机器基础隔振分析和弹簧选择_方学文

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1、 吉林电力技术 1999年第 6期Jilin Electric Power1999 年 12 月研 究与分 析机器基础隔振分析和弹簧选择 130022 吉林省电力勘测设计院 方学文【 摘 要】 讨论了机器激振频率与支承系统频率的比值对机器基础弹性支承系统隔振效率的影响, 并提出了频率比的取值范围和具体工程选择最佳频率比要考虑的条件。对常用的螺旋钢弹簧、 橡胶弹簧的各种性能进行了比较, 以便根据隔振结构上的需要来选择。 介绍了隔振基础弹簧体的布置, 同时对不同布置方式进行了比较。结合工程实例进一步说明机器基础弹性支承系统的实用性、 可靠性、 设计的主要方面和施工临时措施等。【 关键词】 频率比

2、隔振效率 弹簧 弹簧体 弹簧基础机器基础隔振设计包括隔振效率分析,弹簧类型选择和弹簧体布置等主要内容, 分 别讨论如下。1 隔振效率的分析工程隔振通常分为积极隔振和消极隔振, 它们都存在隔振效率的问题。机器底座在装设弹簧的情况下, 传给基 础的力为 Pr= PmVP, 而 VP= ?( 1- ?2)- 1?,?= fm/ fo, 式中 Pr、 Pm分别表示传递力和激振力; VP为传递系数; fm、 fo分别为激振 频率和基础自振频率; ?为频率比。传递系数 VP是频率比 ?的函数, 在考虑材料的阻尼( 用 D 表示材料阻尼系数)时, 其函数关系可写为VP=1+ 4D?2( 1- ?2)2+ 4

3、D2?2隔振效果通常用隔振效率 JP来评定,JP= ( Pm- Pr) / Pm100% = ( 1- VP) 100% 。在不考虑材料阻尼的情况下, JP=( ?2- 2) / ( ?2- 1) 100%。V P与 ?的关系 曲线见图 1。图 1 传递系数和频率比关系曲线从图 1 可以看出: 当 ?2 时, 都有隔振效果, 因为此时 VP2 时, 阻尼对隔振效率 有不利的影响。由于实际上材料的阻尼在0. 010. 10 左右, 因此, ?= 2. 54. 0 时有 阻尼曲线与无阻尼( D= 0. 0) 的曲线几乎没有差别, 这也就说明在远离共振区的频率比下, 可以不考虑阻尼的影响。 但在启停

4、机过程中, 可能产生较大的动力作用。因此弹簧基础通常装设粘滞阻尼器, 可避免启停机过程中可能产生的共振、 运行中可能产生的短路力矩和冲击振动等影响( 粘滞阻尼器具备在工作转速范围内阻尼尽可能小, 而在共振区阻尼变大的工作特 性) 。火电厂动力设备隔振装置中粘滞阻尼器已成为不可缺少的隔振元件。 对于设置在楼板上的低转速机器, 隔振设计如果把频率 比拉得过大, 势必采用频率低的软弹簧, 以换取较高的隔振效率; 而软弹簧静变位较大, 将影响支承系统结构的稳定性, 因此对 于转速低于 150 r/ min 的机器基础采用弹簧隔振并不理想, 通常采用高调频基础。2 机器支承弹簧的选择工程中常用的弹簧有

5、2 种, 一种为橡胶 弹簧; 另一种为钢弹簧, 主要为螺旋钢弹簧。弹簧类型可依据它们的各种性能比较和结 构上的需要来选择。2. 1 螺旋钢弹簧a. 适应于任意激振频率, 它能充分利 用垂直和水平两个方向的弹性作用;b. 适用环境条件广, 力学性能稳定, 不易老化;c. 作为普遍使用的一种隔振元件, 它 有较大的变形模量, 其隔振体系的自振频率可以达到 3 Hz 或以下。动刚度和静刚度的 计算值与试验值很接近, 一般不超过 5% 。2. 2 橡胶弹簧a. 变形可逆性较好, 适用于700 r/ min 以上激振频率。构造简单, 可自由选择其形状, 以利用 2 个或 3 个方向的弹性作用( 3 个方

6、向弹 簧常数的比例关 系可适当 选择) 。b. 橡胶内部摩擦产生的阻尼大, 且随着频率的增高而增大, 因此不必考虑高频 振动时出现冲击的现象。 由于金属与橡胶容易牢固结合, 同一弹簧能承受压缩、 扭转、 剪切的综合作用。c. 对温度敏感, 10 以下弹性系数发 生变化, 70 以上使用寿命降低。 这些情况下要避免使用, 同时要按照橡胶的种类, 考虑因振幅引起的弹性系数变化和由自振频 率产生的弹性模量变化。受压弹簧初始变形量必须控制在 10%以下, 避免出现蠕变现象。橡胶的应力和应变呈非线性, 需考虑应变对应力时滞的影 响。设计时非线性振幅要控制在 5%以内。另外, 它的耐油性差, 易老化。通过

7、以上分析, 动力基础的隔振元件宜 首选螺旋钢弹簧。 作为弹簧支承元件的通用产品, 德国 GERB 公司开发了多种系列的弹簧体, 把一些优质耐用的圆柱形螺旋压缩弹簧组装在刚性的箱体里, 有的弹簧体内装 有阻尼器, 但对于承载能力较大的弹簧体,由于构造上的原因, 弹簧和阻尼器分为 2 个单独隔振元件。 另外粘在弹簧体上下垫板上的胶结织物板, 是由黄麻布一层层重叠胶结 而成的, 具有良好的压密和承载能力, 其厚度为 18 mm 左右, 都可供工程选用。3 弹簧体的布置弹簧体通常布置在机器底座或支承机器板块的下面, 沿设备、 板块总重心的四周 布置, 要求弹簧的沉降量都相同, 使机器始终处于水平状态。

8、因此一般采用数量较多,承载能力较小的弹簧体, 而不采用数量较少 承载能力较大的弹簧体, 以便弹簧支承力的调整和平台找正。25汽轮机基础弹簧体的布置有 2 种, 一种是弹簧体布置在顶板下的纵梁上, 弹簧的间 距较密, 从而形成连续的弹性支座; 另一种是弹簧体布置在顶板下的柱头上, 形成独立分散的支座。 第 1 种布置方式具有便于弹簧 支承力的调整和平台找正、 顶板重心较低、结构较稳定等优点; 但弹簧体的数量较多,相应增加了安装、 维护的工作量。第 2 种布置方式结构简单, 顶板上全部荷重直接传到 基础框架柱上, 具有传力路线短、 安装及维护工作量相对小等优点; 但结构叠加基础下净高受到一定影响。

9、磨煤机、 锻压机、 冲锤等大块式混凝土弹簧基础可直接布置在电厂本来就有的地 下室底板上, 不需与厂房结构脱开, 或设置在封闭的地槽内。 图 2、 3 为大块式混凝土弹簧基础的一般布置方式。 该图中厚混凝土板 的弹簧基础由于机器动力作用较大, 适当增加了部分参振质量, 以使隔振效果更好。大块式基础弹簧体环绕基础总重心沿着基础两条长边布置, 为便于安装维护, 一 般布置12 排, 阻尼器布置在四角上。 为便于施工, 可在基础块下适当布置几个小钢柱, 做临时支撑, 待土建、 安装完毕后割去。图 2 冲锤基础a. 重型锻压机隔振基础 b. 轻型锻压机隔振基础图 3 锻压机隔振基础4 工程实例a. 德国

10、格斯太因电厂的 400 MW 汽 轮机均采用框架式弹簧隔振基础, 如图 4所 示, A - A 断面、 B- B 断面增加了与基础连 接部分。弹簧布置在 1. 8 m 高的纵梁上, 两边各 29 个弹簧, 弹簧上面的顶板、 弹簧体本 身高度和纵梁的高度一共为4 m。弹簧支承 总静载为 2 680 kN, 弹簧允许承载力分别为 500 kN 和 600 kN, 58 个弹簧只用到其允许承载力的 90% , 此时弹簧沉降量为 2428 mm。由于投产后机器运行平衡, 原定在顶板下四角装设的阻尼器被取消。 因弹簧基础完全消除了传至柱基的动力作用, 省去了厚大的底板, 经济效果明显。b. 元宝山电厂

11、8 台S70. 45 型风扇磨煤机由德国斯坦谬勒公司供货, 设备出力 70 t/ h, 功率 1 550 kW, 弹簧基础由德国GERB 公司 1980 年设计, 1985 年投产, 使 用情况良好。 随后 8 台 BABCOCK MPS255 型磨煤机均采用弹簧基础。S70. 45 型磨煤机基础底面下弹簧体和阻尼器的布置如图 5 所示( 图中尺寸单位为 mm) 。弹性支承系统由 25 个承载力为 320 kN 的 GP - 8- 2715/ 47 型弹簧体和 12 个 VSR 型粘滞阻 尼器组成, 沿基础两条长边非对称布置, 基础四角各布置 3 个粘滞阻尼器。 弹簧安装高 度: 施工阶段 h

12、= 520 mm; 使用阶段( 压缩26图 4 汽轮机弹簧基础后) h = 460 mm。基 础 垂 直 自 振 频率 2. 43 Hz, 不 考虑 阻 尼情 况 下隔 振 效率82. 6% 。图 5 弹簧体和粘滞阻尼器布置为便于支模、 浇制混凝土和设备安装,设有 8 个小钢柱, 作为临时支撑, 待全部土建施工、 设备安装完毕后割去。5 结论为获得弹簧基础理想的隔振效率关键 在于选择合理的频率比, 其取值建议在2. 54. 0范围内, 具体工程应从机器转速可能的波动对隔振效率的影响、 系统结构的稳定性、 环境约束、 经济效益等方面综合考虑, 选择出最佳频率比。螺旋钢弹簧具有物理力学性能稳定、

13、适于在各种条件下工作等许多优点, 宜先采用 作为隔振元件。 粘滞阻尼器具备在不同条件下自动调整阻尼大小的工作特性, 火电厂动力设备( 特别是磨煤机等) 基础的隔振装置中, 粘滞阻尼器已成为不可缺少的元件。 弹簧基础具有可靠的隔振效果, 基础不需与厂房脱开, 可以直接压在厂房结构或邻近已有的基础上, 它解决了火电厂零米各种 设备布置拥挤和老厂设备更换时新旧基础互相妨碍的问题。弹簧基础与常规动力基础相比, 混凝土量可以节省 40%以上。另外, 动力作用小, 设备运行平稳, 动力部件磨损及故障减少,从而可延长设备维修周期和使用寿命。 同时具有适应地基沉降和减小地震对机器的影 响等优点。我国大型火电厂主、 辅机弹簧基础基本为国外设计, 就隔振理论、 技术与国外相比 不存在差距, 但在隔振元件生产、 安装调试、监测和隔振工程实践方面还有一定的差距,因此在这些方面下一番功夫是很有必要的。 ( 收稿日期 19990715)作者简介 方学文, 退休前在吉林省电力勘测设计院总工办工作, 教授级高级工程师。27