ГАСИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2011 года по МПК H02G7/14 

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.

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_{газсреды} 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.

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_{газсреды} 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.

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к гасителям, для защиты от колебаний проводов и оптических кабелей, подвешиваемых на опорах воздушных линий электропередачи и линий связи. Гаситель состоит из полого заполненного газообразной средой корпуса 2, закрепленного на проводе (кабеле) 1 зажимом 3, и демпферного узла, выполненного в виде инерционного элемента (груза 9, корпуса 16), зафиксированного на диафрагме 10, которая делит корпус на верхнюю и нижнюю половины; диафрагма 10 и груз 9 позиционируются пружинами сжатия и растяжения 12. В грузе 9 или диафрагме 10 выполняется сквозное дросселирующее отверстие 13. Отношение диаметра D диафрагмы 10 к максимальной амплитуде перемещения Δх груза 9 относительно корпуса 2 под действием поперечных колебаний провода (кабеля) 1 выбирается в пределах: D/Δx=1,0÷100 при обеспечении минимального объема V_{газсреды} газообразной среды, заполняющей полость корпуса 2. Возможен вариант, когда корпус 16 выполняет функцию груза инерционного элемента; в этом случае внутри корпуса 16 на диафрагме 17 с дросселирующими отверстиями 18 закрепляется шток 19, посредством которого гаситель зажимом 21 крепится к проводу (кабелю) 22. Предлагаемый гаситель обеспечивает значительное поглощение колебаний, возникающих на частотах механического резонанса проводов (кабелей) воздушных линий электропередачи и линий связи, прост по конструкции и надежен в процессе длительной эксплуатации; гаситель прошел стендовые испытания с положительными результатами и рекомендован к серийному производству. 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. 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, отличающийся тем, что 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 не напряженное 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_{газсреды} 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.

2. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что 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.

3. Гаситель по п.2, отличающийся тем, что объем полости корпуса замещен до 80% объема жестким пенообразным заполнителем.

4. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что 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.

5. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что груз демпферного элемента изготовлен из чугуна.

6. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что груз демпферного элемента изготовлен из стали.

7. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что груз демпферного элемента изготовлен из свинца.

8. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что диафрагма демпферного элемента изготовлена из кремнийорганической резины.

9. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что диафрагма демпферного элемента изготовлена из полиуретана.

10. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что диафрагма демпферного элемента изготовлена из бериллиевой бронзы.

11. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что диафрагма демпферного элемента изготовлена из металлоэластомерного композиционного материала.

12. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что диафрагма демпферного элемента изготовлена из пружинной или нержавеющей стали.

13. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что в качестве газообразной незамерзающей среды, заполняющей полость корпуса, использован воздух.

14. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что в качестве газообразной незамерзающей среды, заполняющей полость корпуса, использован инертный газ.

15. Гаситель по п.1, отличающийся тем, что 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.

16. Гаситель по п.15, отличающийся тем, что в местах выхода из корпуса указанный шток закреплен в направляющей втулке и защищен от воздействия внешней среды гофрированным пыльником.

17. Гаситель по п.15, отличающийся тем, что функционально работающие как инерционный элемент верхний и/или нижний фланцы корпуса выполнены утолщенными в виде груза.