基于雙層隔振系統理論的隔振地基研究

楊龍宇 高芳清

(西南交通大學力學與工程學院，四川 成都 610031)

基于雙層隔振系統理論的隔振地基研究

楊龍宇 高芳清

(西南交通大學力學與工程學院，四川 成都 610031)

同單層隔振系統只適用于低頻區域(通常＜50Hz)相比,雙層隔振系統的傳遞率曲線在共振區后下降得比較快,對于高頻振動隔離比較有效。然而由于部分被隔離的機械設備本身重量不小，因而作為中間質量塊的設備造價過高，且不經濟實用。本文提出了以剛性基礎作為中間質量塊的雙層隔振系統的觀點，并以大型電力變壓器為被隔離設備進行可行性分析， 提出了合理的隔振地基的結構，可供地基設計人員參考

電力變壓器 雙層隔振 隔振地基 結構形式

變電站中最主要的噪聲源設備是變壓器、電抗器在運行時產生的噪聲，變壓器等設備噪聲產生的原因基本一致，即鐵芯與繞組振動產生的機械噪聲，主要包括硅鋼片磁滯伸縮引起的鐵芯振動，及硅鋼片接縫處、硅鋼片之間會產生一定的漏磁現象產生的磁場力而引起的鐵芯的振動。變壓器是作為變電站降壓、升壓、聯絡變壓器非常重要的設備，由于該設備較細高，且自重大,常規的單層隔振效果一般，本文由雙層隔振系統理論入手，通過理論計算與數值模擬，分析了不同參數下，隔振地基對于大型變壓器隔振效果的影響.

1.雙層隔振系統

單層隔振系統和雙層隔振系統模型可用下圖表示

圖1

雙層隔振就是在一次隔振的基礎上再加一層彈簧和阻尼器進行二次隔振,如圖1所示。該系統分為雙層,機器設備本體為上層質量塊M,由于有了中間質量塊m以及下層阻尼器，雙層隔振會在單層隔振基礎上產生二次衰減能量的慣性力和阻尼力，使振動能量得到二次衰減。

根據隔振設計原理，無論阻尼比大小，單層隔振系統只有在頻率比大于2時候，傳遞率才小于1，隔振才有意義。研究表明：單層隔振系統只適用于低頻區域(通常＜50Hz)，相對于單層隔振系統，雙層隔振效率更高，頻率比范圍更廣，對于高頻振動隔離比較有效。

雙層隔振系統雖然優點明顯，但是由于部分被隔振設備重量過大，以大型變壓器為例，某110kv變壓器變壓器整體重量6895kg，安裝時最大起重重量 35410kg，油質量 17120kg，而工程中作為雙層隔振系統的中間質量塊質量一般在設備的0.25-1倍之間，造價昂貴且不經濟，但已有研究表明，變壓器的振動頻率是100Hz及其倍頻，使用單層隔振效果不佳。

考慮到以上因素，本文提出了以剛性基礎作為中間質量塊的雙層隔振系統的觀點，這樣既避免了中間質量塊設備的制作，又能減少整體系統的重量，并對提高系統穩定性有一定的幫助。

圖2 -a圖2-b

2種隔振地基模型如圖2所示，其中圖2-a為混凝土獨立地基，考慮基礎周圍土體對隔振系統的影響，將其等效剛度與阻尼形式來表達,此時，隔振系統模型可理解為雙層隔振模型。圖2-b為多層結構，周圍設有隔振溝，振動主要沿豎向傳遞，下層的隔振由減震橡膠和膠合板來提供。

2.變壓器基礎隔振數值模擬

選取較為簡單的模型圖2-a進行分析，采用有限元分析方法進行理論研究，變壓器通過上層阻尼彈簧隔振器與基礎相連，建立力學模型如圖3所示。考慮基礎周圍土體對隔振系統的影響土體的剛度設定為1 . 3 ×10e 7 N / m ，阻尼比設定0 .1。隔振器的具體參數通過在ansys中輸入隔振器的縱向等效剛度和阻尼，輸入不同的數值就可以模擬不同隔振參數下隔振器的效果。

圖3 力學模型

為了評估隔振地基的效果，首先要確定隔振器剛度及阻尼的合理取值范圍。先選取頻率比λ，是激勵頻率與系統固有頻率之間的比值，為使研究具有普適性，可分別取頻率比λ=0.5，λ=1，λ=1.5，λ=2，λ=3四種情況進行分析。

阻尼比體現了結構阻尼的大小，用于描述結構在振動過程中對能量的耗散，是結構的動力特性之一。隔振層的阻尼比可用符號ζ表示，為研究阻尼參數對響應的影響，可取阻尼比ζ=0.0001，ζ=0.001，ζ=0.01，ζ=0.1四種情況來進行分析。

描述和評價隔振效果最常用的是振動傳遞率T，變壓器隔振系統的隔振特性可通過傳遞率來衡量。位移傳遞率是指振動傳遞到基礎上引起的位移與設備底部的位移之比，通過計算不同頻率比和阻尼比下油箱表面和地基處的振動位移可以得到振動位移傳遞率曲線如圖4所示。

圖4 變壓器隔振系統位移傳遞率變化曲線

由計算結果表明：選取合適的頻率比和阻尼比后，圖2-a型隔振地基有較好的隔振效果，但由于下層隔振只選取周邊土體的等效剛度和阻尼影響，隔振效果達不到最佳狀態，在混凝土基礎底部放置減震橡膠以及在周圍設置隔振溝，會有更好地效果。

3.基礎質量對變壓器隔振效果的影響

變壓器隔振系統是一個雙層隔振系統，在系統中，中間質量對隔振效果有比較大的

影響，因此有必要對變壓器混凝土基礎大小對變壓器隔振效果的影響進行分析。

鑒于目前變壓器基礎設計規范中并未對基礎大小、高度、質量等幾何參數作明確的要求，

本文依據混凝土基礎質量與被隔振設備的質量比作為變化參數進行分析。這里選取混凝土基礎與變壓器設備的質量比分別為0.5、1和2三種情況。 分析時保證混凝土基礎長寬不變，僅改變其高度，分析混凝土基礎質量大小對變壓器隔振效果的影響。將三種不同質量比時的隔振傳遞率進行對比，如表1所示。

表1 三種不同質量比下，系統的振動位移傳遞率

由表1看出，基礎與變壓器質量比為2時的振動位移傳遞率反而比較大，可以看出混凝土基礎的質量并不是越大越好。同時也可以看出：質量比為0.5和1時的隔振效果較好且比較相近。

基于混凝土的重度和常規混凝土基礎設計以及隔振系統的穩定性等因素，認為選取混凝土基礎與變壓器設備的質量比為1較為合理。

4.結語

在保證大型變壓器結構安全穩定的前提下，合理設計變壓器基礎隔振層參數（分為上層和下層）、基礎質量，可有效降低變壓器振動向地基等鄰近結構傳遞率，有效降低變壓器油箱表面振動，從而有效降低大型變壓器噪聲。設置不同的隔振地基基礎結構類型，在城市化越來越快的今天，對于今后的電力建設有著重要的意義，隔振地基研究具有推廣應用價值。

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G322

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1007-6344（2015）05-0333-02

楊龍宇（1990— ），男，漢族，湖北天門人，西南交通大學力學與工程學院碩士研究生。