一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組冷卻風(fēng)機(jī)隔振器的選型設(shè)計(jì)

姚丙義

摘 要： 隨著單機(jī)容量的大型化發(fā)展，風(fēng)機(jī)塔架的高度不斷提高，機(jī)艙等部件結(jié)構(gòu)也變得更大更復(fù)雜。雖然通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的緊湊化，模塊化使得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度得到同步，但彼此之間由于外界振源和自身激勵(lì)的相互作用也在放大。其中冷卻風(fēng)機(jī)作為機(jī)艙部分的主要激振源，其與支撐底座之間的振動(dòng)傳遞，很大程度制約著機(jī)艙整體的剛度，而且伴隨著噪音污染的產(chǎn)生。提出了一種冷卻風(fēng)機(jī)用隔振器的選型設(shè)計(jì)思路，通過對(duì)比不同類型的減震器，優(yōu)選出簡單實(shí)用，成本低的橡膠減振墊;然后根據(jù)隔振效率及振動(dòng)速度的要求，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和尺寸的細(xì)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 冷卻風(fēng)機(jī);隔振器;風(fēng)力發(fā)電機(jī);隔振效率

中圖分類號(hào)： TB????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.13.094

0 引言

目前多數(shù)的研究主要集中在風(fēng)機(jī)葉片、塔基、齒輪箱及發(fā)電機(jī)等主要組成部件的振動(dòng)模態(tài)分析上，這是顯而易見的。但隨著風(fēng)機(jī)各個(gè)組件的不斷放大，各大部件內(nèi)部組件的振動(dòng)傳遞問題凸顯出來。2MW電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的冷卻風(fēng)機(jī)是機(jī)艙部分的主要振源，它與機(jī)架之間的振動(dòng)是很容易忽略的。由于這種振動(dòng)是長期的、不固定的，所以一旦發(fā)生共振，輕則螺栓松動(dòng)，重則導(dǎo)致冷卻風(fēng)機(jī)功能性破壞，如氣流不穩(wěn)導(dǎo)致葉片破壞等。本文結(jié)合實(shí)際工況和性能指標(biāo)，在冷卻風(fēng)機(jī)和機(jī)架之間設(shè)置橡膠減振器來確保有效的隔振效率，并提出一種切實(shí)可行的風(fēng)機(jī)用隔振器的選型設(shè)計(jì)思路。

1 隔振原理

振源產(chǎn)生振動(dòng)，通過介質(zhì)傳至受振對(duì)象，因此減振的基本方法也就分為三個(gè)方面：減小擾動(dòng)、采取隔振措施以及防止和減小振動(dòng)的響應(yīng)。其中隔振就是將振源與基礎(chǔ)或連接結(jié)構(gòu)的近剛性連接改成彈性連接，以防止或減弱振動(dòng)能量的傳遞，最終達(dá)到減振降噪的目的。實(shí)際上振動(dòng)不可能完全隔絕，故通常也稱為減振。

1.1 常用隔振器的類型

隔振器材和隔振器分類比較復(fù)雜，可按材料或結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，也可按用途劃分，主要有隔振墊，隔振器以及柔性接管三種類型。自然頻率8～10Hz及以上的隔振，通常選用的隔振器有橡膠和金屬彈簧隔振裝置，具體選擇哪種類型需綜合考慮其隔振性能、適用性能及價(jià)格因素等。金屬彈簧隔振裝置具有耐高溫、耐機(jī)油及柴油能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但價(jià)格較貴，一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多選用橡膠隔振器或橡膠隔振墊。

1.2 隔振效果的評(píng)價(jià)參數(shù)

最常見的隔振是將振動(dòng)的機(jī)器安裝在具有彈性和阻尼的隔振器上，用隔振器來“吸收”機(jī)器所產(chǎn)生的振動(dòng)。我們簡化分析：認(rèn)為機(jī)器只有質(zhì)量m而沒有彈性的剛體，而減振器只有彈性K和阻尼C，其減振器質(zhì)量m略去不計(jì)，如圖1所示的單自由度隔振系統(tǒng)。

若簡諧激勵(lì)力P（t）=P0sinωt作用于質(zhì)量m時(shí)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為：

mx ¨ +cx ˙ +kx=P0sinωt （1）

式中：ω—機(jī)器的轉(zhuǎn)速（角速度）rad/s;m—機(jī)器質(zhì)量（設(shè)為剛性質(zhì)量塊）;k、c—隔振元件的總剛度和阻尼。

將隔振元件的阻尼和剛度：c=2mωnζ，k=mωn2，代入上述方程式簡化為：x ¨ +2ζωnx ˙ +ωn2x= P0 m sinωt，傳遞到基礎(chǔ)的力為FT=cx ˙ +kx，設(shè)方程有特解x=xstRdsin ωt-θ ，代入方程中：

FT=Rd ksin ωt-θ +cωcos ωt-θ

其作用力FT的最大值為：FTmax=xstRd?? k2+c2ω2 ，將xst= F0 k ，c=2mωnζ代入得到振動(dòng)傳遞率T：

T= FTmax F0 =??? 1+ 2ζ f/fn? 2? 1- f/fn 2 2+ 2ζ f/fn? 2?? （2）

由此可知：

（1）無論阻尼比ζ取多大，只有當(dāng)頻率比λ> 2 時(shí)，才有隔振效果，而且隨著λ的增加，隔振效果增加，但在實(shí)際中一般選用 f fn 值在2.5～4.5之間，隔振效率約為80%～95%。

（2）增大阻尼比，可以減小機(jī)器在啟動(dòng)和停車過程中經(jīng)過共振區(qū)時(shí)的最大振幅，但在λ> 2 時(shí)，卻使T增大，即隔振效果降低。

（3）由于一般材料阻尼系數(shù)不大，當(dāng)阻尼比ζ在0～0.1的范圍變化時(shí)，T的值差異不大，所以計(jì)算隔振系數(shù)時(shí)可不考慮阻尼系數(shù)的影響，即ζ=0時(shí)可得

T= 1?? f f0? 2-1? （3）

式中：f—擾動(dòng)頻率（Hz）;f0—隔振器（或構(gòu)造）的振動(dòng)頻率（Hz）;擾動(dòng)頻率f=n/60，n為風(fēng)機(jī)（或其他設(shè)備）每分鐘轉(zhuǎn)速。

隔振器（或構(gòu)造）的振動(dòng)頻率，在忽略阻尼的自由振動(dòng)的情況下：

f0= 1 2π?? k M? = 1 2π?? Mg/δ M? = 1 2π?? g δ? ≈ 5? δcm?? （4）

式中：k—隔振器的總剛度;M—設(shè)備的總重量;δcm—隔振器的壓縮量。

可見，壓縮量δcm愈大，自振頻率愈低，傳振系數(shù)T值就小，隔振效果也就愈好。

2 冷卻風(fēng)機(jī)的隔振設(shè)計(jì)

2MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙上部工作平臺(tái)，安裝有冷卻風(fēng)機(jī)。如圖2所示，冷卻風(fēng)機(jī)安裝底座上設(shè)置有6個(gè)對(duì)稱分布的支撐點(diǎn)用于風(fēng)機(jī)與固定支架的聯(lián)接。已知冷卻風(fēng)機(jī)的質(zhì)量為M=300kg，工作轉(zhuǎn)速為n=2900 r/min，功率為P=11KW，要求在支撐點(diǎn)處安裝減振器，保證正常工作狀態(tài)下不產(chǎn)生共振，且隔振效率90%以上，振幅在±2mm之內(nèi)。

（1）建立隔振體系的力學(xué)模型。

根據(jù)已知條件，我們可以將此隔振系統(tǒng)設(shè)定為垂直向上的單自由度積極隔振系統(tǒng)，激振源為離心風(fēng)機(jī)的簡諧振動(dòng)，其干擾頻率為：

f= n 60 = 2900 60 =48.3Hz

（2）明確設(shè)計(jì)要求，定義振動(dòng)傳遞系數(shù)T（或者說隔振系數(shù)η）。

設(shè)計(jì)要求隔振效率90%以上，那么其系統(tǒng)振動(dòng)傳遞系數(shù)：TSymbolcB@1-E=0.1。

（3）確定隔振器（或構(gòu)造）的固有頻率f0。根據(jù)振動(dòng)傳遞率公式（3）求得：f0=f??? T 1+T? =14.56Hz。

（4）計(jì)算設(shè)計(jì)要求的隔振器的載荷和剛度。

設(shè)備均勻時(shí)，每個(gè)隔振器元件的載荷可有設(shè)備總重量除以隔振元件數(shù)目得出。采用機(jī)座時(shí)，可根據(jù)重心位置調(diào)整各個(gè)隔振元件支撐點(diǎn)，其數(shù)量一般取4～6個(gè)。

隔振器的總剛度k：kSymbolcB@ ω2M? 1 T +1?? ω=2πf （5）

式中：k——隔振器的總剛度，kg/s2;M——隔振體系的總質(zhì)量，kg。

設(shè)定隔振器的數(shù)量N：NSymbolcB@ k ki? （6）

式中：ki——所選用的單個(gè)隔振器的剛度，kg/s2

根據(jù)上述公式（5）求得，風(fēng)機(jī)隔振器的總剛度：

K= ω2M? 1 T +1 =? 2×3.14×48.3 2×300 11 =2509240 kg s2 =25092 N cm =2.51kN/mm

計(jì)算每個(gè)隔振器的要求剛度：

k= K n = 2.51 6 =0.42kN/mm

計(jì)算每個(gè)隔振器的要求載荷：

Pi Mg 6 = 300×9.8 6 =490N

在我們求得隔振設(shè)計(jì)所需的每個(gè)隔振器的載荷和剛度時(shí)，我們就可以初步選定隔振器。在樣本或手冊(cè)上得到的隔振器的參數(shù)之后，我們便需要通過步驟5和6的反復(fù)迭代來調(diào)整合適的M、K、C來滿足工程要求。

（5）核算設(shè)備振幅或隔振效率。

試算隔振體系上所要求的振動(dòng)控制點(diǎn)上的機(jī)器振幅A，使之滿足：

A?A???? A ——容許振動(dòng)的線位移

當(dāng)機(jī)器以垂直振動(dòng)完全獨(dú)立方式支撐時(shí)，由激振力F所引起的機(jī)器振幅A：

A= Fg? 2πfn 2W × 1 1- f/fn 2

（7）

式中：A——容許振幅，m;W——隔振體系的總重量，kN;f——干擾力的頻率，Hz; fn——系統(tǒng)固有頻率，Hz;g——重力加速度，m/s2

由公式（7）或f0= 5??? δcm? 推得：A= g? 2πf0 2 × 1 1- f/f0 2 =0.000107m=0.107mm

所以冷卻風(fēng)機(jī)通過共振時(shí)最大振幅為ΔA= 1+ 1 T? A=1.18mm滿足振幅要求±2mm以內(nèi)。

（6）選定隔振器的類型與型號(hào)，進(jìn)行隔振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

若選用橡膠隔振器或金屬隔振器（一般情況），在樣本或工程手冊(cè)上已經(jīng)給出其每個(gè)隔振器的最大載荷能力，以及自激圓頻率ωz，通過kz=Mωz2來比對(duì)k;另外通過風(fēng)機(jī)通過共振時(shí)允許的振幅 Amax 來要求阻尼比：

ζ> 1 2 Amax?? P0 kz? ωZ2 ωn2? （8）

式中：P0—總擾力，N;kz——隔振器的剛度，kg/s2;ωZ——隔振器的自激圓頻率，rad/s;ωn——系統(tǒng)的固有圓頻率，rad/s。

這里我們結(jié)合工程實(shí)例，進(jìn)行橡膠隔振墊的厚度和截面積的尺寸設(shè)計(jì)。橡膠的主要材料有天然橡膠（NR）、丁腈橡膠（NBR）、氯丁橡膠（CR）及丁基橡膠（JIR），對(duì)比它們的性能和使用范圍，主體材料選用氯丁橡膠（CR），因?yàn)樗吞旌蛐院?，具有良好的耐自然老化、耐熱、耐寒及良好的彈性和緩沖吸震性能。阻尼比ζ=0.075～0.30。

（7）計(jì)算所要求的剛度，可由以下公式求得：

k= P g? 2πf0 2（N/m） （9）

式中：P——擬每個(gè)隔振器的承載量（N）;g——重力加速度（m/s2）;

f0——期望的共振頻率，應(yīng)SymbolcB@ 1/3～1/5 振源頻率。

我們?cè)诓襟E4求得每個(gè)隔振器的剛度要求k=0.42 kN/mm=0.42×106 N/m。

（8）靜變形ΔH= P K × Ed ES? m = 490 0.42×106 ×2.5=2.92×10-3m （10）

式中：Es——橡膠的靜態(tài)彈性模量（N/m2）;Ed——橡膠的動(dòng)態(tài)彈性模量（N/m2）;一般取Ed=2.5ES，此時(shí)肖氏硬度為50HS。

（9）計(jì)算橡膠塊的高度H，一般取H= 4～6 ΔH，即橡膠塊的高度為：

H= 4～6 ×2.92×10-3= 11.7～17.5 ×10-3取H=15×10-3m=15mm

（10）計(jì)算截面積S= HK 2.5Esζc? （m2） （11）

式中：溫度系數(shù)ζc，一般取ζcSymbolcB@0.5 ，Es= 28～36 ×105（N/m2）。

求得S= HK 2.5Esζc = 15×10-3×0.42×106 2.5×32×105×0.5 =1.58×10-3 m2 （12）

（11）確定外形：對(duì)于外形，方形塊的邊長或圓形塊的直徑（D）在下述范圍為合適，否則修正上述步驟。即公式4HDH 。設(shè)定為圓形塊時(shí)，由S= πD2 4 求得：D=0.045m≈50mm。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，往往很難找到與設(shè)計(jì)值一樣的橡膠減振膠圈，我們需要根據(jù)現(xiàn)有廠家的產(chǎn)品樣本或工程手冊(cè)來匹配成型的橡膠減振器（或減振墊），并對(duì)其安裝后的隔振體系的隔振效率進(jìn)行驗(yàn)算，保證滿足工程指標(biāo)要求。

3 結(jié)論

大型兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，各部件之間的振動(dòng)相互作用對(duì)于整機(jī)的剛度和穩(wěn)定性有著很大的影響。本文從隔振的角度出發(fā)，通過對(duì)比各類隔振器的特點(diǎn)，篩選出冷卻風(fēng)機(jī)用橡膠減震器，并結(jié)合其振動(dòng)的力學(xué)模型分析，提出一套有效的隔振元件選型設(shè)計(jì)方法，最后對(duì)橡膠減震器進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，通常遇到的振動(dòng)是多自由度的，是復(fù)雜耦合的。這就需要我們能更快的、準(zhǔn)確地建立數(shù)學(xué)模型，并能夠分解成簡單的單自由度系統(tǒng)，然后進(jìn)行解耦。數(shù)字化和程式化技術(shù)能夠有效的防止人為錯(cuò)誤的產(chǎn)生和不必要的重復(fù)工作，是未來隔振器選型設(shè)計(jì)的必然趨勢。

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