CN114607646A - 一种用于工业风机的动力吸振器 - Google Patents
一种用于工业风机的动力吸振器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114607646A CN114607646A CN202210196692.6A CN202210196692A CN114607646A CN 114607646 A CN114607646 A CN 114607646A CN 202210196692 A CN202210196692 A CN 202210196692A CN 114607646 A CN114607646 A CN 114607646A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- damping
- fan
- vibration
- frame
- vibration absorber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 title claims abstract description 26
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims abstract description 68
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 5
- 239000004519 grease Substances 0.000 claims description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 2
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 2
- 239000010705 motor oil Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000012254 powdered material Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- XOOUIPVCVHRTMJ-UHFFFAOYSA-L zinc stearate Chemical compound [Zn+2].CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O.CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O XOOUIPVCVHRTMJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
- F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/668—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps damping or preventing mechanical vibrations
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
- Vibration Prevention Devices (AREA)
Abstract
本发明涉及一种用于工业风机的动力吸振器，有两类结构形式。第一类结构形式包括框架1、谐振质量块2、弹性元件3、阻尼元件4。第二类结构形式包括框架1、谐振质量块2、弹性元件3、阻尼场（比如流体或磁场）或摩擦阻尼。以上组成一个振动系统，谐振质量块2相对于框架1可在三个正交方向振动。谐振质量块2的质量m，以及弹性元件3的刚度系数k经过优化设计，使得谐振质量块2在三个方向上的固有频率等于风机主振动频率。当工业风机在运转中产生振动时，该振动通过固定连接传递到框架1，根据谐振原理，谐振质量块2将产生与风机主振动频率一致的振动，这个振动经过阻尼元件4或阻尼场进行能量转化，进而起到降低风机结构振动幅值的作用。
Description
技术领域
本发明涉及通用工业设备的振动消减系统领域，尤其涉及一种用于工业风机的动力吸振器。
背景技术
工业风机在运转过程中会产生振动，振动的激振力来自于气流压力波动、零部件弹性形变、制造偏差等因素。这些因素在实际中是不可完全消除或避免的。
风机的振动会产生一些不利影响，例如噪音、结构疲劳、降低轴承使用寿命等。降低风机整体的振动值是风机制造中的关键要求之一。这需要在风机的设计以及制造工艺上不断改进，这些措施在降低振动的同时，也可能提高风机的成本。
从原理来讲，降低风机振动分为两条思路：降低振动的激振力，优化风机的振动响应。降低激振力主要是从包括叶轮在内的风机转子入手，提高制造精度以及增加转子刚度等。优化风机振动响应主要包括风机结构模态分析，提高结构刚度，增加阻尼等。风机的振动阻尼目前主要是靠安装在风机底座的减震器来实现。
本发明从风机阻尼的角度切入，引入振动力学中的谐振质量原理，通过在风机上安装谐振质量，将风机的振动传递到谐振质量上，然后对谐振质量施加阻尼，起到降低风机振动的效果。这种设计在学术上叫做动力吸振器（dynamic vibration damper），也叫动力阻尼器(dynamic damper)，在建筑土木工程领域又称调谐质量阻尼器（tuned massdamper,简称TMD）。这种设计在建筑结构以及机床中有应用，但在其余的工业设备领域罕见应用，尤其在工业风机中未见应用。
将该技术原理应用于工业风机需要针对工业风机的减振要求，对动力吸振器的结构和参数进行应用化的优化设计。
发明内容
为解决降低风机结构振动的问题，本发明提出了一种用于工业风机的动力吸振器，技术原理简要描述如下：
本发明涉及的动力吸振器，有两类结构形式。第一类结构形式包括框架1、谐振质量块2、弹性元件3、阻尼元件4。框架1通过焊接或者螺栓等方式固定安装在工业风机结构主体上，在相互正交的三个方向上各具有两个弹性元件3和阻尼元件4，谐振质量块2通过弹性元件3和阻尼元件4跟框架1连接。其中阻尼元件4的两端均为球形铰链连接。采用六个等刚度圆柱螺旋弹簧以形成六个方向的谐振振动。
第二类结构形式包括框架1、谐振质量块2、弹性元件3、阻尼场（比如流体或磁场）或摩擦阻尼。框架1通过焊接或者螺栓等方式固定安装在工业风机结构主体上，在相互正交的三个方向上各具有两个弹性元件3，谐振质量块2通过弹性元件3跟框架1连接。其场阻尼的设计采用内部封闭空间填充机油或润滑脂的方式。其场阻尼的设计采用谐振质量块切割磁力线的电磁阻尼的方式。其摩擦阻尼的设计采用在空心谐振质量块内部不完全填充高密度粉末，利用在振动中的非同步运动形成内部摩擦的摩擦阻尼方式。
以上组成一个振动系统，谐振质量块2相对于框架1可在三个正交方向振动。谐振质量块2的质量m，以及弹性元件3的刚度系数k经过优化设计，使得谐振质量块2在三个方向上的固有频率等于风机主振动频率。当工业风机在运转中产生振动时，该振动通过固定连接传递到框架1，根据谐振原理，谐振质量块2将产生与风机主振动频率一致的振动，这个振动经过阻尼元件4或阻尼场进行能量转化，进而起到降低风机结构振动幅值的作用。
一种用于工业风机的动力吸振器，其参数设计按照下式进行：
其中：
为动力吸振器的有阻尼谐振固有频率，
为要消减的风机振动主要频率成分（通常情况下为风机稳定转速下的转动频率）。如图1所示的二自由度振动系统，幅值为F1的激振力施加于质量为M的结构上，M与地面通过弹性系数为k的弹性体和阻尼系数为c的阻尼相连接，质量为ma的结构通过弹性系数为ka的弹性体和阻尼系数为ca的阻尼与质量为M的结构体相连接，U1和U2分别为质量为M和ma的两个结构体的振动响应。
通过振动的微分方程求解得到U1的无阻尼解如下：
可知，当满足如下关系式时，U1为零。
以上即本发明的技术原理。质量为M的结构体与幅值为F1的激振力、以及弹性系数为k的弹性体和阻尼系数为c的阻尼组成的系统可以代表风机本体，质量为ma的结构与弹性系数为ka的弹性体和阻尼系数为ca的阻尼组成的系统可以代表本专利所述的动力吸振器。
在运转正常无明显故障的情况下，风机本体振动的主要激振力来自于叶轮残余不平衡量。图2即一台转速为3000转/分钟（50Hz）的风机所测的振动速度频谱图，可见主要振动频率成分为50Hz。所以，可以针对该激振力所引起的振动进行动力吸振器的参数设计，以减弱或消除风机本体因为叶轮不平衡而引起的振动，以实现降低风机的整体振动。
附图说明：
图1是二自由度振动系统示意图，也是本专利的原理性技术依据。
图2是实测一台风机的振动速度频谱，该风机转速为3000转/分钟，转换成频率为50Hz，测试结果显示改风机的振动主要成分也是在50Hz。
图3是工业风机整体振动六个方向的示意图。
图4是动力吸振器不安装阻尼元件，运用场阻尼或摩擦阻尼的设计结构示意图。
图5是动力吸振器安装伸缩阻尼元件的设计结构示意图。
其中，框架1、谐振质量块2、弹性元件3（3-1到3-6）、阻尼元件4（4-1到4-6）。
具体实施方式：
风机在运转中，整体可以产生六个方向的振动，如图3所示，有X，Y，Z三个方向以及分别绕X，Y，Z的旋转方向。
本发明设计的动力吸振器可以同时在六个方向上吸收风机的振动。通过X，Y，Z三个方向的六个弹性元件的连接，使得质量为m的谐振质量块可以在六个方向进行振动。具体如图4所示：
1为框架，采用密封箱体结构。并与风机本体结构采用焊接或螺栓连接的方式进行固定。
2为谐振质量块，采用整体方形或其他形状的实心或空心结构。
3为弹性元件，采用6个等刚度圆柱螺旋弹簧（轴向刚度系数为k，横向刚度系数为k’），两端分别跟谐振质量块和框架进行固定连接。这样在X，Y，Z方向分别得到相等的等效刚度Keq，如下式：
(其中，横向刚度系数𝑘′由测试得到)
对六个方向的阻尼的设计，也考虑到六个方向的阻尼作用并且保证谐振质量块m在六个方向的自由度。阻尼的设计有四种方案：
阻尼设计方案一，安装阻尼元件，如图5所示，在三个方向上分别安装两个伸缩阻尼器。伸缩阻尼器的两端采用球形铰链连接的方式，以保证谐振质量块2在六个振动方向上的自由度。当谐振质量块2振动时，6个伸缩阻尼器不同程度的拉伸或收缩，产生阻尼作用，吸收振动能量。
阻尼设计方案二，利用场阻尼，在框架1、谐振质量块2、弹性元件3之间的封闭空腔内填充阻尼材料，阻尼材料选择高粘度机油或者润滑脂。填充的阻尼材料形成阻尼场，转换谐振质量块2的振动能量。
阻尼设计方案三，利用场阻尼，在框架1内侧六个面放置磁性材料，这样就形成磁场，谐振质量块2在振动中会切割磁力线，产生电涡流转换能量。这种方案需要将框架1设计为不锈钢材料，避免内部磁性材料的外部影响。这是一种定制化电磁阻尼的设计方案。
阻尼设计方案四，利用摩擦阻尼，对谐振质量块2设计为空心结构，内部不完全填充高密度的铁砂等粉末状材料。当谐振质量块2振动时，内部的不完全填充材料将产生不同步的运动，而形成内部摩擦力，转换能量。
以上阻尼设计方案可以单独使用，也可以进行两者或多者的组合使用。我们用Ceq来表示最终的阻尼系数。
一般情况下风机都是在相对稳定的转速下工作，设风机实际的转速是n转/分钟，那么激振力的频率是n/60 Hz。
动力吸振器的参数设计按照下式进行：
其中：
则，主要的设计参数满足如下关系：
以上公式在数学上看上去并没有理论完美解，然而在工程中可以实现足够精确的近似解。阻尼系数根据实验优化。
Claims (8)
1.一种用于工业风机的动力吸振器，包括框架1、谐振质量块2、弹性元件3、伸缩阻尼元件4，其特征在于框架1通过焊接或者螺栓等方式固定安装在工业风机结构主体上，在相互正交的三个方向上各具有两个弹性元件3和伸缩阻尼元件4，谐振质量块2通过弹性元件和伸缩阻尼元件4跟框架1连接，伸缩阻尼元件4的两端均为球形铰链连接。
2.一种用于工业风机的动力吸振器，，包括框架1、谐振质量块2、弹性元件3、阻尼场（流体或磁场）或摩擦阻尼，其特征在于框架1通过焊接或者螺栓等方式固定安装在工业风机结构主体上，在相互正交的三个方向上各具有两个弹性元件3，谐振质量块2通过弹性元件跟框架1连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于工业风机的动力吸振器，采用六个等刚度圆柱螺旋弹簧以形成六个方向的谐振振动。
4.根据权利要求2所述的一种用于工业风机的动力吸振器，其场阻尼的设计采用内部封闭空间填充机油或润滑脂的方式。
5.根据权利要求2所述的一种用于工业风机的动力吸振器，其场阻尼的设计采用谐振质量块切割磁力线的电磁阻尼的方式。
6.根据权利要求2所述的一种用于工业风机的动力吸振器，其摩擦阻尼的设计采用在空心谐振质量块内部不完全填充高密度粉末，利用在振动中的非同步运动形成内部摩擦的摩擦阻尼方式。
7.一种用于工业风机的动力吸振器，其阻尼设计可以采用如权利要求1所述的伸缩阻尼元件或权利要求2所述的阻尼场/摩擦阻尼设计或两者的复合设计。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的一种用于工业风机的动力吸振器，，其参数设计按照下式进行：
其中：
为动力吸振器的有阻尼谐振固有频率，
为要消减的风机振动主要频率成分（通常情况下为风机稳定转速下的转动频率）。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210196692.6A CN114607646A (zh) | 2022-03-02 | 2022-03-02 | 一种用于工业风机的动力吸振器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210196692.6A CN114607646A (zh) | 2022-03-02 | 2022-03-02 | 一种用于工业风机的动力吸振器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114607646A true CN114607646A (zh) | 2022-06-10 |
Family
ID=81860252
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210196692.6A Pending CN114607646A (zh) | 2022-03-02 | 2022-03-02 | 一种用于工业风机的动力吸振器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114607646A (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1146234A (zh) * | 1994-04-18 | 1997-03-26 | 美国3M公司 | 谐振质量减振器 |
| CN101514731A (zh) * | 2009-03-25 | 2009-08-26 | 中国电力科学研究院 | 一种减振流体阻尼器 |
| CN104421107A (zh) * | 2013-08-22 | 2015-03-18 | 国家电网公司 | 一种深海悬浮式风力发电机组 |
| CN108799394A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-11-13 | 上海交通大学 | 动力吸振器与吸振器群系统 |
| CN110397698A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-11-01 | 湖南科技大学 | 海上风电装置任意方向吸振系统 |
| CN211421440U (zh) * | 2019-10-22 | 2020-09-04 | 上海建顾减震科技有限公司 | 用于塔桅结构的多调控调谐质量阻尼装置及塔桅结构 |
| CN112814188A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-18 | 无锡建顾减隔震科技有限公司 | 结合碰撞阻尼的电涡流调谐颗粒质量阻尼装置 |
| CN113738602A (zh) * | 2020-05-28 | 2021-12-03 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 阻尼集成装置、阻尼器以及风力发电机组 |
-
2022
- 2022-03-02 CN CN202210196692.6A patent/CN114607646A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1146234A (zh) * | 1994-04-18 | 1997-03-26 | 美国3M公司 | 谐振质量减振器 |
| CN101514731A (zh) * | 2009-03-25 | 2009-08-26 | 中国电力科学研究院 | 一种减振流体阻尼器 |
| CN104421107A (zh) * | 2013-08-22 | 2015-03-18 | 国家电网公司 | 一种深海悬浮式风力发电机组 |
| CN108799394A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-11-13 | 上海交通大学 | 动力吸振器与吸振器群系统 |
| CN110397698A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-11-01 | 湖南科技大学 | 海上风电装置任意方向吸振系统 |
| CN211421440U (zh) * | 2019-10-22 | 2020-09-04 | 上海建顾减震科技有限公司 | 用于塔桅结构的多调控调谐质量阻尼装置及塔桅结构 |
| CN113738602A (zh) * | 2020-05-28 | 2021-12-03 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 阻尼集成装置、阻尼器以及风力发电机组 |
| CN112814188A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-18 | 无锡建顾减隔震科技有限公司 | 结合碰撞阻尼的电涡流调谐颗粒质量阻尼装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kirk et al. | The effect of support flexibility and damping on the synchronous response of a single-mass flexible rotor | |
| Kang et al. | An investigation in stiffness effects on dynamics of rotor-bearing-foundation systems | |
| Yao et al. | Dynamic vibration absorber with negative stiffness for rotor system | |
| Yao et al. | A tunable dynamic vibration absorber for unbalanced rotor system | |
| Sève et al. | Balancing of machinery with a flexible variable-speed rotor | |
| CN114607646A (zh) | 一种用于工业风机的动力吸振器 | |
| Ghalea et al. | Design validation of high inertia generator rotor | |
| Ishida et al. | Vibration of awind turbine blade (theoretical analysis and experiment using a single rigid blade model) | |
| Yang et al. | Dynamic performance of a rotor system with an initial bow and coupling faults of imbalance-rub during whirling motion | |
| Mitchiner et al. | Centrifugal pendulum vibration absorbers—theory and practice | |
| Fang et al. | Modelling, synthesis and dynamic analysis of complex flexible rotor systems | |
| Xu et al. | Fluid-induced vibration elimination of a rotor/seal system with the dynamic vibration absorber | |
| Motra et al. | Free vibration analysis of selected pelton turbine using dynamic approach | |
| Novillo | Vibration control engineering: passive and feedback systems | |
| Malgol et al. | Modelling and simulation of single rotor system | |
| Al-Bedoor et al. | Dual dynamic absorber for the torsional vibrations of synchronous motor-driven compressors | |
| Rao et al. | Design of centrifugal pendulum vibration absorber to reduce the axial vibration of rotating shafts for multiple orders | |
| Li et al. | Dynamic response analysis of blades with damping structures of shroud and snubber | |
| Shen et al. | Effect of parameters on the rubbing condition of an unbalanced rotor system with initial permanent deflection | |
| Eshleman et al. | Torsional vibration in reciprocating and rotating machines | |
| Teyi et al. | Study of active magnetic bearings (AMB) on non–synchronous rotors | |
| Shah et al. | Transverse Vibration Modal Analysis on offset Rotor Shaft of large Centrifugal Fan | |
| Pilotto et al. | Use of magnetic bearings in vibration control of a steam turbine with oil-film bearings | |
| Kirk et al. | Mathematical development and modelling of a counter balance compensating sleeve for the suppression of lateral vibrations in high speed flexible couplings | |
| Nagasaka et al. | Vibration suppression of a helicopter fuselage by pendulum absorbers: rigid-body blades with aerodynamic excitation force |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |