一种桥梁拉索减振器的研制与开发＊

陈再发

（浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021）

一种桥梁拉索减振器的研制与开发＊

陈再发

（浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021）

针对斜拉桥拉索的无规则振动，在分析现有减振器特性基础上，研制开发一种在核心技术上具有自主知识产权的桥梁拉索减振器。利用连接端十字万向轴节的结构设计，实现了减振器的三维转动；利用内部双层静、动密封件的设计，解决了液压油泄漏的问题；利用液压油路控制增加阻尼液流动的行程，通过液体流动吸收振动能量，实现了对桥梁拉索内的减振、消振，解决了现有桥梁拉索减振器存在的振动消除效果差、漏油、施工安装困难等问题。关键词：桥梁拉索；三维转动；液压减振器；能量吸收

0 引言

拉索是斜拉桥中重要的结构构件，由于其柔性大、阻尼小、易受到风力等外部干扰影响，因此容易产生各种形式的振动。连续的拉索振动可能会在长时间内造成索股疲劳或者腐蚀，从而会大大降低斜拉桥的使用寿命和安全［1］，因此，需要采用适当的方法使拉索振动尽可能降到最低。目前，为解决拉索振动提出了各种阻尼器，如磁流变液阻尼器［2］（MR阻尼器）、电磁阀阻尼器以及被动减振元件液体粘滞阻尼器等［3］。然而，这些阻尼器工艺复杂且只适合于二维平面空间（上下方向或者左右方向）内的减震，而在风雨的作用下拉索振动是三维的［4］，拉索无规则、高强度、多角度的摆动往往会造成安装的阻尼器的锚固连接端断裂，不仅起不到减振效果，反而会造成拉索及桥面的损坏，正因为如此，单根拉索在技术上就要求交叉安装两只阻尼器，但斜拉桥上环境恶劣施工困难，同时大强度的施工也容易造成桥体损坏，很难为用户所接受［5］。本设计所要解决的技术问题是提供一种易加工、稳定性高、减振效果好，并不会对拉索及桥体造成损伤，且不会增加施工难度的桥梁拉索减振器。

1 基本结构

1.1 背景技术

目前斜拉桥上应用最为广泛的是液压阻尼式减振器，其原理是当冲击和振动发生时，该减振器能在较短时间内将能量较换成粘滞阻尼液的内能和弹性元件的势能，从而达到耗能减振的目的；而后由于阻尼液的存在，弹性势能在较长时间内转换成阻尼液的内能，从而达到减振器复位的目的［6］。

然而，在极端风雨作用下拉索的振动是高速且无规则的，该类阻尼器由于复位速度慢减振效果很差，同时，拉索无规则的振动使得阻尼器承受偏心力作用，造成活塞与工作缸体卡死甚至导致阻尼器断裂［7］。

1.2 基本结构

如图1所示，拉索减振器的结构包括工作缸体1、活塞杆2及设置于工作缸体1内的活塞3，活塞3同轴套设于活塞杆2外，活塞3与活塞杆2一体设置，工作缸体1内还设置有带中心通孔的上密封体4和带中心通孔的下密封体5，上密封体4的外周壁与工作缸体1的上部的内周壁密封连接，下密封体5的外周壁与工作缸体1的下部的内周壁密封连接，上密封体4与下密封体5之间的区域构成工作区域6，活塞3位于工作区域6中，且活塞3的外周壁与工作缸体1的内周壁之间留有间隙7，工作区域6内充满有阻尼液8，活塞杆2的上部穿过上密封体4的中心通孔伸出工作缸体1外，活塞杆2的上部与上密封体4的中心通孔的孔壁密封接触，活塞杆2位于上密封体4与活塞3之间的部分杆体外设置有用于承受冲击力的第一压缩弹簧91，活塞杆2的下部穿过下密封体5的中心通孔位于工作缸体1内，活塞杆2的下部与下密封体5的中心通孔的孔壁密封接触，活塞杆2位于活塞3与下密封体5之间的部分杆体外设置有用于承受冲击力的第二压缩弹簧92，活塞杆2带动活塞3在工作区域6内往复运动，工作缸体1的上轴端连接有用于压紧上密封体4的压紧螺母11，活塞杆2的顶部穿过压紧螺母11的中心通孔连接有十字万向轴节12，利用粗销钉连接十字万向轴节12与斜拉索的卡箍，工作缸体1的下轴端连接有用于压紧下密封体5的单支耳13，利用粗销钉连接单支耳13与固定在斜拉桥的桥体上的钢架，该钢架与桥体锚固端刚性焊接，可以将阻尼器承受的振动传递到桥墩上。

在图1中，上密封体4的外周壁沿其周向设置有第一静密封件41，第一静密封件41位于上密封体4与工作缸体1之间，上密封体4的内周壁上沿其周向设置有第一动密封件42，第一动密封件42位于上密封体4与活塞杆2之间，下密封体5的外周壁上沿其周向设置有第二静密封件51，第二静密封件51位于下密封体5与工作缸体1之间，下密封体5的内周壁上沿其周向设置有第二动密封件52，第二动密封件52位于下密封体5与活塞杆2之间。在此，第一静密封件41和第二静密封件51可选用聚四氟乙烯O形密封圈；第一动密封件42和第二动密封件52可选用斯特封。

图1 拉索减振器基本结构Figure.1 basic structure of cable shock absorber

下密封体5的外轴端沿轴向设置有内凹腔53，内凹腔53的轴向高度大于活塞杆2位于活塞3与下密封体5之间的部分杆体的长度，活塞杆2的下部穿过下密封体5的中心通孔位于内凹腔53内，通过在下密封体5的外轴端设置一个内凹腔53，并使内凹腔53的轴向高度大于活塞杆2位于活塞3与下密封体5之间的部分杆体的长度，这样能够有效地避免活塞杆2的底部与单支耳13发生碰撞。

上密封体4的内轴端上设置有用于嵌入第一压缩弹簧91的上端的第一上环形槽93，活塞3的上轴端设置有用于嵌入第一压缩弹簧91的下端的第一下环形槽94，活塞3的下轴端设置有用于嵌入第二压缩弹簧92的上端的第二上环形槽95，下密封体5的内轴端上设置有用于嵌入第二压缩弹簧92的下端的第二下环形槽96；通过设置第一上环形槽93和第一下环形槽94，能够很好地对第一压缩弹簧91进行轴向限位，从而能够确保第一压缩弹簧91轴向受力均匀；同样，通过设置第二上环形槽95和第二下环形槽96，能够很好地对第二压缩弹簧92进行轴向限位，从而能够确保第二压缩弹簧92轴向受力均匀。

在此，上密封体4可采用圆盘式结构的密封体，下密封体5可直接采用筒状结构的密封体，筒状结构的内腔为下密封体5的内凹腔53；阻尼液8采用现有的高稳定性、无毒、无腐蚀的有机液体系列，如甲基硅油、磁流变液等，该系列阻尼液的粘度从几十毫帕秒到几十帕秒均可选择［8］。

2 工作原理

图2 减振器与桥梁拉索连接示意图Fig.2 dam per bridge cable connection sketch map

图3与现有减振器的减振效果比较Fig.3 Comparison of the damping effect of the existing shock absorber

由图1及图2可知，当拉索受到振动和冲击时，振动信号通过卡箍经由十字万向轴节12传递给活塞杆2，活塞杆轴向运动在较短时间内将拉索振动的动能转换成粘滞阻尼液的内能和弹簧的势能，同时，由于采用尺寸配套的十字万向轴节，可以在三维空间里达到耗能减振的目的。而后由于阻尼液的存在，弹簧势能在一定时间内将势能转换成阻尼液的内能释放到环境当中，从而达到减振器复位的目的。通过调整油缸内径、活塞与缸体间隙、阻尼液粘度、弹簧倔强系数和活塞杆行程等参数，可以设计出适合各种冲击或振动的减振器。

活塞与活塞杆一体设置，一体加工，可以避免采用固定件固定活塞与活塞杆，减少了装配工作量，提高了连接可靠性，从而确保了活塞杆带动活塞工作的可靠性。

目前现有的桥梁拉索减振器普遍使用的是 “两级液压阻尼式减振器”，其结构是在油缸内的活塞处开有阻尼小孔，油缸下部装有蓄能器，当受到外力冲击时，油缸内的阻尼液通过小孔从一个腔室流至另一个腔室，冲击的能量被油缸下部的蓄能器吸收，由此产生阻尼减振和蓄能减振的作用，达到了缓冲减振的目的［9］。但该减振器存在以下的缺陷：1.活塞上的小孔加工困难，进入工作状态时活塞与油缸摩擦剧烈，易磨损，寿命短。2.油缸下部的蓄能器结构复杂，动密封过多，性能不稳定，长时间使用后，容易发生泄漏、维修较困难。3.活塞长期处于偏心工作状态且只对阻尼器平面内的振动有效果。与现有减振器比较，本文减振器消振的预计效果如图3所示。

3 结论

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）当拉索发生冲击和/或振动时，该减振器能够在较短的时间内将冲击和/或振动产生的能量转换成粘滞阻尼液的内能及双层弹簧的势能，能够有效地提高减振效果，而弹簧的势能在较短时间内会转换成粘滞阻尼液的内能释放到环境当中，能够使该减振器迅速复位，即振动消失后该减振器靠双层弹簧同时作用复位，从而能够有效地避免对拉索和桥面造成损坏。

（2）由于该减振器具有良好的减振效果，因此在单根拉索上只需安装一个减振器即可，有效地降低了施工难度，并有效地降低了对桥体的损坏。

（3）活塞的外周壁与工作缸体的内周壁之间留有间隙，工作时活塞与工作缸体之间无摩擦，不会损坏活塞和工作缸体，从而可以有效地延长该减振器的使用寿命，而且活塞与工作缸体加工方便，并易维护保养。

（4）该减振器采用单出杆式，不易受到偏心力的作用，活塞与工作缸体的轴线不易偏离，能够有效地保证活塞与工作缸体之间的间隙较小时也不会产生摩擦，不会发生活塞与工作缸体卡死现象。

（5）在工作区域内填充阻尼液，由于在连续减振后积累的热量通过阻尼液散热，且阻尼液散热快，因此在工作缸体内不会积累大量的热而损坏该减振器；此外，阻尼液的粘度变化范围较大，可以适合多种场合。

（6）通过调整工作缸体的内径、活塞的外周壁与工作缸体的内周壁之间的间隙宽度、阻尼液的粘度、第一压缩弹簧和第二压缩弹簧的倔强系数、活塞杆的行程等参数，可以设计出适合各种冲击和/或振动的减振器。

研制开发了在核心技术上具有自主知识产权的“一种桥梁拉索减振器”（ZL2015 20411859.1）

其科技含量，减振效果，均处于优势地位，在斜拉桥建设中具有广阔的市场空间，预期具有显著的社会经济效益。

［1］同济大学土木工程防灾国家重点实验室．苏通长江公路大桥超长斜拉索的振动及减振研究报告［R］．同济大学土木工程防灾国家重点实验室，2002．12．

［2］赵林，葛耀君．风雨耦合环境结构荷载与响应的分析及试验研究［J］．振动工程学报，2014，27（4）:507-517.

［3］郭增伟．大跨度悬索桥涡振和颤振主动控制原理与方法［D］.上海：同济大学，2013．

［4］李金海，关新春，欧进萍.斜拉索磁流变液阻尼器半主动振动控制系统的设计与应用［M］.北京：科学出版社，2005.

［5］刘超群.磁流变液阻尼器的结构设计与性能研究［D］.西安:西安交通大学，2011.

［6］陈水生，秦鸣，陈勇.大跨度斜拉桥拉索的振动及控制现场试验［J］.长安大学学报，2013，23（2）:31-35.

［7］陈水生，孙炳楠.斜拉桥拉索模态耦合非线性共振响应特性［J］.工程力学，2013，36（2）:27-31.

［8］孙利民，周海俊，陈艾荣.索承重大跨桥梁拉索的振动控制装置种类与性能［J］.国外桥梁，2011，34（4）:36-40.

［9］江浩斌，胡隽秀，陈龙.两级阻尼可调式液压减振器的性能仿真与试验［J］.机械工程学报，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

（责任编辑：耿继祥）

2016-09-27；

2016-11-14

浙江省教育厅科研项目（Y201534405）。

陈再发（1982－ ），男，安徽五河人，讲师，博士，主要研究方向：机电设备状态监测、故障诊断、自动控制等。