Reduction of structural response to near fault earthquakes by seismic isolation columns and variable friction dampers

This paper focuses on the investigation of a hybrid seismic isolation system with passive variable friction dampers for protection of structures against near fault earthquakes. The seismic isolation can be implemented by replacing the conventional columns fixed to the foundations by seismic isolating ones. These columns allow horizontal displacement between the superstructure and the foundations and decouple the building from the damaging earthquake motion. As a result, the forces in the structural elements decrease and damage that may be caused to the building by the earthquake significantly decreases. However, this positive effect is achieved on account of displacements occurring in the isolating columns. These displacements become very large when the structure is subjected to a strong earthquake. In this case, impact may occur between the parts of the isolating column yielding their damage or collapse. In order to limit the displacements in the isolating columns, it is proposed to add variable friction dampers. A method for selecting the dampers＇ properties is proposed. It is carried out using an artificial ground motion record and optimal active control algorithm. Numerical simulation of a sevenstory structure shows that the proposed method allows efficient reduction in structural response and limits the displacements at the seismic isolating columns.

近断层脉冲型地震动下调谐黏滞质量阻尼器减震结构易损性分析

选择典型脉冲型近断层地震动记录分别对一安装有调谐黏滞质量阻尼器(tuned viscous mass damper,TVMD)、黏滞阻尼器(viscous damper, VD)和无阻尼器的6层3跨钢框架结构进行增量动力分析,进而基于增量动力分析结果得到3种结构不同损伤状态的易损性曲线。易损性分析结果对比表明:随着惯容单元的引入,减震结构可靠性显著提升;相较于相同阻尼的VD,TVMD可以更有效地提升结构的抗震性能,减小结构在不同损伤状态下的失效概率。随着质量比的增加,TVMD减震结构在不同损伤状态下的失效概率减小,TVMD对结构性能状态的提升不会随非线性的增加而减小,且在结构经历弹性、弹塑性直至倒塌的整个过程中减震控制性能发挥稳定。进一步选取3组不同脉冲周期的近断层地震动记录对三种结构进行时程分析,讨论TVMD在不同脉冲周期近断层地震动下的减震控制效果。结果表明,在近断层脉冲型地震动作用下,TVMD并不都会实现阻尼单元“阻尼增效”,阻尼器的性能发挥与地震动的特性有关。相较于VD,当T_1/T_p≥2时,TVMD可以更好地减少结构能量输入但其能量耗散效率低于VD,不能实现“阻尼增效”;当T_1/T_p <2时,TVMD可以减小结构残余位移,具有更优的减少能量输入和增大能量耗散效率的双重效应,体现了惯容的“阻尼增效”。

基于精细复合多尺度散布熵的抗蛇行减振器故障诊断

抗蛇行减振器作为高速列车关键悬挂元件在减轻列车横向振动提高安全性和稳定性上有重要作用,为实现对抗蛇行减振器故障进行精确诊断,针对非线性振动信号故障特征不明显的问题,提出一种自适应噪声完备集合经验模态分解(Complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise,CEEMDAN)与精细复合多尺度散布熵结合的故障诊断方法。首先采用CEEMDAN分解信号得到本征模态函数(Intrinsic mode function,IMF),计算精细复合多尺度散布熵组成特征集,然后融合多个通道振动信号特征并用核主成分分析法进行降维,将降维后的特征集分成训练集和测试集,最后输入到改进麻雀算法优化的支持向量机模型中进行训练与诊断。为验证方法的可行性,以机车滚动振动试验台模拟列车运行的不同速度,设置抗蛇行减振器故障工况,通过转向架和车体多个位置传感器获得试验数据进行分析。研究结果表明,经过优选的特征集能更好地捕捉抗蛇行减振器故障的特征信息,与未经优选的特征集相比故障诊断结果正确率有所提升;多通道融合特征的方法与单通道相比反映故障信息更加全面,补偿了单一通道诊断结果精确度低的不足,进一步提高了故障诊断结果正确率;改进麻雀算法优化了模型参数,解决了参数设计的盲目性,提高了模型分类识别能力,并与其他算法相比验证了优越性。运用该方法对抗蛇行减振器进行故障诊断,能够有效诊断出抗蛇行减振器故障类型,为抗蛇行减振器故障诊断提供了一种新的方法。

基于一维残差卷积注意力的高速列车抗蛇行减振器故障诊断

针对高速列车减振器故障特征手工提取困难导致故障识别困难的难题,提出了基于一维残差卷积注意力(1DRCA)的故障诊断算法,对高速列车中抗蛇行减振器4种状态进行识别。首先,构建卷积层进行特征提取,利用卷积块注意力模块在通道和空间维度上进行自适应特征优化;然后,建立残差神经网络模型,利用残差信息调整权值参数;最后,通过试验证明了该方法对于抗蛇行减振器的4种状态的故障识别是可行的,可以准确地识别正常、启动不良、对称速率故障和锯齿波故障,所提出的方法的平均准确率达到99%左右。为了进一步证明所提出模型的泛化性,采用滚动轴承的故障数据来验证了所提出模型的有效性和准确性,结果表明所提的模型较好地实现滚动轴承不同故障状态的诊断。

一起隐极同步发电机转子阻尼绕组烧损故障的检测与处理

针对灵活性运行方式下发电机转子故障日趋增多的问题,以某台148.5 MVA汽轮发电机为例,介绍了启机过程中出现的轴振爬升情况,轴振与有功功率的相关性明显强于无功功率和励磁电流,重复脉冲法试验结果显示转子匝间绝缘性能存在下降趋势。转子返厂解体后,发现护环内阻尼绕组存在明显的烧损现象。该案例是典型的转子阻尼绕组烧损故障案例,采用的检测判断方法和故障处理经验对相关人员具有一定的借鉴作用。

基于卷积神经网络的高速列车抗蛇行减振器故障诊断

由于抗蛇行减振器在服役过程中发生故障会严重威胁到列车的运行安全,提出一种基于卷积神经网络的抗蛇行减振器故障诊断方法。采集的阻尼力信号通过短时傅里叶变换得到时频图谱,并将其划分为训练集和测试集;然后将训练集输入卷积神经网络模型中,进行训练样本信号的特征提取工作,通过前向传播和反向传播方式得到卷积神经网络的具体模型,并通过多次迭代更新网络参数;最后,将训练好的模型用于测试集,获得蛇行减振器故障诊断的准确率。为了验证模型的有效性,选用正常状态、启动不良和锯齿波故障数据作为实验验证,结果表明:该方法不仅避免了传统诊断方法需要人工提取特征带来的问题,且具有较好的诊断效果。

基于PELCD样本熵的抗蛇行减振器故障诊断

长期高速运行的服役状态会造成列车转向架关键部件性能蜕化甚至故障等情况,导致的安全事件将造成严重的经济损失甚至人员伤亡。文章针对列车振动信号非线性、非平稳的特点,以部分集成局部特征尺度分解(PELCD)方法对高速列车抗蛇行减振器失效的故障振动信号进行分解,并且对相关性较强的前6个分量进行样本熵特征提取,将互补集合经验模态分解(CEEMD)方法与样本熵结合的结果进行对比,最后将CEEMD样本熵与PELCD样本熵两种方法下所得到的特征向量作为支持向量机的样本进行故障训练与故障预测。对比二者的结果表明PELCD与样本熵的结合能够有效地识别出列车的故障类别。

设置不锈钢U型阻尼器连续梁桥减震性能研究

不锈钢材料耐腐蚀性能强,具有良好的韧性、延性及较高的强屈比,在结构减震器领域有良好的应用前景。本文提出采用奥氏体型不锈钢S304与双相型不锈钢S2205制作U型金属阻尼器,组合板式橡胶支座用于连续梁桥减震设计。采用ABAQUS对不锈钢和高延性SN490B钢U型阻尼器的滞回特性进行对比,并以一座5跨连续梁桥为研究对象,计算比较了设置不锈钢U型阻尼器与SN490B钢U型阻尼器下桥梁在近断层地震动下的地震响应,结果表明:不锈钢U型阻尼器在平面内、平面外和双向加载下均具有稳定的滞回曲线,在相同的位移加载下S2205不锈钢U型阻尼器可提供更大的恢复力和等效刚度,但等效黏滞阻尼比略低;S304不锈钢U型阻尼器耗能能力与SN490B钢U型阻尼器相近,在±100mm位移幅值内可具有更小的等效刚度和更大的等效黏滞阻尼比;设置S2205不锈钢U型阻尼器可以更好地控制连续梁桥墩梁的相对位移,同时没有在桥墩底部产生更大弯矩及造成过大的损伤;设置S304钢U型阻尼器对墩梁相对位移控制能力要弱些,但对桥墩会有更好的保护作用。

一起110kV电容式电压互感器异响原因分析

本文作者主要介绍了某供电局一台运行中的110kV电容式电压互感器出现异响,经检查发现该CVT电压监测数据偏高,通过对其进行诊断试验及解体检查,分析了故障产生原因。根据试验结果分析,判断造成该CVT异响的原因可能为中间变压器一次绕组存在接地短路的情况,使得补偿电抗器调谐作用失效,一定工况下激发CVT铁磁谐振,由于阻尼器对抑制谐振过电压的范围以及性能存在问题,从而导致产生持续的异响,并通过解体检查对故障原因进行了验证,为后续同类型设备的运行维护提供参考和指导。

近断层地震动作用下黏滞阻尼器的减震研究

为研究近断层地震动对减震建筑的抗震性能和结构设计带来的影响,本文通过介绍黏滞阻尼器的研究现状和减震分析,简单阐述近断层地震动的定义以及其运动特性,并以4条近断层速度脉冲型地震动输入到ETABS建立的减震模型和非减震模型中进行时程分析,从顶层位移时程曲线、顶层加速度时程曲线、底层剪力时程曲线以及减震结构中黏滞阻尼器的滞回曲线等角度分析黏滞阻尼器的减震效果。研究结果表明:1)减震结构的地震反应小于非减震结构,黏滞阻尼器可以减小近断层速度脉冲型地震动;2)设置黏滞阻尼器可以提高建筑结构的抗震性能。本文研究结果可为今后的建筑结构减震设计提供一定的参考。

核电站设备用大型液压阻尼器故障分析

“华龙一号”是具有完全自主产权的第三代压水堆核电创新成果,是目前核电站主流堆型。核电站设备用大型液压阻尼器(以下简称“设备阻尼器”)属于核安全1级设备,是蒸发器、主泵等主设备支撑的关键部件,其性能的好坏会影响蒸汽发生器、主泵等的安全运行。在蒸汽发生器、主泵等设备正常运行过程中,必然会受到振动、地震、热位移、温度等因素影响,设备阻尼器性能参数是否满足设计要求尤为重要,一旦失效会引起主设备动态反应的变化,这些影响通过接管、管道传播,对整个系统的设备都有潜在的威胁,给电厂运行带来隐患。文中利用故障分析方法对设备阻尼器性能参数进行故障分析,通过故障原因、故障模式、薄弱环节及失效模式分析,为核电站主要设备安全运行提供强有力的保障,提高整体系统的可靠性。

基于ISFD的滑动轴承转子系统不平衡振动抑制研究

由于高转速和大功率的需要,现有很多转子设备往往是基于滑动轴承设计的,因而由不平衡故障引起的振动成为影响这些设备安全运行的关键因素。为了探究整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)对滑动轴承转子系统因不平衡故障产生振动的抑制效果,对安装有ISFD阻尼支承后的转子系统的不平衡振动响应进行了研究。首先,以实验室现有的转子试验台为基础,设计了安装有滑动轴承的ISFD阻尼支承结构,对ISFD的减振机理进行了介绍;然后,运用有限元方法,研究了ISFD弹性体的径向刚度特性;最后,搭建了单跨对称转子试验台,采用试验的方式,研究了该ISFD阻尼支承结构对转子不平衡振动的抑制效果。研究结果表明:在较宽的载荷范围内,ISFD弹性体的位移值与静载荷呈线性关系,具有优良的线性刚度特性;ISFD具有优良的阻尼特性,可以较好地抑制不同转速工况下滑动轴承转子系统的不平衡振动,在1 800 r/min的工况下,转子在x和y方向的振动降幅分别为38.4%和49.4%;ISFD阻尼支承可以有效抑制滑动轴承转子系统不平衡故障导致的工频振动,在1 600 r/min的工况下,转子在x和y方向的工频振动降幅分别为19.5%和29.4%,其减振效果良好。该研究成果可以为ISFD在滑动轴承转子系统中的实际工程应用提供借鉴,具有良好的应用前景。

一种实现柔直系统快速恢复的自取能故障阻尼器

针对半桥模块化多电平换流器(MMC)的直流双极短路和单桥臂短路2种典型故障工况,分析了其故障通路和电流波形,并提出相应的桥臂阻尼方案,推导了阻尼电阻的设计依据。提出一种新型自取能模块化故障阻尼器拓扑,分析了其工作模式以及对MMC的影响。该阻尼器串联在MMC的桥臂中,解决了高电位取能问题,实现了阻尼器的自取能,在直流双极短路故障时起到限流和衰减作用,加快故障端的切除,实现柔直系统的快速恢复;在单桥臂短路故障时可以衰减阀侧交流电流的直流分量,有助于阀侧交流开关的跳开。结合工程上使用的MMC结构,提出了即插即用的模块化故障阻尼器实施方案。在舟山五端柔直仿真系统中验证了所提自取能模块化故障阻尼器拓扑的有效性。

大型水轮发电机多回路模型的合理简化

适用于分析电机定子绕组内部不对称的多回路模型已成功用于发电机的主保护设计。多回路模型一般表达为含有时变系数的微分方程组,需要借助计算机求得数值解,其计算时间会随方程维数的增加而急剧增长。而大型水轮发电机由于极数多,多回路模型中的阻尼回路数目很大,造成方程维数过高,短路计算耗时过长而无法满足内部短路主保护设计的需要,必须对其多回路模型进行合理的简化。本文对阻尼回路的2种简化方法进行了深入分析和仿真计算,指出等效d轴和q轴阻尼绕组模型应用于电机内部短路计算时,物理概念上存在缺陷,且会造成过大的误差、在工程上无法容许：而近似阻尼笼的处理方法既能满足工程精度要求,又可节省计算时间。

抗蛇行减振器常见故障对高速列车动力学性能的影响

以CRH380B型动车组为实例,结合实际中常见的抗蛇行减振器故障,基于车辆动力学理论,利用动力学仿真软件SIMPACK建立动力学模型,通过改变抗蛇行减振器阻尼特性来模拟不同故障类型,从而对车辆进行动力学研究.结果表明:当抗蛇行减振器故障后的剩余阻尼力在标准阻尼力50%以下时,对车体平稳性、稳定性、曲线通过性能均有很大影响.其中当抗蛇行减振器剩余阻尼力为标准力值的50%时,车体垂向和横向平稳性指标分别达到了1.85和2.20,脱轨系数达到了0.45,非线性临界速度降低到了271km/h.得出抗蛇行减振器的最佳阻尼特性:当卸荷速度为0.03m/s,卸荷力为8~9kN时,车辆各动力学性能达到相对最优状态.

机动飞行下挤压油膜阻尼器对碰摩故障转子系统的影响

飞机飞行时,航空发动机的故障对于飞机的安全性有着重要影响。针对这个问题,基于Lagrange方程,建立了飞机在空间进行机动飞行时发动机转子系统的动力学模型;同时基于库伦定律,建立了转子碰摩故障模型;基于雷诺方程,建立了挤压油膜阻尼器的模型;对模型进行综合建模,得到不同机动飞行条件下转子-滚动轴承-挤压油膜阻尼器(SFD)系统非线性动力学微分方程,通过龙格库塔数值解法进行求解得到不同机动飞行状态下碰摩故障状态的系统振动响应,得到了不同机动飞行状态下碰摩故障转子系统的运动分岔图,同时利用典型转速(1 400rad/s,2 000rad/s)下转子系统的频谱图、庞加莱图、时域图和轴心轨迹图研究系统的动力学特性。研究结果表明:在高转速下,SFD能够显著提高系统的稳定性,抑制系统的非线性特征,但是在低转速下可能损害系统稳定性;不同机动飞行状态下,SFD对于转子系统非线性特征的影响大小也不同。

VMD多尺度熵用于高速列车横向减振器故障诊断

针对高速列车横向减振器故障振动信号具有非线性和非平稳特征、特征信号提取相对困难问题,提出了变分模态分解和多尺度熵结合的特征提取方法。原始信号经变分模态分解方法处理后,被分解为若干本征模态,利用互信息指标筛选有效模态,求多尺度熵组成特征向量,通过特征评价方法去除冗余特征,最终将最优特征子集输入支持向量机识别横向减振器的故障类型。实验结果表明,该方法能有效提取振动信号的特征,实现横向减振器故障的有效判别,验证了该方法在高速列车横向减振器故障诊断的可行性。

一种排除带凸肩风扇叶片榫头故障的新方法

探索了一种采取黏弹性橡胶阻尼器抑制带凸肩风扇工作叶片共振的新途径,通过应用于某型机风扇第1级叶片,在叶片结构不变的条件下排除了其榫头断裂故障。在发动机上的验证结果表明:根部橡胶阻尼器减振结构对叶片榫头出现最大振动应力的振型的抑制效果明显,从而拓展了黏弹性材料的应用领域。

基于地震动特性的悬挂减振结构性能

分析了一栋已建悬挂建筑在不同地震动输入下的结构响应规律.首先,根据其特点,建立了相应的数值分析模型.其次,在3组远断层地震波和3组近断层地震波输入下,分析了地震动特性对悬挂结构减振效果的影响;最后,给出了阻尼器分布对减振效果的影响.分析结果表明:在远断层和近断层地震波作用下,存在最优的阻尼系数使得筒体的动力响应最小.虽然地震波频谱特性不同,但优化得到的最优阻尼系数差别不大.在近断层地震波作用下,主结构的动力响应较大,且减振效果相对较差.阻尼器连接悬挂楼面和主结构筒体时,能够较好地约束悬挂楼面的层间位移和相对于筒体的位移.近断层地震波作用下悬挂楼面的层间位移和相对于筒体位移比远断层地震波作用下大得多.当阻尼器的总量一定时,按三角形或悬挂楼面的基本振型布置阻尼器比均匀分布能取得更好的减振效果,且能够更好地抑制悬挂楼面的位移.

SFD作用下故障转子系统动力学特性及混沌控制

考虑挤压油膜阻尼器(squeeze film damper,简称SFD)作用,研究碰摩故障及不对中-碰摩耦合故障下系统动力学特性及SFD对系统混沌运动控制。基于Lagrange方程,建立不对中-碰摩耦合故障下SFD-转子-滚动轴承系统动力学模型,采用龙格库塔法对模型求解,并利用分岔图、Poincaré图、频谱图等进行对比分析。研究结果表明:合理油膜间隙下的SFD能有效抑制系统非协调响应以及振动幅值,使故障转子系统的混沌运动控制在稳定周期轨道上;过小的油膜间隙会形成很强的非线性油膜支反力,产生非协调频率成分,使稳定周期系统重返混沌状态;随着油膜间隙减小,SFD对不对中故障产生的典型2 X,3 X,4 X和5 X频幅值具有不同影响,其中2 X频幅值变化明显,3 X和4 X频幅值变化微弱,5 X频幅值基本不变。