姚丙義

摘 要： 隨著單機容量的大型化發(fā)展，風(fēng)機塔架的高度不斷提高，機艙等部件結(jié)構(gòu)也變得更大更復(fù)雜。雖然通過結(jié)構(gòu)設(shè)計的緊湊化，模塊化使得結(jié)構(gòu)強度和剛度得到同步，但彼此之間由于外界振源和自身激勵的相互作用也在放大。其中冷卻風(fēng)機作為機艙部分的主要激振源，其與支撐底座之間的振動傳遞，很大程度制約著機艙整體的剛度，而且伴隨著噪音污染的產(chǎn)生。提出了一種冷卻風(fēng)機用隔振器的選型設(shè)計思路，通過對比不同類型的減震器，優(yōu)選出簡單實用，成本低的橡膠減振墊;然后根據(jù)隔振效率及振動速度的要求，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和尺寸的細(xì)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞： 冷卻風(fēng)機;隔振器;風(fēng)力發(fā)電機;隔振效率

中圖分類號： TB????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.13.094

0 引言

目前多數(shù)的研究主要集中在風(fēng)機葉片、塔基、齒輪箱及發(fā)電機等主要組成部件的振動模態(tài)分析上，這是顯而易見的。但隨著風(fēng)機各個組件的不斷放大，各大部件內(nèi)部組件的振動傳遞問題凸顯出來。2MW電勵磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組中的冷卻風(fēng)機是機艙部分的主要振源，它與機架之間的振動是很容易忽略的。由于這種振動是長期的、不固定的，所以一旦發(fā)生共振，輕則螺栓松動，重則導(dǎo)致冷卻風(fēng)機功能性破壞，如氣流不穩(wěn)導(dǎo)致葉片破壞等。本文結(jié)合實際工況和性能指標(biāo)，在冷卻風(fēng)機和機架之間設(shè)置橡膠減振器來確保有效的隔振效率，并提出一種切實可行的風(fēng)機用隔振器的選型設(shè)計思路。

1 隔振原理

振源產(chǎn)生振動，通過介質(zhì)傳至受振對象，因此減振的基本方法也就分為三個方面：減小擾動、采取隔振措施以及防止和減小振動的響應(yīng)。其中隔振就是將振源與基礎(chǔ)或連接結(jié)構(gòu)的近剛性連接改成彈性連接，以防止或減弱振動能量的傳遞，最終達(dá)到減振降噪的目的。實際上振動不可能完全隔絕，故通常也稱為減振。

1.1 常用隔振器的類型

隔振器材和隔振器分類比較復(fù)雜，可按材料或結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，也可按用途劃分，主要有隔振墊，隔振器以及柔性接管三種類型。自然頻率8～10Hz及以上的隔振，通常選用的隔振器有橡膠和金屬彈簧隔振裝置，具體選擇哪種類型需綜合考慮其隔振性能、適用性能及價格因素等。金屬彈簧隔振裝置具有耐高溫、耐機油及柴油能力強的特點，但價格較貴，一般風(fēng)力發(fā)電機組多選用橡膠隔振器或橡膠隔振墊。

1.2 隔振效果的評價參數(shù)

最常見的隔振是將振動的機器安裝在具有彈性和阻尼的隔振器上，用隔振器來“吸收”機器所產(chǎn)生的振動。我們簡化分析：認(rèn)為機器只有質(zhì)量m而沒有彈性的剛體，而減振器只有彈性K和阻尼C，其減振器質(zhì)量m略去不計，如圖1所示的單自由度隔振系統(tǒng)。

若簡諧激勵力P（t）=P0sinωt作用于質(zhì)量m時，其運動微分方程為：

mx ¨ +cx ˙ +kx=P0sinωt （1）

式中：ω—機器的轉(zhuǎn)速（角速度）rad/s;m—機器質(zhì)量（設(shè)為剛性質(zhì)量塊）;k、c—隔振元件的總剛度和阻尼。

將隔振元件的阻尼和剛度：c=2mωnζ，k=mωn2，代入上述方程式簡化為：x ¨ +2ζωnx ˙ +ωn2x= P0 m sinωt，傳遞到基礎(chǔ)的力為FT=cx ˙ +kx，設(shè)方程有特解x=xstRdsin ωt-θ ，代入方程中：

FT=Rd ksin ωt-θ +cωcos ωt-θ

其作用力FT的最大值為：FTmax=xstRd?? k2+c2ω2 ，將xst= F0 k ，c=2mωnζ代入得到振動傳遞率T：

T= FTmax F0 =??? 1+ 2ζ f/fn? 2? 1- f/fn 2 2+ 2ζ f/fn? 2?? （2）

由此可知：

（1）無論阻尼比ζ取多大，只有當(dāng)頻率比λ> 2 時，才有隔振效果，而且隨著λ的增加，隔振效果增加，但在實際中一般選用 f fn 值在2.5～4.5之間，隔振效率約為80%～95%。

（2）增大阻尼比，可以減小機器在啟動和停車過程中經(jīng)過共振區(qū)時的最大振幅，但在λ> 2 時，卻使T增大，即隔振效果降低。

（3）由于一般材料阻尼系數(shù)不大，當(dāng)阻尼比ζ在0～0.1的范圍變化時，T的值差異不大，所以計算隔振系數(shù)時可不考慮阻尼系數(shù)的影響，即ζ=0時可得

T= 1?? f f0? 2-1? （3）

式中：f—擾動頻率（Hz）;f0—隔振器（或構(gòu)造）的振動頻率（Hz）;擾動頻率f=n/60，n為風(fēng)機（或其他設(shè)備）每分鐘轉(zhuǎn)速。

隔振器（或構(gòu)造）的振動頻率，在忽略阻尼的自由振動的情況下：

f0= 1 2π?? k M? = 1 2π?? Mg/δ M? = 1 2π?? g δ? ≈ 5? δcm?? （4）

式中：k—隔振器的總剛度;M—設(shè)備的總重量;δcm—隔振器的壓縮量。

可見，壓縮量δcm愈大，自振頻率愈低，傳振系數(shù)T值就小，隔振效果也就愈好。

2 冷卻風(fēng)機的隔振設(shè)計

2MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的機艙上部工作平臺，安裝有冷卻風(fēng)機。如圖2所示，冷卻風(fēng)機安裝底座上設(shè)置有6個對稱分布的支撐點用于風(fēng)機與固定支架的聯(lián)接。已知冷卻風(fēng)機的質(zhì)量為M=300kg，工作轉(zhuǎn)速為n=2900 r/min，功率為P=11KW，要求在支撐點處安裝減振器，保證正常工作狀態(tài)下不產(chǎn)生共振，且隔振效率90%以上，振幅在±2mm之內(nèi)。

（1）建立隔振體系的力學(xué)模型。

根據(jù)已知條件，我們可以將此隔振系統(tǒng)設(shè)定為垂直向上的單自由度積極隔振系統(tǒng)，激振源為離心風(fēng)機的簡諧振動，其干擾頻率為：

f= n 60 = 2900 60 =48.3Hz

（2）明確設(shè)計要求，定義振動傳遞系數(shù)T（或者說隔振系數(shù)η）。

設(shè)計要求隔振效率90%以上，那么其系統(tǒng)振動傳遞系數(shù)：TSymbolcB@1-E=0.1。

（3）確定隔振器（或構(gòu)造）的固有頻率f0。根據(jù)振動傳遞率公式（3）求得：f0=f??? T 1+T? =14.56Hz。

（4）計算設(shè)計要求的隔振器的載荷和剛度。

設(shè)備均勻時，每個隔振器元件的載荷可有設(shè)備總重量除以隔振元件數(shù)目得出。采用機座時，可根據(jù)重心位置調(diào)整各個隔振元件支撐點，其數(shù)量一般取4～6個。

隔振器的總剛度k：kSymbolcB@ ω2M? 1 T +1?? ω=2πf （5）

式中：k——隔振器的總剛度，kg/s2;M——隔振體系的總質(zhì)量，kg。

設(shè)定隔振器的數(shù)量N：NSymbolcB@ k ki? （6）

式中：ki——所選用的單個隔振器的剛度，kg/s2

根據(jù)上述公式（5）求得，風(fēng)機隔振器的總剛度：

K= ω2M? 1 T +1 =? 2×3.14×48.3 2×300 11 =2509240 kg s2 =25092 N cm =2.51kN/mm

計算每個隔振器的要求剛度：

k= K n = 2.51 6 =0.42kN/mm

計算每個隔振器的要求載荷：

Pi Mg 6 = 300×9.8 6 =490N

在我們求得隔振設(shè)計所需的每個隔振器的載荷和剛度時，我們就可以初步選定隔振器。在樣本或手冊上得到的隔振器的參數(shù)之后，我們便需要通過步驟5和6的反復(fù)迭代來調(diào)整合適的M、K、C來滿足工程要求。

（5）核算設(shè)備振幅或隔振效率。

試算隔振體系上所要求的振動控制點上的機器振幅A，使之滿足：

A?A???? A ——容許振動的線位移

當(dāng)機器以垂直振動完全獨立方式支撐時，由激振力F所引起的機器振幅A：

A= Fg? 2πfn 2W × 1 1- f/fn 2

（7）

式中：A——容許振幅，m;W——隔振體系的總重量，kN;f——干擾力的頻率，Hz; fn——系統(tǒng)固有頻率，Hz;g——重力加速度，m/s2

由公式（7）或f0= 5??? δcm? 推得：A= g? 2πf0 2 × 1 1- f/f0 2 =0.000107m=0.107mm

所以冷卻風(fēng)機通過共振時最大振幅為ΔA= 1+ 1 T? A=1.18mm滿足振幅要求±2mm以內(nèi)。

（6）選定隔振器的類型與型號，進(jìn)行隔振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

若選用橡膠隔振器或金屬隔振器（一般情況），在樣本或工程手冊上已經(jīng)給出其每個隔振器的最大載荷能力，以及自激圓頻率ωz，通過kz=Mωz2來比對k;另外通過風(fēng)機通過共振時允許的振幅 Amax 來要求阻尼比：

ζ> 1 2 Amax?? P0 kz? ωZ2 ωn2? （8）

式中：P0—總擾力，N;kz——隔振器的剛度，kg/s2;ωZ——隔振器的自激圓頻率，rad/s;ωn——系統(tǒng)的固有圓頻率，rad/s。

這里我們結(jié)合工程實例，進(jìn)行橡膠隔振墊的厚度和截面積的尺寸設(shè)計。橡膠的主要材料有天然橡膠（NR）、丁腈橡膠（NBR）、氯丁橡膠（CR）及丁基橡膠（JIR），對比它們的性能和使用范圍，主體材料選用氯丁橡膠（CR），因為它耐天候性好，具有良好的耐自然老化、耐熱、耐寒及良好的彈性和緩沖吸震性能。阻尼比ζ=0.075～0.30。

（7）計算所要求的剛度，可由以下公式求得：

k= P g? 2πf0 2（N/m） （9）

式中：P——擬每個隔振器的承載量（N）;g——重力加速度（m/s2）;

f0——期望的共振頻率，應(yīng)SymbolcB@ 1/3～1/5 振源頻率。

我們在步驟4求得每個隔振器的剛度要求k=0.42 kN/mm=0.42×106 N/m。

（8）靜變形ΔH= P K × Ed ES? m = 490 0.42×106 ×2.5=2.92×10-3m （10）

式中：Es——橡膠的靜態(tài)彈性模量（N/m2）;Ed——橡膠的動態(tài)彈性模量（N/m2）;一般取Ed=2.5ES，此時肖氏硬度為50HS。

（9）計算橡膠塊的高度H，一般取H= 4～6 ΔH，即橡膠塊的高度為：

H= 4～6 ×2.92×10-3= 11.7～17.5 ×10-3取H=15×10-3m=15mm

（10）計算截面積S= HK 2.5Esζc? （m2） （11）

式中：溫度系數(shù)ζc，一般取ζcSymbolcB@0.5 ，Es= 28～36 ×105（N/m2）。

求得S= HK 2.5Esζc = 15×10-3×0.42×106 2.5×32×105×0.5 =1.58×10-3 m2 （12）

（11）確定外形：對于外形，方形塊的邊長或圓形塊的直徑（D）在下述范圍為合適，否則修正上述步驟。即公式4HDH 。設(shè)定為圓形塊時，由S= πD2 4 求得：D=0.045m≈50mm。

在實際工程應(yīng)用中，往往很難找到與設(shè)計值一樣的橡膠減振膠圈，我們需要根據(jù)現(xiàn)有廠家的產(chǎn)品樣本或工程手冊來匹配成型的橡膠減振器（或減振墊），并對其安裝后的隔振體系的隔振效率進(jìn)行驗算，保證滿足工程指標(biāo)要求。

3 結(jié)論

大型兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，各部件之間的振動相互作用對于整機的剛度和穩(wěn)定性有著很大的影響。本文從隔振的角度出發(fā)，通過對比各類隔振器的特點，篩選出冷卻風(fēng)機用橡膠減震器，并結(jié)合其振動的力學(xué)模型分析，提出一套有效的隔振元件選型設(shè)計方法，最后對橡膠減震器進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在實際的工程應(yīng)用中，通常遇到的振動是多自由度的，是復(fù)雜耦合的。這就需要我們能更快的、準(zhǔn)確地建立數(shù)學(xué)模型，并能夠分解成簡單的單自由度系統(tǒng)，然后進(jìn)行解耦。數(shù)字化和程式化技術(shù)能夠有效的防止人為錯誤的產(chǎn)生和不必要的重復(fù)工作，是未來隔振器選型設(shè)計的必然趨勢。

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