顆粒阻尼器在啟動氣壓縮機的減振應用

唐 凱

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

某海洋石油平臺安裝兩臺原油主機，為平臺提供所需電量，啟動氣壓縮機是原油主機重要的附屬設備，為主機啟機提供原始動力，從而實現主機壓燃點火。

啟動氣壓縮機是曲柄連桿往復式壓縮機，壓縮機氣缸W 形布置（圖1）。由于其結構特性，壓縮機運轉過程中機組產生的振動較大。同時受限于海洋平臺開發空間，多臺啟動氣壓縮機安裝位置彼此靠近，且距原油主機位置較近，造成機組之間存在振動耦合問題。振動能量通過隔振器傳遞到平臺甲板結構上，啟停機振動強度較大，嚴重威脅著機組本身及周邊設備的運行安全。而且啟動氣壓縮機安裝在中控值班室上方，振動噪聲直接傳至值班室內，對操作人員產生較大噪聲危害。

圖1 啟動氣壓縮機

1 啟動氣壓縮機振動分析

啟動氣壓縮機具有較復雜的結構，依次引起啟動氣壓縮振動的激勵源較多，如氣閥開閉的撞擊振動、壓縮氣體的流動振動、活塞與缸套摩擦、機體固有頻率振動、周圍設備啟停的振動等，按照往復式壓縮機的激勵源分類，可大致分為機械沖擊和慣性力[1]。

1.1 機械沖擊引起的振動

啟動氣壓縮機的機械沖擊主要分為三類：①氣閥開閉時對閥座閥蓋的沖擊；②活塞發生偏磨，在缸套內往復運動時形成機械沖擊；③連桿軸瓦磨損，在往復運動中連桿和曲柄發生機械沖擊。壓縮機正常運轉過程中，主要是氣閥開閉機械沖擊所產生的振動。

啟動氣壓縮機在一個工作周期內，進、排氣閥門開啟和關閉各一次，對閥蓋和閥座分別產生一次沖擊，進、排氣閥在一個工作周期內產生兩次機械沖擊，通過一個周期沖擊脈沖序列來簡化氣閥的機械沖擊：

其中，T 表示曲軸轉動周期；Ai表示沖擊脈沖強度；ti表示曲軸一周內脈沖出現的時間；n 表示沖擊次數；δ 表示單位脈沖響應函數。

1.2 慣性力引起的振動

啟動氣壓縮機主要運動部件是曲柄連桿機構，運轉過程中的慣性力可以分為兩種：曲軸與連桿旋轉過程中產生的旋轉慣性力，活塞與十字頭還有連桿往復運動中產生的往復慣性力[2]。

旋轉慣性力主要是曲軸制造的質量分布不平衡所導致，壓縮機的旋轉慣性力可表示為：

其中，r 表示曲軸旋轉半徑；w 表示曲軸旋轉角速度；mr表示旋轉部分總質量；φ 表示初相角。

旋轉慣性力引起的壓縮機振動，跟隨曲軸轉動產生，曲軸每轉一圈產生一次，旋轉慣性力引起的振動頻率為壓縮機曲軸轉動頻率。

往復慣性力是由活塞與十字頭還有連桿往復運動中加速度引起，往復慣性力可表示為：

其中，α 表示曲軸旋轉角度。

從式（4）可以看出，往復慣性力的一階慣性力的振動頻率為曲軸轉動頻率，二階慣性力的振動頻率為曲軸轉動頻率的二倍。壓縮機實際工作過程中產生的振動往往是多個激勵源振動響應信號的耦合疊加，從激勵源處降低振動的難度較高，而從振動傳輸路徑上對振動進行控制是最為有效而常用的方法。

2 顆粒阻尼器減振技術

顆粒阻尼技術是20 世紀90 年代由Panossian 提出的一種區別于干摩擦、黏彈性材料等傳統阻尼技術的微小顆粒阻尼減振技術，是一種被動降噪技術。該技術具有阻尼特性穩定、結構變動少、添加質量輕且在極端溫度條件下不易老化等優點。

顆粒阻尼器減振機理是在設備振動較大位置附著，利用其內部空間裝填顆粒，依靠顆粒與顆粒以及顆粒與腔體之間的非彈性碰撞和摩擦，消耗設備的振動能量以達到減振目的[3]。對于高頻振動，振動能量主要依靠顆粒之間以及顆粒與腔體之間的碰撞進行動量交換，并轉換成熱能消耗掉[4]。

顆粒阻尼器的減振效果與顆粒的數量、粒徑和顆粒間的相對位移等因素有關。腔體內顆粒的數量對振動體振動能量的損耗有顯著影響，一般是顆粒數量越多其減振效果越好。但同時應確保顆粒之間具有足夠的運動空間。顆粒粒徑對減振器減振效果也有明顯影響。在實際使用時，一般選擇小粒徑的顆粒，這樣可以增加顆粒數量，提高減振器的阻尼效果。在顆粒粒徑、數量相同的情況下，金屬材料的顆粒減振效果最好。對于給定尺寸的空腔，存在最佳填充率。填充率過大，會導致顆粒之間缺乏足夠的運動空間，抑制了顆粒之間的碰撞；填充率過小，則顆粒數量不足，兩者都會降低減振器的減振效果[5]。

顆粒阻尼器的耗能，按照能量耗散原理，可以分為兩類：彈性碰撞耗散和摩擦耗散[6]。顆粒阻尼器內發生碰撞接觸的任意兩個顆粒，其彈性碰撞耗能可以表示為：

其中，mi、mj分別表示顆粒i、j 的質量；e 表示顆粒的彈性碰撞恢復系數；Δv表示顆粒碰撞前兩者的相對速度。

顆粒阻尼器內顆粒間的摩擦耗散可以由摩擦力做功計算，可表示為：

其中，μ 表示顆粒間的摩擦因數；FXij表示顆粒間的法向接觸力；δt表示顆粒間的相對位移。

對于阻尼器壁和顆粒之間的能量耗散的計算，也可以通過式（5）和式（6）進行計算，計算過程中將其中一個顆粒當作阻尼器壁，整個顆粒阻尼器的系統總耗能可以看作是全部顆粒之間以及顆粒和阻尼器壁之間的彈性碰撞耗散和摩擦耗能的總和，系統總耗能可以表示為：

3 用于啟動氣壓縮機的顆粒阻尼減振器設計

結合壓縮機振動分析，旋轉慣性力和往復慣性力是壓縮機振動的主要原因，曲軸部分是整個壓縮機振動最大的位置。為有效降低壓縮機的振動，本文設計了用于壓縮機整體減振的顆粒阻尼減振器。

顆粒阻尼器是高度的非線型阻尼器，它隨著顆粒的材料、尺寸、填充率等參數的改變而變化。為了取得最好的減振效果，阻尼器的設計尤為重要。阻尼器的尺寸越大，能夠填充的顆粒越多，阻尼效應就會得到一定程度的提高。但受制于壓縮機的自身結構的局限，在阻尼器形狀的設計上，考慮有效空間的最大利用率，通過振動分析確定阻尼器安裝位置并進行阻尼器優化。

啟動氣壓縮機結構布局較為緊湊，壓縮機電機、冷卻器、壓縮機三者安裝在底部支座上，底部支座通過橡膠隔振器安裝在平臺甲板上；壓縮機3 個氣缸呈W 形布局，氣缸之間間隙狹小；壓縮機曲軸端蓋上安裝有3 個氣缸潤滑油泵，端面上附屬管線較多。為了發揮顆粒阻尼減振器的減振效果，同時確保壓縮機安全、可靠運行，選擇壓縮機底部支座背面作為安裝位置。

基于啟動氣壓縮機結構布局，本文采用長方形阻尼器，其外部尺寸為200 mm×100 mm×50 mm，顆粒阻尼器材料為00Cr19Ni10鐵合金，采用厚度為1.0 mm 的不銹鋼板進行焊接。為了保證減振器安裝可靠，將顆粒阻尼器螺栓聯接至底座背面。顆粒阻尼器與啟動氣壓縮機之間采用M8（8.8 級）六角頭螺栓進行連接。為保證顆粒阻尼器與啟動氣壓縮機連接牢靠，螺栓底部螺紋可以使用防松螺紋膠，防止長期使用過程中螺母的脫落造成顆粒阻尼器松動。

在壓縮機底部支座背面安裝16 個長方體顆粒阻尼器，顆粒阻尼器水平方向和垂直方向各布置4 個。阻尼器壁選擇每個阻尼器填充0.3 mm 銅制顆粒，銅的密度較大，彈性碰撞能耗高并且銅顆粒制備簡單，容易獲取。

為了對顆粒阻尼減振器效果進行驗證，在壓縮機甲板四周均勻布置4 個振動監測點，分別測量顆粒阻尼減振器安裝前后振動值，測試結果如圖2 所示。

圖2 顆粒阻尼器減振前后對比

從圖2 可知，啟動氣壓縮機在安裝顆粒阻尼減振器后，4 個安裝位置振動值都有明顯下降，最多的振動值下降了50%，表明顆粒阻尼減振器具有良好的減振效果。

4 結束語

本文首先對啟動氣壓縮機進行振動分析，然后利用顆粒阻尼的優良特性，在壓縮機上安裝顆粒阻尼器取得了較好的減振效果。降低了啟動氣壓縮機的振動，確保啟動氣壓縮機穩定運行，保障了海洋石油平臺的安全生產，同時降低了噪聲對操作人員產生的危害。該應用給海洋石油平臺往復式壓縮機減振措施提供一定的參考價值，通過結合不同壓縮機自身結構，合理選擇不同類型的顆粒阻尼器，完成對往復式壓縮機的減振優化，降低往復式壓縮機的設備故障率，進而促進設備完整性的不斷提升。