ГАСИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ
VIBRATION DAMPER

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к гасителям колебаний, предназначенным для защиты от колебаний (вибрации) проводов и оптических кабелей, подвешиваемых на опорах воздушных линий электропередачи и линий связи.
Известен гаситель вибрации для проводов воздушных линий электропередачи и самонесущих волоконно-оптических кабелей линий связи, содержащий гибко-упругий элемент, выполненный в виде сердечника и повивов из высокопрочной стали, по концам которого закреплены грузы, и плашку-зажим, одним концом закрепленную посередине гибко-упругого элемента, а другим - на проводе (кабеле), при этом гибко-упругий элемент закреплен в грузах с эксцентриситетом, величина которого выбрана из определенного соотношения [1].
Данный тип гасителя вибрации (гаситель Стокбриджа) работает по принципу поглощения механической энергии, вследствие эффекта трения проволок гибко-упругого элемента (тросика) между собой, при этом достаточное поглощение возникает только в момент механического резонанса колеблющихся грузов. Гасители такого типа работают эффективно в достаточно узкой частотной области и защищают в основном одну точку (точку крепления зажима гасителя на проводе) от большого размаха колебаний, и, как показывают натурные испытания, сам провод за пределами зоны крепления гасителя продолжает колебаться с существенно большой амплитудой. В результате у этого гасителя зона критических деформаций провода смещается из точки крепления провода в натяжном или поддерживающем зажимах в точку крепления самого гасителя на проводе, что зачастую приводит к обрыву или разрушению провода в месте крепления гасителя на проводе. Кроме того, иногда на низких частотах, близких к частотам пляски проводов, сам гаситель может стать причиной снижения надежности работы провода из-за того, что он начинает раскачиваться вместе с проводом.
Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному является гаситель колебаний проводов воздушных линий электропередачи и самонесущих волоконно-оптических кабелей связи, содержащий полый корпус, жестко соединенный с зажимом для закрепления на проводе или кабеле, и демпферный элемент [2].
В этом гасителе колебания провода передаются на закрепленный на нем полый корпус, заполненный несжимаемой жидкостью, при этом в корпусе расположен груз, имеющий возможность свободного перемещения по вертикали вдоль подпружиненного стержня. В этом случае оптимальное гашение колебаний может быть достигнуто только при точном расчете и учете всех факторов, оказывающих существенное влияние на собственную резонансную частоту колебаний гасителя, а именно веса груза, жесткости пружины и зависимой от температуры вязкости жидкости, заполняющей полость корпуса. То есть реализация этого конструктивного варианта гасителя на практике окажется затруднительной и потребует дополнительных существенных материальных, финансовых и временных затрат.
газсреды
Заявитель ставил перед собой практическую задачу разработать универсальный гаситель колебаний проводов воздушных линий электропередачи и самонесущих волоконно-оптических кабелей связи, эффективно работающий по принципу согласованного поглощения механической энергии волны поперечных колебаний в натянутом проводе (кабеле), характеризующийся достаточной простотой конструктивного исполнения и приемлемыми материальными расходами. Указанный положительный технический результат был достигнут за счет новой совокупности существенных конструктивных признаков предложенного гасителя колебаний, зафиксированной в нижеследующей формуле изобретения: «гаситель колебаний проводов воздушных линий электропередачи и самонесущих волоконно-оптических кабелей связи, содержащий полый корпус, жестко соединенный с зажимом для закрепления на проводе или кабеле, и демпферный узел; корпус выполнен из легкого по весу материала, герметичным с возможностью не расходуемого заполнения его полости газообразной незамерзающей средой, демпферный узел выполнен в виде расположенного и имеющего возможность вертикального перемещения внутри полости корпуса инерционного элемента, выполненного в форме металлического груза, закрепленного соосно вертикальной оси корпуса на изготовленной из упругого материала диафрагме, герметично закрепленной по периметру между верхним и нижним фланцами корпуса и разделяющей его внутренний объем на верхнюю и нижнюю половины, при этом корпус снабжен компенсирующими силу тяжести груза пружинами, обеспечивающими ненапряженное состояние диафрагмы в статическом положении, в грузе или диафрагме выполнено, по меньшей мере, одно сквозное дросселирующее отверстие, создающее противодействие, возрастающее с увеличением скорости перемещения через упомянутое дросселирующее отверстие газообразной среды при колебаниях провода или кабеля, отношение диаметра D диафрагмы к максимальной амплитуде вертикального перемещения Δх груза относительно корпуса под действием поперечных колебаний провода или кабеля выбирается максимально возможным при минимальном объеме V заполняющей полость корпуса газообразной среды, достигаемым за счет замещения излишнего объема внутренней полости корпуса жестким пенообразным заполнителем, прикрепленным к внутренним поверхностям стенок корпуса, причем конфигурация упомянутого заполнителя со стороны диафрагмы определяется минимальным пространством, в котором с максимально возможной амплитудой без касания с поверхностью заполнителя могут совершаться колебания диафрагмы; отношение диаметра D диафрагмы к максимальной амплитуде перемещения Δх груза относительно корпуса под действием поперечных колебаний провода или кабеля выбирается в пределах: D/Δx=1,0÷100; объем полости корпуса замещен до 80% объема жестким пенообразным заполнителем; верхний и нижний фланцы корпуса выполнены в форме цилиндра с боковыми заплечиками с формой, определяемой минимальным пространством, в котором с максимально возможной амплитудой и без ограничения могут совершаться колебания диафрагмы; груз демпферного элемента изготовлен из чугуна; груз демпферного элемента изготовлен из стали; груз демпферного элемента изготовлен из свинца; диафрагма демпферного элемента изготовлена из кремнийорганической резины; диафрагма демпферного элемента изготовлена из полиуретана; диафрагма демпферного элемента изготовлена из бериллиевой бронзы; диафрагма демпферного элемента изготовлена из металлоэластомерного композиционного материала; диафрагма демпферного элемента изготовлена из пружинной или нержавеющей стали; в качестве газообразной незамерзающей среды, заполняющей полость корпуса, использован воздух; в качестве газообразной незамерзающей среды, заполняющей полость корпуса, использован инертный газ; инерционный элемент демпферного узла выполнен в виде массивного герметичного полого корпуса, внутри которого расположена между его верхним и нижним фланцами диафрагма, герметично закрепленная по периметру на внутренних стенках корпуса, при этом диафрагма снабжена, по меньшей мере, одним сквозным дросселирующим отверстием и через шток посредством шайб соединена с зажимом для закрепления на проводе или кабеле; в местах выхода из корпуса указанный шток закреплен в направляющей втулке и защищен от воздействия внешней среды гофрированным пыльником; функционально работающие как инерционный элемент верхний и/или нижний фланцы корпуса выполнены утолщенными в виде груза».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид гасителя колебаний, выполненный согласно настоящему изобретению, вид перпендикулярно проводам (кабелям) линии; на фиг.2 - вариант выполнения корпуса по 4-му пункту фюрмулы изобретения гасителя на фиг.1; на фиг.3 - вариант выполнения гасителя по 15-му пункту фюрмулы изобретения на фиг.1; на фиг.4 - амплитудно-частотные характеристики, снятые на макетах гасителя колебаний, выполненного согласно настоящему изобретению, в сравнении с амплитудно-частотными характеристиками гасителей вибрации типа Стокбриджа.
Заявляемый гаситель колебаний проводов 1 воздушных линий электропередачи и самонесущих волоконно-оптических кабелей 1 связи выполнен в виде полого герметичного, легкого по весу корпуса 2, который жестко закреплен на проводе (кабеле) 1 с помощью плашечного зажима 3. Внутренняя полость корпуса 2 заполняется газообразной незамерзающей средой (газом, инертным газом и т.п.) или просто остается заполненной воздухом, которые вследствие герметичности корпуса 2 в процессе эксплуатации практически не расходуются. Верхний и нижний фланцы 4, 5 корпуса 2 с целью оптимизации конструкции гасителя с точки зрения достижения наибольшей его эффективности демпфирования для выбранного типа воздушной линии электропередачи или линии связи могут выполняться в различных конструктивных вариантах, например, в форме круглого цилиндра с боковыми заплечиками 6, 7, чтобы минимизировать нерабочий объем внутренней полости корпуса 2 (фиг.2). Для уменьшения объема газообразной среды (воздуха) при выборе более простой с точки зрения технологии изготовления формы корпуса гасителя с целью увеличения эффекта дросселирования газообразной среды в полость корпуса 2 вводится жесткий пенообразный заполнитель в форме прикрепленных к внутренним поверхностям стенок корпуса 2 фигурных накладок 8, которые максимально (до 80% объема) замещают излишний объем внутренней полости корпуса 2.
Гашение колебаний провода (кабеля) 1 осуществляется за счет применения в данном гасителе демпферного узла. Демпферный узел представляет собой инерционный элемент, состоящий из груза 9, выполненного в виде массивного цилиндра из металла с высоким значением удельного веса (например, чугуна, стали) осесимметрично зафиксированного на диафрагме 10, закрепленной по периметру между верхним и нижним фланцами 4, 5 перпендикулярно вертикальной оси симметрии 11 корпуса 2. Диафрагма 10 изготовляется из материала с хорошими упругими свойствами и высокой усталостной прочностью: из эластомеров, например полиуретана, кремнийорганической резины; из металлов - бериллиевой бронзы, пружинной или нержавеющей стали, а также из металлоэластомерных композиционных материалов. Если выбирается металл или металлоэластомер, диафрагма 10 представляет собой по сути пластинчатую пружину небольшой толщины, любой приемлемой с технологической и эксплуатационной точек зрения формы (гофрированная, круглая, цилиндрическая, эллипсоидная и т.п.), в частности, может быть выполнена как пластинчатая пружина в форме окружности с отформованным осесимметричным, концентрическим или спиралевидным гофром.
газсреды
Как вариант, груз 9 и диафрагма 10 для исключения напряженного состояния материала диафрагмы 10 под действием силы тяжести могут позиционироваться (фиксироваться) в статическом положении дополнительными пружинами сжатия-растяжения 12 (или одной из них) при максимальной (без ограничения) амплитуде Δх их вертикального перемещения относительно корпуса 2 во время действия поперечных колебаний провода (кабеля) 1; пружины 12 при этом прикрепляются к фланцам 4, 5 корпуса 2 строго по вертикальной оси симметрии 11 корпуса 2 для компенсации силы тяжести. В грузе 9 или непосредственно в диафрагме 10 с какой-либо стороны от вертикальной оси симметрии 11 (или по вертикальной оси симметрии 11) выполняется сквозное дросселирующее отверстие 13. Величина диаметра D диафрагмы 10 находится в прямой зависимости от величины перемещения груза 9 и диафрагмы 10 при действии поперечных колебаний провода (кабеля) 1, и его отношение к максимальной амплитуде Δх выбирается также максимально возможным, например, в пределах В/Δx=1,0÷100 при обеспечении минимального объема V заполняющей полость корпуса 2 газообразной незамерзающей среды, что достигается перекрытием внутренней полости корпуса 2 фигурными накладками 8.
Для некоторых вариантов практического применения используется более компактный инвертированный (преобразованный) вариант выше рассмотренной конструкции гасителя колебаний, когда верхний и нижний фланцы 14, 15 корпуса 16 делаются с большей толщиной и выполняют функцию груза инерционного элемента демпферного узла (фиг.3). В этом случае внутри корпуса 16 на диафрагме 17 с дросселирующими отверстиями 18 закреплен шток 19. Диафрагма 17 по периметру закреплена на внутренних стенках корпуса 16, а в средней части зафиксирована между шайбами 20. Вторым концом шток 19 жестко объединен с зажимом 21 для закрепления на проводе (кабеле) 22. Для компенсации силы тяжести корпуса 16, вызывающей в статическом положении упругую деформацию диафрагмы 17, вводятся пружины 23, жесткость которых подбирается так, чтобы минимально ограничивать перемещения всей конструкции гасителя во время колебаний провода (кабеля) 22. В местах выхода из корпуса 16 шток 19 снабжен направляющей втулкой 24 и защищается от воздействия внешней среды гофрированным пыльником 25.
Изобретение работает следующим образом:
Поперечные колебания провода (кабеля) 1, возникающие в ходе эксплуатации воздушных линий электропередачи или линий связи, передаются, если корпус 2 соединен через зажим 3 с проводом (кабелем) 1 и упругую гофрированную диафрагму 10, на груз 9 со сквозным дросселирующим отверстием 13 (в варианте на фиг.3 колебания передаются через шток 19 на диафрагму 17 и корпус 16). Сквозное дросселирующее отверстие 13 или два сквозных дросселирующих отверстия 18 обеспечивают, соответственно, реакцию противодействия вынужденным колебаниям корпуса 2 или штока 19 гасителя и согласованное поглощение волны поперечных колебаний в натянутом проводе (кабеле) 1, 22. Для полного поглощения поперечных колебаний провода (кабеля) 1, 22 они должны встречать на пути своего распространения согласованную нагрузку, создаваемую гасителем с импедансом (сопротивлением), равным импедансу среды распространения механической волны колебаний, то есть гаситель должен обеспечивать увеличение противодействующего воздействия (силы) с увеличением скорости перемещения газообразной среды в полостях корпусов 2, 16 под действием поперечных колебаний провода (кабеля) 1, 22. Этому условию как раз и отвечают предложенные конструкции гасителя колебаний, действующие как системы вязкого трения.
При поперечных колебаниях провода (кабеля) жестко связанный с ним гаситель начинает совершать вертикальные движения, при этом противодействие инерционного элемента создает переменное давление, вызывающее перетекание газообразной среды через дросселирующее(ие) отверстие(я) из нижней полости корпуса в верхнюю полость и обратно. Для уменьшения влияния сжимаемости газообразной среды необходимо иметь отношение D/Δx диаметра диафрагмы к амплитуде вертикального перемещения Δх груза относительно корпуса (или самого корпуса, как в варианте на фиг.3) под действием поперечных колебаний провода или кабеля максимально возможным. Изменяя диаметр D диафрагмы и диаметр d дросселирующих отверстий, легко менять механический импеданс (сопротивление) гасителя колебаний как согласованной нагрузки и тем самым достигать его оптимальных частотно-демпферных характеристик.
Заявляемый гаситель колебаний проводов воздушных линий электропередачи и самонесущих волоконно-оптических кабелей связи, построенный по принципу гашения колебаний вязким трением, или апериодических демпферов отвечает критерию эффективности демпфирования, обеспечивает достаточное поглощение колебаний, возникающих на частотах механического резонанса проводов воздушных линий, и необходимое согласование частотных характеристик гасителя выбранному типу воздушной линии с учетом внешних атмосферных условий эксплуатации; конструктивные параметры гасителя: конфигурация и габаритные размеры корпуса и инерционного элемента, диаметр дросселирующих отверстий, параметры диафрагмы (жесткость, материал, толщина, диаметр) оптимизируются для конкретной воздушной линии по требуемым параметрам демпфирующих характеристик; гаситель прошел стендовые испытания с положительными результатами и рекомендован к серийному производству.
На фиг.4 приведены сравнительные резонансные амплитудно-частотные характеристики колебаний провода на расстоянии от точки подвеса провода, равном длине полуволны максимальной частоты резонанса исследуемого частотного диапазона для провода без гасителя, с гасителем типа Стокбриджа и заявленным гасителем.
Источники информации
1. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2107373 «Гаситель вибрации», H02G 7/14, заявлено 24.12.1996 г., опубликовано 20.03.1998 г. Бюллетень №8.
2. Патент РСТ № WO 86/ 06560 «Vibration damper for a conductor on an overhead electric line», H02G 7/14, опубликован 06.02.1987 г.