一種橋梁拉索減振器的研制與開發(fā)＊

陳再發(fā)

（浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021）

一種橋梁拉索減振器的研制與開發(fā)＊

陳再發(fā)

（浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021）

針對(duì)斜拉橋拉索的無規(guī)則振動(dòng)，在分析現(xiàn)有減振器特性基礎(chǔ)上，研制開發(fā)一種在核心技術(shù)上具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的橋梁拉索減振器。利用連接端十字萬向軸節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了減振器的三維轉(zhuǎn)動(dòng)；利用內(nèi)部雙層靜、動(dòng)密封件的設(shè)計(jì)，解決了液壓油泄漏的問題；利用液壓油路控制增加阻尼液流動(dòng)的行程，通過液體流動(dòng)吸收振動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁拉索內(nèi)的減振、消振，解決了現(xiàn)有橋梁拉索減振器存在的振動(dòng)消除效果差、漏油、施工安裝困難等問題。關(guān)鍵詞：橋梁拉索；三維轉(zhuǎn)動(dòng)；液壓減振器；能量吸收

0 引言

拉索是斜拉橋中重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，由于其柔性大、阻尼小、易受到風(fēng)力等外部干擾影響，因此容易產(chǎn)生各種形式的振動(dòng)。連續(xù)的拉索振動(dòng)可能會(huì)在長時(shí)間內(nèi)造成索股疲勞或者腐蝕，從而會(huì)大大降低斜拉橋的使用壽命和安全［1］，因此，需要采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ估髡駝?dòng)盡可能降到最低。目前，為解決拉索振動(dòng)提出了各種阻尼器，如磁流變液阻尼器［2］（MR阻尼器）、電磁閥阻尼器以及被動(dòng)減振元件液體粘滯阻尼器等［3］。然而，這些阻尼器工藝復(fù)雜且只適合于二維平面空間（上下方向或者左右方向）內(nèi)的減震，而在風(fēng)雨的作用下拉索振動(dòng)是三維的［4］，拉索無規(guī)則、高強(qiáng)度、多角度的擺動(dòng)往往會(huì)造成安裝的阻尼器的錨固連接端斷裂，不僅起不到減振效果，反而會(huì)造成拉索及橋面的損壞，正因?yàn)槿绱耍瑔胃髟诩夹g(shù)上就要求交叉安裝兩只阻尼器，但斜拉橋上環(huán)境惡劣施工困難，同時(shí)大強(qiáng)度的施工也容易造成橋體損壞，很難為用戶所接受［5］。本設(shè)計(jì)所要解決的技術(shù)問題是提供一種易加工、穩(wěn)定性高、減振效果好，并不會(huì)對(duì)拉索及橋體造成損傷，且不會(huì)增加施工難度的橋梁拉索減振器。

1 基本結(jié)構(gòu)

1.1 背景技術(shù)

目前斜拉橋上應(yīng)用最為廣泛的是液壓阻尼式減振器，其原理是當(dāng)沖擊和振動(dòng)發(fā)生時(shí)，該減振器能在較短時(shí)間內(nèi)將能量較換成粘滯阻尼液的內(nèi)能和彈性元件的勢(shì)能，從而達(dá)到耗能減振的目的；而后由于阻尼液的存在，彈性勢(shì)能在較長時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換成阻尼液的內(nèi)能，從而達(dá)到減振器復(fù)位的目的［6］。

然而，在極端風(fēng)雨作用下拉索的振動(dòng)是高速且無規(guī)則的，該類阻尼器由于復(fù)位速度慢減振效果很差，同時(shí)，拉索無規(guī)則的振動(dòng)使得阻尼器承受偏心力作用，造成活塞與工作缸體卡死甚至導(dǎo)致阻尼器斷裂［7］。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，拉索減振器的結(jié)構(gòu)包括工作缸體1、活塞桿2及設(shè)置于工作缸體1內(nèi)的活塞3，活塞3同軸套設(shè)于活塞桿2外，活塞3與活塞桿2一體設(shè)置，工作缸體1內(nèi)還設(shè)置有帶中心通孔的上密封體4和帶中心通孔的下密封體5，上密封體4的外周壁與工作缸體1的上部的內(nèi)周壁密封連接，下密封體5的外周壁與工作缸體1的下部的內(nèi)周壁密封連接，上密封體4與下密封體5之間的區(qū)域構(gòu)成工作區(qū)域6，活塞3位于工作區(qū)域6中，且活塞3的外周壁與工作缸體1的內(nèi)周壁之間留有間隙7，工作區(qū)域6內(nèi)充滿有阻尼液8，活塞桿2的上部穿過上密封體4的中心通孔伸出工作缸體1外，活塞桿2的上部與上密封體4的中心通孔的孔壁密封接觸，活塞桿2位于上密封體4與活塞3之間的部分桿體外設(shè)置有用于承受沖擊力的第一壓縮彈簧91，活塞桿2的下部穿過下密封體5的中心通孔位于工作缸體1內(nèi)，活塞桿2的下部與下密封體5的中心通孔的孔壁密封接觸，活塞桿2位于活塞3與下密封體5之間的部分桿體外設(shè)置有用于承受沖擊力的第二壓縮彈簧92，活塞桿2帶動(dòng)活塞3在工作區(qū)域6內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作缸體1的上軸端連接有用于壓緊上密封體4的壓緊螺母11，活塞桿2的頂部穿過壓緊螺母11的中心通孔連接有十字萬向軸節(jié)12，利用粗銷釘連接十字萬向軸節(jié)12與斜拉索的卡箍，工作缸體1的下軸端連接有用于壓緊下密封體5的單支耳13，利用粗銷釘連接單支耳13與固定在斜拉橋的橋體上的鋼架，該鋼架與橋體錨固端剛性焊接，可以將阻尼器承受的振動(dòng)傳遞到橋墩上。

在圖1中，上密封體4的外周壁沿其周向設(shè)置有第一靜密封件41，第一靜密封件41位于上密封體4與工作缸體1之間，上密封體4的內(nèi)周壁上沿其周向設(shè)置有第一動(dòng)密封件42，第一動(dòng)密封件42位于上密封體4與活塞桿2之間，下密封體5的外周壁上沿其周向設(shè)置有第二靜密封件51，第二靜密封件51位于下密封體5與工作缸體1之間，下密封體5的內(nèi)周壁上沿其周向設(shè)置有第二動(dòng)密封件52，第二動(dòng)密封件52位于下密封體5與活塞桿2之間。在此，第一靜密封件41和第二靜密封件51可選用聚四氟乙烯O形密封圈；第一動(dòng)密封件42和第二動(dòng)密封件52可選用斯特封。

圖1 拉索減振器基本結(jié)構(gòu)Figure.1 basic structure of cable shock absorber

下密封體5的外軸端沿軸向設(shè)置有內(nèi)凹腔53，內(nèi)凹腔53的軸向高度大于活塞桿2位于活塞3與下密封體5之間的部分桿體的長度，活塞桿2的下部穿過下密封體5的中心通孔位于內(nèi)凹腔53內(nèi)，通過在下密封體5的外軸端設(shè)置一個(gè)內(nèi)凹腔53，并使內(nèi)凹腔53的軸向高度大于活塞桿2位于活塞3與下密封體5之間的部分桿體的長度，這樣能夠有效地避免活塞桿2的底部與單支耳13發(fā)生碰撞。

上密封體4的內(nèi)軸端上設(shè)置有用于嵌入第一壓縮彈簧91的上端的第一上環(huán)形槽93，活塞3的上軸端設(shè)置有用于嵌入第一壓縮彈簧91的下端的第一下環(huán)形槽94，活塞3的下軸端設(shè)置有用于嵌入第二壓縮彈簧92的上端的第二上環(huán)形槽95，下密封體5的內(nèi)軸端上設(shè)置有用于嵌入第二壓縮彈簧92的下端的第二下環(huán)形槽96；通過設(shè)置第一上環(huán)形槽93和第一下環(huán)形槽94，能夠很好地對(duì)第一壓縮彈簧91進(jìn)行軸向限位，從而能夠確保第一壓縮彈簧91軸向受力均勻；同樣，通過設(shè)置第二上環(huán)形槽95和第二下環(huán)形槽96，能夠很好地對(duì)第二壓縮彈簧92進(jìn)行軸向限位，從而能夠確保第二壓縮彈簧92軸向受力均勻。

在此，上密封體4可采用圓盤式結(jié)構(gòu)的密封體，下密封體5可直接采用筒狀結(jié)構(gòu)的密封體，筒狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔為下密封體5的內(nèi)凹腔53；阻尼液8采用現(xiàn)有的高穩(wěn)定性、無毒、無腐蝕的有機(jī)液體系列，如甲基硅油、磁流變液等，該系列阻尼液的粘度從幾十毫帕秒到幾十帕秒均可選擇［8］。

2 工作原理

圖2 減振器與橋梁拉索連接示意圖Fig.2 dam per bridge cable connection sketch map

圖3與現(xiàn)有減振器的減振效果比較Fig.3 Comparison of the damping effect of the existing shock absorber

由圖1及圖2可知，當(dāng)拉索受到振動(dòng)和沖擊時(shí)，振動(dòng)信號(hào)通過卡箍經(jīng)由十字萬向軸節(jié)12傳遞給活塞桿2，活塞桿軸向運(yùn)動(dòng)在較短時(shí)間內(nèi)將拉索振動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成粘滯阻尼液的內(nèi)能和彈簧的勢(shì)能，同時(shí)，由于采用尺寸配套的十字萬向軸節(jié)，可以在三維空間里達(dá)到耗能減振的目的。而后由于阻尼液的存在，彈簧勢(shì)能在一定時(shí)間內(nèi)將勢(shì)能轉(zhuǎn)換成阻尼液的內(nèi)能釋放到環(huán)境當(dāng)中，從而達(dá)到減振器復(fù)位的目的。通過調(diào)整油缸內(nèi)徑、活塞與缸體間隙、阻尼液粘度、彈簧倔強(qiáng)系數(shù)和活塞桿行程等參數(shù)，可以設(shè)計(jì)出適合各種沖擊或振動(dòng)的減振器。

活塞與活塞桿一體設(shè)置，一體加工，可以避免采用固定件固定活塞與活塞桿，減少了裝配工作量，提高了連接可靠性，從而確保了活塞桿帶動(dòng)活塞工作的可靠性。

目前現(xiàn)有的橋梁拉索減振器普遍使用的是 “兩級(jí)液壓阻尼式減振器”，其結(jié)構(gòu)是在油缸內(nèi)的活塞處開有阻尼小孔，油缸下部裝有蓄能器，當(dāng)受到外力沖擊時(shí)，油缸內(nèi)的阻尼液通過小孔從一個(gè)腔室流至另一個(gè)腔室，沖擊的能量被油缸下部的蓄能器吸收，由此產(chǎn)生阻尼減振和蓄能減振的作用，達(dá)到了緩沖減振的目的［9］。但該減振器存在以下的缺陷：1.活塞上的小孔加工困難，進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)活塞與油缸摩擦劇烈，易磨損，壽命短。2.油缸下部的蓄能器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)密封過多，性能不穩(wěn)定，長時(shí)間使用后，容易發(fā)生泄漏、維修較困難。3.活塞長期處于偏心工作狀態(tài)且只對(duì)阻尼器平面內(nèi)的振動(dòng)有效果。與現(xiàn)有減振器比較，本文減振器消振的預(yù)計(jì)效果如圖3所示。

3 結(jié)論

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）當(dāng)拉索發(fā)生沖擊和/或振動(dòng)時(shí)，該減振器能夠在較短的時(shí)間內(nèi)將沖擊和/或振動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成粘滯阻尼液的內(nèi)能及雙層彈簧的勢(shì)能，能夠有效地提高減振效果，而彈簧的勢(shì)能在較短時(shí)間內(nèi)會(huì)轉(zhuǎn)換成粘滯阻尼液的內(nèi)能釋放到環(huán)境當(dāng)中，能夠使該減振器迅速復(fù)位，即振動(dòng)消失后該減振器靠雙層彈簧同時(shí)作用復(fù)位，從而能夠有效地避免對(duì)拉索和橋面造成損壞。

（2）由于該減振器具有良好的減振效果，因此在單根拉索上只需安裝一個(gè)減振器即可，有效地降低了施工難度，并有效地降低了對(duì)橋體的損壞。

（3）活塞的外周壁與工作缸體的內(nèi)周壁之間留有間隙，工作時(shí)活塞與工作缸體之間無摩擦，不會(huì)損壞活塞和工作缸體，從而可以有效地延長該減振器的使用壽命，而且活塞與工作缸體加工方便，并易維護(hù)保養(yǎng)。

（4）該減振器采用單出桿式，不易受到偏心力的作用，活塞與工作缸體的軸線不易偏離，能夠有效地保證活塞與工作缸體之間的間隙較小時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生摩擦，不會(huì)發(fā)生活塞與工作缸體卡死現(xiàn)象。

（5）在工作區(qū)域內(nèi)填充阻尼液，由于在連續(xù)減振后積累的熱量通過阻尼液散熱，且阻尼液散熱快，因此在工作缸體內(nèi)不會(huì)積累大量的熱而損壞該減振器；此外，阻尼液的粘度變化范圍較大，可以適合多種場(chǎng)合。

（6）通過調(diào)整工作缸體的內(nèi)徑、活塞的外周壁與工作缸體的內(nèi)周壁之間的間隙寬度、阻尼液的粘度、第一壓縮彈簧和第二壓縮彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)、活塞桿的行程等參數(shù)，可以設(shè)計(jì)出適合各種沖擊和/或振動(dòng)的減振器。

研制開發(fā)了在核心技術(shù)上具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“一種橋梁拉索減振器”（ZL2015 20411859.1）

其科技含量，減振效果，均處于優(yōu)勢(shì)地位，在斜拉橋建設(shè)中具有廣闊的市場(chǎng)空間，預(yù)期具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

［1］同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室．蘇通長江公路大橋超長斜拉索的振動(dòng)及減振研究報(bào)告［R］．同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2002．12．

［2］趙林，葛耀君．風(fēng)雨耦合環(huán)境結(jié)構(gòu)荷載與響應(yīng)的分析及試驗(yàn)研究［J］．振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2014，27（4）:507-517.

［3］郭增偉．大跨度懸索橋渦振和顫振主動(dòng)控制原理與方法［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2013．

［4］李金海，關(guān)新春，歐進(jìn)萍.斜拉索磁流變液阻尼器半主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［5］劉超群.磁流變液阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究［D］.西安:西安交通大學(xué)，2011.

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［7］陳水生，孫炳楠.斜拉橋拉索模態(tài)耦合非線性共振響應(yīng)特性［J］.工程力學(xué)，2013，36（2）:27-31.

［8］孫利民，周海俊，陳艾榮.索承重大跨橋梁拉索的振動(dòng)控制裝置種類與性能［J］.國外橋梁，2011，34（4）:36-40.

［9］江浩斌，胡雋秀，陳龍.兩級(jí)阻尼可調(diào)式液壓減振器的性能仿真與試驗(yàn)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，22（3）:17-21.

Research and Development of the New Bridge Cable Shock Absorber

CHEN Zaifa

（Zhejiang International Maritime College,Zhoushan 316021,Zhejiang,China）

Aim ing at random vibration of cable bridges,a bridge cable vibration dam per w ith an independent intellectual property is developed, which is based on the analysis of the existing vibration damper characteristics. First,the connection end cross universal coup ling structure design realizes the three-dimensional rotation of the shock absorber.Second,by using internal double static and dynam ic seal design,it solves the hydraulic oil leakage problem.Furthermore,by using hydraulic circuit controlled stroke of the damping fluid flow,and by flow ing liquid absorbing the vibration energy, it has realized vibration and damping vibration in the cable bridge, and solved problems like poor vibration-elim inating effect,oil spills,construction installation difficulties in the existing cable bridge shock absorber.

bridge cable;hydraulic shock absorber;three-dimensional rotation;energy absorption

10.13853/j.cnki.issn.1672-3708.2016.06.009

（責(zé)任編輯：耿繼祥）

2016-09-27；

2016-11-14

浙江省教育廳科研項(xiàng)目（Y201534405）。

陳再發(fā)（1982－ ），男，安徽五河人，講師，博士，主要研究方向：機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、自動(dòng)控制等。