變壓器彈簧減振降噪裝置的設(shè)計(jì)研究

國(guó)網(wǎng)蘇州供電公司 楊啟明 趙子寧 薛偉峰

1 引言

變壓器作為變電站關(guān)鍵設(shè)備，在整個(gè)變電站電力輸送方面發(fā)揮著非常重要的作用。但在變壓器實(shí)際運(yùn)行過程中，自身以及冷卻系統(tǒng)會(huì)發(fā)出頻次較高的噪音。這種噪音不僅會(huì)影響變壓器本身的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)還會(huì)對(duì)周邊居民日常生活帶來嚴(yán)重的影響，甚至還會(huì)危及居民身體健康。隨著社會(huì)對(duì)變電站建設(shè)提出的要求越來越高，僅僅采用傳統(tǒng)的橡膠減振墊片，已經(jīng)難以滿足實(shí)際變電站減振降噪的需求，因此有必要加強(qiáng)對(duì)一種變壓器彈簧減振降噪裝置的設(shè)計(jì)研究，從而有效解決上述問題，防止變電站中的變壓器產(chǎn)生過大的噪音。這不僅有利于周邊居民身體健康，同時(shí)對(duì)改善變壓器本身的運(yùn)行狀態(tài)也有著較為積極的影響意義。

2 研究背景

變壓器在實(shí)際工作運(yùn)行時(shí)，自身會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲。從變壓器噪音形成源頭來看，主要包括以下幾點(diǎn)原因：一是變壓器運(yùn)行引起箱體振動(dòng)。變壓器在實(shí)際運(yùn)行過程中，無論是機(jī)殼、風(fēng)機(jī)、還是母線橋等，都容易發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象。其中，機(jī)殼和風(fēng)機(jī)的噪聲主要是由機(jī)械振動(dòng)引起的。對(duì)于母線來說，當(dāng)內(nèi)部電流較大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，從而引起母線振動(dòng)。這種振動(dòng)也會(huì)帶動(dòng)母線橋振動(dòng)，造成變壓器噪聲。與此同時(shí)，在變壓器相鄰疊片及硅鋼片的接縫部位，也會(huì)出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象，由此引起共振問題。

二是變壓器安裝不當(dāng)。部分安裝人員在進(jìn)行變壓器安裝時(shí)，沒有做好變壓器設(shè)備的平衡工作，整體安裝不穩(wěn)固，在運(yùn)行期間產(chǎn)生振動(dòng)，引發(fā)噪聲。

三是變壓器線圈振動(dòng)。當(dāng)變壓器線圈流過負(fù)載電流時(shí)，就會(huì)發(fā)生漏磁現(xiàn)象，導(dǎo)致線圈振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。

變壓器的噪音頻次如果高達(dá)50Hz，對(duì)周圍居民日常生活將會(huì)帶來嚴(yán)重的干擾。同時(shí)，長(zhǎng)期生活在這種噪聲環(huán)境下，還會(huì)對(duì)居民的身心健康帶來嚴(yán)重的威脅。因此，在實(shí)際進(jìn)行變電站建設(shè)時(shí)，除了需要注重做好隔音處理以外，還需要從噪音來源入手，加強(qiáng)對(duì)變壓器振動(dòng)噪聲控制。從當(dāng)前變壓器市場(chǎng)環(huán)境情況來看，絕大多數(shù)變壓器本身能夠滿足電力運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。但往往忽略了對(duì)運(yùn)行環(huán)境的關(guān)注，難以有效降低變壓器噪音。因此，需要采用一些輔助噪音控制設(shè)備，有效降低噪聲。通過從聲音傳播學(xué)角度入手，來對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)聲音傳播進(jìn)行分析，并針對(duì)發(fā)聲來源——變壓器機(jī)組，來進(jìn)行隔振處理，在此基礎(chǔ)上，還可以鋪設(shè)一些吸聲設(shè)備，有效削弱變壓器運(yùn)行噪音的影響。

實(shí)踐表明，減輕變壓器振動(dòng)，能夠有效改善變壓器噪音污染問題[1]。而對(duì)金屬?gòu)椈蓙碚f，其具有較好的緩沖減振、抗腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，并且彈簧的使用壽命也相對(duì)較長(zhǎng)。在這一背景下，可以嘗試設(shè)計(jì)一種變壓器金屬減振降噪裝置，來替代傳統(tǒng)橡膠減振墊片，有效彌補(bǔ)了其使用壽命較短、易老化的缺陷。為了達(dá)到這一目的，解決變壓器噪聲污染問題，本文針對(duì)型號(hào)為S11-M-630/10變壓器,設(shè)計(jì)了一種新型金屬?gòu)椈蓽p振降噪裝置。在此基礎(chǔ)上，利用ANSYS 軟件，建立有限元模型對(duì)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，從中獲得該彈簧裝置固有頻率，并通過計(jì)算，從理論層面出發(fā)，得出裝置振動(dòng)傳遞率與減振效率數(shù)值。

3 變壓器彈簧減振降噪裝置的設(shè)計(jì)分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)減振裝置來說，一般分為兩種減振類型，一是主動(dòng)減振類型，另一種是被動(dòng)減振類型。針對(duì)變壓器減振設(shè)計(jì)，為了降低變壓器運(yùn)行振動(dòng)幅度，削弱噪聲向外擴(kuò)散的影響力。針對(duì)變壓器金屬?gòu)椈蓽p振裝置設(shè)計(jì)，可采用第一種減振類型，即主動(dòng)減振，主要目的是主動(dòng)削弱變壓器振動(dòng)的頻率，并加強(qiáng)噪音控制擴(kuò)散范圍的控制，有效降低噪音帶來的影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可采用組合彈簧設(shè)計(jì)形式。這種設(shè)計(jì)形式能夠有效保障壓簧穩(wěn)定性，同時(shí)還能夠正確彈簧建筑裝置的抗疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)其使用壽命。在設(shè)計(jì)時(shí)，可采用埃爾米特矩陣，并聯(lián)設(shè)置12根彈簧，如此一來，可以對(duì)振動(dòng)時(shí)間進(jìn)行有效的延遲，還能有效削弱振動(dòng)幅值。這對(duì)整個(gè)彈簧裝置的減振效率提升也有著積極的影響意義。

變壓器金屬?gòu)椈蓽p振降噪裝置如圖1所示。在圖1中，1代表“泡沫鋁”；2代表“裝置上頂板”；3代表“金屬?gòu)椈伞保?代表“裝置下底板”；5代表“導(dǎo)套”；6代表“矩形盒”。通過圖1可知，在上、下頂板之上，分別焊接了固定導(dǎo)套；與此同時(shí)在不同導(dǎo)套之中，則分別固定了對(duì)應(yīng)的金屬?gòu)椈桑瑥亩_保了彈簧在導(dǎo)套與頂板的約束下，只會(huì)進(jìn)行上、下位移，不會(huì)左、右、前、后進(jìn)行位移。在上、下底板中，還焊接有矩形盒，在矩形盒內(nèi)，放置了泡沫鋁。這種泡沫鋁材質(zhì)具有較好的吸振降噪作用。同時(shí)，在上、下頂板四周，還焊接了鋼板。在彈簧運(yùn)動(dòng)過程中，如果自身承受的壓力過高，已經(jīng)超過了自身能夠承受的最大壓力，此時(shí)上、下會(huì)直接貼合在一起，避免彈簧進(jìn)一步變形。該設(shè)計(jì)可以對(duì)彈簧導(dǎo)向與過載起到非常好的保護(hù)作用。

圖1 變壓器金屬?gòu)椈蓽p振降噪裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 彈簧裝置技術(shù)指標(biāo)

變壓器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，發(fā)出的噪音分為多種類型，一種是變壓器本身發(fā)出的噪音，還有一種是變壓器冷卻系統(tǒng)發(fā)出的噪音。前者發(fā)出噪音聲時(shí)，主要受鐵芯和繞組振動(dòng)的影響。這種振動(dòng)將通過鐵芯墊和變壓器油傳遞到變壓器的箱體。由此會(huì)發(fā)出本體噪音。后者則是變壓器的風(fēng)扇油泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)所引起。對(duì)鐵芯而言，在振動(dòng)發(fā)聲時(shí)，是因?yàn)楣桎撈艽胖律炜s的影響，從而進(jìn)行發(fā)聲振動(dòng)[2]，并且這種振動(dòng)頻率比較高。繞組在進(jìn)行振動(dòng)發(fā)聲時(shí)，則是受電流在繞組中產(chǎn)生的電磁力所影響。在變壓器中，鐵芯與繞組還會(huì)受諧波電磁力分布頻率的影響，一般頻率范圍在100～500Hz。

對(duì)彈簧減振降噪裝置而言，相較于傳統(tǒng)降噪裝置，這種裝置工作運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，且整體的裝置結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單。不僅如此，該裝置在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，對(duì)負(fù)載有著非常嚴(yán)格的要求。一般情況下，要求承載物重要不得超出變壓器金屬?gòu)椈蓽p振降噪裝置的負(fù)載。對(duì)型號(hào)為S11-M-630/10的變壓器而言，在含油的情況下，這種變壓器質(zhì)量為2341kg，長(zhǎng)為1.57m，寬為0.92m。通過在該變壓器底座下配置兩個(gè)金屬?gòu)椈蓽p振降噪裝置，便能夠起到良好的降噪隔振效果。設(shè)計(jì)的金屬?gòu)椈蓽p振降噪裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：負(fù)載質(zhì)量為1200kg；垂直剛度為1mm/49kg；阻尼比為0.09；具體規(guī)格為90cm×30cm×15cm。

3.3 金屬?gòu)椈蓞?shù)設(shè)計(jì)

對(duì)變壓器而言，在實(shí)際工作運(yùn)行時(shí)，自身產(chǎn)生的動(dòng)載荷并不高,與變壓器自重相比，這種荷載可以忽略不計(jì)。在裝置內(nèi)部，彈簧采用了并聯(lián)布置形式。并且針對(duì)不同的彈簧，排列形式一致，實(shí)際受力也基本相同。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮頂板的重量，為了保證裝置的安全，每個(gè)彈簧的外力值可設(shè)定為1.05kN。從材質(zhì)角度來看，這種金屬?gòu)椈煽刹捎?0Si2Mn 金屬材料，彈簧類型為圓柱螺旋壓縮彈簧，材料的許用切應(yīng)力[τ]=480MPa，切變模量G=80000MPa。在計(jì)算曲度系數(shù)K 時(shí)，可采用以下公式：

在公式（1）中，C 代表彈簧旋繞比，取值為8。

在計(jì)算彈簧絲直徑d 時(shí)，可采用以下公式：

在公式（2）中，F(xiàn)max代表的是彈簧承受最大壓力，取值為1.05kN。其他字母代表意思同上。

通過將上述數(shù)值代入公式（1）和公式（2）之中。可計(jì)算出K=1.18，d ≥7.3mm。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，根據(jù)GB/T1358-2009規(guī)定，彈簧尺寸取整數(shù)值8mm。

這種圓柱螺旋彈簧的中徑D 計(jì)算公式如下：

將上述數(shù)值代入公式（3），可得出D=64mm。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，根據(jù)CB/T1358-2009規(guī)定，圓柱螺旋彈簧D 取值65mm，內(nèi)徑D1取值57mm，D2取值73mm。

在計(jì)算圓柱螺旋彈簧有效圈數(shù)n 時(shí)，可采用以下公式：

在公式（4）中，KF代表的是彈簧剛度，取值為470.4mm。

在計(jì)算圓柱螺旋彈簧節(jié)距P 時(shí)，可采用以下公式：

在公式（5）中，α 代表的彈簧螺旋角，取值為6°。

在計(jì)算圓柱螺旋彈簧自由高度HO時(shí)，可采用以下公式：

通過將數(shù)值代入上式，可計(jì)算得出圓柱螺旋彈簧有效圈數(shù)n 為3.35圈。圓柱螺旋彈簧節(jié)距P 為24.68mm，圓柱螺旋彈簧自由高度HO為110.12mm。根據(jù)CB/T1358-2009規(guī)定圓柱螺旋彈簧有效圈數(shù)n 為4圈，同時(shí)在有效圈上還應(yīng)加2至2.5圈，因此最終圓柱螺旋彈簧有效圈數(shù)n，可取值為6圈。圓柱螺旋彈簧自由高度HO，取值為115mm。

4 變壓器彈簧減振降噪裝置有限元分析

在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過采用ANSYS 軟件，來對(duì)圓柱螺旋彈簧進(jìn)行有限元分析。在此過程中，需要建立有限元模型，完成材料參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最后對(duì)彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力模態(tài)分析，并根據(jù)分析結(jié)構(gòu)確定了彈簧的固有頻率。通過在ANSYS 軟件前處理器中，完成彈簧裝置三維模型的建立，并在不對(duì)最終結(jié)果造成影響的前提下，對(duì)模型做進(jìn)一步簡(jiǎn)化處理。然后在該模型的基礎(chǔ)上，再加入彈簧材料屬性信息。

其中，彈簧的上下頂板采用了45鋼，單元類型采用了Solid8，彈簧材料采用了60Si2Mn 金屬材料。其中，45鋼的彈性模量為2.16×105MPa，泊松比為0.269，密度為7865kg/m3。60Si2Mn 金屬材料的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.290，密度為7850kg/m3。在完成網(wǎng)格劃分后，還需要進(jìn)行模態(tài)分析。在這一過程中，需要對(duì)彈簧自由邊界條件進(jìn)行設(shè)置，具體范圍在0～500Hz。從最終分析結(jié)果來看，這種變壓器彈簧減振降噪裝置固有頻率為24.405Hz。

5 變壓器彈簧減振降噪裝置隔震效果分析

對(duì)變壓器彈簧減振降噪裝置而言，可以采用振動(dòng)傳遞率的大小來評(píng)價(jià)自身的隔振效果。而針對(duì)振動(dòng)傳遞率TR，可采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

在公式（7）中，ω 代表的是激振器固有的頻率，單位：Hz。ζ 代表的是阻尼比。ωn代表的是減振裝置固有的頻率，單位：Hz。其中，減振效率Js可采用以下公式計(jì)算：

從中可知，減振效率與減振效果成正比。通過在MATLAB 軟件的幫助計(jì)算公式（7），可得到如下結(jié)果：即當(dāng)減振頻率遠(yuǎn)大于時(shí)，能夠獲得非常好的減振效果，此時(shí)振動(dòng)傳遞率無限接近于0。通過進(jìn)行有限元分析，可知變壓器彈簧減振降噪裝置的固有頻率為24.405Hz。而變壓器的最低振動(dòng)頻率為100Hz，最小的頻率之比為3.8，與相比，數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)更大。因此能夠獲得非常好的減振效果[3]。最后，再通過將最小的頻率之比代入公式（7）、公式（8），可得出變壓器彈簧減振降噪裝置的振動(dòng)傳遞率為0.087，減振效率為92.51%。當(dāng)變壓器的振動(dòng)頻率上升至100Hz 時(shí)，通過計(jì)算可得頻率之比為7.6，此時(shí)變壓器彈簧減振降噪裝置的振動(dòng)傳遞率為0.027，減振效率為98.28%。通過這一計(jì)算可知，變壓器彈簧減振降噪裝置有著非常好的減振效果。

6 總結(jié)

總而言之，變壓器彈簧減振降噪裝置設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為專業(yè)且復(fù)雜的過程，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)認(rèn)識(shí)到變壓器噪聲本身帶來的危害，了解傳統(tǒng)變壓器減振降噪裝置存在的弊端，并以此為依據(jù)，針對(duì)性地提出一種變壓器彈簧減振降噪裝置設(shè)計(jì)方式。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，需要結(jié)合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，明確相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)信息與技術(shù)指標(biāo)，并做好相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算。同時(shí)，利用有限元分析方法對(duì)變壓器彈簧減振降噪裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模態(tài)分析，最終得到該裝置的固有頻率和振型。最后，還應(yīng)通過計(jì)算振動(dòng)傳遞率的大小，來對(duì)變壓器彈簧減振降噪裝置的減振效果進(jìn)行計(jì)算分析，從而有效保障變壓器彈簧減振降噪裝置的設(shè)計(jì)質(zhì)量。