展猛 王社良 趙云

摘要：基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的工作原理以及形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）絲的力學(xué)性能特點(diǎn)，研發(fā)一種SMA壓電混合減震裝置，對其進(jìn)行電一力學(xué)試驗(yàn)，并在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立以速率符號、電壓和位移為神經(jīng)元輸入的混合裝置BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。最后將其安裝到一個(gè)相似比1：2的10kV干式空心電抗器結(jié)構(gòu)模型中，其中壓電驅(qū)動(dòng)器的激勵(lì)電壓采用T-S模糊邏輯輸出，對其進(jìn)行無控、被動(dòng)控制和混合控制時(shí)的模擬地震振動(dòng)臺試驗(yàn)和數(shù)值模擬，進(jìn)而分析模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性變化規(guī)律和不同地震波時(shí)的地震響應(yīng)抑制效果。結(jié)果表明：文中研制的SMA-壓電摩擦混合減震裝置性能穩(wěn)定、構(gòu)造合理，可以有效地降低電抗器結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。一般地，被動(dòng)控制時(shí)位移和加速度的減震率可達(dá)40%，混合控制時(shí)可達(dá)50%，且震后未見電抗器結(jié)構(gòu)薄弱部位發(fā)生地震破壞，說明智能材料減震系統(tǒng)提高了電抗器結(jié)構(gòu)的抗震可靠性，為電氣設(shè)備系統(tǒng)的減震控制保護(hù)提供了新途徑。另外，試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以較好地跟蹤壓電SMA混合減震裝置的輸出力。

關(guān)鍵詞：減震;振動(dòng)臺試驗(yàn);壓電陶瓷;形狀記憶合金;電抗器

中圖分類號：TU317⁺.1;TM47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-4523（2020）01-0179-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.01.020

1概述

空心電抗器作為電力運(yùn)輸設(shè)備中的一員，由于自身重心高、長細(xì)比大，頭部質(zhì)量大等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，非常不利于抗震，常發(fā)生支柱絕緣子與電抗器組件被震壞的現(xiàn)象，如圖1所示。而隨著中國電網(wǎng)容量的大幅度增加以及電壓等級的不斷提高，電抗器設(shè)備的電壓等級及容量也不斷提升，使得設(shè)備整體高度大幅度增高，更易帶來抗震強(qiáng)度方面的安全隱患。近些年，電抗器設(shè)備的抗震性能研究已經(jīng)受到了一些學(xué)者的重視，但主要是利用有限元軟件對其抗震性能進(jìn)行分析，或從材料性能、加固措施等方面來提高電抗器設(shè)備的抗震能力。羅孟杰等對相問采用陶瓷柱和鋁柱硬連接的疊裝式空心電抗器的抗震強(qiáng)度進(jìn)行了理論計(jì)算與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，并編制了用于疊裝式空心電抗器的電算程序。侯春明對干式空心電抗器總稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震分析，提出了計(jì)算依據(jù)與數(shù)學(xué)模型，給出了基本自振周期、地震力以及安全校核的實(shí)用計(jì)算公式。曹國旭等采用有限元分析法，分析了靜力作用下±800kV干式平波電抗器支柱式絕緣子支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能評估。王黎明等利用ANsYs軟件建立了以3D梁單元為主的特高壓直流平波電抗器支撐結(jié)構(gòu)模型，并通過反應(yīng)譜法求得了混合支柱絕緣子的抗震響應(yīng)。劉媛等應(yīng)用ANSYS軟件對66kV干式空心并聯(lián)電抗器進(jìn)行了三維有限元建模，在運(yùn)用Block Lanczos法對電抗器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，采用振型分解法對電抗器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，結(jié)果表明：地震動(dòng)作用下電抗器的垂直位移要比水平位移小一個(gè)數(shù)量級，支架部分特別是絕緣子部分，其許用應(yīng)力較低，是結(jié)構(gòu)抗震強(qiáng)度驗(yàn)算的關(guān)鍵。范書立等對特高壓輸變電線路的電抗器抗震性能進(jìn)行了振動(dòng)臺動(dòng)力模型試驗(yàn)，研究了不同地震激勵(lì)下電抗器的動(dòng)力特性及抗震能力，得到了電抗器關(guān)鍵部位在地震作用下的加速度、位移和應(yīng)變反應(yīng)及抗震薄弱部位，試驗(yàn)結(jié)果表明，加速度響應(yīng)在各層均有不同程度的放大，支柱絕緣子的根部和頂部是電抗器的抗震薄弱部位，豎向地震動(dòng)對電抗器的動(dòng)位移、加速度影響很小，對動(dòng)應(yīng)變影響較大。目前關(guān)于電抗器的減震分析和試驗(yàn)研究還較少，因此引人振動(dòng)控制技術(shù)，對電抗器設(shè)備進(jìn)行減震控制試驗(yàn)研究具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

形狀記憶合金和壓電陶瓷是工程結(jié)構(gòu)減震控制常用的智能材料，國內(nèi)外對兩者單獨(dú)減震的相關(guān)研究和工程應(yīng)用已經(jīng)很多，但利用SMA壓電混合裝置進(jìn)行減震控制的研究還較少。戴納新利用SMA壓電混合摩擦阻尼器進(jìn)行了鋼框架模型的隔震分析;Ozbulut等研究了SMA壓電混合裝置對-20層非線性Benchmark模型的地震響應(yīng)控制效果;王社良等基于改進(jìn)的遺傳算法，以多模態(tài)控制性能指標(biāo)作為優(yōu)化準(zhǔn)則，利用設(shè)計(jì)的SMA-壓電摩擦混合阻尼器對一空問桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化控制分析。本文基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的基本原理以及SMA絲的力學(xué)性能特點(diǎn)，研發(fā)了一種SMA壓電混合減震裝置，對其進(jìn)行電一力學(xué)試驗(yàn)，并在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立以速率符號、電壓和位移為神經(jīng)元輸入的混合裝置BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。最后將其安裝到相似比1：2的10kV干式空心電抗器結(jié)構(gòu)模型中，其中壓電驅(qū)動(dòng)器的激勵(lì)電壓采用T-S模糊邏輯輸出，對其進(jìn)行無控、被動(dòng)控制和混合控制時(shí)的模擬地震振動(dòng)臺試驗(yàn)和數(shù)值模擬，進(jìn)而分析模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性變化規(guī)律和不同地震波時(shí)的地震響應(yīng)抑制效果，驗(yàn)證研發(fā)的SMA-壓電摩擦混合減震裝置的有效性，并探討對電抗器設(shè)備進(jìn)行智能減震的可行性。

2SMA壓電混合減震裝置性能試驗(yàn)

本文減震試驗(yàn)所采用的混合減震裝置如圖2所示，主要由箱體、滑塊、滑板、滑槽、推拉桿、擋環(huán)、SMA絲和壓電驅(qū)動(dòng)器組成。當(dāng)推拉桿向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，左擋環(huán)推著左擋板在向左移動(dòng)，SMA絲3受拉耗能;當(dāng)右擋環(huán)運(yùn)動(dòng)至滑塊右端時(shí)，滑塊和左擋板開始一起向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)SMA絲2、SMA絲3和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器同時(shí)耗能。當(dāng)推拉桿向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，右擋環(huán)頂住右擋板向右側(cè)運(yùn)動(dòng)，SMA絲3受拉耗能;當(dāng)左擋環(huán)運(yùn)動(dòng)至滑塊左端時(shí)，滑塊和右擋板開始一起向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)SMA絲1、SMA絲3和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器同時(shí)耗能。該混合裝置的SMA單元和壓電單元依次工作，小震時(shí)SMA單獨(dú)工作;大震時(shí)，SMA先工作，而后SMA和壓電摩擦單元同時(shí)工作，且能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制力。

本次試驗(yàn)所用形狀記憶合金絲化學(xué)成分為Ti-51%atNi，相變溫度如下：Mr為-42℃，Ms為-38℃，As為-6°C，Af為-2℃，因此該絲在常溫狀態(tài)下處于奧氏體狀態(tài)。在混合減震裝置試驗(yàn)之前，首先對奧氏體SMA絲進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，以確保SMA絲的性能滿足復(fù)合裝置的耗能要求，鑒于目前單純SMA絲試驗(yàn)研究較多，這里就不再贅述，僅給出混合裝置的電力學(xué)試驗(yàn)。其中，SMA絲直徑0.7mm，最大應(yīng)變幅值7%;SMA絲3數(shù)量為2根，長度175mm，單獨(dú)工作位移5mm;SMA絲1和2為4根，長度100mm。矩形壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器尺寸為10mm×10mm×36mm，電壓范圍0-150V，最大伸長量40um，理論最大出力3600N。初始摩擦力為200N。試驗(yàn)設(shè)備采用臺灣弘達(dá)HT9711動(dòng)靜材料試驗(yàn)機(jī)。如圖3所示，試驗(yàn)時(shí)采用位移控制，三角波加卸載，試驗(yàn)中測量了位移幅值5，9，12mm，頻率0.05，0.1，0.2，0.3Hz，電壓O，40，80，120V時(shí)三角波激勵(lì)下控制力與位移的關(guān)系。限于篇幅，這里僅給出部分試驗(yàn)結(jié)果。圖4給出了無激勵(lì)電壓和120V電壓時(shí)不同頻率下的控制力一位移曲線，可以看出，滯回曲線飽滿對稱，阻尼器性能穩(wěn)定，受頻率的影響較小。圖5給出了0.1Hz下不同電壓時(shí)的控制力一位移曲線，可以看出，隨著電壓的增大，阻尼器的最大控制力逐漸提高，滯回環(huán)面積不斷增大，耗能能力逐漸增強(qiáng)。

3振動(dòng)臺試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

空心電抗器實(shí)體一般呈圓柱狀，由多層線圈組成，質(zhì)量分布均勻，頂部留有用于連接上層電抗器實(shí)體的上星形鋼架，底部留有用于連接支柱絕緣子的下星形鋼架。支柱絕緣子一般由絕緣子和支撐組成，端部一般固定于混凝土底盤上，當(dāng)有防震要求時(shí)，也可采用預(yù)埋底腳螺栓安裝。常用的支柱絕緣子類型主要有瓷瓶絕緣子、玻璃鋼絕緣子和混合絕緣子，由于電抗器結(jié)構(gòu)的連接件需采用無磁性材料，支撐一般采用鋁柱支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)電抗器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，選擇10kV高式空心電抗器作為研究對象，其額定電抗率為6%，電容容量為2700kVar，安裝直徑為750mm，相問距離為315mm，支點(diǎn)個(gè)數(shù)為4個(gè)。同時(shí)設(shè)計(jì)制作了其相似比為1：2的結(jié)構(gòu)模型，電抗器模型實(shí)體采用4層3mm的鐵皮圍成的圓柱體來模擬，外徑為50cm，高為30cm，質(zhì)量為40kg;支柱絕緣子為4根，采用環(huán)氧樹脂玻璃纖維增強(qiáng)混合絕緣子，高為4cm，鋁柱支撐高為56cm，直徑18mm，壁厚1mm。限于振動(dòng)臺質(zhì)量限制條件，不再布置底盤，直接將鋁柱端部固定于臺面。

電抗器模型的振動(dòng)控制主要是降低電抗器實(shí)體的加速度反應(yīng)，減小地震力，防止絕緣子連接部位剪切破壞。減震裝置一般可在兩支柱絕緣子之問采用斜撐阻尼/作動(dòng)桿件的方式進(jìn)行安裝，其中減震桿件的一端與支柱絕緣子頂部相連的上星形架固定，另一端與另一支柱絕緣子的根部固定，這樣便可利用減震桿件的分力控制多維地震波作用。為便于安裝，文中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎弥Ъ芷脚_布置方式安裝減震裝置，將減震裝置固定在一支架平臺上，同時(shí)推拉桿與電抗器設(shè)備的下星形架相連接，只要支架的側(cè)向剛度大于支柱絕緣子的側(cè)向剛度，減震裝置即可有效地控制電抗器結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。限于臺面尺寸，這里使推拉桿與圓柱體鐵皮下焊接的固定桿進(jìn)行螺栓連接，如圖6所示。

3.2試驗(yàn)裝置及設(shè)備

根據(jù)本次減震試驗(yàn)的特點(diǎn)，西安建筑科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)了其仿真控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該仿真控制系統(tǒng)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整減震裝置的控制力大小，較好地實(shí)現(xiàn)了壓電摩擦單元的半主動(dòng)控制，抑振效果明顯。試驗(yàn)用到的儀器還有：EM1712S直流穩(wěn)壓電源、大功率穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電源、891型位移拾振器、941B型速度拾振器、PCB加速度傳感器、GF-300B型功率放大器、INV306S型智能信號數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)動(dòng)測信號分析系統(tǒng)等。部分儀器和設(shè)備如圖7所示。

3.3傳感器布置及試驗(yàn)工況

3.3.1傳感器布置

振動(dòng)臺臺面上分別布置速度傳感器、位移傳感器和加速度傳感器各一個(gè)，如圖8（a）所示，并且對速度傳感器采集到的信號進(jìn)行微分得到加速度反應(yīng)，然后與另一個(gè)加速度傳感器采集到的信號進(jìn)行對比，以驗(yàn)證微分的準(zhǔn)確性。模型結(jié)構(gòu)底部的星形架上分別布置一個(gè)速度傳感器和一個(gè)位移傳感器，如圖8（b）所示，且將速度傳感器采集到的信號作為仿真控制系統(tǒng)的輸入來調(diào)節(jié)減震裝置的控制力，加速度反應(yīng)由速度反應(yīng)微分得到。

3.3.2試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為8度設(shè)防，二類場地土。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）表5.1.4-2，特征周期Tg=0.35s。根據(jù)設(shè)計(jì)的假定場地條件及其動(dòng)力特性，選取兩條天然波（E1Centro波和江油波）和一條人工波（上海波）作為試驗(yàn)時(shí)的輸入地震激勵(lì)。上海波為《上海市建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》推薦的人工擬合的地震波，原場地類別Ⅳ類，經(jīng)Seis-moSignal軟件轉(zhuǎn)化為Ⅱ類場地類別，其時(shí)程曲線如圖9所示，其持時(shí)為20s，間隔0.02s。

試驗(yàn)時(shí)，首先采用50gal白噪聲對結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃頻，測得其自振頻率。然后輸人不同地震波，加速度峰值分別調(diào)幅為600gal，進(jìn)行無控、被動(dòng)控制和混合控制時(shí)的振動(dòng)臺試驗(yàn)，測量不同工況下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，并進(jìn)行對比分析。限于試驗(yàn)條件，這里僅進(jìn)行單向地震波激勵(lì)下的振動(dòng)臺試驗(yàn)。

3.4控制流程

整個(gè)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)由模型結(jié)構(gòu)、SMA壓電混合減震裝置、加速度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、控制器、D/A轉(zhuǎn)換器和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓電源組成，由T-S型模糊控制器確定施加電壓值的大小。其中，A/D轉(zhuǎn)換器、控制器、D/A轉(zhuǎn)換器這三部分由dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)來完成。其過程為：通過振動(dòng)臺產(chǎn)生地震動(dòng)激勵(lì)，由布置在結(jié)構(gòu)上的傳感器測量結(jié)構(gòu)的速度反應(yīng)，然后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號作為控制器的輸入，此時(shí)通過編譯好的控制算法計(jì)算出電壓值，利用驅(qū)動(dòng)電源對壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器施加電壓，從而實(shí)時(shí)改變SMA壓電混合減震裝置的輸出力來控制結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。

3.5試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.5.1動(dòng)力特性分析

將白噪聲掃頻得到的加速度信號，通過離散傅里葉（FFT）變換到頻域，即可得到無控結(jié)構(gòu)和有控結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)，如圖10所示。由傳遞函數(shù)可得到結(jié)構(gòu)的自振頻率，并由半功率帶寬法可求得其阻尼比。電抗器模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示?？梢钥闯?，安裝SMA-壓電摩擦混合減震裝置后，由于SMA絲的作用，結(jié)構(gòu)的頻率和剛度略有增大，而阻尼比則增加兩倍，抗震能力顯著提高。

3.5.2動(dòng)力反應(yīng)分析

表2給出了不同地震波激勵(lì)下電抗器結(jié)構(gòu)無控、被動(dòng)控制和混合控制時(shí)的相對位移反應(yīng)峰值和相對加速度反應(yīng)峰值?？梢钥闯?，E1Centro波和上海波激勵(lì)時(shí)，層位移和層加速度被動(dòng)控制的減震率都約為40%，混合控制減震率約為50%;江油波相對能量較大，減震效果也相對更好。被動(dòng)控制時(shí)，位移減震率為55.72%，加速度減震率為39.41%，混合控制時(shí)，兩者都約為60%。相對被動(dòng)控制，混合控制減震率可提高約10%，雖增加了能量輸入和控制算法，但電力設(shè)備的安全運(yùn)行直接關(guān)乎著人民的經(jīng)濟(jì)生活和國家的生產(chǎn)建設(shè)，因此混合控制技術(shù)的應(yīng)用仍是值得的。同時(shí)還可以看出，不同地震激勵(lì)時(shí)的被動(dòng)控制的動(dòng)力反應(yīng)和混合控制動(dòng)力反應(yīng)相差都不是很大，而減震率的不同主要體現(xiàn)在無控反應(yīng)上，這主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)模型質(zhì)量較小，相應(yīng)的地震力也較小，而SMA絲1或SMA絲2和壓電摩阻力介人后，其動(dòng)力反應(yīng)很難再增加，同時(shí)也問接地說明了小震時(shí)，SMA絲3即可積極消耗地震能量，減小地震反應(yīng)。

圖11-13給出了不同地震激勵(lì)時(shí)結(jié)構(gòu)無控、被動(dòng)控制和混合控制時(shí)的動(dòng)力反應(yīng)時(shí)程對比曲線?？梢钥闯?，由于壓電摩擦耗能單元的介入，混合控制時(shí)的減震效果優(yōu)于被動(dòng)控制。圖14給出了三種地震動(dòng)激勵(lì)下混合控制時(shí)的電壓時(shí)程曲線?？梢钥闯?，壓電摩擦單元的阻尼力可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整，并與SMA絲被動(dòng)耗能單元結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電抗器結(jié)構(gòu)模型的混合半主動(dòng)控制。

3.5.3試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬對比

BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型可綜合考慮多種因素，較好地跟蹤復(fù)雜因素下減震裝置的輸出力，且便于在MATLAB仿真中實(shí)現(xiàn)，為此，文中基于課題組前期的研究，建立了以速率符號、電壓和位移為神經(jīng)元輸人的混合裝置BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖15所示。同時(shí)以T-S模糊邏輯來判斷電壓值的大小，因此，對于具有n個(gè)自由度的剪切型結(jié)構(gòu)模型，在其結(jié)構(gòu)上安裝p個(gè)減震裝置，當(dāng)受到一維地震作

4結(jié)論

研發(fā)了一種新型SMA壓電混合減震裝置，進(jìn)行了相應(yīng)的電一力學(xué)試驗(yàn)。設(shè)計(jì)制作了一個(gè)相似比1：2的10kV干式空心電抗器模型，對其進(jìn)行了無控、被動(dòng)控制和混合控制時(shí)的模擬地震振動(dòng)臺試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了El Centro波、江油波和上海波時(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)及其減震效果。主要結(jié)論如下：

（1）混合減震裝置的SMA和壓電單元依次工作，當(dāng)小震時(shí)SMA單獨(dú)工作，當(dāng)大震時(shí)，SMA先工作，而后SMA和壓電單元同時(shí)工作，是一種構(gòu)造合理，性能穩(wěn)定，耗能能力好的減震裝置。

（2）在被動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，SMA-壓電混合減震裝置可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)實(shí)時(shí)改變壓電單元阻尼力的大小，進(jìn)一步降低電抗器模型結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。一般地，被動(dòng)控制時(shí)，位移和加速度減震率可達(dá)40%，混合控制可達(dá)50%，且震后未見電抗器結(jié)構(gòu)薄弱部位發(fā)生地震破壞，說明智能材料減震系統(tǒng)提高了電抗器結(jié)構(gòu)的抗震可靠性，為電氣設(shè)備系統(tǒng)的減震控制保護(hù)提供了新途徑。

（3）基于減震裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以速率符號、電壓和位移為神經(jīng)元輸人的BP網(wǎng)絡(luò)對減震裝置的輸出力進(jìn)行跟蹤，利用T-S模糊邏輯來調(diào)整壓電單元激勵(lì)電壓的大小，建立了電抗器結(jié)構(gòu)SMA-壓電混合減震控制仿真模型，結(jié)果表明，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以較好地跟蹤壓電SMA混合減震裝置的輸出力。