彈性元件動剛度的直接法實驗研究

王 勇,李志遠,費標求

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009)

【機械制造與檢測技術】

彈性元件動剛度的直接法實驗研究

王 勇,李志遠,費標求

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009)

針對現有居民變電站變壓器重心過高，導致出現明顯的搖擺現象，引發的結構噪聲較大的問題，提出了建立新型“Z”型隔振器方案，以解決變壓器重心過高所引起的搖擺問題。針對變壓器的優勢頻率選擇彈簧，并通過彈性元件振動-聲傳遞特性實驗室測量方法的直接法測量原理，搭建實驗平臺，測試隔振器彈簧的動剛度，分析得出彈簧的動態性能，以滿足隔振器設計要求。

變壓器；隔振器；彈性元件； 動剛度； 動態性能

隨著科技和經濟的迅速發展，人們對生活質量的要求越來越高，振動與噪聲帶來的污染和危害逐漸受到人們的關注和重視。現如今鑒于某居民變電站變壓器所產生的振動，噪聲問題嚴重影響了人們的生活質量，因此對于如何設計新型隔振器以減少變壓器振動產生的結構噪聲問題的研究就顯得十分有意義[1]。本研究主要針對現有變壓器重心過高，導致出現明顯的搖擺現象，其振動引起的結構噪聲愈發嚴重的現狀，提出“Z”型隔振器的原理設計方案，并根據彈性元件振動-聲傳遞特性實驗室測量方法的直接法測量原理，搭建實驗平臺，測試隔振器彈簧的動剛度，分析得出彈簧的動態性能，驗證“Z”型隔振器設計方案滿足隔振器設計要求

1 “Z”型隔振器方案設計

1.1 變壓器振動噪聲機理

研究結果表明，干式變壓器主要噪聲源來自于以下幾個方面[2,3]：第一，硅鋼片在磁致伸縮過程中，鐵芯會隨著做周期振動；第二，漏磁產生一定的磁場力，促使了鐵芯的振動；第三，當負載電流通過線圈時，會產生一定的漏磁，產生磁感應力；第四，鐵芯的磁致伸縮所引發的，變壓器振動又依靠鐵芯墊腳、其他固體結構、外箱、空氣等路徑向外傳遞。

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

1.2 “Z”型變壓器隔振設計原理

進行隔振設計時一定得注意方案的選擇，必須從具體使用情況和經濟性來考慮，選擇經濟合理的隔振設計方案。隔振裝置必須要經過隔振計算后才可確定。需要注意的是變壓器的優勢頻率與隔振器的固有頻率之比應≥2.5倍，以保證隔振器具有較高的隔振效率。安裝隔振元件時要求隔振元件的剛度中心與隔振體系的質心在同一鉛垂線，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]。

已知變壓器質量為2 t，隔振設計選用4個隔振器，單個隔振器采取并聯彈簧的連接方式。變壓器優勢頻率為100 Hz，由隔振器的固有頻率計算公式可得

m=(200÷4)÷2=250 kg

由上可知變壓器的優勢頻率與隔振器的固有頻率之比應≥2.5倍，因此可算出剛度范圍

k≤15 775 N/mm

1.3 “Z”型隔振器設計方案的選擇

如圖1所示為現有變壓器隔振設計方案，常用的就是在變壓器底部安裝隔振器。針對目前某小區居民變電站變壓器實際隔振設計可知，加裝的隔振器為復合阻尼彈簧隔振器，其型號為ET1-15。由圖1可知隔振器縱向高度為200mm，這導致了變壓器重心過高，出現左右搖擺現象，增加了振動引起的結構噪聲。此外，隔振器彈簧剛度偏低，隔振器的隔振效果不好。

圖1 復合阻尼彈簧隔振器隔振系統模型

由上可知，針對目前居民變電站變壓器隔振設計的欠缺主要有2點：其一是隔振器的選擇不合理，現有隔振器彈簧剛度偏低；其二是隔振器縱向高度過高，這導致了變壓器重心過高，引起的結構左右搖擺。因此在此基礎上提出了“Z”型變壓器隔振器的設計方案，其隔振設計原理圖如圖2。

圖2 “Z”型變壓器隔振器結構設計原理

圖2所示即為針對當前不足所設計的新型隔振方案，從圖2中可以看出變壓器的底部距離地面基礎垂直高度為20mm，相對于之前方案的200mm，變壓器的重心明顯的降低了，這對緩解變壓器左右搖擺和減小其結構噪聲具有很大的幫助。結合圖2可以看出，隔振器整體外觀呈現“Z”字型，因此稱為“Z”型隔振器。隔振器的設計部分最核心的內容在于彈簧的設計，相對于圖1所示隔振器的單個彈簧，“Z”型隔振器采用兩根彈簧并聯的方式，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≥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，隔振器核心設計部分是彈簧的設計，而彈簧的設計最關鍵的是分析其動態性能，因此還需要對彈簧進行動剛度的實驗研究。

2 隔振器彈簧動剛度實驗研究

2.1 直接法測動剛度實驗原理

測定平移運動彈性支撐部件動剛度的直接法是測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。動剛度取決于頻率、靜態載荷和溫度等因素。

直接法基本實驗原理如圖3所示： 激振系統對整個測試系統進行激振，加速度測量系統和力測量系統分別采集通過隔振元件輸入端的加速度信號和輸出端的力信號[6]。被測隔振元件放置于輸入端的激振質量塊和輸出端的剛性基礎之間。動剛度為

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; 2.移動臂; 3.柱子; 4.被測元件;5.力測量系統; 6.剛性基座

測量頻率范圍：測試裝置都有其有限的工作頻率范圍，只有在這一范圍內才能進行有效測試。其中一個限制是激振器的工作頻帶寬度，另一個限制是來自于阻滯輸出力測量的一些要求。本次實驗所用動態測試儀掃頻頻率為1～100 Hz。

2.2 實驗測試系統及實驗儀器

1) 動態測試儀：本次實驗最主要的測試裝置選用的是UD-3600動態測試儀，它具備了了直接法實驗原理中的所需測量系統,具體如下：

2) 剛性基礎底座：在本實驗設計中主要是支撐整個測試系統，為其他各部件提供一個穩定的工作基礎，并且要求其剛性和質量是足夠的。實驗所用隔振元件及其夾具尺寸、質量等都相對較小，因此該動態測試儀基礎底座作為基礎支撐其剛度和質量都是足夠的。

3) 激振系統-激振器：實驗中可以采用能夠同時提供靜態預載的液壓激振器或電動激振器。由于本實驗測量頻率范圍是1～100 Hz，而對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式激振器要好。

4) 加速度測量系統和力測量系統：力速度測量系統用以測量輸出端阻滯力，動態測試儀所用的力傳感器是應變式力傳感器。本次實驗均采用的是動態測試儀上已裝置的加速度傳感器和力傳感器進行實驗測試。

2.3 實驗過程與結果分析

實驗分為單個彈簧動剛度實驗現場裝置如圖4所示，并聯彈簧動剛度實驗裝置如圖5所示。

圖4 單個彈簧動剛度實驗裝置

圖5 并聯彈簧動剛度實驗裝置

圖4所示為單個彈簧動剛度實驗現場圖，將彈簧穩定放置在動態測試儀圓盤中間，手動調節圓盤上下移動按鈕使其接觸良好，開始計算機參數設定。首先給動態測試儀力傳感器和加速度傳感器進行校準歸零，設定測試溫度，給定彈簧的預載荷為3 000 N，初始振幅為1 mm，測試波形為正弦波，預先加載兩次，第三次的加載過程中正式進行測量。啟動動態測試儀信號源功能進行激振，動態掃頻頻率從1～100 Hz結束。記錄實驗結果曲線如圖6、圖7和數據表1、表2所示。

圖6 彈簧1動態特性曲線

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時的頻率響應函數曲線，動剛度是關于頻率的函數，因此頻率響應曲線圖就是指彈簧的動剛度。為了更加直觀地了解彈簧1在1 Hz到100 Hz掃頻過程中的動剛度值，表1列出了部分具體頻率下的動剛度。

表1 彈簧1動剛度測試數據表

彈簧2測試結果曲線如圖8、圖9所示。

圖8 彈簧2動態特性曲線

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時的頻率響應函數曲線，同上此頻率響應曲線圖就是代表了彈簧2的動剛度。表2中也列出了部分具體頻率下的動剛度。

表2 彈簧2動剛度測試數據表

圖5是彈簧并聯動剛度的實驗現場圖，根據動態測試儀操作規程首先給動態測試儀力傳感器和加速度傳感器進行校準，設定測試溫度，給定并聯彈簧的預載荷為6 000 N，設定初始振幅為1 mm，測試波形為正弦波，預先加載兩次，第三次的加載過程中正式進行測量。啟動動態測試儀信號源功能進行激振，動態掃頻頻率從1～100 Hz結束。記錄實驗結果曲線如圖10，圖11和數據表3所示。

圖10 并聯彈簧動態特性曲線

圖11 并聯彈簧頻率-阻尼曲線

表3 并聯彈簧動態測試數據表

圖10中給出了并聯彈簧在掃頻從1 Hz到100 Hz時的頻率響應函數曲線，因此上述曲線就是指并聯彈簧的動剛度。表3中也列出了部分具體頻率下的動剛度。

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

3 結論

本研究通過分析變壓器振動噪聲產生機理，結合現有居民變電站變壓器重心過高，導致左右搖擺，振動引起的結構噪聲偏大的問題，提出了新型“Z”型隔振器設計方案，得出了“Z”型設計方案原理圖，并針對隔振器核心部件彈簧進行測試動剛度，研究動態性能的實驗，通過彈性元件-聲傳遞特性實驗室測量方法的直接法測量原理，搭建了實驗平臺，分別測出了單一彈簧和并聯彈簧在1～100 Hz掃頻下的動剛度曲線和頻率-阻尼曲線，得出結論，彈簧采取并聯方式使其剛度增加，解決了原有隔振設計重心過高和隔振器彈簧剛度偏低的不足，驗證了“Z”型隔振器方案設計的合理性。

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[4] 徐建.隔振設計規范理解與應用 [M].北京：中國建筑工業出版社，2009:1-11.

[5] 韓潤昌.隔振降噪產品應用手冊 [M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，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].

(責任編輯 唐定國)

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控制方面的研究。

10.11809/scbgxb2015.08.023

王勇,李志遠,費標求.彈性元件動剛度的直接法實驗研究[J].四川兵工學報，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