設(shè)備的結(jié)構(gòu)動力分析

閆 華 林

(中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

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設(shè)備的結(jié)構(gòu)動力分析

閆 華 林

(中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

以美國標(biāo)準(zhǔn)ACI351.3R進(jìn)行動力設(shè)備的動力設(shè)計(jì)，并從土體動力參數(shù)、ISO10816的性能標(biāo)準(zhǔn)、動力荷載的取值、動力分析方法等方面作了介紹，以保證動力設(shè)備基礎(chǔ)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

動力設(shè)備基礎(chǔ)，土體參數(shù)，性能標(biāo)準(zhǔn)，動力分析

1 背景介紹

隨著我國對外出口和對外投資的進(jìn)一步擴(kuò)大，國內(nèi)的電廠設(shè)計(jì)和施工逐漸走出國門。在中高端市場，應(yīng)用國標(biāo)(GB)系列的結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)很難被認(rèn)同，只有使用美標(biāo)或歐標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)才能得到業(yè)主或業(yè)主工程師的認(rèn)可。筆者粗略地介紹了關(guān)于設(shè)備的基礎(chǔ)動力分析的一些國外規(guī)范和應(yīng)用，以供參考。

動力設(shè)備基礎(chǔ)的動力分析最基本的目的即為將動力幅值控制在設(shè)備正常運(yùn)行和不影響在設(shè)備附近的工作人員工作的幅值范圍內(nèi)。允許幅值與轉(zhuǎn)速、位置及設(shè)備性能相關(guān)。另外動力設(shè)備的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則包含避免共振和過度的傳遞給基礎(chǔ)或結(jié)構(gòu)。因此，需要對土—基礎(chǔ)在設(shè)備運(yùn)行時(shí)的動力荷載作用下的反應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 動力設(shè)備的基礎(chǔ)

動力設(shè)備包含轉(zhuǎn)動設(shè)備、往復(fù)運(yùn)動設(shè)備、沖擊設(shè)備等。電廠中的動力設(shè)備大多是轉(zhuǎn)動設(shè)備，將著重針對轉(zhuǎn)動設(shè)備展開論述。設(shè)備在動力荷載作用下的反應(yīng)與土體的相關(guān)參數(shù)密不可分。以ACI351.3R[1]，ISO10816 part1-part3[2]，DIN4024 part1-part2[3]為主要參考，從土體參數(shù)、性能標(biāo)準(zhǔn)、荷載種類、動力分析方面說明設(shè)備的動力分析。

2.1 土體參數(shù)

研究設(shè)備基礎(chǔ)的動力分析，土體參數(shù)例如泊松比、動剪切模量和土體的阻尼都是必不可少的。

2.1.1 動剪切模量

土的動剪切模量，可從現(xiàn)場勘探獲得。而不是依賴于大概的土體的分類得出的廣義相關(guān)系數(shù)。動剪切模量G是剪切應(yīng)力與剪切變形之間的斜率。大多數(shù)的土不是線彈性的。動剪切模量可由以下幾種方法獲得：

1)現(xiàn)場測量土體的剪切波速，從而獲得動剪切模量。

G=ρ(Vs)2

(1)

式中：ρ——土體的密度;

Vs——土體的剪切波速;

G——土體的動剪切模量。

2)原狀土樣的試驗(yàn)分析，相對于第1)種方法，試驗(yàn)分析的數(shù)據(jù)欠精確，原因在于土樣擾動。

3)根據(jù)土體的其他特性推算出來，這種方法精確度欠佳。一般在初設(shè)階段上使用。

對于圓粒狀砂土，e<0.8。

(2)

對于尖角顆粒狀的土和固結(jié)黏土,e>0.6。

(3)

式中：ev——孔隙比；

σ0——土的圍壓。

2.1.2 土的阻尼

土的阻尼包含兩種效應(yīng)：幾何阻尼和材料阻尼。幾何阻尼為在視為彈性半空間體的地基土中振波向四周傳播時(shí)的能量損失，亦稱輻射阻尼。材料阻尼是一個(gè)機(jī)制比較復(fù)雜的物理量，由多種基本的物理機(jī)制組合而成。由于為土體的非彈性，再循環(huán)荷載下的滯回曲線。

對于設(shè)備基礎(chǔ)，動力運(yùn)動的幅值導(dǎo)致土體的應(yīng)變一般都小于10-3%。經(jīng)受地震或爆炸的基礎(chǔ)可能會引發(fā)土體的大應(yīng)變。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，阻尼比在低應(yīng)變時(shí)是一個(gè)恒值，一般情況下取值為5%；由于土體的非線彈性，在大應(yīng)變時(shí)，阻尼比隨著應(yīng)變增大而增大。

2.1.3 泊松比

泊松比可通過測量波在土中傳播速度計(jì)算獲得。但計(jì)算起來難度頗大。基礎(chǔ)的剛度和阻尼對于泊松比的變化一般都不敏感。如果手頭沒有明確的泊松比數(shù)據(jù)，對于無粘性土泊松比可取0.33，對于粘性土，泊松比可取0.4。

2.2 性能標(biāo)準(zhǔn)

對振動性能標(biāo)準(zhǔn)，ACI351.3R引用了ISO10816的界限值。

ISO10816-part1(機(jī)械振動—在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動—總則)。ISO10816-part2(機(jī)械振動—在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動—功率大于50 MW，運(yùn)行轉(zhuǎn)速為1 500 rpm，1 800 rpm，3 000 rpm和3 600 rpm的陸地安裝的大型汽輪發(fā)電機(jī)組)，本標(biāo)準(zhǔn)適用于額定功率大于50 MW，額定工作轉(zhuǎn)速范圍為1 500 rpm，1 800 rpm，3 000 rpm及3 600 rpm的陸地安裝的大型汽輪發(fā)電機(jī)組。ISO10816-part3(機(jī)械振動—在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動—額定功率大于15 kW，額定轉(zhuǎn)速在120 rpm～15 000 rpm現(xiàn)場測量的工業(yè)機(jī)器)。

2.3 荷載種類

作用在基礎(chǔ)上的力包含靜力荷載和動力荷載。靜力荷載主要是指動力設(shè)備和輔助設(shè)施的恒載、活載及環(huán)境荷載。動力荷載是指設(shè)備在運(yùn)行過程中由于轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的力。動力荷載與設(shè)備的轉(zhuǎn)速、尺寸、重量等相關(guān)。

動力荷載—不均衡力。不均衡力產(chǎn)生于轉(zhuǎn)動部件質(zhì)心與轉(zhuǎn)動軸不一致。離心力在設(shè)備使用年限內(nèi)逐年增長，原因有設(shè)備本身的磨損和污垢積聚等。在運(yùn)行過程中，偏心的質(zhì)量會產(chǎn)生離心力并且與設(shè)備的轉(zhuǎn)動速度成正比。在設(shè)備服役期間隨著設(shè)備老化、污垢積累等，離心力將不斷增加(見圖1)。

由不平衡產(chǎn)生的動力幅值有如下幾種算法：

1)由廠家提供的不平衡力：

(4)

式中：Fo——?jiǎng)恿Ψ?0～峰值)，N；

mr——轉(zhuǎn)動質(zhì)量,kg;

em——質(zhì)量偏心,mm;

ω0——設(shè)備轉(zhuǎn)動頻率,rad/s;

Sf——使用系數(shù)，用來說明隨著設(shè)備服役期間增長的不平衡，一般取值不小于2。

2)根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不平衡力：

Fo=mrQω0Sf/1 000

(5)

根據(jù)ISO1940，Q值如表1所示。

表1 ISO1940中規(guī)定的Q取值

3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的不平衡力：

(6)

其中，Wr為轉(zhuǎn)動重量。

2.4 動力分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或設(shè)備廠家的建議，先初步確定基礎(chǔ)的尺寸。對預(yù)先確定尺寸的基礎(chǔ)計(jì)算振動參數(shù)，如自振頻率、振幅值、速度和加速度。

2.4.1 經(jīng)驗(yàn)法則

用足夠的基礎(chǔ)質(zhì)量以消弱和吸收振動。一般來說，基礎(chǔ)的質(zhì)量至少是轉(zhuǎn)動設(shè)備質(zhì)量的3倍以上，是往復(fù)運(yùn)動設(shè)備的5倍以上。對于樁基的設(shè)備基礎(chǔ)來說，基礎(chǔ)的質(zhì)量是轉(zhuǎn)動設(shè)備的2.5倍以上，是往復(fù)設(shè)備的4倍以上。設(shè)備—基礎(chǔ)的質(zhì)心與剛心的偏心距小于5%的基礎(chǔ)平面尺寸。

2.4.2 動力分析法

結(jié)構(gòu)簡化成數(shù)學(xué)模型，模型中包含設(shè)備、基礎(chǔ)、土體或樁。需要設(shè)備的重量，豎向擬動力，水平向擬動力(橫向和縱向)，計(jì)算自振頻率、變形滿足2.2節(jié)提到的振動性能標(biāo)準(zhǔn)。

1)自由振動分析。

確定設(shè)備—基礎(chǔ)的自振頻率及振型。自振頻率反映了設(shè)備—基礎(chǔ)—土體的剛度；比較設(shè)備本身的頻率，避免共振產(chǎn)生。頻率分析公式如下：

(7)

式中：[M]——質(zhì)量矩陣；

[K]——?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

X(t)——位移。

通過自由振動分析可獲得基礎(chǔ)的自振頻率和振型。自振頻率表明了設(shè)備—基礎(chǔ)—土體系統(tǒng)的剛度；通過比較自振頻率與設(shè)備本身頻率，得知是否存在共振。

振態(tài)分析，自振頻率fn，為了避免共振，要求同時(shí)滿足下面兩式(DIN4024)。

fn≥1.25fm

(8)

fn≤0.8fm

(9)

式中：fn——各階自振頻率;

fm——設(shè)備的工作頻率。

一般情況下，凡是基礎(chǔ)的各階自振頻率落在共振區(qū)間(0.8fm

2)強(qiáng)迫振動分析。

可以采用直接解析法和振型疊加法。直接解析法分為顯式和隱式法，而不用進(jìn)行模態(tài)分析。振型疊加法轉(zhuǎn)化為一系列單自由度體系動力反映問題的求解，即假設(shè)結(jié)構(gòu)的動態(tài)反應(yīng)，可以由各個(gè)模態(tài)線性疊加。在線性結(jié)構(gòu)的條件下，振型疊加法比直接解析法更有效率。

(10)

式中：[C]——阻尼矩陣；

F(t)——?jiǎng)恿奢d。

STAAD.Pro可以實(shí)現(xiàn)振型疊加法。將不平衡力F以豎向擬動力，水平向擬動力施加在設(shè)備的轉(zhuǎn)動軸上，判斷獲得各振子的振動位移、速度、加速度是否在2.2節(jié)所列范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，需與動力設(shè)備廠家密切配合，了解廠家對設(shè)備基礎(chǔ)的要求，掌握所需的地質(zhì)資料，并且結(jié)合規(guī)范，保證動力設(shè)備基礎(chǔ)的安全性，同時(shí)考慮其經(jīng)濟(jì)性。針對不同的工程地質(zhì)條件，相同的動力設(shè)備，設(shè)備的基礎(chǔ)無法復(fù)制，必須經(jīng)過前文所述的動力計(jì)算，保證土—基礎(chǔ)—設(shè)備系統(tǒng)的動力特性滿足相關(guān)要求。

[1] ACI351.3R，動力設(shè)備的基礎(chǔ)[S].

[2] ISO10816，振動監(jiān)測評估標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] DIN4024，動力基礎(chǔ)規(guī)范[S].

[4] DINISO1940—2：1998，剛性軸平衡質(zhì)量要求[S].

Analysis on equipment structural dynamic

Yan Hualin

(ChinaHuadianEngineeringGroupLimitedCompany,Beijing100160,China)

Taking the United States Standards ACI351.3R for dynamic design of power equipment, and from the soil dynamic parameters, ISO10816 performance standard, power load value, dynamic analysis method and other aspects made introduction, in order to ensure the safety and economy of power equipment foundation.

power equipment foundation, soil parameter, performance standard, dynamic analysis

1009-6825(2016)22-0065-02

2016-05-24

閆華林(1978- )，女，碩士，工程師

TU476.2

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