陳再發(fā)

（浙江國際海運職業(yè)技術學院，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)

（浙江國際海運職業(yè)技術學院，浙江 舟山 316021）

針對斜拉橋拉索的無規(guī)則振動，在分析現有減振器特性基礎上，研制開發(fā)一種在核心技術上具有自主知識產權的橋梁拉索減振器。利用連接端十字萬向軸節(jié)的結構設計，實現了減振器的三維轉動；利用內部雙層靜、動密封件的設計，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的行程，通過液體流動吸收振動能量，實現了對橋梁拉索內的減振、消振，解決了現有橋梁拉索減振器存在的振動消除效果差、漏油、施工安裝困難等問題。關鍵詞：橋梁拉索；三維轉動；液壓減振器；能量吸收

0 引言

拉索是斜拉橋中重要的結構構件，由于其柔性大、阻尼小、易受到風力等外部干擾影響，因此容易產生各種形式的振動。連續(xù)的拉索振動可能會在長時間內造成索股疲勞或者腐蝕，從而會大大降低斜拉橋的使用壽命和安全［1］，因此，需要采用適當的方法使拉索振動盡可能降到最低。目前，為解決拉索振動提出了各種阻尼器，如磁流變液阻尼器［2］（MR阻尼器）、電磁閥阻尼器以及被動減振元件液體粘滯阻尼器等［3］。然而，這些阻尼器工藝復雜且只適合于二維平面空間（上下方向或者左右方向）內的減震，而在風雨的作用下拉索振動是三維的［4］，拉索無規(guī)則、高強度、多角度的擺動往往會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，反而會造成拉索及橋面的損壞，正因為如此，單根拉索在技術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，同時大強度的施工也容易造成橋體損壞，很難為用戶所接受［5］。本設計所要解決的技術問題是提供一種易加工、穩(wěn)定性高、減振效果好，并不會對拉索及橋體造成損傷，且不會增加施工難度的橋梁拉索減振器。

1 基本結構

1.1 背景技術

目前斜拉橋上應用最為廣泛的是液壓阻尼式減振器，其原理是當沖擊和振動發(fā)生時，該減振器能在較短時間內將能量較換成粘滯阻尼液的內能和彈性元件的勢能，從而達到耗能減振的目的；而后由于阻尼液的存在，彈性勢能在較長時間內轉換成阻尼液的內能，從而達到減振器復位的目的［6］。

然而，在極端風雨作用下拉索的振動是高速且無規(guī)則的，該類阻尼器由于復位速度慢減振效果很差，同時，拉索無規(guī)則的振動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致阻尼器斷裂［7］。

1.2 基本結構

如圖1所示，拉索減振器的結構包括工作缸體1、活塞桿2及設置于工作缸體1內的活塞3，活塞3同軸套設于活塞桿2外，活塞3與活塞桿2一體設置，工作缸體1內還設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的下部的內周壁密封連接，上密封體4與下密封體5之間的區(qū)域構成工作區(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的內周壁之間留有間隙7，工作區(qū)域6內充滿有阻尼液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，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置有用于承受沖擊力的第二壓縮彈簧92，活塞桿2帶動活塞3在工作區(qū)域6內往復運動，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傳遞到橋墩上。

在圖1中，上密封體4的外周壁沿其周向設置有第一靜密封件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的內周壁上沿其周向設置有第一動密封件42，第一動密封件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的內周壁上沿其周向設置有第二動密封件52，第二動密封件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；第一動密封件42和第二動密封件52可選用斯特封。

圖1 拉索減振器基本結構Figure.1 basic structure of cable shock absorber

下密封體5的外軸端沿軸向設置有內凹腔53，內凹腔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的中心通孔位于內凹腔53內，通過在下密封體5的外軸端設置一個內凹腔53，并使內凹腔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的內軸端上設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的內軸端上設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；通過設置第一上環(huán)形槽93和第一下環(huán)形槽94，能夠很好地對第一壓縮彈簧91進行軸向限位，從而能夠確保第一壓縮彈簧91軸向受力均勻；同樣，通過設置第二上環(huán)形槽95和第二下環(huán)形槽96，能夠很好地對第二壓縮彈簧92進行軸向限位，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可采用圓盤式結構的密封體，下密封體5可直接采用筒狀結構的密封體，筒狀結構的內腔為下密封體5的內凹腔53；阻尼液8采用現有的高穩(wěn)定性、無毒、無腐蝕的有機液體系列，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，當拉索受到振動和沖擊時，振動信號通過卡箍經由十字萬向軸節(jié)12傳遞給活塞桿2，活塞桿軸向運動在較短時間內將拉索振動的動能轉換成粘滯阻尼液的內能和彈簧的勢能，同時，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到耗能減振的目的。而后由于阻尼液的存在，彈簧勢能在一定時間內將勢能轉換成阻尼液的內能釋放到環(huán)境當中，從而達到減振器復位的目的。通過調整油缸內徑、活塞與缸體間隙、阻尼液粘度、彈簧倔強系數和活塞桿行程等參數，可以設計出適合各種沖擊或振動的減振器。

活塞與活塞桿一體設置，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活塞工作的可靠性。

目前現有的橋梁拉索減振器普遍使用的是 “兩級液壓阻尼式減振器”，其結構是在油缸內的活塞處開有阻尼小孔，油缸下部裝有蓄能器，當受到外力沖擊時，油缸內的阻尼液通過小孔從一個腔室流至另一個腔室，沖擊的能量被油缸下部的蓄能器吸收，由此產生阻尼減振和蓄能減振的作用，達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，進入工作狀態(tài)時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構復雜，動密封過多，性能不穩(wěn)定，長時間使用后，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)且只對阻尼器平面內的振動有效果。與現有減振器比較，本文減振器消振的預計效果如圖3所示。

3 結論

與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

（1）當拉索發(fā)生沖擊和/或振動時，該減振器能夠在較短的時間內將沖擊和/或振動產生的能量轉換成粘滯阻尼液的內能及雙層彈簧的勢能，能夠有效地提高減振效果，而彈簧的勢能在較短時間內會轉換成粘滯阻尼液的內能釋放到環(huán)境當中，能夠使該減振器迅速復位，即振動消失后該減振器靠雙層彈簧同時作用復位，從而能夠有效地避免對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減振器即可，有效地降低了施工難度，并有效地降低了對橋體的損壞。

（3）活塞的外周壁與工作缸體的內周壁之間留有間隙，工作時活塞與工作缸體之間無摩擦，不會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也不會產生摩擦，不會發(fā)生活塞與工作缸體卡死現象。

（5）在工作區(qū)域內填充阻尼液，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，因此在工作缸體內不會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，可以適合多種場合。

（6）通過調整工作缸體的內徑、活塞的外周壁與工作缸體的內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系數、活塞桿的行程等參數，可以設計出適合各種沖擊和/或振動的減振器。

研制開發(fā)了在核心技術上具有自主知識產權的“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)勢地位，在斜拉橋建設中具有廣闊的市場空間，預期具有顯著的社會經濟效益。

［1］同濟大學土木工程防災國家重點實驗室．蘇通長江公路大橋超長斜拉索的振動及減振研究報告［R］．同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，2002．12．

［2］趙林，葛耀君．風雨耦合環(huán)境結構荷載與響應的分析及試驗研究［J］．振動工程學報，2014，27（4）:507-517.

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

［4］李金海，關新春，歐進萍.斜拉索磁流變液阻尼器半主動振動控制系統(tǒng)的設計與應用［M］.北京：科學出版社，2005.

［5］劉超群.磁流變液阻尼器的結構設計與性能研究［D］.西安:西安交通大學，2011.

［6］陳水生，秦鳴，陳勇.大跨度斜拉橋拉索的振動及控制現場試驗［J］.長安大學學報，2013，23（2）:31-35.

［7］陳水生，孫炳楠.斜拉橋拉索模態(tài)耦合非線性共振響應特性［J］.工程力學，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.兩級阻尼可調式液壓減振器的性能仿真與試驗［J］.機械工程學報，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

（責任編輯：耿繼祥）

2016-09-27；

2016-11-14

浙江省教育廳科研項目（Y201534405）。

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