自开启位移型调节式水力吸耗能器的制作方法

本实用新型涉及一种耗能器，尤其是涉及一种自开启位移型调节式水力吸耗能器。

背景技术：

大跨度悬索桥能跨越大江大河，可避免深水基础的施工而得到广泛应用。但由于其跨度大，钢箱梁和主缆阻尼小，极易在大风作用下发生大幅扭转或弯-扭组合振动而导致桥梁破坏，其抗风稳定性问题是限制其跨度进一步加大的主要影响因素。增大悬索桥阻尼，可以显著提高其抗风稳定性，但超大跨度悬索桥多处于交通繁忙的航道之上，为保证通航安全，航道中很难设置永久性固定设施，因此，目前没有很好的方法增加钢箱梁或主缆的阻尼。

阻尼器是增加结构阻尼的最直接可靠的办法，并且可抑制结构多种形态的振动。阻尼器两端安装于结构之上，通过结构间的相对运动驱动阻尼器耗能减振，其耗能大小与结构在阻尼器两安装点的相对运动大小直接相关。阻尼器的长度与悬索桥跨度相比很小，因此现有阻尼器很难提高悬索桥钢箱梁或主缆的阻尼。

桥梁施工时常在航道处安装临时抗风桩，用钢缆连接钢箱梁和抗风桩，提高钢箱梁抗风稳定性，但需要在抗风桩处停泊船只和警示标志。在桥梁施工完成后，临时设施必须清理干净，抗风缆也被清除。成桥后的大跨度悬索桥只在大风作用下才发生大幅振动，发生振动持续时间短，且此时船只大都进港避风，航道船只相对稀疏。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种结构简单、操作方便、成本低的自开启位移型调节式水力吸耗能器，能够在桥梁振动较大时自动开启，通过水力吸耗能及向水中传输结构振动动能，抑制桥梁振动。

本实用新型采用的技术方案是：包括钢箱梁、转筒、吊绳及挂篮，所述的转筒安装在钢箱梁上，吊绳的一端固定在转筒上，另一端与挂篮链接；

所述的挂篮包括挂篮外框、阀座、阀芯、导杆及弹簧，所述的挂篮外框为一个下端开口的长方体形盒状结构，挂篮外框的顶板上设有通水孔，通水孔处设有盖板，盖板铰接在挂篮外框的顶板上；阀座为一筒状结构，安装在挂篮外框的顶板上，阀座内固定有中心圆盘，导杆上端固定安装在中心圆盘上；中心圆盘底面上固定有电磁铁；导杆上设有阀芯， 导杆的下端与阀芯之间设有弹簧。

上述的自开启位移型调节式水力吸耗能器中，所述的钢箱梁的底板上设有容纳挂篮的凹槽，凹槽的底部对应于挂篮的四个角分别设有托肩，托肩与挂篮外框的底面之间设有滚珠或润滑油；每个托肩处分别设有两个挡板，两个挡板平行于相对应的挂篮外框的侧壁，挡板通过限位弹簧与凹槽的侧板连接。

上述的自开启位移型调节式水力吸耗能器中，所述的挂篮外框的顶板的四个角处分别连接一根挂绳，四根挂绳均与吊绳链接。

上述的自开启位移型调节式水力吸耗能器中，还包括抱紧装置，抱紧装置安装在钢箱梁上，所述的抱紧装置包括外筒、定闸瓦、动闸瓦及抱紧螺杆；所述的定闸瓦、动闸瓦安装在外筒内，外筒上对应于动闸瓦设有一螺纹孔，抱紧螺杆安装在螺纹孔内，抱紧螺杆的内端能够顶紧动闸瓦抱紧吊绳。

上述的自开启位移型调节式水力吸耗能器中，所述的抱紧装置的外筒底部固定安装有托板，托板通过弹簧支撑在钢箱梁上；托板的底面上边缘处设有第一绝缘板，对应于第一绝缘板，梁底板上设有第二绝缘板；第一绝缘板和第二绝缘板之间安装滑动开关，中心圆盘底面上的两电磁铁的导线通过滑动开关连接电源。

上述的自开启位移型调节式水力吸耗能器中，所述的钢箱梁或吊绳上设有报警装置。

本实用新型的工作原理如下：

在无人力或其它控制手段参与下，挂篮进入水体内，在重力作用下张紧吊绳，其耗能及将动能由钢箱梁传递至水体原理按钢箱梁振动一个周期分三个阶段为：（由于挂篮不露出水面，挂篮传递给吊绳的力小，弹簧的变形小，滑移开关始终处于闭合状态，其中阀座的中心孔因磁力始终关闭）。

（1）钢箱梁由最低位置向平衡位置移动的过程中，挂篮在吊绳牵引下由下往上加速运动，此时（阀座中心孔因磁力吸住阀芯始终关闭）挂篮上的通水孔的盖板闭合，挂篮和其内水体动能增加，并驱动挂篮上方及下方部分水体流动，所有动能来源于吊绳驱动挂篮所做的功。（与此同时，挂篮的势能也增加，但由于在整个振动周期中，挂篮的势能的变化为零，因此不分析势能的变化。）吊绳给挂篮及水体做功的同时也给钢箱梁做负功，相当于钢箱梁的部分动能由吊绳传递给了水体和挂篮。

（2）钢箱梁1由平衡位置向最高位置移动的过程中，挂篮在吊绳的牵引下，由下往上减速运动，挂篮和其内水体动能减小，但同样驱动挂篮上方及下方部分水体流动，通过流体摩擦耗能；当挂篮随钢箱梁上升的速度进一步减小后，部分流体在惯性作用下上升速度大于挂篮，流体冲开挂篮上的通水孔的盖板，此时具有较大动能密度的水体离开挂篮，周边水体补充流入，形成局部小循环，挂篮内水体动能迅速流失；由于吊绳为柔性，挂篮只能被钢箱梁拉动，而不能推动钢箱梁运动，因此，这过程中初始阶段挂篮给钢箱梁做负功，减小钢箱梁的动能，后期挂篮内水体动能流入周围水体，其不给钢箱梁做功。

（3）钢箱梁由最高位置向最低位置移动的过程中，挂篮在重力作用下克服水体阻力下降，此时挂篮上的通水孔的盖板被水体阻力冲开，其可减小水体阻力保证挂篮与钢箱梁同时达到最低位置。（在这过程中，挂篮的势能减小，部分势能被水体阻尼耗散，部分势能通过吊绳给钢箱梁做正功，被钢箱梁吸收。但由于在整个振动周期中，挂篮的势能的变化为零，可以不考虑挂篮势能变化。）因此，此过程中，水体同样在吸收钢箱梁的动能。

在有人力或其它控制手段参与下，挂篮进入水体内，在重力作用下张紧吊绳。通过观察，转动转筒，提升挂篮至水面位置，部分露出挂篮上部，旋转抱紧装置的抱紧螺杆固定吊绳。此时本实用新型的吸能与耗能原理按钢箱梁振动一个周期分为三个阶段：

（1）当抱紧装置位置的钢箱梁由最低位置向平衡位置移动的过程中，挂篮在吊绳的牵引下由下往上加速运动，此时挂篮中心孔因磁力关闭，挂篮上的通水孔的盖板因水的流动闭合，挂篮和其内水体动能增加，并驱动挂篮上方及下方部分水体流动，所有动能来源于吊绳驱动挂篮所做的功。（与此同时，挂篮势能也增加，但由于在整个振动周期中，挂篮势能的变化为零，因此不分析势能的变化。）吊绳给挂篮及水体做功的同时也给钢箱梁做负功，相当于钢箱梁的部分动能由吊绳传递给了水体和挂篮。

（2）抱紧装置位置的钢箱梁由平衡位置向最高位置移动的过程中（挂篮下边缘始终低于外水面，保证空气不能从挂篮下方进入），挂篮在吊绳的牵引下由下往上减速运动，（可忽略挂篮和其内水体动能的减小），挂篮内高出水面的液体（水）的体积和高度随挂篮高度增加而增加，液体势能增加可视为 ，其中ρ为水密度，g为重力加速度，A为提升液体的横截面面积，h为提升液体高出水面的高度；当挂篮随钢箱梁1上升到一定高度后，挂篮及其内高出水面液体的重力较大，弹簧受压变形超过预定值时，其带动滑动开关的一边下移过大而断开电路，导致电磁铁工作中断，提升液体对阀芯吸力使阀芯脱落，空气从阀座的中心孔进入，挂篮内液体在重力作用下流出挂篮，液体势能变为动能进入水体。

（3）钢箱梁由最高位置向最低位置移动的过程中，挂篮在重力作用下克服水体阻力下降，此时挂篮上的通水孔的盖板被水体阻力冲开，其可减小水体阻力保证挂篮与钢箱梁同时达到最低位置。（在这过程中，挂篮势能减小，部分势能被水体阻尼耗散，部分势能通过吊绳给钢箱梁做正功，被钢箱梁吸收。但由于在整个振动周期中，挂篮的势能的变化为零，可以不考虑挂篮势能变化。）因此，此过程中，水体同样在吸收钢箱梁的动能。在挂篮下落过程中，由于高出水面的液体已流出，吊绳拉力减小，弹簧变形减小，滑动开关闭合，电磁铁开始工作，并且在水的顶升下，阀芯上移，重新被电磁铁吸住。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1）本实用新型结构简单，成本低。

2）在无外加控制因素时，对于发生较大幅度的钢箱梁，通过吊绳连接钢箱梁和挂篮，驱动挂篮及其内和周边小范围内液体（水）在水中运动（挂篮总处于水面下），实现将钢箱梁动能传递给挂篮及其内液体，其内液体在具有最大动能密度（动能/体积）时，其迅速向周围水体流动，带走其内液体动能，实现主梁振动每一个周期实现挂篮内液体吸能和排能（排向周围水体，为下一次吸能准备）一次；同时挂篮的运动，与周边水体产生摩擦，通过摩擦同时消耗部分能力。

3）在有外加控制因素时，将挂篮提升至水面位置附近，在主梁的每一个振动周期内，吸耗能器可分步实现：挂篮与水体摩擦耗能（挂篮在水中）；主梁振动机械能（包括动能与形变势能）转变为挂篮内液体重力势能，重力势能流失与水体，不再转换成主梁振动机械能，实现吸耗主梁振动机械能，从而抑制主梁振动；利用高出水面重力对支承弹簧的作用，设计滑移开关，实现对电磁铁的供电和断电，从而通过钢箱梁的振动位置实现对挂篮内高出水面液体流出的控制，最大限度提高吸耗能器的效率。

4）通过弹性限位装置保持挂篮在小扰动时的平衡。

5）通过弹性限位装置、减小摩擦的球形圆珠，并利用桥梁一定幅度振动的主梁倾斜角度，实现吸耗能器挂篮的自动脱落，从而自动开启吸耗能器的工作；当吸耗能器完成工作后，吸耗能器能方便地重新归位，等待下一次工作的启动，最大限度减小对航道通航的影响。

6）通过挂篮上的通水孔及盖板的设计，下落时水力作用将盖板打开，减小流体对挂篮阻力，保证挂篮迅速下沉，与钢箱梁同时达到最低位置；在钢箱梁牵引挂篮加速上升时，水力作用将盖板关闭，保证挂篮内水体与挂篮具有相同的速度，实现尽量多的动能从钢箱梁向水体的传递。

7）保险绳的设计，避免意外事故的发生。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是图1中C处的放大图。

图3是本实用新型的抱紧装置的主视图。

图4是图3中的D-D剖视图。

图5是本实用新型的挂篮的主视图。

图6是图5中的B-B剖视图。

图7是本实用新型工作时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1-6所示，本实用新型包括钢箱梁1、转筒3、吊绳5、抱紧装置4及挂篮6，所述的转筒3安装在钢箱梁上，吊绳的一端固定在转筒上，另一端绕过钢箱梁1上的滑轮2与挂篮6链接。

如图5、6所示，所述的挂篮6包括挂篮外框12、阀座、阀芯21、导杆23及弹簧22，所述的挂篮外框12为一个下端开口的长方体形盒状结构，挂篮外框12的顶板上设有两个通水孔14，通水孔14处设有盖板13，盖板13通过扭簧安装在挂篮外框12的顶板上；盖板13一般处于盖紧状态，但预紧力小，下方水流可轻松冲开盖板13，保证水流只能从挂篮6的下方往上方单向流动。所述的挂篮外框12的顶板的四个角处分别连接一根挂绳35，四根挂绳35连接后通过保险绳36与吊绳5链接。挂篮外框12的底部四个角内侧分别设有一角板8。

阀座为一筒状结构，安装在挂篮外框12的顶板上，阀座内通过连杆15安装有中心圆盘16，中心圆盘16中心设有导向孔，导杆23穿过导向孔，并通过上螺母18和下螺母19固定在中心圆盘16上。中心圆盘16底面上固定有两个电磁铁17、20，两个电磁铁17、20位于导杆23的两侧；导杆23上设有阀芯21， 导杆23的下端与阀芯21之间设有弹簧22。

如图2所示，所述的钢箱梁1的底板上设有容纳挂篮6的凹槽，凹槽的底部对应于挂篮6的四个角分别设有托肩11，托肩11与挂篮外框12的底面之间设有滚珠7，以减小托肩11和挂篮外框12之间的摩擦力。每个托肩11处分别设有两个挡板9，两个挡板9分别平行于相对应的挂篮外框12的侧壁，挡板9通过限位弹簧10与凹槽的侧板连接。挡板9和限位弹簧10保证挂篮6处于凹槽中心并保持平衡，并在风的直接作用下不产生足够滑落的侧移，但在钢箱梁1发生一定的倾斜角度时滑落。

如图3、4所示，所述的抱紧装置包括外筒24、定闸瓦25、动闸瓦26、抱紧螺杆27、内筒28及托板29；所述的外筒24的底部固定安装在托板29上，托板29通过弹簧34支撑在钢箱梁1上；托板29的底面上边缘处设有第一绝缘板30，对应于第一绝缘板30，钢箱梁1的底板上设有第二绝缘板32；第一绝缘板30和第二绝缘板32之间安装滑动开关31，中心圆盘16底面上的两电磁铁的导线通过滑动开关31连接电源。所述的外筒24内的下部设有内筒28，定闸瓦25、动闸瓦26安装在外筒24内，位于内筒28的上方。外筒24侧壁上对应于动闸瓦26设有一螺纹孔，抱紧螺杆27安装在螺纹孔内，抱紧螺杆27的内端能够顶紧动闸26瓦抱紧吊绳。抱紧螺杆27使挂篮6缓慢下落并掉入水中，防止了挂篮6高速掉落发生意外。

本实用新型对于上述技术方案可能的改造如下：

1）钢箱梁1或/和吊绳5上可以安装报警装置。

2）挂篮6上可以安装叶片或风扇，叶片或风扇既能够耗能，又能将部分能量转化为电能或其它能量，用于驱动警示灯或声音报警。

3）将本实用新型安装于钢箱梁1的外侧，将转筒3安装于悬索桥主缆，即采用不同的安装部位。

4）将挂篮6的形式变化，如多层挂篮增大耗能效率，流线型减小流水及风的水平作用力，在挂篮外加防撞装置保证安全。

5）在挂篮6与托肩11间采用其它减小摩擦装置，如：加万向轮、润滑油、磁悬浮等。

6）将自开启改为手动、电动、遥控或其它能量输入方式。

7）本实用新型同样适用于其它流体介质。

8）通过增加远程观察和控制系统，可在船只经过时及时提升挂篮，避免船只碰撞。

如图7所示，本实用新型使用时，在无人力或其它控制手段参与下，挂篮6进入水体内，在重力作用下张紧吊绳5，其耗能及将动能由钢箱梁1传递至水体原理按钢箱梁1振动一个周期分三个阶段为：（由于挂篮6不露出水面，挂篮6传递给吊绳5的力小，弹簧34的变形小，滑移开关31始终处于闭合状态，其中阀座的中心孔因磁力始终关闭）。

（1）钢箱梁1由最低位置向平衡位置移动的过程中，挂篮6在吊绳5牵引下由下往上加速运动，此时（阀座中心孔因磁力吸住阀芯21始终关闭）挂篮6上的通水孔14的盖板13闭合，挂篮6和其内水体动能增加，并驱动挂篮6上方及下方部分水体流动，所有动能来源于吊绳5驱动挂篮6所做的功。（与此同时，挂篮6的势能也增加，但由于在整个振动周期中，挂篮6的势能的变化为零，因此不分析势能的变化。）吊绳5给挂篮6及水体做功的同时也给钢箱梁1做负功，相当于钢箱梁1的部分动能由吊绳传递给了水体和挂篮6。

（2）钢箱梁1由平衡位置向最高位置移动的过程中，挂篮6在吊绳5的牵引下，由下往上减速运动，挂篮6和其内水体动能减小，但同样驱动挂篮6上方及下方部分水体流动，通过流体摩擦耗能；当挂篮6随钢箱梁1上升的速度进一步减小后，部分流体在惯性作用下上升速度大于挂篮6，流体冲开挂篮6上的通水孔14的盖板13，此时具有较大动能密度的水体离开挂篮6，周边水体补充流入，形成局部小循环，挂篮6内水体动能迅速流失；由于吊绳5为柔性，挂篮只能被钢箱梁1拉动，而不能推动钢箱梁1运动，因此，这过程中初始阶段挂篮给钢箱梁做负功，减小钢箱梁1的动能，后期挂篮6内水体动能流入周围水体，其不给钢箱梁1做功。

（3）钢箱梁1由最高位置向最低位置移动的过程中，挂篮6在重力作用下克服水体阻力下降，此时挂篮6上的通水孔14的盖板13被水体阻力冲开，其可减小水体阻力保证挂篮6与钢箱梁1同时达到最低位置。（在这过程中，挂篮6的势能减小，部分势能被水体阻尼耗散，部分势能通过吊绳给钢箱梁1做正功，被钢箱梁1吸收。但由于在整个振动周期中，挂篮6的势能的变化为零，可以不考虑挂篮势能变化。）因此，此过程中，水体同样在吸收钢箱梁1的动能。

综上，在钢箱梁1振动过程中，本实用新型都做负功，吸耗钢箱梁1的振动，有效起到了抑制钢箱梁1振动的作用。

在有人力或其它控制手段参与下，挂篮6进入水体内，在重力作用下张紧吊绳。通过观察，转动转筒，提升挂篮6至水面位置，部分露出挂篮6上部，旋转抱紧装置4的抱紧螺杆27固定吊绳5。此时本实用新型的吸能与耗能原理按钢箱梁振动一个周期分为三个阶段：

（1）钢箱梁1由最低位置向平衡位置移动的过程中，挂篮6在吊绳5的牵引下由下往上加速运动，此时阀座的中心孔因电磁铁17、20吸住阀芯21而关闭，挂篮6上的通水孔14的盖板13因水的流动闭合，挂篮6和其内水体动能增加，并驱动挂篮6上方及下方部分水体流动，所有动能来源于吊绳5驱动挂篮6所做的功。（与此同时，挂篮势能也增加，但由于在整个振动周期中，挂篮势能的变化为零，因此不分析势能的变化。）吊绳5给挂篮6及水体做功的同时也给钢箱梁1做负功，相当于钢箱梁1的部分动能由吊绳传递给了水体和挂篮。

（2）钢箱梁1由平衡位置向最高位置移动的过程中（挂篮6下边缘始终低于外水面，保证空气不能从挂篮下方进入），挂篮6在吊绳5的牵引下由下往上减速运动，（可忽略挂篮和其内水体动能的减小），挂篮6内高出水面的液体（水）的体积和高度随挂篮高度增加而增加，液体势能增加可视为E=ρgAh²，其中ρ为水密度，g为重力加速度，A为提升液体的横截面面积，h为提升液体高出水面的高度；当挂篮6随钢箱梁1上升到一定高度后，挂篮6及其内高出水面液体的重力较大，弹簧34受压变形超过预定值时，其带动滑动开关31的一边下移过大而断开电路，导致电磁铁工作中断，提升液体对阀芯21吸力使阀芯21脱落，空气从阀座的中心孔进入，挂篮6内液体在重力作用下流出挂篮6，液体势能变为动能进入水体。

（3）钢箱梁1由最高位置向最低位置移动的过程中，挂篮6在重力作用下克服水体阻力下降，此时挂篮6上的通水孔14的盖板13被水体阻力冲开，其可减小水体阻力保证挂篮6与钢箱梁1同时达到最低位置。（在这过程中，挂篮势能减小，部分势能被水体阻尼耗散，部分势能通过吊绳5给钢箱梁1做正功，被钢箱梁1吸收。但由于在整个振动周期中，挂篮6的势能的变化为零，可以不考虑挂篮6势能变化。）因此，此过程中，水体同样在吸收钢箱梁1的动能。在挂篮下落过程中，由于高出水面的液体已流出，吊绳拉力减小，弹簧34变形减小，滑动开关闭合，电磁铁开始工作，并且在水的顶升下，阀芯21上移，重新被电磁铁吸住。

当风速减小后，桥梁停止大幅振动，可以人力或其它动力设施带动转筒3转动，提升挂篮6，并通过钢箱梁1底板所设置的凹槽，使挂篮6倾斜进入库后安装就位。