CN101408236A - 大型灯泡贯流泵房的减振方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减振方法，是大型灯泡贯流泵房的减振方法，对于泵房不可避免的振动，通过在混凝土机墩四个角底部设置满足减振设计要求的橡胶垫，来改变系统的自振频率，延长系统自振周期，并利用橡胶垫的粘性阻尼和滞变阻尼来吸收、耗散系统的振动能量，减小机组传递到泵房的动荷载以达到减振的目的。由于大型灯泡贯流泵的重量大、转速慢，机组运行中引起的低频振动很难削弱，因此必须对橡胶垫的参数(包括承载力、刚度、阻尼比等)进行严格控制，并通过隔振系数的计算及非线性仿真分析，合理确定橡胶垫的串并联数目，以达到满意的减振效果。

Description

大型灯泡贯流泵房的减振方法

技术领域

本发明涉及一种减振方法，具体的说是大型灯泡贯流泵房的减振方法。

背景技术

机组诱发厂房振动是泵站运行中最为常见的问题，这种长期持续的稳态强迫振动对放置于泵房内的控制泵站运行的仪器设备以及操纵、监控这些设备的工作人员的人体影响很大，剧烈振动会影响到泵站的安全可靠运行。因此，采取一定措施对泵站振动进行控制是必要的。目前，泵房减振基本上是从振源上进行控制，由机械和电气原因引起的振动可以通过提高机组的生产和安装水平来减小，由水力原因引起的可以采取改变叶片数和叶片形状、改变流道和导流锥结构设计以及补气等措施，还可以通过改变厂房结构尺寸以改变结构自振特性或提高结构刚度以降低反应幅值。这些措施有利于削弱机组诱发的厂房振动，但降幅有限，有的也很难实施，而且这些措施都是在振动出现之前采用的，对于机组运行中产生的无法避免的振动，这些减振措施就无能为力了。

橡胶垫经常被应用在旋转机械的振动控制中，在小型供水泵中曾被采用过，但在大型泵站中未有先例，大型灯泡贯流泵站机组与流道的柔性连接和四条钢腿支承方式为采用橡胶垫措施提供便利，但大型灯泡贯流泵的自身特点让橡胶垫的选择和减振设计仍有一定难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在的缺点，在现行减振措施的基础上，提出一种可简便有效的达到减振目的大型灯泡贯流泵房的减振方法。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

大型灯泡贯流泵房的减振方法，在大型灯泡贯流泵房机墩四个角的底部布置橡胶垫，橡胶垫的层数通过以下步骤来设定：

(1)利用隔振系数η来判断减振效果，隔振系数η越小，隔振效果越好，隔振系数η的计算式是：

$\mathrm{\η}=\frac{\sqrt{1+4{\mathrm{\ζ}}^2{\mathrm{\β}}^2}}{\sqrt{{(1-{\mathrm{\β}}^2)}^2+4{\mathrm{\ζ}}^2{\mathrm{\β}}^2}},$ 式中频率比β＝

/ω，ζ是橡胶垫的阻尼比，

是激振频率，ω是大型灯泡贯流泵房的系统频率， $\mathrm{\ω}=\sqrt{k/m},$ k是橡胶垫总刚度，m大型灯泡贯流泵房的系统质量；

(2)判断橡胶垫总刚度k，橡胶垫总刚度k与橡胶垫串并联有关，在大型灯泡贯流泵房机墩四个角的底部布置橡胶垫即是橡胶垫的并联，橡胶垫并联，总刚度增大，若两个橡胶垫刚度分别为k₁和k₂，则并联后刚度变为两者之和，即：k₁+k₂，大型灯泡贯流泵房机墩的每个角底设置若干块橡胶垫相当于若干块橡胶垫的串联，橡胶垫串联，总刚度变小，若两个橡胶垫刚度分别为k₁和k₂，则串联后刚度变为：

(3)将橡胶垫总刚度k代入隔振系数η的计算式中，计算得出能起到减振效果的橡胶垫的层数，即利用系统总刚度k和总质量m计算出系统频率ω，由于激振频率

已知，即可计算出频率比β，橡胶垫阻尼比ζ也是已知的，将他们带入公式则可以得出此时的隔振系数η，若隔振系数不令人满意，可改变橡胶垫的串联层数，直到得到满意的隔振系数为止。

本发明的大型灯泡贯流泵房的减振方法，橡胶垫的刚度k小于等于1×10⁷N/m。橡胶垫选择高阻尼的橡胶垫，阻尼比ζ大于0.1。橡胶垫的承载力要求：每平方米橡胶垫的承载力大于等于6×10⁶N/m²。

大型灯泡贯流泵房的机组进出口与混凝土流道之间采用伸缩节柔性连接替换原来的刚性锚固。大型灯泡贯流泵房的机墩两侧设置链杆对机组自身的振动进行控制。

串联的橡胶垫与橡胶垫之间用钢板相隔，并用螺栓锚固，橡胶垫和上部机墩及下部基础结构之间设有钢板，并通过螺栓将钢板和混凝土锚固。

对于泵房不可避免的振动，通过参数控制和计算验证，在混凝土机墩下设置满足减振设计要求的橡胶垫，来改变系统的自振频率，延长系统自振周期，并利用橡胶垫的粘性阻尼和滞变阻尼来吸收、耗散系统的振动能量，减小机组传递到泵房的动荷载以达到减振的目的。

本发明的优点是：通过本发明的大型灯泡贯流泵房的减振方法，可有效的降低大型灯泡贯流泵房的振动，泵房振动可降低50％～70％。这样泵房基本上可以满足作为放置仪器设备基础的要求，同时泵站运行中的噪声可以得到有效的控制，改善了操作人员的工作环境。

附图说明

图1是本发明橡胶垫布置结构示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是实施例一的橡胶垫层数和隔振系数关系曲线图。

图4是实施例一的减振前后传递力比较图。

具体实施方式

本发明是一种大型灯泡贯流泵房的减振方法，在大型灯泡贯流泵房机墩四个角的底部布置橡胶垫来起到减振效果，橡胶垫减振设计和布置具体如下：

大型灯泡贯流泵具有扬程低、流量大、转速慢、效率高等特点，与小型供水泵差别很大。小型供水泵转速快、转动频率高，因此激振力频率亦高，在泵下设置橡胶垫、海绵、软木等柔性材料，均可降低系统频率，较好的达到减振目的；对于大型灯泡贯流泵，转速慢，转动频率低，激振力频率亦低，只能采用柔性和滞回特性较好的橡胶垫减振。

选择合适的橡胶垫，再对橡胶垫的串并联数目进行设计。若胶垫的串并联数目设计不当，不仅不能减振，可能还会起到相反作用而致使振动加剧。在机墩四个角底部各布置一块橡胶垫，相当于四个橡胶垫并联，每个角底设置若干块，即相当于若干块橡胶垫串联，多少块橡胶垫串联能起到减振效果，需要通过计算来确定。首先计算橡胶垫串并联系统的总刚度和系统质量，从而求出系统频率，再通过下式计算隔振系数η来判断减振效果。隔振系数η的计算式是： $\mathrm{\η}=\frac{\sqrt{1+4{\mathrm{\ζ}}^2{\mathrm{\β}}^2}}{\sqrt{{(1-{\mathrm{\β}}^2)}^2+4{\mathrm{\ζ}}^2{\mathrm{\β}}^2}},$ 式中频率比β＝

/ω，ζ是橡胶垫的阻尼比，

是激振频率，ω是大型灯泡贯流泵房的系统频率， $\mathrm{\ω}=\sqrt{k/m},$ k是橡胶垫总刚度，m大型灯泡贯流泵房的系统质量。隔振系数可以判断隔振效果如何，计算隔振系数，需要计算频率比(激振频率

与系统频率ω之比)，其中激振频率

已知，只需计算系统频率ω，系统频率由刚度k和系统质量m确定，系统质量确定后，系统频率也就只跟刚度有关，刚度又和橡胶垫的串并联设计有关，也就是通过改变橡胶垫的串并联来改变刚度，进而改变系统频率。橡胶垫的串并联与系统刚度的关系：橡胶垫并联：系统刚度增大，若两个橡胶垫刚度分别为k₁和k₂，则并联后刚度变为两者之和，即：k₁+k₂，若两块橡胶垫相同，则并联后系统刚度为单块橡胶垫刚度的两倍。橡胶垫串联：系统刚度变小，若两个橡胶垫刚度分别为k₁和k₂，则串联后刚度变为：

若两块橡胶垫相同，则串联后系统刚度为单块橡胶垫刚度的一半。因此，根据橡胶垫串并联和刚度的关系，可以根据系统刚度的要求设计橡胶垫的串并联数目。

运用MATLAB中SIMULINK环境对系统进行非线性仿真分析，针对不采用橡胶垫和采用橡胶垫两种情况，分别确定系统刚度、质量、阻尼后，对系统振动过程进行仿真计算，得到机组传递到泵房底板的传递力时程，对两种情况传递力时程进行比较，确定采用橡胶垫是否有减振效果。经过仿真计算发现，只需串联几层满足上述要求的橡胶垫就能达到很好的减振效果，泵房振动可降低50％～70％。

采用橡胶垫减振，大型灯泡贯流机组段水力引起的高频压力脉动很容易得到较好的控制，但对系统产生的与转动频率相近的低频振动进行控制颇有难度，因为只有满足激振频率

与系统频率ω比值大于才有减振效果。为了降低系统频率 $\mathrm{\ω}=\sqrt{k/m},$ 可以从系统刚度k和系统质量m两方面考虑，降低系统刚度或增大系统质量均可降低系统频率。橡胶垫布置在机墩四个角的底部，将机墩计入系统，增大系统质量，这样布置还有利于系统稳定、橡胶垫受力均匀等；从减小系统刚度考虑，若想达到较好的减振效果，要求选择的橡胶垫刚度不大于1×10⁷N/m。

大型灯泡贯流泵机组重量很大，减振系统还要计入机墩的重量，再考虑系统动荷载作用，每平方米橡胶垫的承载力要大于等于6×10⁶N/m²，例如：对边长为0.5m的正方形橡胶垫，承载力要满足大于1.5×10⁶N/m²的要求。

选择高阻尼的橡胶垫能较好的吸收耗散能量，减小最大振幅，阻尼比ζ要大于0.1，同时选择的橡胶垫要有较好的稳定性、抗腐蚀性等等，延长其使用寿命。

机组进出口与混凝土流道之间通常采用刚性锚固，这就为机组运行中产生的激振力传到泵房提供条件，引起泵房振动。为了切断激振力的传递路径，必须采用柔性连接替换原先的刚性锚固，可采用伸缩节。

采用橡胶垫减振措施后，系统频率改变，泵房振动明显减小，但机组自身的振动可能会增大，在机墩两侧设置链杆对机组自身的振动进行控制，有利于机组的稳定。

实施例一

本实施例的橡胶垫布置结构示意图如图1所示，图2是图1的侧视图，大型灯泡贯流泵房包括水轮机组1、机组支撑钢腿2、机墩3、侧墙5、机组进水口7和机组出水口8。为了起到减振效果，在机墩3四个角的底部布置橡胶垫4，机墩3与侧墙5之间设链杆6。橡胶垫4是由一层橡胶和上下两层钢板组成，橡胶垫4和上部机墩及下部基础结构之间是通过螺栓将钢板和混凝土锚固，串联的橡胶垫之间也用螺栓锚固相邻两块钢板，机组通过四条钢腿固定在机墩上。

本实施例的大型灯泡贯流泵房调水流量为100m³/s，采用四台直径3.14m的后置式灯泡贯流泵，每台机组总重70t，额定转速为125r/min，即转动频率为2.08Hz，机组运行产生的激振荷载大小为22677N，激振频率与机组转动频率相同，下部混凝土机墩与机组重量相当，机组段水流压力脉动的优势频率大于50Hz，此高频激励很容易得到控制，因此主要针对低频激励进行减振设计。由于机组进出口和流道之间采用伸缩节连接，激振荷载主要通过钢腿传给机墩再传到泵房，因此在机墩四个角底部设置橡胶垫来减小传到泵房的动荷载以达到减振目的。根据上部动静荷载选择合适承载力的橡胶垫，初始刚度k₀＝1×10⁷N/m，阻尼比ζ＝0.1，通过计算来确定橡胶垫串联个数。计算结果：附图3为计算出的不同橡胶垫层数对应隔振系数的关系曲线，从图中可以看出，设置1～3层橡胶垫时传递力不仅没减小反而被放大了，起到了相反作用；采用4层橡胶垫串联已经避开了共振区，隔振系数为0.734；随着橡胶垫层数的增加，隔振系数逐渐减小，减振效果非常明显，采用8层橡胶垫时，隔振系数已经达到0.287；随着串联层数继续增加，隔振系数变化已经不是很突出，逐渐趋于平缓，所以采用8层左右橡胶垫串联即可达到很好的隔振效果，而且比较经济合理。运用MATLAB仿真计算，采用8层橡胶垫和不采用减振措施时传递力的比较见附图4，从图中可以看出，由于橡胶垫的滞回特性，加橡胶垫后传递力较不加橡胶垫时有一定滞后，而且传递力有了比较明显的降低，振动稳定后降低幅度在50％以上。

本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要不是保护的范围之内。

Claims (7)

1.大型灯泡贯流泵房的减振方法，其特征在于：在所述大型灯泡贯流泵房机墩四个角的底部布置橡胶垫，所述橡胶垫的层数通过以下步骤来设定：

(1)利用隔振系数η来判断减振效果，隔振系数η越小，隔振效果越好，隔振系数η的计算式是：

$\mathrm{\η}=\frac{\sqrt{1+4{\mathrm{\ζ}}^2{\mathrm{\β}}^2}}{\sqrt{{(1-{\mathrm{\β}}^2)}^2+4{\mathrm{\ζ}}^2{\mathrm{\β}}^1}},$ 式中频率比β＝

/ω，ζ是橡胶垫的阻尼比，

是激振频率，ω是大型灯泡贯流泵房的系统频率， $\mathrm{\ω}=\sqrt{k/m},$ k是橡胶垫总刚度，m大型灯泡贯流泵房的系统质量；

(2)判断橡胶垫总刚度k，橡胶垫总刚度k与橡胶垫串并联有关，在大型灯泡贯流泵房机墩四个角的底部布置橡胶垫即是橡胶垫的并联，橡胶垫并联，总刚度增大，若两个橡胶垫刚度分别为k₁和k₂，则并联后刚度变为两者之和，即：k₁+k₂，大型灯泡贯流泵房机墩的每个角底设置若干块橡胶垫相当于若干块橡胶垫的串联，橡胶垫串联，总刚度变小，若两个橡胶垫刚度分别为k₁和k₂，则串联后刚度变为：

(3)将橡胶垫总刚度k代入隔振系数η的计算式中，计算得出能起到减振效果的橡胶垫的层数。

2.如权利要求1所述的大型灯泡贯流泵房的减振方法，其特征在于：所述橡胶垫的刚度小于等于1×10⁷N/m。

3.如权利要求1所述的大型灯泡贯流泵房的减振方法，其特征在于：所述橡胶垫选择高阻尼的橡胶垫，阻尼比ζ大于0.1。

4.如权利要求1所述的大型灯泡贯流泵房的减振方法，其特征在于：所述橡胶垫的承载力要求：每平方米橡胶垫的承载力大于等于6×10⁶N/m²。

5.如权利要求1所述的大型灯泡贯流泵房的减振方法，其特征在于：所述大型灯泡贯流泵房的机组进出口与混凝土流道之间采用伸缩节柔性连接替换原来的刚性锚固。

6.如权利要求1所述的大型灯泡贯流泵房的减振方法，其特征在于：所述大型灯泡贯流泵房的机墩两侧设置链杆对机组自身的振动进行控制。

7.如权利要求1所述的大型灯泡贯流泵房的减振方法，其特征在于：所述串联的橡胶垫与橡胶垫之间用钢板相隔，并用螺栓锚固，所述橡胶垫和上部机墩及下部基础结构之间设有钢板，并通过螺栓将钢板和混凝土锚固。

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