用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器

摘要

本发明提供一种用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器，包括钢缆、线性阻尼器和钢块；钢缆的两端连接于支撑框架的两侧的横梁上并水平间隔设置于炉体的前侧或后侧；线性阻尼器垂直于炉体表面并连接于钢缆与支撑框架的前侧或后侧的一横梁之间；钢块连接于炉体邻近钢缆的一侧且位置与线性阻尼器对应。本发明的一种用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器，不仅可以在炉体产生小幅振动时，减小炉体传导给支撑结构的力，也可以通过阻尼有效的吸收能量，从而改善整体结构振动。同时，在炉体产生大位移时，限位器可以提供较线性弹簧更大的反力，避免炉体与支撑结构碰撞，更好的起到限位的作用。

权利要求

1.一种用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器，其特征在于，包括一钢缆、一线性阻尼器和一钢块；一锅炉钢框架结构包括一炉体和一支撑框架，所述炉体悬挂于所述支撑框架内，所述支撑框架的四周在同一高度分别设置有一横梁；所述钢缆的两端连接于所述支撑框架的两侧的所述横梁上并水平间隔设置于所述炉体的一侧；所述线性阻尼器垂直于所述炉体表面并连接于所述钢缆与所述支撑框架的前侧或后侧的一所述横梁之间；所述钢块连接于所述炉体邻近所述钢缆的一侧且位置与所述线性阻尼器对应；

所述线性阻尼器满足公式：

其中，D为任意实负数；c表示所述线性阻尼器的阻尼；T表示所述钢缆的张力，m表示所述钢缆单位长度质量，A为钢缆截面积；

最优线性阻尼器阻尼在D→‑∞时取得，此时 左侧→2， 此时的c

为自由振动衰减最快时的临界阻尼。

说明书

用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器

技术领域

[0001] 本发明涉及非线性弹簧限位器领域，尤其涉及一种用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器。

背景技术

[0002] 作为生命线工程的重要组成部分，电力资源有着举足轻重的地位，而煤电在电力资源中所占比例巨大，因此针对煤电的发电设备，锅炉钢框架结构进行抗震研究，是十分必要的。锅炉钢框架结构是一种特殊的悬吊式结构，主要由炉体和支撑结构两部分组成。现有研究发现，联系炉体和支撑结构的限位器，显著影响整体结构的抗震效果。而目前广泛采用的限位器往往形式简单，效果欠佳，其中以截断钢梁最具有代表性。这种限位器在弹性阶段为线性弹簧，通过塑性变形消耗地震传导的能量，主要有以下缺点：1)炉体振动不仅仅由于地震引起，风荷载也会使得炉体出现小幅振动(相较于地震)，线性弹簧使得炉体在小幅振动时，也会对支撑体系产生较大荷载；2)通过塑性变形消耗能量使得限位器不具有可重复使用性，而在一次地震中，炉体会往复摆动，意味着限位器失效后，炉体与支撑结构之间不再具有任何缓冲装置，剧烈的撞击会使得支撑结构迅速破坏。因此，对锅炉与钢框架体系提出有针对性的限位装置是十分有必要的。

发明内容

[0003] 针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器，不仅可以在炉体产生小幅振动时，减小炉体传导给支撑结构的力，也可以通过阻尼有效的吸收能量，从而改善整体结构振动。同时，在炉体产生大位移时，限位器可以提供较线性弹簧更大的反力，避免炉体与支撑结构碰撞，更好的起到限位的作用。

[0004] 为了实现上述目的，本发明提供一种用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器，包括一钢缆、一线性阻尼器和一钢块；一锅炉钢框架结构包括一炉体和一支撑框架，所述炉体悬挂于所述支撑框架内，所述支撑框架的四周在同一高度分别设置有一横梁；所述钢缆的两端连接于所述支撑框架的两侧的所述横梁上并水平间隔设置于所述炉体的前侧或后侧；所述线性阻尼器垂直于所述炉体表面并连接于所述钢缆与所述支撑框架的前侧或后侧的一所述横梁之间；所述钢块连接于所述炉体邻近所述钢缆的一侧且位置与所述线性阻尼器对应。

[0005] 优选地，所述线性阻尼器满足公式：

[0006]

[0007] 其中，D为任意实负数；c表示所述线性阻尼器的阻尼；T表示所述钢缆的张力，m表示所述钢缆单位长度质量；

[0008] 最优线性阻尼器阻尼在D→‑∞时取得，此时 此时的c为自由振动衰减最快时的临界阻尼。

[0009] 本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

[0010] 本发明通过钢缆、线性阻尼器和钢块的配合，不仅可以在炉体产生小幅振动时，减小炉体传导给支撑结构的力，也可以通过阻尼有效的吸收能量，从而改善整体结构振动。同时，在炉体产生大位移时，限位器可以提供较线性弹簧更大的反力，避免炉体与支撑结构碰撞，更好的起到限位的作用。通过线性阻尼器的参数设置，可最大幅度减少限位器的振动。

附图说明

[0011] 图1为本发明实施例的用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器的正视图；

[0012] 图2为本发明实施例的用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器的俯视图；

[0013] 图3为本发明实施例的第一力学模型示意图；

[0014] 图4为本发明实施例的第二力学模型示意图；

[0015] 图5为本发明实施例的第三力学模型示意图；

[0016] 图6为本发明实施例的钢缆静态力学模型示意图；

[0017] 图7为本发明实施例的限位器缓冲性能单自由度模型示意图；

[0018] 图8为本发明实施例的安装本发明的用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器时的主结构位移时程曲线图；

[0019] 图9为本发明实施例的不安装限位器时的主结构位移时程曲线图；

[0020] 图10为本发明实施例的仅安装钢缆时的主结构位移时程曲线图；

[0021] 图11为本发明实施例的仅安装阻尼器时的主结构位移时程曲线图；

[0022] 图12为本发明实施例的安装线性弹簧和阻尼时的主结构位移时程曲线图。

具体实施方式

[0023] 下面根据附图图1～图12，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

[0024] 请参阅图1～图12，本发明实施例的一种用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器，包括一钢缆1、一线性阻尼器2和一钢块3；一锅炉钢框架结构包括一炉体和一支撑框架，炉体悬挂于支撑框架内，支撑框架的四周在同一高度分别设置有一横梁；钢缆1的两端连接于支撑框架的两侧的横梁上并水平间隔设置于炉体的前侧或后侧；线性阻尼器2垂直于炉体表面并连接于钢缆1与支撑框架的前侧或后侧的一横梁之间；钢块3连接于炉体邻近钢缆1的一侧且位置与线性阻尼器2对应。

[0025] 优选地，线性阻尼器2满足公式：

[0026]

[0027] 其中，D为任意实负数；c表示线性阻尼器2的阻尼；T表示钢缆1的张力，m表示钢缆单位长度质量；

[0028] 最优线性阻尼器2阻尼在D→‑∞时取得，此时 此时的c为自由振动衰减最快时的临界阻尼。

[0029] 本实施例的一种用于电厂锅炉钢框架结构的含阻尼非线性弹簧限位器，其参数推导过程如下：

[0030] 请参阅图2～图4，由于钢块3的存在，使得炉体与钢缆1接触时，仅会产生集中荷载。由于推导限位器刚度时为静力分析，阻尼不产生作用，因此在分析过程中可将阻尼器去除。仅考虑限位器在弹性范围内的作用，因此整个分析过程分为两个部分，第一个部分为x‑y平面内的分析，第二个部分为x‑z平面内的分析。x‑y平面的分析为钢缆1在自重下的状态，x‑z平面的分析为钢缆1在跨中受集中荷载的状态，两者叠加即为限位器侧向跨中受力的状态。x‑y平面分析已有研究，不再赘述，主要进行x‑z平面的分析。以F作用点为分界点，将钢缆1分为左右两个部分，对两部分分别进行受力分析，建立力学方程。首先进行左侧的分析。根据受力平衡可得：

[0031]

[0032] 其中，H为端点处的水平约束力，V为端点处的垂直约束力，L0为钢缆1放松状态下长度，l为钢缆跨度，E为钢缆抗拉弹性模量，A为钢缆截面积，p为原点到(x,z)点的直线距离，s为固定在钢缆1上的拉格朗日坐标系坐标，其取值范围为[0,L0]。解方程组可得T2、x、z关于s的函数。

[0033]

[0034] 下面进行右侧的分析，根据受力平衡可得：

[0035]

[0036] 同理可得T2、x、z关于s的函数，考虑到实际钢缆1的连续性，因此因此可得：

[0037]

[0038] 其中，z(s)为目标求取函数，由z(s)可获得钢缆1在跨中位置受F而产生的位移，即带入 即可。接下来带入边界条件以求取H和V的表达式。在右端点处，有其中l为钢缆跨度，带入Eq.(4)，得：

[0039]

[0040] 将结果带入z(s)中，并令 即可得当钢缆1跨中受集中力F时，跨中位移的大小，即：

[0041]

[0042] 其中H由Eq.(5)中第二个式子解得，此表达式推导过程未用到小变形假设，因此适用于大变形的情况。显然，此表达式过于复杂，不适用于之后的动力分析，需要进行简化。本文采取的方法为曲线拟合，即确定各项参数后，代入不同的F，解得H，即可计算出对应的δ，可得出F‑δ曲线，从而可以得到拟合的表达式，三次多项式即可基本无误差的拟合。

[0043] 得到钢缆1的F‑δ关系后，需要选取合适的阻尼器阻尼，使得限位器在受到外荷载激励时，可以迅速的停止振动，临界阻尼无疑可以满足这一要求，因此接下来对钢缆1进行自由振动分析，以找到临界阻尼的表达式。由于限位器工作时为侧向受力，初始形态并不会由于自重而产生改变，因此可以将钢缆1视为张紧的弦。阻尼器位于跨度中点处。分析图如图5所示：

[0044] 阻尼将钢缆1分为左右两个部分，针对每个部分，认为侧向自由振动引起的位移是小位移，因此由振动引起的张力可忽略，由于振动平面与重力作用方向垂直，因此不考虑重力作用，同时忽略钢缆1的抗侧刚度和结构阻尼，由此可写出其自由振动方程，为：

[0045]

[0046] 其中，wk为钢缆侧向位移，xk是第k部分钢缆1的纵向坐标，m为钢缆单位长度质量，T为钢缆张力。在除阻尼器安装位置外，Eq.(7)始终成立，在阻尼器安装位置，位移是连续的，且受力平衡。为了求解Eq.(7)，引入时间参数τ＝ω01t，其中 假设Eq.(7)的解为：

[0047] wk(xk,τ)＝Wk(xk)eλτ#Eq.(8)

[0048] 其中λ为无量纲的复特征值，将Eq.(8)带入Eq.(7)，可得：

[0049]

[0050] Eq.(9)的解为λ对应的复振型，为了使解在阻尼安装处有连续性，可以将解写为：

[0051]

[0052] 其中γ为阻尼器处振型的振幅，其值无法也无需确定。连续性满足后，需要满足力学平衡，因此可得方程：

[0053]

[0054] 将Eq.(8)和Eq.(10)带入Eq.(11)可得：

[0055]

[0056] 显然，λ可以写为λ＝D+Bi的形式，其中i为虚数单位，则Eq.(12)可以按照实部和虚部进行展开，且当实部与虚部都为0时，方程才成立，可得：

[0057] 2sin(πB)cosh(πD)＝sin(2πB)#Eq.(13a)

[0058]

[0059] Eq.(13a)为虚部为0整理所得方程，Eq.(13b)为实部为0整理所得方程。由于在实际工程中始终为正数，此时D始终为负数，因此从实际意义出发，本文只考虑D＜0的情况。由Eq.(8)可知，当λ为纯实数，即D时，自由振动会在无波动的情况下以指数级衰减至平衡位置，此振动情况与本文希望的振动情况吻合，因此接下来寻找符合的c。当B＝0时，Eq.(13a)自动成立，因此不予考虑，仅考虑Eq.(13b)。Eq.(13a)可以化简为：

[0060]

[0061] 方程左侧在D∈(‑∞,0)时为正数有意义，同时可以观察到当D→‑∞时，左侧→2，此时 即为自由振动衰减最快时的临界阻尼。

[0062] 下面进行钢缆张力T的求取。当钢缆1处于静止状态时，其张力仅由重力与预拉力(或有)引起，因此可以得到分析图像如图6所示：

[0063] 其中，Hg为约束处的水平分力，Vg为约束处的竖直分力，G为整根钢缆1的质量，L0为放松状态下钢缆长度，l为钢缆跨度，s为固定在钢缆1上的拉格朗日坐标，p为钢缆1任意点到临近约束的距离。此类问题参考Irvine的Cable Structures可轻易得到解答，在此不做赘述，仅将结果展示如下：

[0064]

[0065]

[0066]

[0067] 由Eq.(15a)可知，T随着钢缆1位置的不同而不同，为了方便计算，采取平均的方法，认为钢缆1在自重作用下产生的张力为

[0068]

[0069] 本实施例对限位器缓冲性能进行研究：

[0070] 在探究限位器缓冲性能时，采用的动力学模型为单自由度模型，如图7所示，忽略单自由度结构在接触到限位器时的碰撞能量损失，忽略单自由度模型的结构阻尼，可得到加装了限位器的力学模型。其中M为结构质量，x为结构位移，xg为地面位移，K为主结构刚度，Ks为限位器刚度，c为限位器阻尼，d为限位器与主结构之间的初始距离。

[0071] 为方便数值计算，须对各参数进行赋值，令M＝10kg，K＝100N/m，L0＝l＝1m，E＝211 ‑4 2
×10 Pa，A＝1×10 m ，m＝0.8kg/m，根据钢缆参数，可以计算出拟合的刚度以及对应的最优阻尼。首先可知平均张力为T＝376.415N，从而可获得应安装阻尼为c＝34.71N·s/m，从
8 3 4 2
拟合曲线可知，钢缆1可提供的反力为F(δ)＝1.59×10δ+3.2×10δ‑318δ。根据单自由度分析模型可列出动力学方程，考虑到示意图为单侧安装限位器，因此引入了海维赛德阶跃函数(Heaviside step function)，ε(x‑d)，

[0072]

[0073]

[0074] 初始设定d＝0，地面以正弦曲线sint进行振动，动力方程可通过四阶龙格库塔法进行求解，主结构位移时程曲线如图8～图12所示：

[0075] 通过图像可以很直观的观察到，主结构在安装限位器一侧产生的位移大大小于在未安装限位器一侧产生的位移，减幅接近95％。与不安装限位器时的时程曲线对比可发现，安装限位器并不会对主结构造成不可忽略的冲击力，因为在主结构与限位器接触后的回弹过程中，主结构在反向的最大位移与不安装限位器时的最大位移基本相同，意味着限位器对主结构造成的反力并不会对主结构造成大的影响。通过与仅安装钢缆1与仅安装阻尼器的情况进行比对可发现，钢缆1主要限制位移，阻尼器主要进行回弹力的消耗和减少振动。而当采用线性弹簧与阻尼器搭配时，可以发现限位器的限位效果更佳明显，但是在主结构与限位器接触时，主结构将产生剧烈的振动。虽然限位效果更好，但是实际的锅炉‑钢框架结构中，并不需要炉体不产生任何位移，在实际工程中，限位器是双侧安装的，意味着如果采用线性弹簧，则炉体即便因为风力发生了微小的振动，炉体都会因为限位器的存在而产生剧烈振动，由于炉体质量巨大，由剧烈振动引起的炉体加速度将会对支撑结构造成巨大的冲击力。

[0076] 以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。