彈性元件動(dòng)剛度的直接法實(shí)驗(yàn)研究

王 勇,李志遠(yuǎn),費(fèi)標(biāo)求

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

彈性元件動(dòng)剛度的直接法實(shí)驗(yàn)研究

王 勇,李志遠(yuǎn),費(fèi)標(biāo)求

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

針對(duì)現(xiàn)有居民變電站變壓器重心過(guò)高，導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的搖擺現(xiàn)象，引發(fā)的結(jié)構(gòu)噪聲較大的問(wèn)題，提出了建立新型“Z”型隔振器方案，以解決變壓器重心過(guò)高所引起的搖擺問(wèn)題。針對(duì)變壓器的優(yōu)勢(shì)頻率選擇彈簧，并通過(guò)彈性元件振動(dòng)-聲傳遞特性實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法的直接法測(cè)量原理，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試隔振器彈簧的動(dòng)剛度，分析得出彈簧的動(dòng)態(tài)性能，以滿足隔振器設(shè)計(jì)要求。

變壓器；隔振器；彈性元件； 動(dòng)剛度； 動(dòng)態(tài)性能

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，振動(dòng)與噪聲帶來(lái)的污染和危害逐漸受到人們的關(guān)注和重視。現(xiàn)如今鑒于某居民變電站變壓器所產(chǎn)生的振動(dòng)，噪聲問(wèn)題嚴(yán)重影響了人們的生活質(zhì)量，因此對(duì)于如何設(shè)計(jì)新型隔振器以減少變壓器振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲問(wèn)題的研究就顯得十分有意義[1]。本研究主要針對(duì)現(xiàn)有變壓器重心過(guò)高，導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的搖擺現(xiàn)象，其振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)噪聲愈發(fā)嚴(yán)重的現(xiàn)狀，提出“Z”型隔振器的原理設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)彈性元件振動(dòng)-聲傳遞特性實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法的直接法測(cè)量原理，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試隔振器彈簧的動(dòng)剛度，分析得出彈簧的動(dòng)態(tài)性能，驗(yàn)證“Z”型隔振器設(shè)計(jì)方案滿足隔振器設(shè)計(jì)要求

1 “Z”型隔振器方案設(shè)計(jì)

1.1 變壓器振動(dòng)噪聲機(jī)理

研究結(jié)果表明，干式變壓器主要噪聲源來(lái)自于以下幾個(gè)方面[2,3]：第一，硅鋼片在磁致伸縮過(guò)程中，鐵芯會(huì)隨著做周期振動(dòng)；第二，漏磁產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)力，促使了鐵芯的振動(dòng)；第三，當(dāng)負(fù)載電流通過(guò)線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的漏磁，產(chǎn)生磁感應(yīng)力；第四，鐵芯的磁致伸縮所引發(fā)的，變壓器振動(dòng)又依靠鐵芯墊腳、其他固體結(jié)構(gòu)、外箱、空氣等路徑向外傳遞。

常用變壓器隔振措施：其一是內(nèi)部隔振；其二是外部隔振，分為安裝隔音箱、吊裝變壓器、內(nèi)墻加隔音板、變壓器底部加裝隔振器。

1.2 “Z”型變壓器隔振設(shè)計(jì)原理

進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)時(shí)一定得注意方案的選擇，必須從具體使用情況和經(jīng)濟(jì)性來(lái)考慮，選擇經(jīng)濟(jì)合理的隔振設(shè)計(jì)方案。隔振裝置必須要經(jīng)過(guò)隔振計(jì)算后才可確定。需要注意的是變壓器的優(yōu)勢(shì)頻率與隔振器的固有頻率之比應(yīng)≥2.5倍，以保證隔振器具有較高的隔振效率。安裝隔振元件時(shí)要求隔振元件的剛度中心與隔振體系的質(zhì)心在同一鉛垂線，這樣做的原因是留出隔振元件的安裝和維修所需空間[4,5]。

已知變壓器質(zhì)量為2 t，隔振設(shè)計(jì)選用4個(gè)隔振器，單個(gè)隔振器采取并聯(lián)彈簧的連接方式。變壓器優(yōu)勢(shì)頻率為100 Hz，由隔振器的固有頻率計(jì)算公式可得

m=(200÷4)÷2=250 kg

由上可知變壓器的優(yōu)勢(shì)頻率與隔振器的固有頻率之比應(yīng)≥2.5倍，因此可算出剛度范圍

k≤15 775 N/mm

1.3 “Z”型隔振器設(shè)計(jì)方案的選擇

如圖1所示為現(xiàn)有變壓器隔振設(shè)計(jì)方案，常用的就是在變壓器底部安裝隔振器。針對(duì)目前某小區(qū)居民變電站變壓器實(shí)際隔振設(shè)計(jì)可知，加裝的隔振器為復(fù)合阻尼彈簧隔振器，其型號(hào)為ET1-15。由圖1可知隔振器縱向高度為200mm，這導(dǎo)致了變壓器重心過(guò)高，出現(xiàn)左右搖擺現(xiàn)象，增加了振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)噪聲。此外，隔振器彈簧剛度偏低，隔振器的隔振效果不好。

圖1 復(fù)合阻尼彈簧隔振器隔振系統(tǒng)模型

由上可知，針對(duì)目前居民變電站變壓器隔振設(shè)計(jì)的欠缺主要有2點(diǎn)：其一是隔振器的選擇不合理，現(xiàn)有隔振器彈簧剛度偏低；其二是隔振器縱向高度過(guò)高，這導(dǎo)致了變壓器重心過(guò)高，引起的結(jié)構(gòu)左右搖擺。因此在此基礎(chǔ)上提出了“Z”型變壓器隔振器的設(shè)計(jì)方案，其隔振設(shè)計(jì)原理圖如圖2。

圖2 “Z”型變壓器隔振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

圖2所示即為針對(duì)當(dāng)前不足所設(shè)計(jì)的新型隔振方案，從圖2中可以看出變壓器的底部距離地面基礎(chǔ)垂直高度為20mm，相對(duì)于之前方案的200mm，變壓器的重心明顯的降低了，這對(duì)緩解變壓器左右搖擺和減小其結(jié)構(gòu)噪聲具有很大的幫助。結(jié)合圖2可以看出，隔振器整體外觀呈現(xiàn)“Z”字型，因此稱為“Z”型隔振器。隔振器的設(shè)計(jì)部分最核心的內(nèi)容在于彈簧的設(shè)計(jì)，相對(duì)于圖1所示隔振器的單個(gè)彈簧，“Z”型隔振器采用兩根彈簧并聯(lián)的方式，隔振器彈簧剛度將大大的提高，在載荷不變的條件下，隔振器的固有頻率也將得到提升，使其滿足變壓器的干擾頻率與隔振器的固有頻率之比應(yīng)≥2.5 倍的條件，保證了隔振器具有較高的隔振效率。 由上述可知，隔振器核心設(shè)計(jì)部分是彈簧的設(shè)計(jì)，而彈簧的設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的是分析其動(dòng)態(tài)性能，因此還需要對(duì)彈簧進(jìn)行動(dòng)剛度的實(shí)驗(yàn)研究。

2 隔振器彈簧動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)研究

2.1 直接法測(cè)動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)原理

測(cè)定平移運(yùn)動(dòng)彈性支撐部件動(dòng)剛度的直接法是測(cè)量隔振器輸入端位移(速度或加速度)以及輸出端阻滯力的方法。動(dòng)剛度取決于頻率、靜態(tài)載荷和溫度等因素。

直接法基本實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示： 激振系統(tǒng)對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行激振，加速度測(cè)量系統(tǒng)和力測(cè)量系統(tǒng)分別采集通過(guò)隔振元件輸入端的加速度信號(hào)和輸出端的力信號(hào)[6]。被測(cè)隔振元件放置于輸入端的激振質(zhì)量塊和輸出端的剛性基礎(chǔ)之間。動(dòng)剛度為

式中：F2為輸出端力(N)；u1為輸入端位移(m)；a1為輸入端加速度(m/s)；f為激振頻率(Hz)。

1.液壓激振系統(tǒng); 2.移動(dòng)臂; 3.柱子; 4.被測(cè)元件;5.力測(cè)量系統(tǒng); 6.剛性基座

測(cè)量頻率范圍：測(cè)試裝置都有其有限的工作頻率范圍，只有在這一范圍內(nèi)才能進(jìn)行有效測(cè)試。其中一個(gè)限制是激振器的工作頻帶寬度，另一個(gè)限制是來(lái)自于阻滯輸出力測(cè)量的一些要求。本次實(shí)驗(yàn)所用動(dòng)態(tài)測(cè)試儀掃頻頻率為1～100 Hz。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)儀器

1) 動(dòng)態(tài)測(cè)試儀：本次實(shí)驗(yàn)最主要的測(cè)試裝置選用的是UD-3600動(dòng)態(tài)測(cè)試儀，它具備了了直接法實(shí)驗(yàn)原理中的所需測(cè)量系統(tǒng),具體如下：

2) 剛性基礎(chǔ)底座：在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中主要是支撐整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，為其他各部件提供一個(gè)穩(wěn)定的工作基礎(chǔ)，并且要求其剛性和質(zhì)量是足夠的。實(shí)驗(yàn)所用隔振元件及其夾具尺寸、質(zhì)量等都相對(duì)較小，因此該動(dòng)態(tài)測(cè)試儀基礎(chǔ)底座作為基礎(chǔ)支撐其剛度和質(zhì)量都是足夠的。

3) 激振系統(tǒng)-激振器：實(shí)驗(yàn)中可以采用能夠同時(shí)提供靜態(tài)預(yù)載的液壓激振器或電動(dòng)激振器。由于本實(shí)驗(yàn)測(cè)量頻率范圍是1～100 Hz，而對(duì)于液壓激振器頻率越低，剛度越好，液壓激振器在低頻處比電動(dòng)式激振器要好。

4) 加速度測(cè)量系統(tǒng)和力測(cè)量系統(tǒng)：力速度測(cè)量系統(tǒng)用以測(cè)量輸出端阻滯力，動(dòng)態(tài)測(cè)試儀所用的力傳感器是應(yīng)變式力傳感器。本次實(shí)驗(yàn)均采用的是動(dòng)態(tài)測(cè)試儀上已裝置的加速度傳感器和力傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)分為單個(gè)彈簧動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)裝置如圖4所示，并聯(lián)彈簧動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖4 單個(gè)彈簧動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 并聯(lián)彈簧動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)裝置

圖4所示為單個(gè)彈簧動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，將彈簧穩(wěn)定放置在動(dòng)態(tài)測(cè)試儀圓盤中間，手動(dòng)調(diào)節(jié)圓盤上下移動(dòng)按鈕使其接觸良好，開始計(jì)算機(jī)參數(shù)設(shè)定。首先給動(dòng)態(tài)測(cè)試儀力傳感器和加速度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)歸零，設(shè)定測(cè)試溫度，給定彈簧的預(yù)載荷為3 000 N，初始振幅為1 mm，測(cè)試波形為正弦波，預(yù)先加載兩次，第三次的加載過(guò)程中正式進(jìn)行測(cè)量。啟動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試儀信號(hào)源功能進(jìn)行激振，動(dòng)態(tài)掃頻頻率從1～100 Hz結(jié)束。記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖6、圖7和數(shù)據(jù)表1、表2所示。

圖6 彈簧1動(dòng)態(tài)特性曲線

圖7 彈簧1頻率-阻尼曲線

圖6中給出了彈簧1在掃頻從1 Hz到100 Hz時(shí)的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線，動(dòng)剛度是關(guān)于頻率的函數(shù)，因此頻率響應(yīng)曲線圖就是指彈簧的動(dòng)剛度。為了更加直觀地了解彈簧1在1 Hz到100 Hz掃頻過(guò)程中的動(dòng)剛度值，表1列出了部分具體頻率下的動(dòng)剛度。

表1 彈簧1動(dòng)剛度測(cè)試數(shù)據(jù)表

彈簧2測(cè)試結(jié)果曲線如圖8、圖9所示。

圖8 彈簧2動(dòng)態(tài)特性曲線

圖9 彈簧2頻率-阻尼曲線

圖8中給出了彈簧2在掃頻從1～100 Hz時(shí)的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線，同上此頻率響應(yīng)曲線圖就是代表了彈簧2的動(dòng)剛度。表2中也列出了部分具體頻率下的動(dòng)剛度。

表2 彈簧2動(dòng)剛度測(cè)試數(shù)據(jù)表

圖5是彈簧并聯(lián)動(dòng)剛度的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，根據(jù)動(dòng)態(tài)測(cè)試儀操作規(guī)程首先給動(dòng)態(tài)測(cè)試儀力傳感器和加速度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，設(shè)定測(cè)試溫度，給定并聯(lián)彈簧的預(yù)載荷為6 000 N，設(shè)定初始振幅為1 mm，測(cè)試波形為正弦波，預(yù)先加載兩次，第三次的加載過(guò)程中正式進(jìn)行測(cè)量。啟動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試儀信號(hào)源功能進(jìn)行激振，動(dòng)態(tài)掃頻頻率從1～100 Hz結(jié)束。記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖10，圖11和數(shù)據(jù)表3所示。

圖10 并聯(lián)彈簧動(dòng)態(tài)特性曲線

圖11 并聯(lián)彈簧頻率-阻尼曲線

表3 并聯(lián)彈簧動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)表

圖10中給出了并聯(lián)彈簧在掃頻從1 Hz到100 Hz時(shí)的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線，因此上述曲線就是指并聯(lián)彈簧的動(dòng)剛度。表3中也列出了部分具體頻率下的動(dòng)剛度。

由3張頻率-阻尼曲線圖可以看出，彈簧1、彈簧2和并聯(lián)彈簧頻率-阻尼曲線變化規(guī)律一致，都是隨著頻率的增大其阻尼而迅速減小，在50 Hz附近最小，之后逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)分析變壓器振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)有居民變電站變壓器重心過(guò)高，導(dǎo)致左右搖擺，振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)噪聲偏大的問(wèn)題，提出了新型“Z”型隔振器設(shè)計(jì)方案，得出了“Z”型設(shè)計(jì)方案原理圖，并針對(duì)隔振器核心部件彈簧進(jìn)行測(cè)試動(dòng)剛度，研究動(dòng)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)彈性元件-聲傳遞特性實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法的直接法測(cè)量原理，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別測(cè)出了單一彈簧和并聯(lián)彈簧在1～100 Hz掃頻下的動(dòng)剛度曲線和頻率-阻尼曲線，得出結(jié)論，彈簧采取并聯(lián)方式使其剛度增加，解決了原有隔振設(shè)計(jì)重心過(guò)高和隔振器彈簧剛度偏低的不足，驗(yàn)證了“Z”型隔振器方案設(shè)計(jì)的合理性。

[1] 洪宗輝，潘仲麟.環(huán)境噪聲控制工程 [M].北京：高等教育出版社，2002：202-203.

[2] Weiser B，Pfutzner H.Relevance of magnetostatic forces for transformer core vibrations[J].Journal De Physique，1998，8(2)：591-594.

[3] Mizokami M，Yabumoto M.Vibration analysis of a 3-phase model transformer core[J].Electrical Engineering in Japan，1997，119(1):1-7.

[4] 徐建.隔振設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用 [M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009:1-11.

[5] 韓潤(rùn)昌.隔振降噪產(chǎn)品應(yīng)用手冊(cè) [M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003:18-22.

[6] ISO 10846-2,Acoustics and vibration — Laboratory measurement of vibro-acoustic transfer properties of resilient elements — Part 2:Direct method for determination of the dynamic stiffness of resilient supports for translatory motion[S].

(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

Direct Method Experiment Research on Dynamic Stiffness of Resilient Element

WANG Yong, LI Zhi-yuan, FEI Biao-qiu

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

This paper mainly concentrated on the high center of gravity of the transformer substation that leads to the swing phenomenon and the construction noise. And on the basis we designed the “Z” type isolator to solve the problem. And we choose the spring basis on the dominant frequency of the transformer and set up the experimental platform and test the dynamic stiffness of the spring according to the laboratory measurement of vibro-acoustic transfer properties of resilient elements, and analyzed the dynamic property of the spring to meets the design requirements.

transformer; isolator; resilient element; dynamic stiffness; dynamic property

2015-03-06

王勇(1989—)，男，碩士研究生，主要從事噪聲和振動(dòng)控制方面的研究。

10.11809/scbgxb2015.08.023

王勇,李志遠(yuǎn),費(fèi)標(biāo)求.彈性元件動(dòng)剛度的直接法實(shí)驗(yàn)研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(8):92-95.

format:WANG Yong, LI Zhi-yuan, FEI Biao-qiu.Direct Method Experiment Research on Dynamic Stiffness of Resilient Element[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):92-95.

TB535

A

1006-0707(2015)08-0092-04