大型成撬動力設(shè)備振動分析與實驗研究

張世亮， 嚴(yán) 謹， 張 全

(廣東海洋大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

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大型成撬動力設(shè)備振動分析與實驗研究

張世亮， 嚴(yán) 謹， 張 全

(廣東海洋大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

設(shè)備成撬的概念在大型動力設(shè)備行業(yè)中應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。探討了大型成撬動力設(shè)備振動原因，基于狀態(tài)空間理論建立了描述兩點激勵的撬塊振動矩陣方程，并在MATLAB軟件中計算分析了激勵與響應(yīng)之間的規(guī)律關(guān)系。推導(dǎo)出了阻尼裝置上阻尼控制力與控制參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，采用減縮尺寸的振動控制實驗平臺對計算結(jié)果和推導(dǎo)函數(shù)進行驗證，實現(xiàn)了對大型成撬動力設(shè)備振動問題的有效控制，為多振點聯(lián)動工況的振動控制提供理論參考。

成撬；動力設(shè)備；狀態(tài)空間；阻尼裝置

設(shè)備成撬的概念在大型動力設(shè)備行業(yè)中應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，成撬具有結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小、便于現(xiàn)場安裝、可實現(xiàn)專業(yè)化設(shè)計開發(fā)等優(yōu)點，特別是對于空間要求較高的諸如海洋油氣勘探開采、動力發(fā)電等領(lǐng)域是十分必要的[1]。成撬動力設(shè)備主要包括大型的天然氣壓縮機組、水汽輪發(fā)電機組、柴油發(fā)電機組、風(fēng)力發(fā)電機組、大型泵類等，在國防、能源、礦山工程等領(lǐng)域扮演著十分重要的角色。但大型成撬動力設(shè)備的振動會引起結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和設(shè)備損壞，損害作業(yè)人員的身心健康，給裝備的正常運行帶來安全隱患，其振動的治理控制已成為一個重要的研究方向[2-3]。

1 成撬動力設(shè)備振動特征與原因分析

1.1 成撬動力設(shè)備振動特征

成撬動力設(shè)備振動問題在工業(yè)生產(chǎn)中比較常見，本文通過對兩個天然氣壓縮機組振動實際案例共同特征進行提取分析，總結(jié)得出：大型動力設(shè)備一般采用整撬撬裝方式，所以體積較為龐大，質(zhì)量較大(甚至高達百噸級)，因此振動能量大；撬內(nèi)外各部件及安裝基礎(chǔ)等的振動相互干擾、耦合，呈現(xiàn)非線性、多振點聯(lián)動特征；振動系統(tǒng)自由度數(shù)龐大，固有頻率低，且低頻模態(tài)密集，有一定規(guī)律的低頻為主的機械振動，且持續(xù)存在。典型的天然氣壓縮機撬塊結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 某項目壓縮機成撬總體布局結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall layout diagram in a packaged compressor

1.2 成撬動力設(shè)備振動原因分析

成撬動力設(shè)備振動的原因是多方面的[4-6]，除了受外部諸如風(fēng)、地震等外部激勵的作用，還涉及撬塊自身的幾個方面，包括撬內(nèi)管路的氣流脈動或不合理的管路支撐系統(tǒng)，撬塊所處基礎(chǔ)的局部結(jié)構(gòu)剛性不足，軸系扭振及旋轉(zhuǎn)動不平衡等，以上幾種振動機理有著本質(zhì)的區(qū)別，但又同時存在且相互影響。本文僅局限于研究因動力設(shè)備本身的動平衡性能較差，導(dǎo)致運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的不平衡力帶動整個撬塊振動，當(dāng)動力設(shè)備的振動頻率與基礎(chǔ)的固有頻率相近時引起強迫振動的問題。

2 成撬動力設(shè)備振動數(shù)值建模分析

2.1 建立狀態(tài)空間計算模型

本文基于文獻[7]建立成撬動力設(shè)備振動控制的二自由度模型[7]，選取x(y)和φ為廣義坐標(biāo)，其中x為撬塊質(zhì)心位置垂直運動的位移；y為撬塊安裝基礎(chǔ)位置垂直運動的位移；φ1為撬塊質(zhì)心位置側(cè)傾運動的角位移，φ2為撬塊安裝基礎(chǔ)位置側(cè)傾運動的角位移。采用長為l帶質(zhì)量的平板來模擬表征撬塊，區(qū)別于文獻[7]中建立的計算模型，本文采用兩質(zhì)量塊來模擬表征動力設(shè)備，振動激勵F1=f1sin(ω1t+θ1)，F(xiàn)2=f2sin(ω2t+θ2)。撬板與基座之間有一并聯(lián)的彈簧(剛度分別為k1和k2)和阻尼缸(阻尼系數(shù)分別為c1和c2)，提供的控制力分別為fmr1和fmr2，如圖2所示。

圖2 成撬動力設(shè)備振動系統(tǒng)計算模型Fig.2 The vibration system model of packaged power equipment

成撬設(shè)備振動系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式可表示為：

(1)

2.2 計算分析

圖3 傳遞函數(shù)的零極點圖Fig.3 The pole-zero plot of transfer function

圖4 傳遞函數(shù)降階前后單位階躍響應(yīng)對比Fig.4 The unit step response comparison of transfer function before reduced order and after

正弦函數(shù)能模擬因成撬動力設(shè)備動不平衡引起的振動激勵，是最接近現(xiàn)實工況的輸入函數(shù)。因此編制正弦函數(shù)激勵信號及阻尼(實際為阻尼比ζ)循環(huán)程序可計算得到當(dāng)系統(tǒng)受正弦函數(shù)激勵時的響應(yīng)曲線，如圖5所示。從圖中分析知，可以通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼的方式實現(xiàn)對成撬動力系統(tǒng)的振動控制目標(biāo)。

圖5 系統(tǒng)正弦激勵響應(yīng)曲線Fig.5 The sinusoidal excitation response curve

2.3 阻尼控制力的推導(dǎo)與計算

根據(jù)上述分析可知，阻尼是影響撬塊振動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和激勵響應(yīng)的關(guān)鍵因素之一，因此對阻尼控制力的推導(dǎo)是相當(dāng)有必要的。本文將阻尼控制力fmr定義為包括彈簧作用力和流體介質(zhì)阻尼作用兩部分，但當(dāng)彈簧剛度不變且位移差較小時，流體介質(zhì)的阻尼作用及活塞上下的壓力差將成為控制力的主要影響因素，根據(jù)流體在阻尼通道中的流體動力學(xué)特性分析及等效黏性阻尼的原則，可推導(dǎo)出其近似表達式為：

(2)

圖6 阻尼、阻尼控制力與壓差函數(shù)曲線Fig.6 The function curve between damp, damping control force and pressure difference

3 實驗方案與結(jié)果對比分析

3.1 縮尺振動控制實驗平臺

振動控制系統(tǒng)原理見圖7，在忽略彈簧與阻尼缸的質(zhì)量影響，同時認為液壓油路密封有效，且不會出現(xiàn)壓力差脈動的前提下，成撬設(shè)備振動測試分析系統(tǒng)的具體管線連接和安裝參見圖8。

圖7 振動控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 The vibration control system schematic

圖8 成撬設(shè)備振動測試分析系統(tǒng)安裝圖Fig.8 The installation diagram of vibration measurement and analysis system in packaged equipment

3.2 實驗結(jié)果對比分析

從上述實驗記錄數(shù)據(jù)對比可以得到，在實施調(diào)節(jié)節(jié)流閥阻尼裝置前后，振動激勵和振動響應(yīng)的幅值都有大幅度的降低，如圖9所示。測點1處平均最大幅值由15.173 m/s2降為2.373 m/s2，平均降幅為84.4%。測點8處平均最大幅值由7.896 m/s2降為1.408 m/s2，平均降幅為82.1%，統(tǒng)計數(shù)據(jù)說明，通過間接調(diào)節(jié)阻尼缸前后壓力差方式可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)阻尼的目的，對于成撬動力系統(tǒng)自身引起的振動問題具有顯著效果。

將實驗記錄的加速度幅值、壓力差數(shù)據(jù)及推導(dǎo)公式通過MATLAB軟件描繪出來，如圖10所示。顯然，兩條曲線存在負相關(guān)性，即通過逐步增大節(jié)流閥開度，活塞前后壓力差隨之變大，相應(yīng)的阻尼控制力以三次函數(shù)的速度增加，這樣隨著阻尼裝置提供的控制力的增加撬塊振動幅度明顯降低。

圖9 縮尺模型測點1和測點8振動控制實施效果對比圖Fig.9 The vibration control effect contrast of measuring point 1 and measuring point 8 in scale model

圖10 阻尼控制力與加速度幅值相關(guān)性曲線Fig.10 The correlation curve between damping control force and acceleration amplitude

圖11 阻尼缸1與阻尼缸4缸外壁實測溫度曲線Fig.11 The measured temperature curve on outer wall of damping cylinder 1 and 4

此外，在液壓循環(huán)油路開啟和關(guān)閉狀態(tài)的對比實驗中，實測長時間激勵載荷作用下，兩個阻尼裝置缸外壁的溫度變化情況，如圖11所示。結(jié)果說明液壓循環(huán)油路關(guān)閉狀態(tài)時，經(jīng)過約40 min的激勵振動，阻尼缸外壁溫度逐步升高，當(dāng)開啟液壓循環(huán)油路后，阻尼缸外壁溫度有一定的降低，這說明處于循環(huán)油路狀態(tài)的阻尼裝置可以將產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移出阻尼缸腔體，從而避免了阻尼介質(zhì)(抗磨液壓油)在溫度變化時性能變化。

4 結(jié) 論

本文針對大型成撬動力設(shè)備振動問題，建立了兩振點激勵的條件下多輸入多輸出的狀態(tài)空間表達式，并推導(dǎo)出減振裝置活塞前后壓差與系統(tǒng)阻尼之間的函數(shù)關(guān)系。通過搭建縮尺振動控制實驗平臺完成對比驗證，證明了可以通過間接調(diào)節(jié)活塞前后壓差的方式實現(xiàn)對撬塊上振動激勵的阻尼反饋控制，并摸索出通過循環(huán)油路方式有效解決阻尼裝置熱積聚問題的方法，為未來新型阻尼裝置的設(shè)計和工程應(yīng)用提供了新的思路和方向。

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A study on vibration control for large packaged power equipments

ZHANG Shiliang, YAN Jin, ZHANG Quan

(School of Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

The concept of power equipments in large packaged industry has been applied widely. This paper discussed and analyzed the vibration source for large packaged power equipments firstly. The sate space matrix equations of a vibration block with two vibration excitation points were deduced based on the state space theory. The relationship between vibration excitation and response could thus be simulated and analyzed in MATLAB software. Finally, the function between damping control force and the control parameters of damping device was calculated and then the simulation results and derivation function were verified by a scale-reduced experimental platform. This work achieves effective control for vibration problems of large packaged power equipments, and provides a theoretical reference for multi-point linkage vibration conditions.

large packaged system; power equipment; state-space model; damping device

2015-06-12 修改稿收到日期：2015-10-08

張世亮 男，教授，1960年生

嚴(yán)謹 男，博士，副教授，1974年生

TG714；UDC621

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.20.006