自開啟位移型水力吸耗能器的制作方法

本發明涉及一種耗能器，尤其是涉及一種自開啟位移型水力吸耗能器。

背景技術：

大跨度懸索橋能跨越大江大河，可避免深水基礎的施工而得到廣泛應用。但由于其跨度大，鋼箱梁和主纜阻尼小，極易在大風作用下發生大幅扭轉或彎-扭組合振動而導致橋梁破壞，其抗風穩定性問題是限制其跨度進一步加大的主要影響因素。增大懸索橋阻尼，可以顯著提高其抗風穩定性，但超大跨度懸索橋多處于交通繁忙的航道之上，為保證通航安全，航道中很難設置永久性固定設施，因此，目前沒有很好的方法增加鋼箱梁或主纜的阻尼。

阻尼器是增加結構阻尼的最直接可靠的辦法，并且可抑制結構多種形態的振動。阻尼器兩端安裝于結構之上，通過結構間的相對運動驅動阻尼器耗能減振，其耗能大小與結構在阻尼器兩安裝點的相對運動大小直接相關。阻尼器的長度與懸索橋跨度相比很小，因此現有阻尼器很難提高懸索橋鋼箱梁或主纜的阻尼。

橋梁施工時常在航道處安裝臨時抗風樁，用鋼纜連接鋼箱梁和抗風樁，提高鋼箱梁抗風穩定性，但需要在抗風樁處停泊船只和警示標志。在橋梁施工完成后，臨時設施必須清理干凈，抗風纜也被清除。成橋后的大跨度懸索橋只在大風作用下才發生大幅振動，發生振動持續時間短，且此時船只大都進港避風，航道船只相對稀疏。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種結構簡單、操作方便、成本低的自開啟位移型水力吸耗能器，能夠在橋梁振動較大時自動開啟，通過水力吸耗能及向水中傳輸結構振動動能，抑制橋梁振動。

本發明采用的技術方案是：包括鋼箱梁、轉筒、吊繩、抱緊裝置及掛籃，所述的轉筒安裝在鋼箱梁上，吊繩的一端固定在轉筒上，另一端與掛籃鏈接；

所述的抱緊裝置包括外筒、定閘瓦、動閘瓦及抱緊螺桿；外筒的底部安裝在鋼箱梁上；所述的定閘瓦、動閘瓦安裝在外筒內，外筒上對應于動閘瓦設有一螺紋孔，抱緊螺桿安裝在螺紋孔內，抱緊螺桿的內端能夠頂緊動閘瓦抱緊吊繩；

所述的掛籃包括掛籃外框、閥座、閥芯、導桿及彈簧，所述的掛籃外框為一個下端開口的長方體形盒狀結構，掛籃外框的頂板上設有通水孔，通水孔處設有蓋板，蓋板鉸接在掛籃外框的頂板上；閥座為一筒狀結構，安裝在掛籃外框的頂板上，閥座內固定有中心圓盤，導桿上端固定安裝在中心圓盤上；中心圓盤底面上固定有磁體，導桿上設有閥芯，導桿的下端與閥芯之間設有彈簧。

上述的自開啟位移型水力吸耗能器中，所述的鋼箱梁的底板上設有容納掛籃的凹槽，凹槽的底部對應于掛籃的四個角分別設有托肩，托肩與掛籃外框的底面之間設有滾珠或潤滑油；每個托肩處分別設有兩個擋板，兩個擋板平行于相對應的掛籃外框的側壁，擋板通過限位彈簧與凹槽的側板連接。

上述的自開啟位移型水力吸耗能器中，所述的掛籃外框的頂板的四個角處分別連接一根掛繩，四根掛繩均與吊繩鏈接。

上述的自開啟位移型水力吸耗能器中，所述的抱緊裝置還包括內筒，內筒設置在外筒內，位于定閘瓦、動閘瓦的下方。

上述的自開啟位移型水力吸耗能器中，所述的鋼箱梁或吊繩上設有報警裝置。

本發明的工作原理如下：

本發明使用時，在無人力或其它控制手段參與下，掛籃進入水體內，在重力作用下張緊吊繩，其耗能及將動能由鋼箱梁傳遞至水體原理，按鋼箱梁的振動一個周期分為三個階段：（其中閥座的中心孔因磁力始終關閉）

（1）鋼箱梁由最低位置向平衡位置移動的過程中，掛籃在吊繩牽引下由下往上加速運動，此時（閥座的中心孔因磁體吸住閥芯而關閉）掛籃上的通水孔的蓋板閉合，掛籃和其內水體動能增加，并驅動掛籃上方及下方部分水體流動，所有動能來源于吊繩驅動掛籃所做的功。（與此同時，掛籃的勢能也增加，但由于在整個振動周期中，掛籃的勢能的變化為零，因此不分析勢能的變化。）吊繩給掛籃及水體做功的同時也給鋼箱梁做負功，相當于鋼箱梁的部分動能由吊繩傳遞給了水體和掛籃。

（2）鋼箱梁由平衡位置向最高位置移動的過程中，掛籃在吊繩的牽引下，由下往上減速運動，掛籃和其內水體動能減小，但同樣驅動掛籃上方及下方部分水體流動，通過流體摩擦耗能；當掛籃隨鋼箱梁上升的速度進一步減小后，部分流體在慣性作用下上升速度大于掛籃，流體沖開掛籃上的通水孔的蓋板，此時具有較大動能密度的水體離開掛籃，周邊水體補充流入，形成局部小循環，掛籃內水體動能迅速流失；由于吊繩為柔性，掛籃只能被鋼箱梁拉動，而不能推動鋼箱梁運動，因此，這過程中初始階段掛籃給鋼箱梁做負功，減小鋼箱梁的動能，后期掛籃內水體動能流入周圍水體，其不給鋼箱梁做功。

（3）鋼箱梁1由最高位置向最低位置移動的過程中，掛籃在重力作用下克服水體阻力下降，此時掛籃上的通水孔的蓋板被水體阻力沖開，其可減小水體阻力保證掛籃與鋼箱梁同時達到最低位置。（在這過程中，掛籃的勢能減小，部分勢能被水體阻尼耗散，部分勢能通過吊繩給鋼箱梁做正功，被鋼箱梁吸收。但由于在整個振動周期中，掛籃的勢能的變化為零，可以不考慮掛籃勢能變化。）因此，此過程中，水體同樣在吸收鋼箱梁的動能。

在有人力或其它控制手段參與下，掛籃進入水體內，在重力作用下張緊吊繩。通過觀察，轉動轉筒，提升掛籃至水面位置，部分露出掛籃上部，旋轉抱緊裝置的抱緊螺桿固定吊繩。此時本發明的吸能與耗能原理按鋼箱梁振動一個周期分為三個階段：

（1）鋼箱梁由最低位置向平衡位置移動的過程中，掛籃在吊繩的牽引下由下往上加速運動，此時閥座的中心孔因磁體吸住閥芯而關閉，掛籃上的通水孔的蓋板因水的流動閉合，掛籃和其內水體動能增加，并驅動掛籃上方及下方部分水體流動，所有動能來源于吊繩驅動掛籃所做的功。（與此同時，掛籃勢能也增加，但由于在整個振動周期中，掛籃勢能的變化為零，因此不分析勢能的變化。）吊繩給掛籃及水體做功的同時也給鋼箱梁做負功，相當于鋼箱梁的部分動能由吊繩傳遞給了水體和掛籃。

（2）鋼箱梁1由平衡位置向最高位置移動的過程中（掛籃下邊緣始終低于外水面，保證空氣不能從掛籃下方進入），掛籃在吊繩的牽引下由下往上減速運動，（可忽略掛籃和其內水體動能的減小），掛籃內高出水面的液體（水）的體積和高度隨掛籃高度增加而增加，液體勢能增加可視為 ，其中ρ為水密度，g為重力加速度，A為提升液體的橫截面面積，h為提升液體高出水面的高度；當掛籃隨鋼箱梁上升到一定高度后，提升液體對閥芯吸力大于磁體對閥芯吸力時，閥芯脫落，空氣從閥座進入，掛籃內液體在重力作用下流出掛籃，液體勢能變為動能進入水體。

（3）鋼箱梁由最高位置向最低位置移動的過程中，掛籃在重力作用下克服水體阻力下降，此時掛籃上的通水孔的蓋板被水體阻力沖開，其可減小水體阻力，保證掛籃與鋼箱梁同時達到最低位置。（在這過程中，掛籃勢能減小，部分勢能被水體阻尼耗散，部分勢能通過吊繩給鋼箱梁做正功，被鋼箱梁吸收。但由于在整個振動周期中，掛籃的勢能變化為零，可以不考慮掛籃勢能的變化。）因此，此過程中，水體同樣在吸收鋼箱梁的動能。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1）本發明結構簡單，成本低。

2）在無外加控制因素時，對于發生較大幅度的鋼箱梁，通過吊繩連接鋼箱梁和掛籃，驅動掛籃及其內和周邊小范圍內液體（水）在水中運動（掛籃總處于水面下），實現將鋼箱梁動能傳遞給掛籃及其內液體，其內液體在具有最大動能密度（動能/體積）時，其迅速向周圍水體流動，帶走其內液體動能，實現主梁振動每一個周期實現掛籃內液體吸能和排能（排向周圍水體，為下一次吸能準備）一次；同時掛籃的運動，與周邊水體產生摩擦，通過摩擦同時消耗部分能力。

3）在有外加控制因素時，將掛籃提升至水面位置附近，在主梁的每一個振動周期內，本發明可分步實現：掛籃與水體摩擦耗能（掛籃在水中）；主梁振動機械能（包括動能與形變勢能）轉變為掛籃內液體重力勢能，重力勢能流失與水體，不再轉換成主梁振動機械能，實現吸耗主梁振動機械能，從而抑制主梁振動。

4）本發明通過彈性限位裝置，保持了掛籃在小擾動時的平衡。

5）本發明通過彈性限位裝置、減小摩擦的球形圓珠，并利用橋梁一定幅度振動的主梁傾斜角度，實現吸耗能器掛籃的自動脫落，從而自動開啟吸耗能器的工作；當吸耗能器完成工作后，吸耗能器能方便地重新歸位，等待下一次工作的啟動，最大限度減小對航道通航的影響。

6）本發明通過掛籃上通水孔及蓋板的設計，下落時水力作用將蓋板打開，減小流體對掛籃阻力，保證掛籃迅速下沉，與鋼箱梁同時達到最低位置；在鋼箱梁牽引掛籃加速上升時，水力作用將蓋板關閉，保證掛籃內水體與掛籃具有相同的速度，實現盡量多的動能從鋼箱梁向水體的傳遞。

7）本發明保險繩的設計，避免意外事故的發生。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

圖2是圖1中C處的放大圖。

圖3是本發明的抱緊裝置的主視圖。

圖4是圖3中的D-D剖面圖。

圖5是本發明的掛籃的主視圖。

圖6是圖5中的B-B剖視圖。

圖7是本發明工作時的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

如圖1-6所示，本發明包括鋼箱梁1、轉筒3、吊繩5、抱緊裝置4及掛籃6，所述的轉筒3安裝在鋼箱梁上，吊繩5的一端固定在轉筒上，另一端繞過鋼箱梁1上的滑輪2與掛籃6鏈接。

如圖5、6所示，所述的掛籃6包括掛籃外框12、閥座、閥芯21、導桿23及彈簧22，所述的掛籃外框12為一個下端開口的長方體形盒狀結構，掛籃外框12的頂板上設有多個通水孔14，通水孔14處設有蓋板13，蓋板13通過扭簧安裝在掛籃外框12的頂板上；蓋板13一般處于蓋緊狀態，但預緊力小，下方水流可輕松沖開蓋板13，保證水流只能從掛籃6的下方往上方單向流動。所述的掛籃外框12的頂板的四個角處分別連接一根掛繩30，四根掛繩30連接后通過保險繩29與吊繩5鏈接。掛籃外框12的底部四個角內側分別設有一角板8。

閥座為一筒狀結構，安裝在掛籃外框12的頂板上，閥座內通過連桿15安裝有中心圓盤16，中心圓盤16中心設有導向孔，導桿23穿過導向孔，并通過上螺母18和下螺母19固定在中心圓盤16上。中心圓盤16底面上固定有兩個磁體17、20，兩個磁體17、20位于導桿23的兩側；導桿23上設有閥芯21，導桿23的下端與閥芯21之間設有彈簧22。

如圖2所示，所述的鋼箱梁1的底板上設有容納掛籃6的凹槽，凹槽的底部對應于掛籃6的四個角分別設有托肩11，托肩11與掛籃外框12的底面之間設有滾珠7，以減小托肩11和掛籃外框12之間的摩擦力。還可以采用在掛籃外框12的底部安裝萬向輪，通過萬向輪支撐在托肩上來減小摩擦力。每個托肩11處分別設有兩個擋板9，兩個擋板9分別平行于相對應的掛籃外框12的側壁，擋板9通過限位彈簧10與凹槽的側板連接。擋板9和限位彈簧10保證掛籃6處于凹槽中心并保持平衡，并在風的直接作用下不產生足夠滑落的側移，但在鋼箱梁1發生一定的傾斜角度時滑落。

如圖3、4所示，所述的抱緊裝置包括外筒24、定閘瓦25、動閘瓦26、抱緊螺桿27及內筒28；所述的外筒24的底部固定安裝在鋼箱梁1上，所述的外筒24內的下部設有內筒28，定閘瓦25、動閘瓦26安裝在外筒24內，位于內筒28的上方。外筒24側壁上對應于動閘瓦26設有一螺紋孔，抱緊螺桿27安裝在螺紋孔內，抱緊螺桿27的內端能夠頂緊動閘26瓦抱緊吊繩。抱緊螺桿27使掛籃6緩慢下落并掉入水中，防止了掛籃6高速掉落發生意外。

本發明對于上述技術方案可能的改造如下：

1）鋼箱梁1或/和吊繩5上可以安裝報警裝置。

2）掛籃6上可以安裝葉片或風扇，葉片或風扇既能夠耗能，又能將部分能量轉化為電能或其它能量，用于驅動警示燈或聲音報警。

3）將本發明安裝于鋼箱梁1的外側，將轉筒3安裝于懸索橋主纜，即采用不同的安裝部位。

4）將掛籃6形式變化，如多層掛籃增大耗能效率，流線型減小流水及風的水平作用力，在掛籃外加防撞裝置保證安全.

5）在掛籃6與托肩11間采用其它減小摩擦裝置，如：加萬向輪、潤滑油、磁懸浮等。

6）將自開啟改為手動、電動、遙控或其它能量輸入方式；

7）本發明同樣適用于其它流體介質。

8）通過增加遠程觀察和控制系統，可在船只經過時及時提升掛籃，避免船只碰撞。

如圖7所示，本發明使用時，在無人力或其它控制手段參與下，掛籃6進入水體內，在重力作用下張緊吊繩5，其耗能及將動能由鋼箱梁1傳遞至水體原理，按鋼箱梁1的振動一個周期分為三個階段：（其中閥座的中心孔因磁力始終關閉）

（1）鋼箱梁1由最低位置向平衡位置移動的過程中，掛籃6在吊繩5牽引下由下往上加速運動，此時（閥座的中心孔因磁體吸住閥芯而關閉）掛籃6上的通水孔14的蓋板13閉合，掛籃6和其內水體動能增加，并驅動掛籃6上方及下方部分水體流動，所有動能來源于吊繩5驅動掛籃6所做的功。（與此同時，掛籃6的勢能也增加，但由于在整個振動周期中，掛籃6的勢能的變化為零，因此不分析勢能的變化。）吊繩5給掛籃6及水體做功的同時也給鋼箱梁1做負功，相當于鋼箱梁1的部分動能由吊繩傳遞給了水體和掛籃6。

（2）鋼箱梁1由平衡位置向最高位置移動的過程中，掛籃6在吊繩5的牽引下，由下往上減速運動，掛籃6和其內水體動能減小，但同樣驅動掛籃6上方及下方部分水體流動，通過流體摩擦耗能；當掛籃6隨鋼箱梁1上升的速度進一步減小后，部分流體在慣性作用下上升速度大于掛籃6，流體沖開掛籃6上的通水孔14的蓋板13，此時具有較大動能密度的水體離開掛籃6，周邊水體補充流入，形成局部小循環，掛籃6內水體動能迅速流失；由于吊繩5為柔性，掛籃只能被鋼箱梁1拉動，而不能推動鋼箱梁1運動，因此，這過程中初始階段掛籃給鋼箱梁做負功，減小鋼箱梁1的動能，后期掛籃6內水體動能流入周圍水體，其不給鋼箱梁1做功。

（3）鋼箱梁1由最高位置向最低位置移動的過程中，掛籃6在重力作用下克服水體阻力下降，此時掛籃6上的通水孔14的蓋板13被水體阻力沖開，其可減小水體阻力保證掛籃6與鋼箱梁1同時達到最低位置。（在這過程中，掛籃6的勢能減小，部分勢能被水體阻尼耗散，部分勢能通過吊繩給鋼箱梁1做正功，被鋼箱梁1吸收。但由于在整個振動周期中，掛籃6的勢能的變化為零，可以不考慮掛籃勢能變化。）因此，此過程中，水體同樣在吸收鋼箱梁1的動能。

在有人力或其它控制手段參與下，掛籃6進入水體內，在重力作用下張緊吊繩。通過觀察，轉動轉筒，提升掛籃6至水面位置，部分露出掛籃6上部，旋轉抱緊裝置4的抱緊螺桿27固定吊繩5。此時本發明的吸能與耗能原理按鋼箱梁振動一個周期分為三個階段：

（1）鋼箱梁1由最低位置向平衡位置移動的過程中，掛籃6在吊繩5的牽引下由下往上加速運動，此時閥座的中心孔因磁體吸住閥芯而關閉，掛籃6上的通水孔14的蓋板13因水的流動閉合，掛籃6和其內水體動能增加，并驅動掛籃6上方及下方部分水體流動，所有動能來源于吊繩5驅動掛籃6所做的功。（與此同時，掛籃勢能也增加，但由于在整個振動周期中，掛籃勢能的變化為零，因此不分析勢能的變化。）吊繩5給掛籃6及水體做功的同時也給鋼箱梁1做負功，相當于鋼箱梁1的部分動能由吊繩傳遞給了水體和掛籃6。

（2）鋼箱梁1由平衡位置向最高位置移動的過程中（掛籃6下邊緣始終低于外水面，保證空氣不能從掛籃下方進入），掛籃6在吊繩5的牽引下由下往上減速運動，（可忽略掛籃和其內水體動能的減小），掛籃6內高出水面的液體（水）的體積和高度隨掛籃高度增加而增加，液體勢能增加可視為E=ρgAh²，其中ρ為水密度，g為重力加速度，A為提升液體的橫截面面積，h為提升液體高出水面的高度；當掛籃6隨鋼箱梁1上升到一定高度后，提升液體對閥芯21吸力大于磁體對閥芯吸力時，閥芯21脫落，空氣從閥座進入，掛籃6內液體在重力作用下流出掛籃6，液體勢能變為動能進入水體。

（3）鋼箱梁1由最高位置向最低位置移動的過程中，掛籃6在重力作用下克服水體阻力下降，此時掛籃6上的通水孔14的蓋板13被水體阻力沖開，其可減小水體阻力，保證掛籃6與鋼箱梁1同時達到最低位置。（在這過程中，掛籃勢能減小，部分勢能被水體阻尼耗散，部分勢能通過吊繩5給鋼箱梁1做正功，被鋼箱梁1吸收。但由于在整個振動周期中，掛籃6的勢能變化為零，可以不考慮掛籃6勢能的變化。）因此，此過程中，水體同樣在吸收鋼箱梁1的動能。

當風速減小后，橋梁停止大幅振動，可以人力或其它動力設施帶動轉筒3轉動，提升掛籃6，并通過鋼箱梁1底板所設置的凹槽，使掛籃6傾斜進入庫后安裝就位。