水電站機電設備隔振措施分析

張全利

(遼寧省水資源管理集團，遼寧 沈陽 110000)

水電站廠房的機電設備由于受到動力荷載及水動力荷載的綜合影響，在運行過程中水電站廠房振動較為明顯[1]。振動會對廠房的機電設備產生不同程度的影響，使得機組產生誤停機現象[2]。因此需要對廠房機電設備的隔振措施進行分析，提高機電設備的運行效率[3]。當前，國內學者對于機電設備的隔振措施進行了相關研究，取得一定的研究成果[4- 8]，這些研究成果表明彈簧阻尼隔振措施在機電設備隔振措施實施中具有隔振效果好，使用期限長的特點。但是由于水電廠設備運行的特殊性，其機電設備的靜態承載力密度對其振動影響較大[9]，需要對機電設備靜態承載力密度進行結構優化，從而提高隔振措施的應用效果。本文結合數值模擬方法，對遼寧省某水電廠廠房的機電設備進行靜態承載力密度的優化，并對比優化前后隔振措施的效果，提出最佳的隔振措施。

1 機電設備隔振理論

其主要理論為彈簧阻尼理論進行水電廠廠房機電設備的隔振研究，將一定剛度和質量的混凝土板放置在彈簧阻尼器上進行隔振，該理論假定基礎為剛體結構，結合粘滯阻尼進行隔振阻尼力計算，結合動力學方程對其浮動裝置運動方程計算，計算方程為：

mv(t)+cv(t)+kv(t)=-mvg(t)

(1)

式中，v(t)—運動位移，mm；vg(t)—運動荷載；m—質量塊動能系數；c—阻尼系數；k—剛度系數。

在運動方程計算的基礎上，對其浮動裝置的穩定相對位移進行計算，計算方程為：

(2)

(3)

方程中的變量與上述方程變量含義相同。

在靜態相對位移計算的基礎上，需要對振幅傳導力進行計算，計算方程為：

(4)

式中，vtmax—浮動裝置在隔振措施下的最大相對位移，mm。

2 計算模型建立

選取遼寧地區某壩后式水電站廠房為研究實例，該水電站廠房內有4個水輪發電機組，各機組的額定頻率為1.48HZ，對各廠房的機組設備進行隔振措施的分析，建立相關分析模型。模型構建主要包括幾何參數、物理參數以及隔振器的阻尼比和剛度。

2.1 幾何參數

采用T型結構進行隔振底座的方案設計，由于底座質量重心較高，因此增加其底座腹部的質量，且加大其底座與中心之間的距離，因此采用單個隔振器的容重為1.4t/m3，其臺座表面為鋼板，單個隔振器示意如圖1所示。

圖1 單個隔振器示意圖

2.2 物理參數

(1)浮動裝置的質量為3t，質量中心的高度為3.5m，其慣性矩結構見表1。

表1 隔振浮動裝置的慣性矩結構

(2)隔振器剛度設置

為提高隔振器的效果，采用空氣彈簧的方式進行隔振器剛度的設置，共設置10個空氣彈簧，每個隔振器剛度設置方程為：

Kzi=Kxi=Kyi=1145.3N/cm

(5)

(3)隔振器阻尼比設置

設置隔振器Z方向的阻尼系數為1.5，其他方向均為1.2。

3 模型計算結果

3.1 自振動頻率分析

結合現場試驗的方式對隔振措施下的機電設備的自振動頻率進行分析，分析結果見表2。

表2 隔振措施下自振動頻率周期分析

從各方向的自振動頻率周期分析結果可看出，3和6階兩個自振動頻率周期變化不大，其他階數較這兩個階數自振動頻率周期變化性較大，這主要是因為其基底的底座并未和實際情況完全吻合，其豎直方向具有一定的偏差，考慮到底座的基礎作用和其自振頻率的相關度不高，使得基礎底座不同階數下扭轉速度對自振頻率周期性影響也不大，因此增加基礎底座的剛性強度，對其振動影響不大，需要進行隔振措施處理，提高其基礎底座的抗振性能。

3.2 擾動頻率對振動影響分析

分析不同方向各擾動頻率對其機電設備底座的隔振輸出幅值和隔振效率，結果見表3—5。

表3 頻域內X方向振動輸入時的振動輸出幅值

表4 頻域內Y方向振動輸入時的振動輸出幅值

從表中可看出，在不同干擾的頻域范圍內，經過隔振措施后，X方向、Y方向以及Z方向的隔振效率均值分別減少75.1%、79.8%以及81.2%，從安全角度考慮，采用隔振措施后，其機電設備的工臺臺面的最大振幅輸出值為8.35um/s，也同樣在在振動允許的規范值內。在不同干擾頻域范圍內，采用隔振措施后，振動頻率較為集中的頻域內，且振動明顯遞減，且隨著干擾頻率的遞增，機電設備隔振效果越佳。

3.3 隔振效果對比分析

對靜態承載力密度優化前后的隔振效果進行對比分析，分析結果見表6。

從表6中可以看出，靜態承載力密度對于隔振措施影響較為明顯，在靜態承載力密度優化氣候，不同頻率比下，振動頻率較優化前有所減少，且隨著振動頻率和頻率比的增加，優化前后的振動頻率變幅逐步較大。從優化前后的隔振效率對比結果可看出，相比于靜態承載力密度優化前，優化后的隔振效率得到顯著提升，各振動頻率和振動頻率比下，隔振效率的變幅都呈現正向變化，且隨著振動頻率的頻率比的增加，優化前后的隔振效率變幅逐步加大，可見，靜態承載力密度對于隔振措施影響較大。

表6 優化前后隔振效果對比分析

3.4 擾動轉速及隔振溝深度對振動影響分析

考慮機電設備擾動轉速以及隔振溝深度對于振動位移和速度幅值的影響，對不同機電設備擾動轉速以及不同隔振溝深度變化下的位移和速度幅值變化曲線進行數值模擬分析，分析結果如圖2—3所示。

從位移和速度變化幅值隨擾動轉速變化曲線的總體變化趨勢可看出，隨著擾動轉速頻率的遞增，其各位移和速度變化幅值逐步減小，呈現遞減變化趨勢，對于較為精密的水電廠機電設備而言，需要重點注意低頻段振動頻率的影響。對于距離隔振溝較為接近的區域，擾動轉速對位移和速度變幅的影響較大，隨著距離的遞增，其擾動轉速對位移和速度變幅的影響逐步減小。從圖3中可看出，當機電設備采取隔振措施達到穩定振動的頻率后，隨著隔振設備和機電動力設備之間距離的遞增，水平方向的位移和速度變幅呈現先遞增后遞減的變化趨勢，而在豎直方向，這種變化趨勢較小。隨著隔振溝深度的增加，振動效果逐步遞增，但在有的區域，隔振溝對振動產生一定負向變化的影響，因此對于振動頻率不高的機電設備，應該采用設置連續空溝進行隔振措施的實施。

圖2 位移和速度幅值隨擾力轉速的變化曲線

圖3 位移和速度幅值隨隔振深度的變化曲線

3.5 振動衰減規律分析

對振動措施下隔振點的衰減規律進行分析，分析結果見表7。

從表7中各頻率下的振動衰減規律的整體分析結果可看出，無論隔振溝和機電動力設備距離的遠近，都具有較為相似的隔振效率衰減規律，距離隔振溝較遠的隔振點，其振幅變化較大，且隨著隔振溝距離的遞增，其隔振點的衰減變幅呈現一定的遞增變化趨勢。從兩個衰減點的變化可看出，隔振措施在深度方向的衰減要比其水平方向的衰減變幅要大，這主要是因為能量波的傳播范圍，因此可將需要避免隔振的設備位于隔振溝20m的距離范圍內，保障其隔振的性能。

表7 隔振前后振動衰減規律分析結果

4 主要結論

(1)在同一隔振溝位置下，隨著隔振溝深度的遞增，其自振頻率變化較小，隔振措施體系對高頻域的隔振效果影響較為顯著，考慮到彈簧阻尼范圍的影響，自振頻率應選擇在3.5～4.0Hz較為適宜；

(2)考慮到水電站廠房機電設備擾動頻率的影響，在建設許可的范圍內，應盡量將隔振體系的基礎頻率遠離擾動頻率范圍，提高隔振措施的隔振性能；

(3)考慮到隔振措施的安裝應是分階段實施的，在以后的研究中還需要對機電設備安裝的各個階段均進行隔振效果的測試，使得機電設備隔振措施的效果達到最佳。