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      FR—4型防振錘振動特性數(shù)值分析

      2017-05-04 12:53:19王宇
      價值工程 2017年12期
      關(guān)鍵詞:夾頭錘頭固有頻率

      王宇

      摘要: 建立了FR-4型防振錘的動力學(xué)模型,求解并得到了了FR-4型防振錘的固有頻率,通過定速度法和定振幅法分別計算了防振錘的耗能功率,并運用MATLAB和ANSYS軟件進行模擬。結(jié)果表明:FR-4型防振錘有四個固有頻率,在其固有頻率附近FR-4型防振錘耗能功率較高,為進一步研究輸電線路的防振錘防振方案提供基礎(chǔ)。

      Abstract: The dynamic model of FR-4 damper is established, and the natural frequency of FR-4 damper is obtained and calculated. The energy dissipation power of anti-vibration hammer is calculated by fixed speed method and fixed displacement method respectively. And MATLAB and ANSYS are used for software simulation. The results show that the FR-4 dampers have four natural frequencies, and their power consumption is high near the natural frequencies, which provides a basis for further research on the anti-vibration dampers for transmission lines.

      關(guān)鍵詞: FR-4型防振錘;固有頻率;耗能功率。

      Key words: FR-4 damper;natural frequency;power consumption

      中圖分類號:TM726.3 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-4311(2017)12-0215-03

      0 引言

      輸電線路在運行時,由于風(fēng)荷載的作用,在輸電導(dǎo)線后會產(chǎn)生上下交替的卡門渦漩,使導(dǎo)線產(chǎn)生微風(fēng)振動。微風(fēng)振動持續(xù)時間長,對線路損害較大,易使導(dǎo)線產(chǎn)生疲勞斷股。防振錘作為一種輸電線路常用的防振金具,廣泛應(yīng)用于各類輸電導(dǎo)線,能夠有效的抑制線路振動。目前對防振錘的研究中,文獻[1]提供了防振錘的的計算和仿真方法,文獻[2]探討了防振錘的力學(xué)特性和疲勞特性,文獻[3]對比了防振錘兩種功率測試方法,文獻[4]考慮了鋼絞線的摩擦影響,文獻[5]探討了FR-3型防振錘的力學(xué)性能,文獻[6]進行防振錘特性的試驗。

      防振錘與導(dǎo)線相連,主要通過振動來消耗導(dǎo)線的能量,達到抑制振動的目的。FR-4型防振錘是目前較為常用的一種防振錘,其為音叉式非對稱型防振錘,有兩個錘頭,錘頭可以豎向擺動,如圖1所示。FR-4型防振錘作為工程中較為常用的防振金具,針對其力學(xué)性能和耗能功率的分析,可以為后續(xù)工作打下基礎(chǔ),為工程實際提供一定的參考。

      1 FR-4型防振錘計算模型

      將圖1中FR-4型防振錘的一側(cè)簡化為如圖2所示的計算模型,通過模型可以看出,F(xiàn)R-4型防振錘每側(cè)應(yīng)有一個相對線夾的平動振型和相對質(zhì)心的轉(zhuǎn)動振型。因此,F(xiàn)R-4型防振錘應(yīng)有4個固有頻率,其各項參數(shù)如表1所示。

      根據(jù)FR-4型防振錘的模型,結(jié)合結(jié)構(gòu)動力學(xué)的方法建立FR-4型防振錘的振動方程:

      MY″+CY′+KY=F(1)

      式中,M為防振錘的質(zhì)量矩陣;K為防振錘的剛度矩陣;C為防振錘的阻尼矩陣;Y為防振錘的位移陣;F為外力矩陣。

      根據(jù)模型可以得到各矩陣的表達式如下:

      M=■(2)

      式中,m為錘頭質(zhì)量;J為轉(zhuǎn)動慣量。

      K=■(3)

      式中,EI為絞線抗彎剛度;l為絞線到質(zhì)心的距離。

      C=■K(4)

      式中,D為系統(tǒng)的阻尼比;w為系統(tǒng)振動的圓頻率。

      Y=y?茲(5)

      式中,y為錘頭的平動位移;?茲為錘頭轉(zhuǎn)角。

      F=-m?啄″ 0(6)

      式中,?啄為防振錘夾頭位移。

      2 防振錘的耗能功率

      防振錘功率的計算方法通常有定速度法和定振幅法,定速度法為保持防振錘夾頭振動速度幅值不變,定位移法為保持防振錘夾頭振動振幅不變。

      導(dǎo)線產(chǎn)生微風(fēng)振動時外力一般為簡諧力,所以各位移參數(shù)有如下關(guān)系:

      y=y0sinwt;?茲=?茲0sinwt;?啄=?啄0sinwt(7)

      式中y0、?茲0、?啄0為各項位移的幅值。

      sin wt=■(8)

      Y=iwY′=w2Y″(9)

      由式(1)(9)可以得到FR-4型防振錘的位移矩陣為:

      X=(-w2M+iwC+K)-1F(10)

      當(dāng)運用定速度法測算功率時,v0不變:

      F=-mw?啄0 0

      當(dāng)運用定振幅法測算功率時,?啄0不變:

      F=-imw2?啄0 0

      夾頭的支持力的幅值F0為:

      F0=■ -■y0?茲0(11)

      相位差?茁=acttan■

      FR-4型防振錘的耗能功率計算式為:

      P=■wF0y0cos?茁(12)

      3 FR-4型防振錘的數(shù)值模擬

      根據(jù)FR-4型防振錘的特性和理論公式,分別運用MATLAB和ANSYS軟件對FR-4的耗能特性進行模擬,并進行對比分析。

      3.1 防振錘的耗能特性

      根據(jù)式(1)(12),運用matlab軟件,分別對FR-4型防振錘的振動頻率和耗能特性進行模擬,其振動頻率如圖3所示。

      由圖3可知,F(xiàn)R-4型防振錘的固有頻率約為4.4Hz、6.1Hz、26.9 Hz、42.4 Hz,可知FR-4型防振錘有四個振動頻率,由于微風(fēng)振動常發(fā)生的范圍為50Hz以內(nèi),所以FR-4的四個防振頻率在線路運行中應(yīng)用都較為頻繁。

      根據(jù)式(12)可以模擬出在定速度情況下和定夾頭振幅的情況下FR-4型防振錘的耗能功率曲線,圖4和圖5分別為防振錘以0.01m振幅和以0.01m/s的速度振動的耗能曲線。

      由圖4和圖5可知,在FR-4型防振錘自振頻率附近,耗能達到極大值。夾頭速度保持一定和夾頭振幅保持一定的情況下,耗能功率曲線有較大差異,但峰值位置基本相同。這表明該方法計算FR-4型防振錘耗能功率是可行的。

      3.2 防振錘的有限元仿真

      根據(jù)防振錘的構(gòu)造特性,運用beam單元、質(zhì)量單元和彈簧單元建立如圖6所示的FR-4的單側(cè)模型。模型一端固定,另一端由彈簧單元和質(zhì)量單元模擬其轉(zhuǎn)動半徑和質(zhì)量。

      對其進行模態(tài)分析,分析其前兩階模態(tài),后處理的結(jié)果如圖7所示。

      由圖7可知,ANSYS分析的結(jié)果和理論公式模擬基本一致,能夠驗證該結(jié)論的正確性。在實際工程中,應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)爻R婏L(fēng)速,來選擇合適的防振錘,根據(jù)風(fēng)速計算公式:

      f=US/D

      式中:U為風(fēng)速,單位m/s;f為頻率,單位Hz;D為導(dǎo)線直徑,單位m;S為斯托克斯常數(shù),取0.2。FR-4型防振錘最佳的防振風(fēng)速為22D、30.5D、134.5D、212D。

      4 結(jié)論

      本文經(jīng)過理論分析、數(shù)值模擬和有限元仿真的方法,探討了FR-4型防振錘的振動和耗能特性,并通過對比驗證,得到了以下結(jié)論:

      ①運用MATLAB和ANSYS模擬和研究FR-4型防振錘的振動特性和耗能特性是可行的,其結(jié)果準確度較高。

      ②FR-4型防振錘有四個自振頻率,分別約為4.4Hz、6.1Hz、26.9Hz、42.4Hz,防振錘的錘頭質(zhì)量和絞線長度對防振錘的自振頻率有較大影響。

      ③FR-4型防振錘的振動頻率附近耗能功率較大,工程中應(yīng)針對當(dāng)?shù)爻R婏L(fēng)速選擇性放置。

      參考文獻:

      [1]盧明良.防振錘功率特性的計算機仿真[J].東北電力技術(shù),1994(02):1-3,9.

      [2]徐乃管,王景朝,董玉明.關(guān)于防振錘力學(xué)性能的探討[J]. 電力建設(shè),2001,22(03):8-11.

      [3]孫林,何曉雄.防振錘功率特性兩種測試方法的比較[J].華東電力,2003(05):37-39.

      [4]孫渭清.FR型防振錘的結(jié)構(gòu)參數(shù)和計算程序[J].電力建設(shè),2007,28(03):74-75,78.

      [5]侯景鵬,吳興宏,孫自堂,陳靜.防振錘的動力特性分析[J]. 水電能源科學(xué),2011,29(02):172-173,30.

      [6]徐宏波.架空輸電線防振器的力學(xué)性能分析及安裝設(shè)計[D].合肥工業(yè)大學(xué),2009.

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