TMDI在输电线路微风振动的控制研究

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输电线路是电能输送的重要载体,也是能源输送过程的主要受力构件之一,输电线路的结构安全是保证能源输送稳定的关键因素。但是微风振动会导致输电线路发生断股、断线及上挂金具磨损等事故。因此,亟待采取有效的防振措施控制微风振动,利用防振锤等防振器对输电线路微风振动的控制研究具有现实研究价值。目前常见的防振锤结构主要基于对称式和非对称式理论进行设计的,尤其是防振锤悬挂在输电线路上略显笨重,会造成悬挂端的输电线磨损严重进而发展成断股、断线,基于调谐惯性质量阻尼器(TMDI)理论的防振锤研究还比较少。本文结合TMDI理论和防振锤的减振耗能理论分别建立TMDI与防振锤的控制方程组,提出了一种新型防振器。通过激振试验、数值模拟及理论分析等方法对新型防振器的宽频特性、惯容放大特性及其在微风振动的耗能控制性能进行了较为系统的研究,主要包括以下几个方面的内容:(1)在传统减振装置调谐质量阻尼器(TMD)的基础上,新增一个惯容器(Inerter)的新装置,形成调谐惯性质量阻尼器(TMDI),对其进行了模型分析及两类参数优化研究。第一类是利用幅值方程曲线的两个定点,通过使两定点幅值相等,以及使两定点幅值为极大值的方法,求得TMDI系统的最优阻尼和最优刚度。第二类是通过求解幅值方程曲线的方差值,当方差值最小时,TMDI系统对应阻尼值和刚度值为此时的最优值。通过龙格库塔法求解20个数值算例工况,分别对两类参数优化方法进行了有效性验证及比较。研究表明,方差法的参数优化方法与算例工况结果吻合良好,而定点法的参数优化方法与算例吻合不佳,原因为两定点幅值为极大值并不能保证此时幅值为系统的最小值。(2)根据TMDI理论和机械传动理论,设计并加工了一种齿轮齿条式惯容器。对其进行了激振试验,研究其惯性质量放大特性。主要开展了两种激振试验研究,第一种是固定惯容器自身质量不变,改变外激励频率值,分析惯容器在不同激励下产生的惯性质量的变化。第二类是固定外激励频率不变,改变惯容器自身质量,观测惯容器在不同质量下产生的惯性质量变化。另外,将试验产生的惯性质量值与机械传动的理论值进行比较分析。研究表明,同一质量的惯容器在不同的激励下产生大致相同的惯性质量,不同质量的惯容器产生的惯性质量与机械传动理论的计算结果吻合良好。(3)结合惯容器的结构特性和防振锤的功率耗能特性,提出一种新型防振器,对其进行功率耗能试验研究,将其功率耗能试验结果与传统防振锤的试验结果进行对比。建立传统防振锤的ANSYS模型,将模型的模态结果与防振锤的试验结果进行对比分析,结果表明ANSYS模型模态分析结果与传统防振锤的试验结果吻合良好,新型防振器在低阶频率的试验耗能功率比传统防振锤的试验耗能功率性能更优越,发现新型防振器在低阶频率共振区域的耗能响应更有效,在高阶频率共振区域的耗能响应有所降低,原因是新型防振器的弹簧降低了在高阶频率共振区的振动耦合性能。(4)根据传统防振锤的结构特性推导其功率耗能阻抗矩阵,建立其MATLAB有限元模型对其试验结果进行验证,根据新型防振器的结构特性推导其功率耗能阻抗矩阵,建立其MATLAB有限元模型对其试验结果进行验证,另外,根据建立的有限元模型分析惯容器参数对新型防振锤的功率耗能影响。结果表明,传统防振锤的有限元模型与试验结果吻合良好,新型防振器的有限元模型与试验结果吻合良好,惯容器的结构参数变化使得新型防振器有增大低阶频率耗能功率以及扩宽耗能频谱的特性。本文基于TMDI理论和防振锤理论,提出一种新型的控制输电线路微风振动的防振器,对其进行功率耗能的试验、理论以及数值分析的成果,有助于深入理解这种结构的耗能特性及扩宽耗能频谱的机理,尤其是TMDI理论与传统FR-3防振锤思想结合,能够有效对输电线路进行减振控制,实现降低防振器质量,提高低阶频率耗能特性的效果,到达防振器轻质、减振、效率一体化。
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