大型成撬動力設備振動分析與實驗研究

張世亮， 嚴 謹， 張 全

(廣東海洋大學 工程學院，廣東 湛江 524088)

?

大型成撬動力設備振動分析與實驗研究

張世亮， 嚴 謹， 張 全

(廣東海洋大學 工程學院，廣東 湛江 524088)

設備成撬的概念在大型動力設備行業中應用已相當廣泛。探討了大型成撬動力設備振動原因，基于狀態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之間的規律關系。推導出了阻尼裝置上阻尼控制力與控制參數之間的函數關系，采用減縮尺寸的振動控制實驗平臺對計算結果和推導函數進行驗證，實現了對大型成撬動力設備振動問題的有效控制，為多振點聯動工況的振動控制提供理論參考。

成撬；動力設備；狀態空間；阻尼裝置

設備成撬的概念在大型動力設備行業中應用已相當廣泛，成撬具有結構緊湊占地面積小、便于現場安裝、可實現專業化設計開發等優點，特別是對于空間要求較高的諸如海洋油氣勘探開采、動力發電等領域是十分必要的[1]。成撬動力設備主要包括大型的天然氣壓縮機組、水汽輪發電機組、柴油發電機組、風力發電機組、大型泵類等，在國防、能源、礦山工程等領域扮演著十分重要的角色。但大型成撬動力設備的振動會引起結構的疲勞破壞和設備損壞，損害作業人員的身心健康，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 成撬動力設備振動特征與原因分析

1.1 成撬動力設備振動特征

成撬動力設備振動問題在工業生產中比較常見，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，總結得出：大型動力設備一般采用整撬撬裝方式，所以體積較為龐大，質量較大(甚至高達百噸級)，因此振動能量大；撬內外各部件及安裝基礎等的振動相互干擾、耦合，呈現非線性、多振點聯動特征；振動系統自由度數龐大，固有頻率低，且低頻模態密集，有一定規律的低頻為主的機械振動，且持續存在。典型的天然氣壓縮機撬塊結構布局如圖1所示。

圖1 某項目壓縮機成撬總體布局結構圖Fig.1 The overall layout diagram in a packaged compressor

1.2 成撬動力設備振動原因分析

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

2 成撬動力設備振動數值建模分析

2.1 建立狀態空間計算模型

本文基于文獻[7]建立成撬動力設備振動控制的二自由度模型[7]，選取x(y)和φ為廣義坐標，其中x為撬塊質心位置垂直運動的位移；y為撬塊安裝基礎位置垂直運動的位移；φ1為撬塊質心位置側傾運動的角位移，φ2為撬塊安裝基礎位置側傾運動的角位移。采用長為l帶質量的平板來模擬表征撬塊，區別于文獻[7]中建立的計算模型，本文采用兩質量塊來模擬表征動力設備，振動激勵F1=f1sin(ω1t+θ1)，F2=f2sin(ω2t+θ2)。撬板與基座之間有一并聯的彈簧(剛度分別為k1和k2)和阻尼缸(阻尼系數分別為c1和c2)，提供的控制力分別為fmr1和fmr2，如圖2所示。

圖2 成撬動力設備振動系統計算模型Fig.2 The vibration system model of packaged power equipment

成撬設備振動系統的狀態空間表達式可表示為：

(1)

2.2 計算分析

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

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

正弦函數能模擬因成撬動力設備動不平衡引起的振動激勵，是最接近現實工況的輸入函數。因此編制正弦函數激勵信號及阻尼(實際為阻尼比ζ)循環程序可計算得到當系統受正弦函數激勵時的響應曲線，如圖5所示。從圖中分析知，可以通過調節系統阻尼的方式實現對成撬動力系統的振動控制目標。

圖5 系統正弦激勵響應曲線Fig.5 The sinusoidal excitation response curve

2.3 阻尼控制力的推導與計算

根據上述分析可知，阻尼是影響撬塊振動系統的穩定性和激勵響應的關鍵因素之一，因此對阻尼控制力的推導是相當有必要的。本文將阻尼控制力fmr定義為包括彈簧作用力和流體介質阻尼作用兩部分，但當彈簧剛度不變且位移差較小時，流體介質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，根據流體在阻尼通道中的流體動力學特性分析及等效黏性阻尼的原則，可推導出其近似表達式為：

(2)

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

3 實驗方案與結果對比分析

3.1 縮尺振動控制實驗平臺

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

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

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

3.2 實驗結果對比分析

從上述實驗記錄數據對比可以得到，在實施調節節流閥阻尼裝置前后，振動激勵和振動響應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%，統計數據說明，通過間接調節阻尼缸前后壓力差方式可以實現調節阻尼的目的，對于成撬動力系統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、壓力差數據及推導公式通過MATLAB軟件描繪出來，如圖10所示。顯然，兩條曲線存在負相關性，即通過逐步增大節流閥開度，活塞前后壓力差隨之變大，相應的阻尼控制力以三次函數的速度增加，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，在液壓循環油路開啟和關閉狀態的對比實驗中，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。結果說明液壓循環油路關閉狀態時，經過約40 min的激勵振動，阻尼缸外壁溫度逐步升高，當開啟液壓循環油路后，阻尼缸外壁溫度有一定的降低，這說明處于循環油路狀態的阻尼裝置可以將產生的熱量轉移出阻尼缸腔體，從而避免了阻尼介質(抗磨液壓油)在溫度變化時性能變化。

4 結 論

本文針對大型成撬動力設備振動問題，建立了兩振點激勵的條件下多輸入多輸出的狀態空間表達式，并推導出減振裝置活塞前后壓差與系統阻尼之間的函數關系。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節活塞前后壓差的方式實現對撬塊上振動激勵的阻尼反饋控制，并摸索出通過循環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計和工程應用提供了新的思路和方向。

[1] 李瀟，陳巍. 海洋石油平臺設備成撬特點分析[J]. 石油和化工設備，2013, 16(4):39-40.

LI Xiao, CHEN Wei. The characteristics analysis of packged equipment on offshore oil platform [J]. Petro & Chemical Equipment, 2013, 16(4):39-40.

[2] 官耀華. 平湖油氣田往復式壓縮機振動故障實例分析[J]. 噪聲與振動控制，2012(4): 166-182.

GUAN Yaohua. Vibration faults example analysis of Pinghu oil gas field reciprocating compressor [J]. Noise and Vibration Control, 2012(4): 166-182.

[3] OU J P，XU L，LI Q S，et al. Vibration control of steel jacket offshore platform structures with damping isolation systems [J]. Engineering Structures, 2006,29:1525-1538.

[4] 趙東，馬汝建，王威強，等. 海洋平臺局部振動模態分析[J]. 石油大學學報(自然科學版)，2005, 29(1):75-78.

ZHAO Dong, MA Rujian, WANG Weiqiang, et al. Vibration modal analysis of local offshore platforms[J].Journal of the University of Petroleum(Natural Science),2005,29(1):75-78. [5] 范勇，馬汝建，林近山. 海洋平臺低頻振動測試[J]. 濟南大學學報(自然科學版)，2004, 18(1):46-48.

FAN Yong, MA Rujian, LIN Jinshan. Low frequency vibration measurement of offshore platforms[J]. Journal of Jinan University(Science Technology),2004,18(1):46-48.

[6] ZHANG Q，ZHANG S L，YAN J，et al. The application status and prospects of vibration control technology for large packaged power equipment [J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 543/544/545/546/547: 1457-1460.

[7] 譚平，DYKE S J. 飛機航電設備的半主動磁流變控制[J]. 地震工程與工程振動，2007, 27(6):203-210.TAN Ping, DYKE S J. Semi-active vibration control of aircraft avionics using MR dampers [J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2007,27(6):203-210.

[8] 肖啟瑞，樊明明，黃學翾，等. 車輛工程仿真與分析——基于MATLAB的實現[M]. 北京：機械工業出版社，2012.

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

嚴謹 男，博士，副教授，1974年生

TG714；UDC621

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.20.006