CN114992278B - 大型动力机器基础多维隔减振装置及其隔减振方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型动力机器基础多维隔减振装置设计及其隔减振方法。装置包括竖向隔减振元件和水平向隔减振元件。在竖向地震或振动作用下，第一上法兰板和竖向传力单元分别挤压弹簧和高阻尼粘弹性减振块，由弹簧和高阻尼粘弹性减振块共同隔离竖向振动，并由高阻尼粘弹性减振块耗散振动能量，提升竖向减振能力。在水平向地震或振动作用下，水平向隔减振元件中的粘弹性核心垫通过剪切变形隔绝振动传递并消耗振动能量，水平隔减振元件中的限位钢板能限制装置的水平位移。本发明具有大承载、高阻尼、稳定可靠的特点，可显著降低多源、多维有害振动对大型动力机器基础的不利影响。

Description

大型动力机器基础多维隔减振装置及其隔减振方法

技术领域

本发明属于大型动力机器基础防灾减振技术领域，涉及基础多维隔减振装置及其隔减振方法。

背景技术

大型动力机器指大容量发电机组、压缩机机组等，机组正常工作时，转子的振动引发下部基础结构振动，也会对环境如临近设备的振动、工作人员的工作环境产生影响。此外机组质量大，纵向长度一般在70m左右，转子轴系长，较小的不均匀竖向振动就会引发转子轴系变形，影响机组的正常工作，甚至需要停机检查。

大型动力机器基础不仅需要承受工程结构的各类恒、活荷载等静载，也需要承受设备运转带来的竖向动力荷载，该竖向振动要求动力机器基础的竖向基频在较低水平，以避开设备运行工作频率，此外需要考虑动力机器基础在地震作用下的动力反应以保障机组灾变下的安全运行，地震是多维激励，与设备致竖向振动特性差异较大。因此要求隔减振系统具有大承载能力，能在宽频域内实现振动控制，且能严格控制上部设备的振动位移。

目前弹簧隔振基础的发展实现了阻止设备竖向振动的传播，减小下部结构的尺寸，减小基础的不均匀沉降的功能，但难以同时实现设备竖向振动控制和多维地震振动控制。

目前常用的动力机器基础隔振设计主要有高频基础、柔性基础等方式。其中高频基础通过大质量抑制振动，该方法基础笨重、刚度大、不经济、不利于设备布置。

柔性基础则采用调频的方法来实现隔减振，但弹簧支座虽竖向刚度低，能一定程度上阻止振动传向主体结构，但其工作状态下近似线弹性，不具有任何的阻尼特性，耗能能力差。

有部分学者采用黏滞阻尼改善弹簧隔振系统的阻尼特性，但黏滞阻尼多为液体，密封性存在较大问题，性能不稳定。

此外，上述基础隔减振方式仅能应对竖向的机器振动，对水平方向的地震作用无控制效果。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种适用于大型动力机器基础的多维隔减振装置，该系统具有承载能力大，阻尼大，减振耗能性能好等优点，能同时在水平和竖向起到隔振和减振作用，使基础上部设施与框架基础动力解耦，简化基础的设计，使设备基础的各项位移均在允许范围内。此外，该装置便于拆卸，具有易维护、易更换的特点。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明采用的技术手段为：

一种大型动力机器基础多维隔减振装置，包括：竖向隔减振元件和水平向隔减振元件，竖向隔减振元件与水平向隔减振元件串联，其中，所述竖向隔减振元件的下端通过第一下法兰板与水平向隔减振元件的第二上法兰板连接，竖向隔减振元件的上端通过第一上法兰板与所述大型动力机器基础连接，所述竖向隔减振元件为弹簧阻尼协同隔减振单元，所述弹簧阻尼协同隔减振单元包括多个，多个弹簧阻尼协同隔减振单元在所述第一上法兰板和第一下法兰板之间均匀布置，每个弹簧阻尼协同隔减振单元均包括：

导筒，竖向设置，导筒下端与所述第一下法兰板固定连接，导筒上端与所述第一上法兰板之间留有第一竖向间隙；

竖向传力单元，为工字形，包括顶板、传力杆和压缩钢板，其中，所述顶板与所述第一上法兰板连接，顶板与传力杆上端连接，传力杆下端向下延伸至所述导筒内腔与所述压缩钢板连接，所述导筒内壁与压缩钢板外表面留有空隙，保证压缩钢板能在导筒内壁自由滑动；

高阻尼粘弹性减振块，位于导筒内腔底部，并位于所述压缩钢板下，

弹簧，竖向套接在所述导筒的筒壁外，弹簧上端与所述第一上法兰板连接，下端与所述第一下法兰板连接；

所述高阻尼粘弹性减振块的顶面与所述压缩钢板之间设有第二竖向间隙，所述第二竖向间隙小于所述弹簧的压缩工作行程，保证高阻尼粘弹性减振块能为装置提供竖向刚度，其底面与所述第一下法兰板相接触，高阻尼粘弹性减振块的外壁与导筒内壁之间设有第一水平间隙；

所述第一竖向间隙大于所述第二竖向间隙，且两者相差5mm以上，保证压缩钢板能先与粘弹性减振块接触，并具有一定变形行程；

所述水平向隔减振元件包括：

第二上法兰板；

第二下法兰板；

水平向减振单元，设置于所述第二上法兰板和第二下法兰板之间，用于耗散水平方向的振动能量;

限位钢板，为圆筒形，其内壁与水平向减振单元外壁之间设有第二水平间隙；

当所述竖向隔减振元件受到偏载作用时，竖向传力单元与导筒之间相互嵌合，约束第一上法兰板的侧覆；

第二上法兰板与限位钢板接触，为装置进一步提供了抗倾覆能力。

所述第一水平间隙距离为5~8mm。

所述水平向减振单元为粘弹性核心垫，包括若干钢板和粘弹性材料层，若干钢板之间通过粘弹性材料层依次交替叠合。

所述弹簧与导筒外壁之间留有1~2mm间隙，使弹簧在压缩行程下能自由变形。

所述压缩钢板的横截面为圆形，其外壁与导筒内壁距离为2~3mm。

所述第二水平间隙大于粘弹性核心垫中粘弹性材料层厚度的三倍。

所述第一上法兰板与基础顶台板之间、第二下法兰板与框架柱顶之间均设有预留的连接孔，连接方式为螺栓连接或锚栓连接；

第一下法兰板与第二上法兰板之间、顶板与第一上法兰板之间均采用螺栓连接。

所述第一上法兰板和第一下法兰板上留有预紧螺栓孔，通过在装置内安装预紧螺栓，以实现装置的预紧。

本发明进一步公开了一种基于所述大型动力机器基础多维隔减振装置的隔减振方法，第一上法兰板支撑基础顶台板，第二下法兰板固定在框架基础的柱顶，竖向隔减振元件与水平隔减振串联，第一下法兰板和第二上法兰板通过螺栓连接，安装前先对装置进行预紧，

装置在竖向分阶段受力，静载一阶段，动载两阶段，在全过程实现隔振，装置整体能协同工作，在全行程具有隔振效果并保证了装置安全性；

将多维隔减振装置安装于框架基础柱顶与基础顶台板间，安装完成，预紧螺栓自然松弛，在静载作用下弹簧被压缩，直接承受大部分荷载，为装置提供大承载能力，同时，高阻尼粘弹性减振块与压板接触并被压缩，提供一定的静刚度，该压缩行程保证了高阻尼粘弹性减振块在动载作用下始终处于被压缩状态；

当竖向动荷载作用时，所述第一上法兰板挤压弹簧，竖向传力单元挤压高阻尼粘弹性减振块，弹簧和高阻尼粘弹性减振块共同对机组竖向不平衡振动进行隔离，高阻尼粘弹性减振块通过压缩变形发挥减振作用，提高装置的竖向动荷载耗能能力；

当机组出现异常振动，竖向动荷载过大时，第一上法兰板的竖向位移增大，直到竖向传力单元将高阻尼粘弹性减振块挤压至压紧导筒，限制竖向传力单元的位移继续增大，该柔性限位避免过大荷载使装置突然发生破坏而影响上部设备平台，保证了系统的安全性；

当装置受到某一方向的水平地震作用时，竖向隔减振元件由于竖向传力单元与导筒之间互相嵌合，不参与水平向减振；

所述水平向隔减振元件对水平方向的地震进行隔离和减弱。

相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：

本多维隔减振装置在弹簧隔振系统的基础上，利用粘弹性块的压缩耗能能力为系统提供高阻尼，解决系统阻尼较低的问题，粘弹性阻尼材料压缩耗能能力强、性能稳定，能在为装置提供承载能力的同时耗能，不存在液体阻尼器的密封性问题，不存在阻尼器的疲劳损伤问题，适用于大竖向承载、多方向振动的工程，有较好应用前景。具体体现在以下几个方面：

一、本多维隔减振实现了由静载到动载全过程的整体协同工作，静载作用下可以通过调整高阻尼粘弹性减振块的静载作用下受压缩行程调整装置竖向刚度，且从小位移竖向振动到大位移竖向振动的整个行程下，高阻尼粘弹性减振块能为装置提供高阻尼和缓冲保护作用，保证了全行程的隔振效果和安全性。

二、本多维隔减振装置在竖向和水平向均具有自限位功能。在机组出现异常振动，动荷载过大时，高阻尼粘弹性减振块受压变形，粘弹性块外壁紧压导筒，导筒约束粘弹性块的进一步变形，从而约束了竖向传力单元继续向下挤压，限制了多维隔减振装置的竖向位移。该竖向限位方式属于柔性限位，避免装置在过载作用时发生刚度突变或破坏，从而保护上部设备的安全性，便于停机检修。该功能的实现充分利用粘弹性材料的自身特点，无需附加装置，即可在提供竖向隔减振能力的同时，保证装置及基础在极端情况下的安全性。在水平向，设置有限位钢板，同时当水平向位移过大时，粘弹性垫与限位钢板嵌合，实现水平限位。

三、本多维隔减振装置所用弹簧阻尼协同隔减振元件，充分利用了高阻尼粘弹性减振块的压缩变形进行耗能。在竖向动力作用下，弹簧与高阻尼粘弹性减振块产生压缩变形，提供良好的隔振性能，同时高阻尼粘弹性减振块受压时性能稳定，在动载作用下无疲劳破坏问题，竖向工作行程大，能为装置提供大阻尼，很好地解决了系统阻尼低的问题，且其工作的稳定性适应于设备振动特点。

四、本多维隔减振装置竖向传力单元和导筒可作为弹簧阻尼协同隔减振单元的导向装置。在装置受到偏载作用时，竖向传力单元、导筒之间相互嵌合，为装置提供了抗倾覆能力，同时约束了弹簧的侧向变形，增大螺旋弹簧的侧向刚度，解决了弹簧系统的摇摆问题，同时水平限位钢板可为水平隔减振元件提供竖向防倾覆能力。对装置起到保护作用。

五、本多维隔减振装置同时具备竖向隔减振能力和水平隔减振能力。使用弹簧，使系统易获得较小的竖向刚度，竖向隔振效果优越，增设的高阻尼粘弹性减振块采用粘弹性材料，为装置提供了足够的阻尼力。所用水平向隔减振元件通过粘弹性核心垫进行隔震减震，其较低的水平向刚度可以延长结构的水平向自振周期，其剪切变形耗散了水平地震动的能量。

附图说明

图1为本发明大型动力机器基础多维隔减振装置的结构剖面图。

图中：1、第一上法兰板；2、弹簧；3、第一下法兰板；4、竖向传力单元；4-1、顶板；4-2、传力杆；4-3、压缩钢板；5、第二上法兰板；6、粘弹性核心垫；7、限位钢板；8、第二下法兰板；9、高阻尼粘弹性减振块；10、导筒。

图2为本发明大型动力机器基础多维隔减振装置工作状态下的结构剖面图。

图3为本发明大型动力机器基础多维隔减振装置的结构侧视图。

图4为本发明多维隔减振装置的弹簧阻尼协同隔减振单元剖面图。

图5为本发明大型动力机器基础多维隔减振装置的结构俯视图。

图6为本发明大型动力机器基础多维隔减振装置的结构示意图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明，然而本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例

如图1、5所示，本发明所描述的是一种大型动力机器基础多维隔减振装置，由所述多维隔减振装置由竖向隔减振元件和水平向隔减振元件组成，第一下法兰板3与第二上法兰板5通过螺栓连接。第一上法兰板1和第一下法兰板3间均匀分布着多个弹簧阻尼协同隔减振单元，起到竖向隔振减振作用。

第二上法兰板5间与第二下法兰板8中心位置设有粘弹性核心垫6，起到水平向隔震减震作用，粘弹性核心垫周围有限位钢板7。

通过预设的连接孔，基础顶台板与第一上法兰板1相连，框架基础柱顶面与第二下法兰板8相连，采用锚栓连接。

如图4所示，所述弹簧阻尼协同隔减振单元由竖向传力单元4、导筒10、弹簧2、高阻尼粘弹性减振块9组成，位于第一上法兰板1与第一下法兰板3之间，多个弹簧阻尼协同隔减振单元均匀分布；

高阻尼粘弹性减振块9的尺寸根据竖向振动时正常的变形能力以及异常振动时其限位功能确定，竖向振动时被压缩变形后高阻尼粘弹性减振块9与导筒10的筒壁不接触，异常振动时，在所设计的竖向最大位移下，高阻尼粘弹性减振块9侧壁紧压导筒，作为限位装置；

所述竖向传力单元包括顶板4-1，传力杆4-2，压缩钢板4-3，为工字型，压缩钢板位于下侧，压缩钢板4-3底面与高阻尼粘弹性减振块9接触，装置安装于基础柱顶面时，荷载作用下竖向传力单元底面反复挤压高阻尼粘弹性减振块，竖向传力单元尺寸及钢材选用需满足竖向承载要求及水平位移下竖向隔减振元件弹簧阻尼协同隔减振单元侧向刚度要求；

所述导筒10与第一下法兰板3直接相连，导筒可作为弹簧的导向装置。导筒筒壁厚度应满足水平装置最大水平位移下对竖向隔减振元件侧向刚度要求；

弹簧的选用应满足工程隔振设计标准（GB50463-2019）中有关弹簧隔振器的要求。根据承载以及工作行程要求，以圆柱螺旋弹簧设计计算 （GB/T23935-2009）为标准，确定圆柱弹簧的内径、外径、线径；弹簧2套在导筒10外部，端部分别支撑在第一上法兰板1和第一下法兰板3上，与高阻尼粘弹性减振块一同确保系统具有足够的竖向承载力和隔振能力。

所述水平向隔减振元件由粘弹性核心垫6和限位钢板7以及第二上法兰板5间与下法兰板8组成。水平向隔减振元件的水平刚度及最大剪应变满足相应地震力作用下的使用要求；

所述粘弹性核心垫6由高耗散粘弹性材料和钢板间隔叠层硫化而成，将粘弹性材料通过高温高压硫化到钢板上，隔层布置，所述粘弹性核心垫顶面、底面均设预埋钢板，水平向隔减振元件上、下法兰板与预埋钢板间采用锚固螺栓连接；

所述限位钢板7为限位钢板，为圆筒形，直径满足建筑隔震橡胶支座（JGT 118-2018）中对隔震支座变形的要求，但在支座变形过大时起限制作用。

本发明实例大型动力机器基础多维隔减振装置的工作方法是：

第一上法兰板1支撑基础顶台板，第二下法兰板8固定在框架基础的柱顶，竖向隔减振元件与水平向隔减振元件串联，第一下法兰板3和第二上法兰板5通过螺栓连接，安装前可以先对装置进行预紧，

装置在竖向分阶段受力，静载一阶段，动载两阶段；

在安装多维隔减振装置时，将多维隔减振装置安装于框架基础柱顶与基础顶台板间，安装完成预紧螺栓自然松弛，在静载作用下弹簧2被压缩25mm左右，直接承受大部分荷载，为装置提供大承载能力，高阻尼粘弹性减振块9与压板接触并被压缩2~3mm，提供一定的静刚度;

当竖向动荷载作用时，所述第一上法兰板1挤压弹簧，刚性竖向传力单元4挤压高阻尼粘弹性减振块9，弹簧2和高阻尼粘弹性减振块9共同对机组竖向不平衡振动进行隔离，高阻尼粘弹性减振块通过压缩变形发挥减振作用，提高装置的耗能能力；

当机组出现异常振动，竖向动荷载过大时，第一上法兰板1的竖向位移增大，直到竖向传力单元4将高阻尼粘弹性减振块9挤压至压紧导筒10，限制竖向传力单元4的位移继续增大，以保证系统的安全性。

当所述装置受到某一方向的水平地震作用时，竖向隔减振元件由于竖向传力单元4与导筒10之间互相嵌合，不参与水平向减震；

所述水平向减震单元中，粘弹性核心垫6发生水平方向的位移，有效对水平方向的地震进行隔离和减弱；

粘弹性核心垫中粘弹性材料具有较大的阻尼和良好的耗能能力，在水平地震作用下通过发生剪切变形消耗地震输入的能量，减小地震对上部结构的影响，在水平方向可以实现隔振和减振的双重作用；

所述第二下法兰板上设置了限位钢板7，为圆筒形，直径大于核心垫直径，其直径保证粘弹性核心垫在水平方向有一定变形能力的同时，对最大水平位移进行限制；

当所述装置受到偏载作用时，竖向隔减振元件竖向传力单元4与导筒10相互嵌合，约束第一上法兰板的侧覆，为装置提供抗倾覆能力，增强装置的稳定性。

Claims (8)

1.一种大型动力机器基础多维隔减振装置的隔减振方法，基于一种大型动力机器基础多维隔减振装置，包括：竖向隔减振元件和水平向隔减振元件，竖向隔减振元件与水平向隔减振元件串联，其中，所述竖向隔减振元件的下端通过第一下法兰板与水平向隔减振元件的第二上法兰板连接，竖向隔减振元件的上端通过第一上法兰板与所述大型动力机器基础连接，其特征在于，所述竖向隔减振元件为弹簧阻尼协同隔减振单元，所述弹簧阻尼协同隔减振单元包括多个，多个弹簧阻尼协同隔减振单元在所述第一上法兰板和第一下法兰板之间均匀布置，每个弹簧阻尼协同隔减振单元均包括：导筒，竖向设置，导筒下端与所述第一下法兰板固定连接，导筒上端与所述第一上法兰板之间留有第一竖向间隙；竖向传力单元，为工字形，包括顶板、传力杆和压缩钢板，其中，所述顶板与所述第一上法兰板连接，顶板与传力杆上端连接，传力杆下端向下延伸至所述导筒内腔与所述压缩钢板连接，所述导筒内壁与压缩钢板外表面留有空隙，保证压缩钢板能在导筒内壁自由滑动；高阻尼粘弹性减振块，位于导筒内腔底部，并位于所述压缩钢板下，弹簧，竖向套接在所述导筒的筒壁外，弹簧上端与所述第一上法兰板连接，下端与所述第一下法兰板连接；所述高阻尼粘弹性减振块的顶面与所述压缩钢板之间设有第二竖向间隙，所述第二竖向间隙小于所述弹簧的压缩工作行程，保证高阻尼粘弹性减振块能为装置提供竖向刚度，其底面与所述第一下法兰板相接触，高阻尼粘弹性减振块的外壁与导筒内壁之间设有第一水平间隙；所述第一竖向间隙大于所述第二竖向间隙，且两者相差5mm以上，保证压缩钢板能先与粘弹性减振块接触，并具有一定变形行程；所述水平向隔减振元件包括：第二上法兰板；第二下法兰板；水平向减振单元，设置于所述第二上法兰板和第二下法兰板之间，用于耗散水平方向的振动能量；限位钢板，为圆筒形，其内壁与水平向减振单元外壁之间设有第二水平间隙；当所述竖向隔减振元件受到偏载作用时，竖向传力单元与导筒之间相互嵌合，约束第一上法兰板的侧覆；第二上法兰板与限位钢板接触，为装置进一步提供了抗倾覆能力；第一上法兰板支撑基础顶台板，第二下法兰板固定在框架基础的柱顶，竖向隔减振元件与水平隔减振串联，第一下法兰板和第二上法兰板通过螺栓连接，安装前先对装置进行预紧，装置在竖向分阶段受力，静载一阶段，动载两阶段，在全过程实现隔振，装置整体能协同工作，在全行程具有隔振效果并保证了装置安全性；将多维隔减振装置安装于框架基础柱顶与基础顶台板间，安装完成，预紧螺栓自然松弛，在静载作用下弹簧被压缩，直接承受大部分荷载，为装置提供大承载能力，同时，高阻尼粘弹性减振块与压板接触并被压缩，提供一定的静刚度，压缩行程保证了高阻尼粘弹性减振块在动载作用下始终处于被压缩状态；当竖向动荷载作用时，所述第一上法兰板挤压弹簧，竖向传力单元挤压高阻尼粘弹性减振块，弹簧和高阻尼粘弹性减振块共同对机组竖向不平衡振动进行隔离，高阻尼粘弹性减振块通过压缩变形发挥减振作用，提高装置的竖向动荷载耗能能力；当机组出现异常振动，竖向动荷载过大时，第一上法兰板的竖向位移增大，直到竖向传力单元将高阻尼粘弹性减振块挤压至压紧导筒，限制竖向传力单元的位移继续增大，柔性限位避免过大荷载使装置突然发生破坏而影响上部设备平台，保证了系统的安全性；当装置受到某一方向的水平地震作用时，竖向隔减振元件由于竖向传力单元与导筒之间互相嵌合，不参与水平向减振；所述水平向隔减振元件对水平方向的地震进行隔离和减弱。

2.根据权利要求1所述的大型动力机器基础多维隔减振装置的隔减振方法，其特征在于，所述第一水平间隙距离为5～8mm。

3.根据权利要求1所述的大型动力机器基础多维隔减振装置的隔减振方法，其特征在于，所述水平向减振单元为粘弹性核心垫，包括若干钢板和粘弹性材料层，若干钢板之间通过粘弹性材料层依次交替叠合。

4.根据权利要求1所述的大型动力机器基础多维隔减振装置的隔减振方法，其特征在于，所述弹簧与导筒外壁之间留有1～2mm间隙，使弹簧在压缩行程下能自由变形。

5.根据权利要求1所述的大型动力机器基础多维隔减振装置的隔减振方法，其特征在于，所述压缩钢板的横截面为圆形，其外壁与导筒内壁距离为2～3mm。

6.根据权利要求3所述的大型动力机器基础多维隔减振装置的隔减振方法，其特征在于，所述第二水平间隙大于粘弹性核心垫中粘弹性材料层厚度的三倍。

7.根据权利要求1所述的大型动力机器基础多维隔减振装置的隔减振方法，其特征在于，所述第一上法兰板与基础顶台板之间、第二下法兰板与框架柱顶之间均设有预留的连接孔，连接方式为螺栓连接或锚栓连接；第一下法兰板与第二上法兰板之间、顶板与第一上法兰板之间均采用螺栓连接。

8.根据权利要求1所述的大型动力机器基础多维隔减振装置的隔减振方法，其特征在于，所述第一上法兰板和第一下法兰板上留有预紧螺栓孔，通过在装置内安装预紧螺栓，以实现装置的预紧。