CN110350459B - 一种输电线路耐张塔减震阻尼器及其安装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路耐张塔减震阻尼器及其安装结构，减震阻尼器包括外筒，外筒内沿轴线方向设置若干相互匹配的楔形金属外环、楔形金属内环，楔形金属内环位于楔形金属外环的内侧，且相邻两个楔形金属外环或/和楔形金属内环之间具有间隙，外筒内沿轴线方向分布挡块一、压持机构，挡块一用于阻挡楔形金属外环、楔形金属内环，压持机构用于为楔形金属外环、楔形金属内环施加沿外筒轴向方向的作用力。本发明的目的在于提供一种输电线路耐张塔减震阻尼器及其安装结构，以解决现有技术中减震结构需改变输电塔本身的动力特性、只适用于还未建成的输电线路中的问题，实现不改变输电塔本身的动力特性、减震适用性极强的目的。

Description

一种输电线路耐张塔减震阻尼器及其安装结构

技术领域

本发明涉及输电线路杆塔领域，具体涉及一种输电线路耐张塔减震阻尼器及其安装结构。

背景技术

电力在国民经济建设中具有举足轻重的地位。输电塔是电力输电***中的重要组成部分，是负荷电能输送的载体，也是重要的生命线结构工程。它与一般的土木工程结构不同，兼有塔状高耸结构和大跨度结构的共同特点，如塔体结构高、跨距大、柔性强等，其中最显著的特点是它由导线连接各个输电塔组成了绵延不断的连续体，对地震等灾害荷载反应敏感，容易在灾害荷载作用下发生破坏与倒塌现象。

通常的输电线路结构参见图1和图2所示，导线和地线通过绝缘子串张拉于相邻耐张塔的横担处之间。随着我国输变电工程向高压、超高压和特高压方向发展，输电线路需要更高的电气间隙，使得输电塔单体结构变得更高更柔，根据经验这种柔性结构抗震性能良好。但在以往地震中，输电塔倒塌、导地线掉落的现象屡见不鲜，造成整条输电线路的瘫痪，数以百亿计的直接经济损失；而电力的缺失又进一步阻碍救援行动和重建家园的开展，更多次生灾害会因此引发。

这种灾害现象与柔性结构抗震性能良好的特性不相符，是因为输电线路通过输电塔支撑并固定于输电塔上，输电塔又分为直立式和耐张式塔，直立式塔通过绝缘子悬吊输电线，耐张塔通过绝缘子张拉输电线，由耐张塔承担导线、地线中的不平衡张力。在地震作用下，相邻输电塔变形不一致，不断张拉导线和地线，产生巨大的不平衡张力，传递到耐张塔上产生巨大的冲击荷载。而连接导线和输电塔的绝缘子串是脆性材料，抗冲击性能和延性较差，容易在地震中被拉断；耐张塔本身为钢桁架结构，抗震性能良好，但在地震中不平衡张力传递到横担处，使其承受的巨大冲击荷载，横担高度因为要满足电气间隙的要求也相对较高，两个因素综合会在塔腿根部产生巨大弯矩，导致塔腿屈曲发生倒塌破坏。

针对输电线路在地震中的损毁情况，一些研究者对输电塔结构本身进行了减震研究。国内外一些研究者在塔腿与塔腿之间以及塔腿与相邻的安装槽内壁之间均设置有弹性加强杆，开口上设置有盖体，盖体上设置有与塔腿相匹配的孔，塔身与基座的上表面之间设置有缓冲机构。这种通过设置的弹性加强杆及缓冲机构来耗能减震的输电塔，改变了输电塔本身的动力特性，且需要在输电塔杆件的相应部位开孔进行加强杆的连接，只适用于还未建成的输电线路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输电线路耐张塔减震阻尼器及其安装结构，以解决现有技术中减震结构需改变输电塔本身的动力特性、只适用于还未建成的输电线路中的问题，实现不改变输电塔本身的动力特性、减震适用性极强的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种输电线路耐张塔减震阻尼器，包括外筒，所述外筒内沿轴线方向设置若干相互匹配的楔形金属外环、楔形金属内环，所述楔形金属内环位于楔形金属外环的内侧，且相邻两个楔形金属外环或/和楔形金属内环之间具有间隙，所述外筒内沿轴线方向分布挡块一、压持机构，所述挡块一用于阻挡楔形金属外环、楔形金属内环，所述压持机构用于为楔形金属外环、楔形金属内环施加沿外筒轴向方向的作用力。

针对现有技术中减震结构需改变输电塔本身的动力特性、只适用于还未建成的输电线路中的问题，本发明提出种输电线路耐张塔减震阻尼器，其耗能原理是利用楔形金属内外环之间的摩擦来实现对地震能量的耗散：初始状态减震阻尼器的相邻楔形金属内环、楔形金属外环之间存在间隙，在楔形截面上存在摩擦力，当外力克服摩擦力时楔形金属内环、楔形金属外环之间发生滑动，间隙被压缩，楔形金属内环与楔形金属外环之间受到挤压而膨胀，沿外筒轴向发生相对滑移，滑移过程中摩擦力做功，动能向热能的转化，从而起到减弱地震输入能量的效果。当地震作用后，轴向力消失，楔形金属内环与外环的挤压和膨胀随之消失，本发明可以恢复到初始状态。其中，挡块一用于从一侧对楔形金属外环、楔形金属内环进行阻挡限位，压持机构用于传递外界的轴向作用力至楔形金属外环、楔形金属内环上，从而便于在外力作用时挤压楔形金属外环、楔形金属内环之间的间隙。本发明通过外筒内部大量的楔形金属外环、楔形金属内环进行耗能，消能减震效果好：用于耐张塔中，在地震作用下，导线中产生的巨大不平衡张力传递到本阻尼器后，使本阻尼器在轴力作用下处于工作状态，利用阻尼器内部楔形金属内外环之间的摩擦来实现对地震能量的耗散，减小导线作用到耐张塔横担上的冲击荷载，从而减小耐张塔的地震响应，达到良好的消能减震效果。本发明结构简单、安装方便、适用性强，将本发明应用于绝缘子串与耐张塔横担的连接中即可，因此可应用于未建成的输电线路，也可应用于已建成的输电线路，不需要对输电塔本身结构进行开孔改造，不改变输电塔本身的动力特性。

优选的，所述压持机构包括一端***至外筒内部的主轴，所述主轴上套设挤压楔块，所述挤压楔块与楔形金属外环、楔形金属内环相邻，挤压楔块远离楔形金属外环、楔形金属内环所在方向的一侧设置挡块二，所述主轴穿过挡块二，主轴上还套设紧固件，所述紧固件压持挤压楔块。主轴用于与外界进行连接，并将外力传递至本减震阻尼器内部。当外力作用在主轴上时，主轴向外筒内部进行移动，通过紧固件推动挤压楔块向内运动，挤压楔块挤压楔形金属外环与楔形金属内环，使其内部缝隙被压缩，实现金属摩擦耗能的过程。

所述挤压楔块外设置相匹配的滑动楔块，所述滑动楔块与所述挤压楔块相互啮合。滑动楔块能够相对挤压楔块朝径向滑动，同时滑动楔块的外侧又被外筒内壁所阻挡，因此通过滑动楔块来对挤压楔块进行准确定位，两者相互啮合起到限位作用。

还包括套设在主轴上的弹簧，所述弹簧位于挡块一、挡块二之间。紧固件压持挤压楔块时，同样会压持所述弹簧，进而通过弹性势能的转化进一步的实现能量消耗。并且在外力消失后，由弹簧的弹性力推动挤压楔块、紧固件复位，实现本发明的自动复位。

所述主轴位于外筒外部的一端、所述外筒远离主轴伸出方向的一端均设置连接板，所述连接板上设置安装孔。便于与电塔进行连接。

一种输电线路耐张塔减震阻尼器的安装结构，包括耐张塔，所述耐张塔上设置耐张塔横担，减震阻尼器的两端分别与耐张塔横担端部、绝缘子串连接。

优选的，导线、地线通过绝缘子串张拉于相邻的输电塔之间。

优选的，减震阻尼器的两端通过球铰与耐张塔横担端部、绝缘子串分别铰接。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种输电线路耐张塔减震阻尼器及其安装结构，在地震作用下，导线中产生的巨大不平衡张力传递到本阻尼器后，使本阻尼器在轴力作用下处于工作状态，利用阻尼器内部楔形金属内外环之间的摩擦来实现对地震能量的耗散，减小导线作用到耐张塔横担上的冲击荷载，从而减小耐张塔的地震响应，达到良好的消能减震效果。本发明结构简单、安装方便、适用性强，将本发明应用于绝缘子串与耐张塔横担的连接中即可，因此可应用于未建成的输电线路，也可应用于已建成的输电线路，不需要对输电塔本身结构进行开孔改造，不改变输电塔本身的动力特性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有技术中电塔示意图；

图2为现有技术中电塔横担连接处的示意图；

图3为本发明具体实施例中减震阻尼器的结构示意图；

图4为本发明具体实施例中减震阻尼器的的局部示意图；

图5为本发明具体实施例的安装示意图；

图6为本发明具体实施例中电塔横担连接处的示意图；

图7为本发明具体实施例中楔形金属内环、楔形金属外环的动作示意图；

图8为本发明具体实施例中楔形金属内环、楔形金属外环的整体变形图；

图9为本发明具体实施例中楔形金属内环、楔形金属外环的滞回曲线；

图10为本发明具体实施例中减震阻尼器在外力作用下的滞回曲线。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-耐张塔，2-耐张塔横担，3-绝缘子串，4-地线，5-导线，6-减震阻尼器，7-楔形金属外环，8-楔形金属内环，9-外筒，10-弹簧，11-挤压楔块，12-紧固件，13-滑动楔块，14-挡块二，15-挡块一，16-主轴，17-连接板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

一种输电线路耐张塔减震阻尼器，包括外筒9，其特征在于，所述外筒9内沿轴线方向设置若干相互匹配的楔形金属外环7、楔形金属内环8，所述楔形金属内环8位于楔形金属外环7的内侧，且相邻两个楔形金属外环7或/和楔形金属内环8之间具有间隙，所述外筒9内沿轴线方向分布挡块一15、压持机构，所述挡块一15用于阻挡楔形金属外环7、楔形金属内环8，所述压持机构用于为楔形金属外环7、楔形金属内环8施加沿外筒9轴向方向的作用力。

本发明是考虑到振动控制的对象是电力设备，对减震方案的要求较高，综合阻尼器性能、稳定性以及成本等多种因素设计而成。由外筒、楔形金属内、外环组成，耗能原理是利用内部楔形金属环的摩擦来实现对地震能量的耗散。其中所述外筒9优选为金属外筒。在压力作用下，楔形金属外环7与楔形金属内环8之间受到挤压而膨胀，沿本阻尼器轴向发生相对滑移，滑移过程中摩擦力做功，实现动能向热能的转化，从而起到减弱地震动输入能量的效果，当力消失后金属环的挤压和膨胀随之消失，阻尼器可以恢复到初始状态。

实施例2：

一种输电线路耐张塔减震阻尼器，在实施例1的基础上，所述压持机构包括一端***至外筒9内部的主轴16，所述主轴16上套设挤压楔块11，所述挤压楔块11与楔形金属外环7、楔形金属内环8相邻，挤压楔块11远离楔形金属外环7、楔形金属内环8所在方向的一侧设置挡块二14，所述主轴16穿过挡块二14，主轴16上还套设紧固件12，所述紧固件12压持挤压楔块11。所述挤压楔块11外设置相匹配的滑动楔块13，所述滑动楔块13与所述挤压楔块11相互啮合。还包括套设在主轴16上的弹簧10，所述弹簧10位于挡块一15、挡块二14之间。所述主轴16位于外筒9外部的一端、所述外筒9远离主轴16伸出方向的一端均设置连接板17，所述连接板17上设置安装孔。

本实施例中阻尼器的内力可认为由弹簧的弹性力和摩擦力构成。各内外楔形金属环之间存在间隙，在楔形截面上存在摩擦力，当外力克服摩擦力时金属环之间发生滑动，间隙被压缩，在此过程中摩擦力做功实现能量的耗散，如图7所示。当各个楔形金属内外环间隙全部被压实，阻尼器达到极限变形，形成一个钢柱，具有很大的极限承载力，如图8所示，左边为初始状态，右边为加载状态。在图8右边的状态下，阻尼器不能再沿该受力方向发生变形，在该受力方向上不再具有耗能能力，因此应该尽量避免此种情况的出现。图7中，θ为楔形金属内外环接触面的角度，de为本阻尼器纵向压缩量，△R+△r为本阻尼器横向压缩量。楔形金属内外环之间相对变形和纵向膨胀量的关系为：ΔR+Δr＝d_e×tanθ。在工作状态下，阻尼器的摩擦力随变形的增大而增大。为保证本阻尼器在微风等小荷载作用下不出现滑移现象且为了防止金属环相互脱落，通过弹簧沿阻尼器的金属环轴向施加预压力F₀，作为阻尼器的初始起滑力。在整个运动过程中，不论阻尼器产生任何方向的位移，阻尼器内部的楔形金属内外环始终处于受压状态。金属环的滞回曲线如图9所示，图9中横坐标为本阻尼器的整***移，纵坐标为金属环内力，F为加载力，F_f为摩擦力，Fe为弹性力，F为卸载力。

当外力大于预压力时阻尼器才会发生滑动，故阻尼器的整体滞回曲线为旗形，如图10所示。当预压力大于阻尼器楔形金属内外环间的静摩擦力时，阻尼器具有自复位能力，当外力消失时，阻尼器可恢复初始无变形状态。在受力过程中，摩擦力F_f方向与阻尼运动方向一致，而弹性力Fe始终与阻尼器变形方向一致，故在加载过程中摩擦力与弹性力方向一致，卸载过程中摩擦力方向发生突变，与弹性力反向。阻尼器的耗能效果为图10中阴影面积占加载力与横坐标轴围成面积的百分比，即当卸载力F2/F1＝1/3时，本实施例的阻尼器的耗能效果为66.67％。图10中，横坐标为阻尼器变形，纵坐标为力，k1表示加载刚度，k2表示卸载刚度，F1为加载力，F2为卸载力，F_f为摩擦力，Fe为弹性力。

实施例3：

一种输电线路耐张塔减震阻尼器的安装结构，包括耐张塔1，所述耐张塔1上设置耐张塔横担2，减震阻尼器6的两端分别与耐张塔横担2端部、绝缘子串3连接。导线5、地线4通过绝缘子串3张拉于相邻的输电塔之间。减震阻尼器6的两端通过球铰与耐张塔横担2端部、绝缘子串3分别铰接。

在地震作用下，耐张塔1及其横担会发生位移，进而张拉导线5、地线4，对其连接的相邻耐张塔1产生冲击荷载；而冲击荷载通过所述安装的减震阻尼器6后，使所述的阻尼器6在轴力作用下处于工作状态，初始状态阻尼器的各楔形金属内外环之间存在间隙，在楔形截面上存在摩擦力，当外力克服摩擦力时金属环之间发生滑动，内部楔形滑块13推动弹簧10在挡块一15、挡块二14间运动，间隙被压缩，楔形金属外环7与楔形金属内环8之间受到挤压而膨胀，内部弹簧10受到挤压而压缩，沿减震阻尼器6轴向发生相对滑移，滑移过程中摩擦力做功，动能向热能转化，从而起到减弱地震动输入能量的效果，即导线5和地线4对相邻耐张塔1横担产生的冲击荷载会因减震阻尼器6的安装而减小。

当地震作用后，耐张塔1、耐张塔横担2以及导线5和地线4均恢复到原始位置，轴力消失后楔形金属内环与外环的挤压和膨胀随之消失，弹簧10恢复初始长度，减震阻尼器6可以恢复到初始状态。

采用的减震阻尼器6为保证在微风等小荷载作用下不出现滑移现象且为了防止金属环相互脱落，沿阻尼器的金属环轴向施加预压力，作为阻尼器的初始起滑力。采用的减震阻尼器6的初始起滑力与输电塔段导线5和地线4的张力相匹配；采用的减震阻尼器6沿轴向发生相对滑移，变形能力与输电塔1的位移限值相匹配。采用的减震阻尼器6内力由弹簧10的弹力和金属环的摩擦力构成，所述的弹簧10质量和刚度的选取匹配阻尼器和耐张塔的最佳振动周期；所述的金属环组件包括楔形金属外环7和楔形金属内环8，内外环的直径相互匹配。

与现有技术相比，本实施例具有以下优点：

(1)结构简单，安装方便，适用性强：本发明将减震阻尼器应用于绝缘子串与耐张塔横担的连接中，可应用于未建成的输电线路，也可应用于已建成的输电线路，不需要对输电塔本身结构进行开孔改造，不改变输电塔本身的动力特性，只是通过在绝缘子串与耐张塔横担间增设一个减震阻尼器；

(2)消能减震效果好：减震阻尼器装置用于耐张塔，在地震作用下，导线中产生的巨大不平衡张力传递到阻尼器后，使所述的阻尼器在轴力作用下处于工作状态，利用阻尼器内部楔形金属环的摩擦来实现对地震能量的耗散，减小导线作用到耐张塔横担上的冲击荷载，从而减小耐张塔的地震响应，达到良好的消能减震效果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种输电线路耐张塔减震阻尼器，包括外筒（9），其特征在于，所述外筒（9）内沿轴线方向设置若干相互匹配的楔形金属外环（7）、楔形金属内环（8），所述楔形金属内环（8）位于楔形金属外环（7）的内侧，且相邻两个楔形金属外环（7）或/和楔形金属内环（8）之间具有间隙，所述外筒（9）内沿轴线方向分布挡块一（15）、压持机构，所述挡块一（15）用于阻挡楔形金属外环（7）、楔形金属内环（8），所述压持机构用于为楔形金属外环（7）、楔形金属内环（8）施加沿外筒（9）轴向方向的作用力；

所述压持机构包括一端***至外筒（9）内部的主轴（16），所述主轴（16）上套设挤压楔块（11），所述挤压楔块（11）与楔形金属外环（7）、楔形金属内环（8）相邻，挤压楔块（11）远离楔形金属外环（7）、楔形金属内环（8）所在方向的一侧设置挡块二（14），所述主轴（16）穿过挡块二（14），主轴（16）上还套设紧固件（12），所述紧固件（12）压持挤压楔块（11）；

还包括套设在主轴（16）上的弹簧（10），所述弹簧（10）位于挡块一（15）、挡块二（14）之间；初始状态下，弹簧（10）处于受拉状态。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路耐张塔减震阻尼器，其特征在于，所述挤压楔块（11）外设置相匹配的滑动楔块（13），所述滑动楔块（13）与所述挤压楔块（11）相互啮合。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路耐张塔减震阻尼器，所述主轴（16）位于外筒（9）外部的一端、所述外筒（9）远离主轴（16）伸出方向的一端均设置连接板（17），所述连接板（17）上设置安装孔。

4.基于权利要求1至3中任一所述的一种输电线路耐张塔减震阻尼器的安装结构，其特征在于，包括耐张塔（1），所述耐张塔（1）上设置耐张塔横担（2），减震阻尼器（6）的两端分别与耐张塔横担（2）端部、绝缘子串（3）连接。

5.根据权利要求4所述的一种输电线路耐张塔减震阻尼器的安装结构，其特征在于，导线（5）、地线（4）通过绝缘子串（3）张拉于相邻的输电塔之间。

6.根据权利要求5所述的一种输电线路耐张塔减震阻尼器的安装结构，其特征在于，减震阻尼器（6）的两端通过球铰与耐张塔横担（2）端部、绝缘子串（3）分别铰接。

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