以，弯曲负荷被降至最小。带有可使摩擦负荷降至最低的不同的持久润滑剂的滑动轴承很容易大量购得。
摩擦构件如果滑动轴承不被润滑，则额外的能量可被耗散在本发明中。在这种情况下，轴承就变成了一个摩擦件。在对称的绳环布置方式中，通过象图14所示的那样添加两个摩擦件也可以实现上述目的。摩擦件的加入产生了不同于以前的获得了专利权的摩擦型能量吸收器的力偏移特征。在如美国专利US-4，955，467和US-4，901，829所描述的摩擦型能量吸收器中，阻尼器的整个摩擦行程上摩擦力是恒定的。在本发明中，摩擦力取决于阻尼器的偏移量。
通过恰当地选择阻尼器壳体和隔离垫板，可使摩擦件和中心杆之间存在一个小的间隙。这样，在阻尼器行程的中心部位，摩擦力将等于零。当阻尼器从中心行程位置移动到中间行程位置时，所说的间隙关闭，且出现了一个比较小的但增加了的摩擦力。该摩擦力被叠加到由偏移的绳环所提供的恢复剪切力中。当阻尼器的位移增加，越过中间行程位置抵达行程终点时，由于在垂直方向上的绳环增加了较大的恢复力的缘故，摩擦力变得非常的大。
本发明提供的可变化的摩擦力是所希望的，因为，当阻尼器行至中心/中间位置时，摩擦力是比较小的，因此，在限制管子的热膨胀方面几乎没有作用。当因瞬时负荷比如震动事件或者液力瞬变而导致管子的位移增加时，摩擦负荷变得非常的大，并同钢丝绳绳环的恢复力叠加，从而阻止管子的位移。
当阻尼器处于循环的时候，能量被由摩擦件所提供的循环摩擦力的迟滞所耗散。此外，这种能量耗散还包括由钢丝绳绳环的偏移所造成的能量耗散。
热间隙象美国专利申请07/915，477所公开的那样，本发明的阻尼器借助于平行的或者近乎平行的绳环的双线性刚度特性而提供管子的热膨胀。象美国专利申请07/808，132中所公开的那样，通过预压缩绳环组件，双线性曲线中的“软”的部分能够进一步增加，并允许管子额外地热膨胀。借助于间隙，本发明提供了第三种允许管子额外地膨胀的方法。如图4所示。这种间隙是由中心杆同一个管子和伸缩套杆组件的换位而提供的。由间隙规定的管子额外热膨胀的量是间隙大小的一个简单函数。在对称的绳环布置中，也可以提供类似的间隙。和常规的“有间隙的”阻尼器不同，把间隙结合进本发明不会对管子和支撑装置产生冲击负荷。这是因为在任何一端间隙关闭之后，钢丝绳导致了减速和能量吸收的缘故。Bdlleville盘簧被用进了本设计中，目的是当间隙突然关闭时，用其将内部零件之间的冲击负荷减至最小。本发明通过改变在阻尼器一端的螺纹止挡件的位置而提供了简单的调整间隙大小的方式。
本发明是一种结构简单、检查容易和极少维修保养的改进了的能量吸收和管子位移限制装置，其是美国专利申请07/808，132和07/915，477的变换形式。本发明还通过增加一个摩擦件而提供了限制瞬时位移和吸收能量的额外的措施。本发明还通过间隙的加入而提供了允许管子热膨胀的额外的措施。本发明可作为连接易发生由动态负荷和热变形所造成的位移的管子与相邻的设备的管子阻尼器。它可以用类似于螺套的方式进行调节，而且在压缩和扩张两方面具有对称的力偏移特征，该特征是抵抗负载下的弯曲的。
本发明以一种紧凑的方式布置钢丝绳绳环，以便将阻尼器的外形尺寸减至最小，所说布置可以是对称的，也可以是不对称的。绳环的布置方式可以多样化，包括一个使所有的绳环负载相等的有效装置。内部限位件提供了防止绳环过分位移的手段。安全销用以额外地吸收从前的能量，并作为阻尼器的负荷承受元件的薄弱环节。能量吸收摩擦件提供了一个可变化的摩擦力，该摩擦力在阻尼器的热膨胀范围内是极小的，而当阻尼器的位移超过热膨胀范围时，该摩擦力会大大增加。
本发明的新颖的装置包括一个具有限位件的中心杆，该中心杆在一个中央的空心圆筒内可伸缩地滑动。中心杆的两端具有限位件，其中的一个限位件是螺纹式的，以便提供一个可调的间隙。一个第二空心圆筒可伸缩地滑动地容纳所说中央圆筒的一端。该第二空心套筒提供了阻尼器的不变的长度调整。
连接第二圆筒的是一个端盖，该端盖具有间隔开的两壁并围绕中央圆筒的一个中间部分，以便在此处中央圆筒与端盖相对轴向移动。端盖用螺纹或者其它方式连接到一个作为框架或者壳体的圆管上。连接在圆管的另一端的是另外一个端盖，该端盖围绕中央圆筒的一个中间部分并允许相对轴向移动。第一基础件安装在中央圆筒的中央部分的圆柱面上。第二基础件则位于并固定于在第一基础构件对面的管子(框架或壳体)的壁的位置上。一个吸收能量的钢丝绳环的部件被固定在第一基础件和第二基础件之上，以便构成一个当所说的可调间隙设定为零时具有双线性力偏移特性，而当所说的可调间隙不为零时具有三线性力偏移特性的管子位移阻尼器，所说的每一个绳环具有处于预压缩状态的部分。
第一个基础件都包括一个绳环锁位件和一个绳环定位杆，以便确定吸收能量的钢丝绳绳环的预压程度，并因此调整双线性弹簧特性的刚度范围。
绳环可以用一根连续长度的钢丝绳制成。另一方面，绳环也可用单个长度的钢丝绳制成并由三个基础件锁定。不论在哪种情况下，钢丝绳绳环的偏移都限制在与中央圆筒连接的那个钢丝绳绳环基础件同壳体端盖之间的间隙内。
绳环的基础件可以由借助于摩擦力夹持钢丝绳的平行板构成，或者由为卡紧钢丝绳而填充了环氧树脂或铸造金属的空心管件构成。
当要求限制中央圆筒的径向弯曲时，在靠近同中央圆筒相连的那个第一基础件处添加一根加强杆。另外一种方案，是将一个滑动轴承设置在中央圆筒和第二基础件之间，以便限制中央圆筒的径向弯曲。
通过用摩擦件替代滑动轴承，可将阻尼器设计成吸收额外能量的形式。摩擦件可以设置在本发明所描述的绳环的不对称构造中，或者将多个摩擦件设置在绳环的对称构造中。
借助于安全销连接到中央圆筒上的是一个内部限位件。如果阻尼器的额定负荷被超过的话，安全销作为阻尼器的负荷承受件中的一个受控制的薄弱环节，并提供额外吸收能量的手段。
贝氏盘形弹簧设置在中心杆上，当所说的内部间隙中的任何一个因某个瞬时事件而突然关闭时，盘形弹簧在每一个间隙终结时动作，以减轻对内部限位件的冲击。
本发明装置连接在管子和相邻的设备之间，其具有在“安装点”螺套型调整阻尼器的能力。通过在第一和第二空心圆筒的远离中心杆的中间部位的端头制出旋向相反的螺纹并将带有圆形眼的连接杆通过螺纹可调地安装在所说端头能够实现这一点。
本发明以这种方式几何结构地布置隔离器，因此，允许本发明的一端连接到管子上，而另一端连接到一台静止设备上。该阻尼器允许热膨胀，表现出良好的缓冲特性并具有高的循环疲劳寿命。本发明能够承受扩张和压缩负荷而不弯曲，而且可以类似于螺套的形式进行调整。
本发明使用了一个“有间隙”的中心杆和在一个带有定位杆的“螺套”管内的钢丝绳绳环，该定位杆用以形成压缩状态。这样，通过提供一种具有三线性力偏移特性的可调的管子阻尼器解决了设计要求的矛盾。换句话说，本发明具有一个自由移动的范围和用于热膨胀的“软”弹簧范围及用于动态事件的“硬”弹簧范围。力偏移曲线的双线性部分是通过把绳环布置在平行平面或近乎平行的平面内，以及用改变壳体管的直径和增加定位杆的方式对绳环进行压缩而产生的。通过改变管子的直径和/或定位杆的厚度，弹簧的“软”的部分的范围可被改变，而通过改变装配的径向间隙可改变管子热变形和/或位移的程度。
可把一个摩擦件添加到本发明的阻尼器上，以便吸收额外的能量。由摩擦件所产生的摩擦力是可变的，因此，在阻尼器的“软”的范围内该摩擦力是极小的，而在阻尼器的“硬”的范围内摩擦会变得很大。因此，该摩擦力在限制管子热膨胀方面具有很小的作用，而且，提供了控制动态位移和吸收能量的额外的手段。
本发明的阻尼器的响应特性可通过改变间隙、钢丝绳的捻度或捻向、绳环配置的外形以及绳环的数量而设计。响应特性还可以通过压缩绳环和/或改变绳环的平行度(这样改变了弹簧刚度的范围)而改变。响应特性可通过增加摩擦件而进一步改变。
本发明以产生三线性力偏移特性方式配置间隙、隔离器和任选的摩擦件。这是同时满足管子的热位移和动态负荷保护所希望的特征。
图1是连在处理设备-一个泵和一个罐-之间的管子的正视示意图，图中示出了管子上温度变化的后果-亦即管子的冷状态和由管子内的热的流体所引起的热增长造成的管子的热状态。
图1A是一个类似于图1的视图，其中，一个刚性的管子阻尼器固定在“A”点，因此，管子不会象图1那样膨胀，但可在管子上造成一种超载状态，或者在处理设备上产生一种不能接受的负荷。
图2是一个承受着压缩负荷的可大量购得的隔离器的正视示意图。
图2A是一个承受着剪切负荷的可大量购得的隔离器的正视示意图。
图3是一个无负荷状态下的隔离器的正视示意图。
图3A是一个因剪切负荷而导致在剪切方向和垂直方向上偏移的隔离器的正视示意图。
图3B是一个偏移的隔离器的正视示意图，其在垂直方向上是被限制的，而在剪切方向有负荷。
图4是本发明的能量吸收和管子位移限制装置的正视示意图，该装置具有吸收能量的钢丝绳绳环，由于基础定位杆的缘故，每一个绳环具有处在一个预压缩状态的部分，该装置还具有一个具有开口的端头的滑动中心杆和一个滑动轴承，或者一个能量吸收滑动摩擦件。
图4A是沿图4中4A-4A线的剖视图。
图4B是沿图4中4B-4B线的剖视图。
图4C是一个用以确定中央圆筒位置和钢丝绳绳环上的负荷量的有目视刻度的指示器和另一个在中心杆组件上的用以确定组件在所说间隙内的偏移的有目视刻度的指示器的局部放大图。
图5是一个没有使用滑动的、有间隙的中心杆组件的阻尼器的正视示意图。
图5A是沿图5中5A-5A线的剖视图。
图6是具有由连续长度的钢丝绳制成的近乎平行的绳环的隔离器的正视示意图。
图6A是沿图6中6A-6A线的剖视图。
图6B是具有由单个长度的钢丝绳制成的平行的绳环的隔离器的正示意图。
图6C是沿图6B中6C-6C线的剖视图。
图7是描述夹持钢丝绳绳环的一种夹持方式的正视示意图。
图7A是描述以环氧树脂或者铸造金属夹持钢丝绳绳环的方式的正视示意图。
图8是用填充环氧树脂或者铸造金属的方式将钢丝绳绳环夹持在中央管内的一个阻尼器的正视示意图。
图8A是沿图8中8A-8A线的剖视图。
图9是一个表示把不对称的绳环构件装进本发明的正视示意图在此没有限制中央筒的径向弯曲的滑动轴承。
图9A是沿图9中9A-9A线的剖视图。
图10是一个正视示意图，其表示了把一个不对称的绳环构件以及一个加强件装进了本发明。
图10A是沿图10中10A-10A线的剖视图。
图11是一个示意图，其中示出了装进本发明的不对称的绳环构件，为了容易肉眼观察，绳环暴露在负荷承受件的外部。
图11A是图11的正视示意图。
图11B是沿图11A中11B-11B线的剖视图。
图12是两个结合在一起的隔离器的正视示意图。
图12A是沿图12中12A-12A线的剖视图。
图13是显示装进本发明的对称布置的绳环构件的正视示意图。
图13A是沿图13中13A-13A线的剖视图。
图14是一个装进本发明的对称布置的绳环构件和滑动摩擦件的正视示意图。
图14A是沿图14中14A-14A线的剖视图。
图15是一个显示把多个隔离器装进阻尼器的正视示意图。
图16是一个显示把三个隔离器装进阻尼器的端视示意图。
图16A是一个显示把四个隔离器装进阻尼器的端视示意图。
图17是一个具有图4和图4A所示的平行绳环且绳环没有再次压缩的典型的装置的双线性弹簧特性曲线图。
图18是一个如图15和15A所示的、具有例如38毫米(1.5英寸)的预压量以及51毫米(2英寸)的中心杆间隙的典型的装置的三线性力偏移特性曲线图。
图中，数字1表示根据本发明原理制造的、结构简单、易于检查和极少维修的、改进的能量吸收及管子位移限制装置或管子阻尼器。该装置用于容易因动态负荷和热变化负荷或者热变形而发生位移的管子同一个相邻的设备之间的连接。
装置1是一个组件，其包括一个中心杆2，一个带有一种旋向的内螺纹的空心套筒12安装在中心杆的一端，一个带有相反旋向的内螺纹的空心套筒6安装在中心杆的相反的一端，每一个圆筒的内螺纹均在它们的远离中心杆2的中间部分的那端。
中心杆2在其一端被两个盘形弹簧和一个空心圆筒8以滑动套筒关系容纳。而在它的相反的一端，中心杆2上制有螺纹，用以同一个带内螺纹的环10连接，通过一个销42将环10锁定在中心杆2上。那个一端带有内螺纹的圆筒12的另一端具有一个定位螺栓14，该定位螺栓14紧压在中心杆2上的平面46上，以便一旦间隙设定之后防止松脱。借助于设置在壳体上的一个孔50将入口通到定位螺栓14。
中心杆2被两个贝氏盘形弹簧38和限位圆筒8以套筒的关系容纳。中心杆组件2，8，10，12和38被一个中央圆筒4以内部滑动的套筒的关系容纳。限位圆筒8借助于一个安全销44安装在中央圆筒4上。安全销44这样定尺寸-即使其成为负荷承受件的薄弱环节。安全销44还为装置的损坏提供了安全系数。如果将损坏负荷施加到阻尼器上的话，安全销44还提供了吸收能量和限制建筑设施上的负荷的额外的手段。
同圆筒6相连的是一个具有一个侧壁18其与中央圆筒4的中间部分相隔并将其包围的管子或壳体16。管子或壳体16还具有端壁20和22，每一个端壁上具有轴套或开口24，以便允许机架16在圆筒4上并相对圆筒4没有轴向约束地滑动。
一个具有绳环32的、用I1表示的隔离器装在管16内，其分别包括一个安装在圆筒4的中间部分的圆柱面上的第一基础成型件26和一个安装在与第一基础件26相对的壁18上的第二基础成型件28。隔离器I1的第二基础件28由固定在壳体16上的端板60和62固定就位。基础成型件26和它的对立物28相互之间隔开设置，隔开的距离取决于具有厚度的其它成型件或者垫板30，以确定吸收能量的钢丝绳绳环32将经受多大量的预压缩。这一预压缩的量决定象图16所示的那样弹簧特性。
一个自润滑的滑动轴承56限制了中央圆筒4的径向弯曲应力。另一种变换方案是，通过不使用润滑的表面，可使滑动轴承56起摩擦件的作用。这种滑动件提供了改变阻尼器的力偏移特性和吸收额外的能量的手段。基础件26同端盖20和端盖22之间的间隙由允许隔离器I1移动的最大行程确定。
以螺纹拧进上述第一和第二空心圆筒6和12的分别是连接杆34和36，连接杆34和36具有旋向相反的螺纹，用以同在圆筒的远离中心杆2的中间部分的那端上的螺纹相啮合。锁紧螺母40防止杆端34和36的松脱。安装在中央圆筒4内的是一个键48，其由做在圆环10上的一个键槽容纳，以便当设定所说间隙或以一个螺套的方式调整阻尼器的长度之后，防止中心杆相对中央圆筒转动。例如，连接杆之一将连接到一个管系件(未示出)上，而另一端连接到一个相邻的设备(未示出)上，该设备可以是一个静止的设施比如建筑物的一部分，或者是处理设备的一个相邻的部件。可以在圆筒6和12上设置一些孔(未示出)，以便确定连接杆34和36分别同圆筒6和12的最小的螺纹配合。
在圆筒12的一端加工一个平面，在该平面上刻出目视刻度52，以此指示中心杆2相对于中央圆筒4的间隙位置。在中央圆筒4的一端也机械加工出了一个平面，其上刻出了目视刻度54，中央圆筒4的这端还具有铭牌58，以便确定钢丝绳绳环的偏移和负荷大小。
本发明可以有各种各样的变化结构。图5至图16示出了本发明的各种形式及它的构件。参见图5，在隔离器I1的双线性刚度特性具有一个保证管子的热膨胀范围的足够柔软的范围的情况下，可以取消中心杆组件2，8，10，12和38。在这种情况下，空心管4装纳了连杆端36。借助安全销68和70将一对盘64和66安装在中央圆筒4上。盘64和端盖20之间的间隙以及盘66和端盖22之间的间隙是由允许隔离器移动的最大行程决定的。如果破坏负荷被施加到阻尼器上的话，则安全销68和78还提供一种吸收某时的能量并限制建筑设施上的负荷的额外的手段。
参见图6，当每一个绳环32承受几乎相等的负荷时，隔离器I1的效率提高。与相对的双向的相比，通过在单一方向上用连续的钢丝绳制成绳环32，则隔离器I1的效率提高。参见图6B，当绳环32是平行的并因此而均承负荷时，效率低可以消除。在这种情况下，绳环32是由单个长度的钢丝绳制得的，这些钢丝绳被夹紧在三个基础件26、27和29之间。基础件27和29由保持件72固定在一起。
参见图7，基础件26，27，28和29是借助于两块板74和76之间的摩擦夹紧力夹持钢丝绳绳环32的。另一方面，基础件26，27，28和29还可通过把环氧树脂或者铸造金属80装填进管子78内来夹持钢丝绳绳环32。参见图8，这一相同的原理可以扩展为把钢丝绳绳环32穿过中央圆筒4并把环氧树脂或者铸造金属80填进中央圆筒4来夹持绳环32。
参见图9，如果中央圆筒4具有足够的截面特性去限制它的径向弯曲和弯曲应力，则滑动轴承56就不需要了。在这种情况下，基础件26和垫板30直接固定在壳体16的壁18上。
参见图10，如果增加一个加强件82且中央圆筒4、基础件26和加强件82的结合后的截面特性足以限制中央圆筒的径向弯曲和其上的弯曲应力，则也可以不要滑动轴承。
参见图11，在必须能观察到绳环32而又不能拆卸装置的情况下，隔离器I1可以暴露在结构壳体16的外面。在这种情况下，在壳体16上设置了一条槽86，以便允许基础件26穿过它而固定在中央圆筒4上。槽86的长度由绳环32的最大的允许行程决定，由该行程取决于基础件26的端部和槽的端部之间的间隙。可以增加加强件82和84，以便限制中央圆筒4和结构壳体16的径向弯曲和弯曲应力。
参见图12，可以以使它们的绳环32交错的方式设置两个平行绳环隔离器I1和I2。这种对称的配置消除了中央圆筒的弯曲，从而提供如图13所示的紧凑结构的阻尼器。
两个或多个隔离器的使用不防碍摩擦件的使用。例如，参见图14，摩擦件88和90被引进了一个使用了两个隔离器I1和I2的方案中。
刚度特性可以通过把多个隔离器装进装置而进行改变。例如，参见图15，四套隔离器I1，I2，I3，和I4沿着阻尼器的中央圆筒4配置成两组。隔离器组还可以围绕中央圆筒4布置。图16和16A分别示出了三组隔离器I1，I2和I3及四组隔离器I1、I2、I3和I4围绕中央圆筒布置的情况。
参见图17所示的力偏移曲线，一个隔离器的双线性刚度曲线的软的部分可通过改变绳环平面之间的夹角以及绳环经受的预压缩量而进行改变。图17示出了来自一个具有平行的绳环布局的且绳环设有预压缩的隔离器的试验结果。图17所示的曲线的软的部分的范围可通过预压缩钢丝绳绳环而进一步增加。
参见图18所示的力偏移曲线，这是为本发明的一个特殊的例子确定的间隙和“软”、“硬”弹簧范围。假如管子沿着阻尼器的轴线有114毫米(4.5英寸)的热位移，则应当这样设定阻尼器的间隙和长度-即当管子是冷的时候，阻尼器被偏移到CP点。随着管子膨胀，隔离器被偏移到HP点。随着管子增长，阻尼器施加在管子上的恢复力从约-1335牛屯顿(-300磅)增加到约1335牛顿(300磅)。平均的“有间隙的软的(gappedsoft)”弹簧系数约是21.9千牛/米(125磅/英寸)。一旦处于热的状态，则平均的弹簧系数约是263千牛/米(1500磅/英寸(或者是软的弹簧系数的5倍。当管子遭受到动态负荷时，这种高的弹簧系数可更好地限制位移。弹簧系数的这一比值可通过选择隔离器I1、管子16的直径、绳环平面的相对角度、设定的间隙和/或垫板30的厚度而进行改变。由于力偏移曲线在拉伸的或压缩的负荷下是对称的，因此，阻尼器可以这样设置-即它随着管子的膨胀而伸长或者随着管子的膨胀而缩短。此外，通过简单地调整设定的间隙，可使一个阻尼器具有变化的热位移。
因此，由所描述的结构布局可以看出，本发明提供了一种用以控制由地震事件、流体引起的振动和设备引起的振动等动态负荷所导致的管子位移的装置。本发明几何结构地布置隔离器，以便生产具有三线性力偏移特性的阻尼器。本发明提供了一个间隙和一个“软”弹簧范围，因此，能允许管子热膨胀。还提供了一个“硬”弹簧范围，因此，能控制管子的动态位移。“硬”弹簧的范围和刚度是通过选择隔离器和基础件26同壳体端壁20和22之间的间隙而控制的。“软”弹簧的范围是通过选择隔离器和隔离器被预压缩的量而控制的。本发明可以承受拉伸和压缩力。本发明使隔离器稳定，以便防止在压缩负载下阻尼器的整体结构弯曲。滑动轴承限制中心杆2和中央圆筒4上的应力和径向弯曲。通过选择滑动轴承的表面和不用润滑剂可使滑动轴承成为吸收额外能量的摩擦件。本发明通过端壁20和22的配置限制隔离器所可能经历的最大偏移。本发明利用一个安全销44来提供一个薄弱环节并因此而控制阻尼器的破坏方式、吸收额外的某时的能量及限制邻近设旋上的负荷。本发明是简单的，无需维修，且具有高的循环疲劳寿命。
权利要求
1.一种结构简单、易于观察和极少维修的改进的能量吸收及管子位移限制装置，该装置用于易因动态负荷和热变形而产生位移的管子和相邻设施之间的连接，且在拉伸和压缩两方面具有对称的力偏移特性，这种特性阻止负荷下装置弯曲，其特征在于它包括一个具有可调的间隙的组件，该组件包括一个套在一个空心的中央圆筒内的中心杆和一个可伸缩滑动地容纳上述中心杆的一端的第二空心圆筒；一个连接到上述第二圆筒和隔开布置的限定壁上的、围绕中央圆筒的中间部分且可相对中央圆筒轴向移动的管形框架；一个安装在中央圆筒的中间部位的第一基础件；一个安装在上述第一基础件对面的壁上的第二基础件；一个安装在第二基础件和中央圆筒之间的滑动轴承或者摩擦件；一个吸收能量的钢丝绳绳环构件，每一个绳环具有处在预压缩状态的部分，所说构件固定在上述第一基础件和第二基础件上，当其与上述滑动的有隙的中心杆结合之后，构成了一个具有三线性力偏移特性的管子位移阻尼器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，固定在中央圆筒上的那个钢丝绳环基础件和壳体端壁之间的间隙限制上述中央圆筒和第二圆筒的相对轴向移动。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，基础件包括决定吸收能量的钢丝绳绳环的预压缩程度的垫板。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，相邻的绳环是单个长度的吸收能量的钢丝绳，每个绳环构成相互之间基本上平行的平面，这样，可产生双线性弹簧刚度特性。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，相邻的绳环是由连续长度的吸收能量的钢丝绳构成，每一个绳环构成相互之间近乎平行的平面，这样，可产生双线性弹簧刚度特性。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，绳环以不对称的方式围绕中心杆配置，其形成紧凑的外形。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一和第二空心圆筒的远离上述中央圆筒和中心杆的中间部分的那端具有螺纹，它们中之一是右旋螺纹，而另一个是左旋螺纹，为了调节管形框架的相对长度并因此而限制管子的移动，在每一个圆筒的远端在所述圆筒螺纹内可调节地安装了一个连接杆，从而提供一种螺套型的调节方式。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，钢丝绳环基础件和壳体端壁之间的间隙是可调的，从而提供了一种限制吸收能量的钢丝绳绳环的变形的手段。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，中央圆筒和限位圆筒之间的安全销起一个薄弱环节的作用，以便在破坏负荷下控制装置的破坏方式、吸收额外量的能量及限制建筑设施上的负荷。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，中心杆具有两个限位件，其中的一个限位件借助于中心杆一端上的、与该限位件的内螺纹相配合的外螺纹而进行调节，从而保证间隙的调整并因此而允许中心杆在中央圆筒内自由相对移动。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，安装在第二基础件和中央圆筒之间的一个滑动轴承限制因不对称的绳环布置而导致的中央圆筒和中心杆的弯曲和弯曲应力。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，滑动轴承是无润滑的，起一个滑动摩擦件的作用，且具有吸收额外的能量的摩擦力，摩擦力的大小是吸收能量的钢丝绳绳环的偏移量的函数，该摩擦力在限制管子的热膨胀方面几乎不具作用，但在一个管子阻尼事件期间，随着阻尼器移向它的行程的终点，摩擦力会增大。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，钢丝绳绳环暴露于结构壳体的外部，以便保证既容易观察钢丝绳绳环而又不拆卸阻尼器的构件。
14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，在负荷传递到钢丝绳绳环期间以及在由上述绳环和任选的摩擦件造成的减速和能量吸收期间，当所述间隙突然关闭时，该间隙不会在设备或者管子上产生冲击负荷。
15.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，当因负荷传递到贝氏盘形弹簧而导致间隙突然关闭时，该间隙不会对阻尼器的内部限位件产生冲击。
全文摘要
用于安装在一个管子和一个相邻设施之间的隔离器(I
文档编号F16L3/16GK1076513SQ92115320
公开日1993年9月22日 申请日期1992年12月16日 优先权日1991年12月16日
发明者L·A·罗修克 申请人:Abb推动公司