淺談彈簧隔振技術在動力機器基礎中的應用

文國想，洪勇，鄭景軍，馬小兵，周小猛

（上海康恒環(huán)境股份有限公司，上海 201703）

前言

在電廠中經(jīng)常會用到許多動力機器設備，如風機、給水泵、汽輪機、發(fā)電機等，它們的基礎均為動力機器基礎。這些動力機器設備在運轉時，由于不同的傳動機構、運行方式、材料的不均勻性或因制造安裝誤差、過大的軸承間隙等會引起質量的不平衡，當不平衡質量在某一方向作加速運動時， 就會產(chǎn)生擾力或擾力矩即動力荷載，從而引起機器設備及其基礎的振動。由于振動影響基礎的強度以及機器設備的正常使用， 因而有必要采取措施降低振動的影響，而彈簧隔振技術就是其中一種十分實用且有效的降振措施[1]。

1 隔振方案介紹

某電廠（2×300 MW機組）采用彈簧隔振技術對汽動給水泵基礎進行消能減振處理，該設備基礎位于汽機房12.56 m層，為大塊式混凝土基礎。汽動給水泵彈簧隔振基礎由基礎臺座、彈簧隔振器和阻尼器等組成。該基礎直接布置在主廠房框架梁上，彈簧隔振器和阻尼器放置于框架梁與汽動給水泵基礎臺座之間。彈簧隔振器和阻尼器具體構造見圖1，彈簧隔振器的主要技術參數(shù)見表1；基礎臺座尺寸需滿足現(xiàn)場布置的要求但可在允許的范圍內調整。隔振方案應滿足以下技術要求：最大振動線速度：

① 垂直向Vz≤ 5 mm/s，② 水平向Vx、Vy≤ 5 mm/s；

最大振動線位移：① 垂直向Sz≤ 0.02 mm，② 水平向Sx、Sy≤ 0.02 mm；

使用壽命及隔振效率：彈簧隔振器的設計使用壽命應大于50年，彈簧隔振器的隔振效率應大于95 %。

現(xiàn)有三種隔振方案可供選擇，方案一至方案三的基礎臺座尺寸及隔振器布置分別見圖2～圖4，三種方案中僅基礎臺座尺寸及隔振器數(shù)量、位置改變，其中方案一與方案二使用8個隔振器，方案三使用10個隔振器。此外，各方案的隔振器在布置時均考慮使隔振器的布置中心與全部上部載荷的重心重合，因此可假定同一方案中各隔振器所承擔的荷載及荷載所產(chǎn)生的變形相同。

2 隔振效果比較分析

參考文獻[2]、文獻[3]以及相關的規(guī)范規(guī)定，對上述三個隔振方案分別進行隔振效果計算，計算結果如表2所示。

圖1 彈簧隔振器和阻尼器構造

分析表2中三種隔振方案的計算結果可知：上述三種隔振方案均能滿足設計所需的隔振技術要求。當單獨考慮隔振效率時，方案二隔振效率最高；當考慮隔振基礎的最大振動線位移時，水平振動線位移的幅值方案一最小而方案三最大，垂直振動線位移的幅值方案一最大而方案三最小；當考慮隔振基礎傳遞至下部結構的動荷載時，方案二傳遞的動荷載最小，方案三傳遞的動荷載最大；當考慮隔振基礎傳遞至下部結構的總荷載時，水平荷載三個方案均很小可忽略不計，垂直荷載方案一最小，方案三最大。綜合上述分析可知，方案二為三個方案中的最優(yōu)方案，隔振效率最高，且隔振器利用率也最高，方案一與方案三雖然同樣滿足設計要求，但綜合效果不如方案二。

表1 彈簧隔振器主要技術參數(shù)

圖2 方案一：基礎臺座尺寸及隔振器布置

圖3 方案二：基礎臺座尺寸及隔振器布置

圖4 方案三：基礎臺座尺寸及隔振器布置

表2 三個隔振方案計算結果一覽表

3 影響隔振效果的主要因素分析

本文中汽動給水泵為具有簡諧擾力的機器設備，按照DLT 5188-2004《火力發(fā)電廠輔助機器基礎隔振設計規(guī)程》[4]第5章中的相關規(guī)定進行隔振設計計算。隔振基礎的基本參數(shù)主要包括隔振基礎的總質量m（包括機器質量mg與臺座質量mf），隔振器的彈簧剛度K，隔振器的阻尼比ξ和阻尼系數(shù)C，振動傳遞系數(shù)η及隔振效率T等。其中振動傳遞系數(shù)η和隔振效率T代表了隔振的效果，而前面各基本參數(shù)均為影響隔振效果的主要因素。本文將結合規(guī)范中相關的計算公式以及第2節(jié)中的三個隔振方案計算結果，具體分析這些因素對隔振效果的影響規(guī)律。

由DLT 5188-2004《火力發(fā)電廠輔助機器基礎隔振設計規(guī)程》中公式5.2.2-2 可推導得到以下公式：

其中：

A—基礎臺座允許的豎向振動線位移，m；

PZ—機器的豎向擾力，kN；

w—機器擾力圓頻率，rad/s。

本文研究的是同一機器基礎的減隔振方案，豎向擾力PZ、擾力圓頻率w以及機器質量mg均為定值。分析公式（1）可知：基礎臺座允許的豎向振動線位移A與機器和臺座的總質量m成反比，由于機器質量為定值，因此臺座質量mf越大，臺座允許的豎向振動線位移A可設定的越小；同理，若臺座允許的豎向振動線位移A越小，則滿足要求所需的臺座質量mf越大。在本文的三個隔振方案中，方案一至方案三基礎臺座質量依次增加，其隔振后的豎向振動線位移則依次減小，與公式（1）中所得臺座質量對豎向振動線位移的影響規(guī)律相符。

由DLT 5188-2004《火力發(fā)電廠輔助機器基礎隔振設計規(guī)范》中公式5.2.2-3 可推導得到以下公式：

其中：

ηZ—豎向振動傳遞系數(shù)；

KZ—隔振器的豎向總剛度，kN/m。

分析公式（2）可知：當隔振器的豎向總剛度KZ一定時，臺座質量mf越大，機器和臺座的總質量m也越大，則豎向振動傳遞系數(shù)ηZ越小，隔振效率T越大；當臺座質量mf一定時，機器和臺座的總質量m也一定，隔振器的豎向總剛度KZ越小，則豎向振動傳遞系數(shù)ηZ越小，隔振效率T越大。比較本文中的方案一與方案二，二者隔振器的豎向總剛度KZ相同，但方案二中的臺座質量mf比方案一中的大，而計算結果顯示方案二的豎向振動傳遞系數(shù)ηZ比方案一小，隔振效率T比方案一大，與公式（2）中所得臺座質量對振動傳遞系數(shù)和隔振效率的影響規(guī)律相符。

由DLT 5188-2004《火力發(fā)電廠輔助機器基礎隔振設計規(guī)范》中公式5.2.2-1、5.2.2-6以及公式（1）可推導得到以下公式：

其中：

ξZ—隔振器的豎向總阻尼比。

分析公式（3）可知：當臺座質量mf與隔振器的豎向總剛度KZ一定時，隔振器的豎向總阻尼比ξZ越小，則豎向振動傳遞系數(shù)ηZ越小，隔振效率T越大。同理，若隔振器的豎向總阻尼比ξZ不變，增大臺座質量mf或減小隔振器的豎向總剛度KZ，同樣會減小豎向振動傳遞系數(shù)ηZ并且增大隔振效率T。

由DLT 5188-2004《火力發(fā)電廠輔助機器基礎隔振設計規(guī)范》中公式5.2.2-7、5.2.2-8可推導得到以下公式：

其中：

CZ—隔振器的豎向總阻尼系數(shù)，kN·s；

CZi—每個隔振器的豎向阻尼系數(shù)，kN·s；

Ni—隔振器個數(shù)。

分析公式（4）可知：隔振器的豎向總阻尼比ξZ除受隔振器自身的豎向總阻尼系數(shù)CZ影響之外，還受隔振器的豎向總剛度KZ以及臺座質量mf的影響。本文中方案一與方案二隔振器豎向總阻尼系數(shù)CZ、隔振器的豎向總剛度KZ均相同，方案一臺座質量mf比方案二小，則其隔振器的豎向總阻尼比ξZ比方案二大，與公式（4）中所得臺座質量對隔振器豎向總阻尼比的影響規(guī)律相符。

綜合上述分析可得到如下結論：隔振基礎的總質量、隔振器的阻尼比、阻尼系數(shù)、彈簧剛度等因素均能影響隔振的效率，若僅單獨考慮其中的一種因素，隔振基礎的總質量越大，隔振效果越好；隔振器的阻尼比越小，隔振效果越好；隔振器的阻尼系數(shù)越小，隔振效果越好；隔振器的彈簧剛度越小，隔振效果越好。但是通過上述公式（4）可知，隔振基礎的總質量、隔振器的阻尼比、阻尼系數(shù)、彈簧剛度這些影響因素并不是孤立存在的，而是相互影響的。因此，在隔振方案設計時需要綜合考慮上述因素的影響，此外還應考慮方案的經(jīng)濟性、施工便捷性等，通過多種方案的比較，選擇一個最為合適的方案。但是，在實際的工程應用中，同時考慮多個影響因素往往太過復雜，因而進行隔振設計時需要采用簡化的方法。首先根據(jù)設備安裝的需要以及DLT 5188-2004《火力發(fā)電廠輔助機器基礎隔振設計規(guī)范》中公式5.2.2-1～8初步選定基礎臺座的質量、隔振器的特性、隔振器的數(shù)量等，然后由初步選定的隔振器特性、數(shù)量等選擇合適的隔振器，再根據(jù)所選擇的隔振器來設計隔振方案，最后通過改變基礎臺座的質量、隔振器的數(shù)量等來調節(jié)隔振效率、振動線位移或振動速率等以滿足隔振設計的技術要求，通常需經(jīng)過多個方案的比選，才能得到最優(yōu)方案。

4 結論

1）彈簧隔振器布置的越多隔振效果不一定會越好，一方面會降低隔振的使用效率，另一方面可能會引起基礎臺座質量的增加，起到適得其反的作用；

2）隔振效果受隔振基礎的總質量、隔振器的彈簧剛度、隔振器的阻尼比或阻尼系數(shù)等眾多因素的綜合影響；

3）實際工程應用中，同時考慮多個影響因素會造成隔振設計困難，可采用簡化方法，經(jīng)過多方案的比選，確定最優(yōu)的隔振方案。