一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞实验装置及其实验方法

摘要

本发明公开了一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞实验装置及其实验方法，它包括高耸设备风洞实验装置的本体，所述本体包括内部为中空的一组圆形筒体、芯梁、六棱柱及挂钩，所述一组圆形筒体沿轴向配合叠加设置，所述芯梁中心设有圆柱，所述本体的上方设有调谐质量阻尼器，所述调谐质量阻尼器与本体之间设有间隙，所述调谐质量阻尼器包括质量环及钢丝绳隔振器，所述钢丝绳隔振器包括钢丝绳及夹板，所述钢丝绳穿插固定在夹板上，所述质量环通过螺杆与所述钢丝绳隔振器的夹板螺纹连接。本发明有益的效果是，结构设计合理，生产成本低，操作方便，大大加快了试验及研究进度。

说明书

技术领域

本发明涉及高耸设备风洞实验装置技术领域，具体涉及一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞实验装置及其实验方法。

背景技术

塔设备和烟囱等高柔结构在石化、化工、能源企业中十分普遍。随着石化和能源产业的快速发展，高度高、柔度大的设备日益增多，风诱导振动导致高耸结构失效的事故也频频发生。我国兰州、山东、福建等地石化企业中都曾发生过大型塔设备由风诱导导致振动的事故，塔顶振幅最大的接近于1.4米。高耸结构减振的传统措施包括：增加壁厚、加装破风圈等，但减振效果不是很明显，且投入较大。目前，运用调谐质量阻尼器是对结构振动进行控制的一种行之有效的方法，该减振技术已经在建筑以及桥梁上得到了广泛的应用，并取得很好的减振效果，典型的例子是电视塔、演播塔等的减振。因此，能否设计一种带有调谐质量阻尼器的高耸设备的风洞实验装置迫在眉睫，只有在实验验证可靠的基础上，对于推广调谐质量阻尼器在高耸设备上的应用具有重要意义。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了结构简单，可靠性强的一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞试验装置及其实验方法。

本发明的技术方案如下：

一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞实验装置，包括高耸设备风洞实验装置的本体，其特征在于，所述本体包括内部为中空的一组圆形筒体、芯梁、六棱柱及挂钩，所述一组圆形筒体沿轴向配合叠加设置，所述芯梁由圆柱及垂直设置在圆柱上的一组连接杆构成，连接杆用于支撑圆形筒体，所述六棱柱配合设置在圆柱的顶部，所述挂钩等间距设置在六棱柱的侧面，所述本体的上方设有调谐质量阻尼器，所述调谐质量阻尼器与本体之间设有间隙，所述调谐质量阻尼器包括质量环及钢丝绳隔振器，所述钢丝绳隔振器包括钢丝绳及夹板，所述钢丝绳穿插固定在夹板上，所述质量环通过螺杆与所述钢丝绳隔振器的夹板螺纹连接，所述质量环侧面与挂钩相对应的位置处穿设悬绳，所述悬绳挂接在挂钩上。

所述的一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞实验装置，其特征在于，所述质量环上设有用于安装悬绳的通孔及设有用于螺杆连接固定的安装孔。

所述的一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞实验装置，其特征在于，所述钢丝绳隔振器沿质量环圆周方向间隔120°均匀分布。

所述的一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞实验装置，其特征在于，所述连接杆轴向之间的间距与圆形筒体的高度相对应。

所述的一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞实验装置，其特征在于，所述质量环与本体之间的间隙为30-40mm。

所述的一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞实验装置，其特征在于，所述芯梁为相邻相互垂直的四根圆柱梁连接构成。

所述的一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞实验装置，其特征在于，所述挂钩相邻之间间隔120°设置在六棱柱的侧面。

所述六棱柱的中心设有与圆柱尺寸相配合的圆形孔，圆柱端头插入圆形孔内与六棱柱连接。

所述的一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）高耸设备风洞实验装置的本体特性的试验；将本体竖直放置在风洞实验平台上，进行风洞实验；利用自由衰减法获取本体的自由衰减曲线；由曲线中得出本体的固有频率和阻尼比；

2）高耸设备风洞实验装置的本体在不同风速下顶部的加速度的实验；在10～18m/s风速区间内进行实验，试验中每个风速值的间隔是0.4m/s，每次测量时间为1min，记录数据并绘制相对风速与顶部加速度的关系曲线；

3）在高耸设备风洞实验装置的本体顶部安装调谐质量阻尼器进行不同风速下顶部的加速度的实验；对每个隔振器进行初始预压；将调谐质量阻尼器用悬绳悬吊在本体的顶部，采用与步骤2）相同的方法，测量与步骤2）相同风速下相同位置的加速度；记录数据并绘制相对风速与顶部加速度的关系曲线；

4）通过Matlab软件对所测得的数据进行处理，绘制出相应曲线和表格。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明有益的效果是：本发明通过设计缩比模型，可以获得结构准确的风致现象和各种响应，质量环与本体之间设有间隙，使得钢丝绳的运动更加充分，阻尼效果明显，提高了减振的效果。结构设计合理，生产成本低，操作方便，大大加快了试验及研究进度。

附图说明

图1 本发明的结构示意图；

图2 本发明芯梁的结构示意图；

图3 本发明圆形筒体的结构示意图；

图4 本发明调谐质量阻尼器的结构示意图；

图5 本发明本体特性试验自由衰减曲线图；

图6 本发明加速度-相对风速曲线图；

图中：1、本体，2、芯梁，3、圆柱，4、圆形筒体，5、六棱柱，6、挂钩，7、悬绳，8、质量环，9、螺杆，10、夹板，11、钢丝绳。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1-6所示，一种带调谐质量阻尼器的高耸设备风洞实验装置，包括本体1、芯梁2、圆柱3、圆形筒体4、六棱柱5、挂钩6、悬绳7、质量环8、螺杆9、夹板10及钢丝绳11。所述本体1包括圆形筒体4、芯梁2、六棱柱5及挂钩6，芯梁2为相邻相互垂直的四根圆柱梁连接构成，芯梁2设置在圆形筒体4内部，用于支撑固定。所述芯梁2由圆柱3及垂直设置在圆柱3上的一组连接杆构成，连接杆用于支撑圆形筒体4，圆柱3设置在芯梁2的中心且与芯梁2连接固定，圆形筒体4为中空筒体且其沿轴向叠加配合设置多个。六棱柱5设置在圆柱3顶部，六棱柱5底部设有安装孔用于连接圆柱3，六棱柱5侧面等相距安装挂钩6，质量环8的侧面设有用于安装悬绳7的通孔且设有用于螺杆9连接固定的安装孔，所述挂钩6与悬绳7连接。本体1上方设有调谐质量阻尼器，所述调谐质量阻尼器包括质量环8及钢丝绳隔振器，钢丝绳隔振器包括钢丝绳11及夹板10，钢丝绳隔振器通过钢丝绳来产生阻尼和减振的作用。质量环8通过设置在其上的悬绳7与设置在六棱柱5上的挂钩6悬吊连接。质量环8通过螺杆9与钢丝绳隔振器的夹板10连接固定。

实施例：

采用直流式开口低速风洞装置，风机功率为50kW，整个风洞装置全长18m，试验段宽和高都是1.2m。圆柱3高度为1030mm，圆柱3直径为30mm；圆形筒体4数量为3个，圆形筒体4高度为290mm，圆形筒体4内、外直径分别为241和250mm；质量环8的高度为95mm，质量环8内、外直径分别为240和250mm；六棱柱5高度为120mm，其内接圆直径为120mm，质量环8与圆形筒体4之间的间隙为30mm。

将该高耸设备的缩比模型竖直放置在风洞装置中，从该模型的侧面对其进行风洞实验，通过对加装调谐阻尼器与不加装调谐质量阻尼器实验进行对比实验。试验开始时定义共振风速为模型振动幅度最大时对应的风速，本试验的共振风速是13.7m/s。其次考虑到风诱导振动的影响区间是0.7~1.3倍共振风速，即在10～18m/s风速区间内风洞模型的振幅较大，而试验用的调谐质量阻尼器减振装置只对这个区间内的风诱导振动有减振效果，是控制因素。因此，仅识别10～18m/s风速区间内模型有无调谐质量阻尼器的气动参数，试验中每个风速值的间隔是0.4m/s，每次测量时间为1min。测量调谐质量阻尼器减振性能的试验分两部分：第一步是测量无调谐质量阻尼器的本体1在不同风速下顶部的加速度，并绘制相对风速（各风速与共振风速的比值）与顶部加速度的关系曲线。第二步针对每个钢丝绳隔振器初始预压前提下，将调谐质量阻尼器安装在本体1的顶部，并用悬绳7悬吊，测量与第一步相同风速下模型相同位置的加速度。

实验步骤如下：

1）高耸设备风洞实验装置的本体1特性的试验；将本体1竖直放置在风洞实验平台上，进行风洞实验；利用自由衰减法获取本体1的自由衰减曲线；

2）高耸设备风洞实验装置的本体1在不同风速下顶部的加速度的实验；在10～18m/s风速区间内进行实验，试验中每个风速值的间隔是0.4m/s，每次测量时间为1min，记录数据并绘制相对风速与顶部加速度的关系曲线；

3）在高耸设备风洞实验装置的本体1顶部安装调谐质量阻尼器进行不同风速下顶部的加速度的实验；对每个隔振器进行初始预压；将调谐质量阻尼器用悬绳悬吊在本体的顶部，采用与步骤2）相同的方法，测量与步骤2）相同风速下相同位置的加速度；记录数据并绘制相对风速与顶部加速度的关系曲线；

4）通过Matlab（一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。）软件对所测得的数据进行处理，绘制出相应曲线和表格。

在分析之前，先定义一个参数相对风速：U/U_cr，其中U是试验中任何加速度对应的风速，U_cr是共振风速。图6为10～18m/s风速区域内加速度-相对风速曲线，图中比较了减振前后模型不同风速下的实测值。图中清晰表明调谐质量阻尼器在共振区附近减振效果理想，随着离开共振风速调谐质量阻尼器的减振效果迅速下降，若不合理的设置调谐质量阻尼器参数，可能会出现在某个区间内放大振动的情况。

不加减振装置的试验模型顶部加速度最大幅值为A1、位移最大幅值为D1，加减振装置后相同位置加速度最大幅值为A2、位移最大幅值为D2。定义两个参数：加速度控制率=(A1-A2)/A1，位移控制率=(D1-D2)/D1。通过计算，在结构产生共振时加装调谐质量阻尼器效果最明显，加速度控制率能达到64.12%，位移控制率为60.41%。

通过在高耸设备的缩比模型上加装调谐质量阻尼器，吸收了风载引起的振动和冲击，共振风速范围内减振效果最好，达到60%左右，离开共振风速区域，减振效果迅速下降，结构设计合理，生产成本低，操作方便，大大加快了试验及研究进度。

本领域内普通的技术人员的简单更改和替换都是本发明的保护范围之内。