调谐质量阻尼器的技术原理

 

调谐质量阻尼器(TMD)和减振器分别用于降低机器、建筑和其他结构的低频和高频振动。

在风力发电机组中,例如,500kg-TMD可用于降低20Hz-600Hz频率范围内的结构噪音。另一方面,质量为15t的摆锤式TMD可以防止塔筒在0.15Hz–1.5Hz频率范围内产生较大的弯曲振动。此外,像泵、齿轮箱和发电机等旋转机械中的旋转振动则需要扭转TMD来防止传动链的旋转振动。虽然上述TMD的原理相同,但它们的阻尼方向、尺寸大小和适用频率却不同。

与自适应和主动式减振器相比,调谐质量阻尼器不需要任何能源供应(见下文)。

 

被动式TMD的技术原理

调谐质量阻尼器是一个附加在振动主系统上的阻尼质量弹簧系统(见图二)。TMD质量块在六个可能的直线和旋转方向上的特性可用弹簧和阻尼器来调节。在这样的情况下,TMD仅用一个质量块就可以减少在不同的方向和频率上的振动。

TMD的弹簧与主系统相适应,从而在TMD与主系统的相互作用下,使得主系统的阻尼增加,这样便可以降低主系统的振动。

 

 

 

图一:被动式TMD对质量弹簧系统的影响

 

 

图二:被动式TMD的质量弹簧系统

 

 

调谐质量阻尼器的性能可以很容易地用双质量弹簧阻尼系统的图示来阐明(见图二)。原理图(图一)显示了在TMD(M2)不同特性条件下,主系统(M1)相对于激振力频率的计算运动曲线。根据TMD参数的设置,振动在相应的数量级上被降低。对于低阻尼D2(图一中蓝色曲线)的情况,虽然讨厌的固有频率被抵消,但会产生左右两个与原有振动水平相似的干扰振动。通过增加TMD的阻尼D2,可以达到最佳效果(图一中绿色曲线),使主系统的干扰振动在较宽的频率范围内得到抑制。通过调整TMD的质量和TMD的弹簧刚度可以分别降低振动水平或移动运动曲线。

TMD原理适用于任何频率的两种振动。因此,ESM拥有适用于频率为0.15 Hz的TMD,也拥有适用于频率为600Hz 的TMD。而且,阻尼作用的方向也可能不同。例如,ESM的滚动质量吸振器仅作用于一个弯曲方向,而摆锤式TMD则作用于一个平面上的各个方向。可调谐的TMD可以在所有横向方向上抑制噪音,而扭转TMD则适用于旋转任意角度。对于以上所有情况,双质量块模型都可以应用。

 
自适应调谐质量阻尼器的特点

自适应调谐质量阻尼器通过反馈和控制元件来改变其阻尼大小或弹簧刚度,以获得更好的阻尼性能。将转速、路径等输入信号传入系统,执行器会相应地改变参数。例如(见图三、图四),适当地改变弹簧刚度,无阻尼TMD所具有的优良性能将可以用于应对较大频率范围的激振力。另一方面,对于塔筒内的TMD,在特殊的工况下,阻尼的调节可以帮助提高其性能。

 

 

图三:自适应TMD对质量弹簧系统的影响

 

 

图四:自适应TMD的质量弹簧系统

 

 

主动式调谐质量阻尼器

主动式调谐质量阻尼器是将力引入主系统以抵消激励力的阻尼系统。它们由执行器、电力电子控制器、传感系统和控制单元组成。执行器可以基于电磁或电动原理。更强大的不平衡发动机也可以使用。为了达到预期的性能,需要在方向、频率、相位和振幅上控制反作用力。为此,主动式减振器的所有部件需要完全耦合并相互校准。

主动式TMD比其他TMD需要更少的质量,但是它们有很高的能源需求,并且在断电的情况下会完全失效。

 

 

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