防震錘的物理學原理及應用

化雪麗 孫毅

摘 要：防振錘在現(xiàn)階段的應用和應用原理，主要功能原理使它能解決架空高壓輸電線的重大損壞問題，根據(jù)它的畢本工作原理和應用范例，構(gòu)思了防振錘在其他方面的應用以及存在問題。

關(guān)鍵詞：防震錘；物理學；應用

一、現(xiàn)象

如今空中飛架的高壓電線隨處可見，人們的生活已經(jīng)脫離不開它，但越是高運作的科技產(chǎn)品，它的潛在危險性越高。在高空，飛架的高壓輸電線在風力的作用下會產(chǎn)生所謂的微風振動。例如，當風速小至0.5到10 m/s 時，就會使高壓線產(chǎn)生3到 120 Hz的振動，振幅能達到數(shù)厘米。高壓線都有線夾做穩(wěn)固，而振動就會使線夾附近的那段電線不斷地受到彎折和磨損，導致局部導線疲勞斷股，最后會使整根導線折斷而造成事故?？梢?，微風振動是一種危害性很大的振動，為了解決這一問題，制造出了防震錘來消除這種振動。防震錘消除微風振動的功能不僅可以用與電力輸電線，還可以嘗試用來解決風力發(fā)電機的一些問題。

二、物理學原理

（一）防震錘的構(gòu)造及簡單原理

一般由三部分組成，固定線夾、鋼絞線、重錘。防震錘有很多種型號，總體可以分為F型（對稱）和FR型（非對稱），但它們的基本原理是一樣的，后面會有相關(guān)介紹。簡單來說，防震錘只是一段鐵棒，由于它加掛在鐵路塔桿懸點處，以物理學振動原理吸收或者減弱振動能量，改變線路搖擺頻率，防止線路的振動或舞動，進而達到防止高壓線路出現(xiàn)一系列問題的目的。

（二）防震錘的主要作用

架空電力線路受風、冰、低溫等氣象條件的作用，使線路產(chǎn)生振動和舞動。為了減少導線因風力引起振動而設(shè)的高壓架空路線桿位較高，檔距較大，當導線受到風力作用時，會產(chǎn)生振動。振動頻率較高而振幅很小，風振動使架空線在懸點處反復被扭折，引起材料疲勞，最后導致斷股、斷線等事故。導線振動時，導線懸掛處的工作條件最為不利，由于多次振動，導線因周期性的彎折產(chǎn)生疲勞破壞。舞動的頻率很低，振幅很大的特點很容易引起相間閃絡，造成線路跳閘、停電或燒傷等嚴重事故，對材料資源的有效應用和人員安全方面有極大損害。

（三）防震錘的安裝要求

由于引起振動的風速范圍為0.5到5 m/s，所以不同的風速對應的共振頻率是不同的，一般來說，檔距越大，能形成整數(shù)波長的幾率就越大，也就越容易振動，當風速大到使導線處于鎖定狀態(tài)，即以ν0振動時，防震錘發(fā)生諧振，吸收導線大部分的振動能量，并把這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能和聲能消耗掉，從而減小了導線振動的振幅。防震錘安裝在不同位置，就能對某個頻率的共振完全抑制，對于其他頻率的共振起削弱作用。

1.安裝方向

①螺栓的穿向：避雷線和單或垂直排列的雙棵導線的兩邊相應由線路內(nèi)側(cè)向外穿，中相由左向右穿。對于多分裂導線應由線束向外穿。

②銷釘?shù)拇┫颍核椒矫媛菟ㄉ系匿N釘，方向應由上向下穿。

特別注意：所有的穿向要求，事先要征求線路運行單位的意見，特別是線路改造，各種穿向要求應與原方向一致。

2.安裝距離

防震錘在一個耐張段內(nèi)各檔距安裝距離一樣，在不同耐張段或者不同跨越段的安裝距離不同。在不同情況防震錘安裝距離的實用公式為b=0.415×10E-3×D×√（9.81T/W）

b：安裝距離

D：導線直徑

T：平均運行張力

W：導線單位長度重力（N/m）

三、推導

實際應用防震錘時，還要考慮多種因素的影響，我們需要根據(jù)不同的環(huán)境和需要設(shè)計構(gòu)造不同的防震錘以供使用，設(shè)定不同防震錘的固有頻率ν0也是重要的一環(huán)。由上文防震錘的原理可知它的頻率主要與重錘的質(zhì)量m和鋼絞線的勁度系數(shù)k有關(guān)，接下來推導出ν0的有關(guān)計算公式。

在一個以A為半徑的圓中，做角速度為w的勻速圓周運動的質(zhì)點在x軸方向的投影正好就是Acoswt。所以在x方向的簡諧運動可以等效于一個勻速圓周運動的投影，那么根據(jù)等效結(jié)

果，簡諧運動周期就相當于圓周運動的周期T=2π/w=2π√m/k，則頻率ν=1/T=1/2π√k/m。

四、應用

防震錘主要用于消除風引起的振動使物體產(chǎn)生的振動能量，以此來避免物質(zhì)受到致命損壞。除了現(xiàn)階段用于的防止架空高壓輸電線的微風振動引起導線疲勞斷股，我由防震錘的基本工作原理想到，它還可以用在風力發(fā)電機，飛機和我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降牧酪聴U（線）上。

（一）在風力發(fā)電機的應用

風力發(fā)電是一種被當今世界大力采用的發(fā)電資源方式，減少乃至避免風力發(fā)電機的損壞就成了一個待解決的重要問題。風力發(fā)電機一個重要部分就是葉片，由于常年處于室外，葉片的制作材料就必須優(yōu)良，制作工程也必須繁復嚴謹。

（二）在飛機上的應用

飛機是我們出行必不可少的交通工具，和汽車、火車等工具一樣，它也會偶爾發(fā)生安全事故，其中一個重要原因就是飛機在高空飛行時不可避免的受到風力的影響，尤其是機翼這種線條相對明顯的部位。

（三）在晾衣桿上的應用

晾衣桿大概是和輸電線情況最為相似的物體了，它不僅受到風力的影響，時常晾曬衣物也讓它磨損的更為嚴重，在它兩邊安裝防震錘就能大大避免其損壞。但由于晾衣桿和防震錘的造價差太大，如此使用是一種浪費資源的行為，那進一步的研究改良防震錘的構(gòu)造，減少它的成本，就成了必要的問題。

參考文獻：

[1]李效韓，李邦宜，徐乃管.裝防振錘的架空輸電線系統(tǒng)的微風響應[J].中國電機工程學報，1997（05）.

[2]何曉雄，李合琴.架空輸電線防振錘安裝位置的工程計算[J].計算物理，2000（05）.

作者簡介：化雪麗（1996-），女，河南周口人，本科，學生；孫毅（2003-），男，新鄉(xiāng)衛(wèi)輝人，高中，學生。