浅谈弹簧隔振技术在动力机器基础中的应用

文国想，洪勇，郑景军，马小兵，周小猛

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

前言

在电厂中经常会用到许多动力机器设备，如风机、给水泵、汽轮机、发电机等，它们的基础均为动力机器基础。这些动力机器设备在运转时，由于不同的传动机构、运行方式、材料的不均匀性或因制造安装误差、过大的轴承间隙等会引起质量的不平衡，当不平衡质量在某一方向作加速运动时， 就会产生扰力或扰力矩即动力荷载，从而引起机器设备及其基础的振动。由于振动影响基础的强度以及机器设备的正常使用， 因而有必要采取措施降低振动的影响，而弹簧隔振技术就是其中一种十分实用且有效的降振措施[1]。

1 隔振方案介绍

某电厂（2×300 MW机组）采用弹簧隔振技术对汽动给水泵基础进行消能减振处理，该设备基础位于汽机房12.56 m层，为大块式混凝土基础。汽动给水泵弹簧隔振基础由基础台座、弹簧隔振器和阻尼器等组成。该基础直接布置在主厂房框架梁上，弹簧隔振器和阻尼器放置于框架梁与汽动给水泵基础台座之间。弹簧隔振器和阻尼器具体构造见图1，弹簧隔振器的主要技术参数见表1；基础台座尺寸需满足现场布置的要求但可在允许的范围内调整。隔振方案应满足以下技术要求：最大振动线速度：

① 垂直向Vz≤ 5 mm/s，② 水平向Vx、Vy≤ 5 mm/s；

最大振动线位移：① 垂直向Sz≤ 0.02 mm，② 水平向Sx、Sy≤ 0.02 mm；

使用寿命及隔振效率：弹簧隔振器的设计使用寿命应大于50年，弹簧隔振器的隔振效率应大于95 %。

现有三种隔振方案可供选择，方案一至方案三的基础台座尺寸及隔振器布置分别见图2～图4，三种方案中仅基础台座尺寸及隔振器数量、位置改变，其中方案一与方案二使用8个隔振器，方案三使用10个隔振器。此外，各方案的隔振器在布置时均考虑使隔振器的布置中心与全部上部载荷的重心重合，因此可假定同一方案中各隔振器所承担的荷载及荷载所产生的变形相同。

2 隔振效果比较分析

参考文献[2]、文献[3]以及相关的规范规定，对上述三个隔振方案分别进行隔振效果计算，计算结果如表2所示。

图1 弹簧隔振器和阻尼器构造

分析表2中三种隔振方案的计算结果可知：上述三种隔振方案均能满足设计所需的隔振技术要求。当单独考虑隔振效率时，方案二隔振效率最高；当考虑隔振基础的最大振动线位移时，水平振动线位移的幅值方案一最小而方案三最大，垂直振动线位移的幅值方案一最大而方案三最小；当考虑隔振基础传递至下部结构的动荷载时，方案二传递的动荷载最小，方案三传递的动荷载最大；当考虑隔振基础传递至下部结构的总荷载时，水平荷载三个方案均很小可忽略不计，垂直荷载方案一最小，方案三最大。综合上述分析可知，方案二为三个方案中的最优方案，隔振效率最高，且隔振器利用率也最高，方案一与方案三虽然同样满足设计要求，但综合效果不如方案二。

表1 弹簧隔振器主要技术参数

图2 方案一：基础台座尺寸及隔振器布置

图3 方案二：基础台座尺寸及隔振器布置

图4 方案三：基础台座尺寸及隔振器布置

表2 三个隔振方案计算结果一览表

3 影响隔振效果的主要因素分析

本文中汽动给水泵为具有简谐扰力的机器设备，按照DLT 5188-2004《火力发电厂辅助机器基础隔振设计规程》[4]第5章中的相关规定进行隔振设计计算。隔振基础的基本参数主要包括隔振基础的总质量m（包括机器质量mg与台座质量mf），隔振器的弹簧刚度K，隔振器的阻尼比ξ和阻尼系数C，振动传递系数η及隔振效率T等。其中振动传递系数η和隔振效率T代表了隔振的效果，而前面各基本参数均为影响隔振效果的主要因素。本文将结合规范中相关的计算公式以及第2节中的三个隔振方案计算结果，具体分析这些因素对隔振效果的影响规律。

由DLT 5188-2004《火力发电厂辅助机器基础隔振设计规程》中公式5.2.2-2 可推导得到以下公式：

其中：

A—基础台座允许的竖向振动线位移，m；

PZ—机器的竖向扰力，kN；

w—机器扰力圆频率，rad/s。

本文研究的是同一机器基础的减隔振方案，竖向扰力PZ、扰力圆频率w以及机器质量mg均为定值。分析公式（1）可知：基础台座允许的竖向振动线位移A与机器和台座的总质量m成反比，由于机器质量为定值，因此台座质量mf越大，台座允许的竖向振动线位移A可设定的越小；同理，若台座允许的竖向振动线位移A越小，则满足要求所需的台座质量mf越大。在本文的三个隔振方案中，方案一至方案三基础台座质量依次增加，其隔振后的竖向振动线位移则依次减小，与公式（1）中所得台座质量对竖向振动线位移的影响规律相符。

由DLT 5188-2004《火力发电厂辅助机器基础隔振设计规范》中公式5.2.2-3 可推导得到以下公式：

其中：

ηZ—竖向振动传递系数；

KZ—隔振器的竖向总刚度，kN/m。

分析公式（2）可知：当隔振器的竖向总刚度KZ一定时，台座质量mf越大，机器和台座的总质量m也越大，则竖向振动传递系数ηZ越小，隔振效率T越大；当台座质量mf一定时，机器和台座的总质量m也一定，隔振器的竖向总刚度KZ越小，则竖向振动传递系数ηZ越小，隔振效率T越大。比较本文中的方案一与方案二，二者隔振器的竖向总刚度KZ相同，但方案二中的台座质量mf比方案一中的大，而计算结果显示方案二的竖向振动传递系数ηZ比方案一小，隔振效率T比方案一大，与公式（2）中所得台座质量对振动传递系数和隔振效率的影响规律相符。

由DLT 5188-2004《火力发电厂辅助机器基础隔振设计规范》中公式5.2.2-1、5.2.2-6以及公式（1）可推导得到以下公式：

其中：

ξZ—隔振器的竖向总阻尼比。

分析公式（3）可知：当台座质量mf与隔振器的竖向总刚度KZ一定时，隔振器的竖向总阻尼比ξZ越小，则竖向振动传递系数ηZ越小，隔振效率T越大。同理，若隔振器的竖向总阻尼比ξZ不变，增大台座质量mf或减小隔振器的竖向总刚度KZ，同样会减小竖向振动传递系数ηZ并且增大隔振效率T。

由DLT 5188-2004《火力发电厂辅助机器基础隔振设计规范》中公式5.2.2-7、5.2.2-8可推导得到以下公式：

其中：

CZ—隔振器的竖向总阻尼系数，kN·s；

CZi—每个隔振器的竖向阻尼系数，kN·s；

Ni—隔振器个数。

分析公式（4）可知：隔振器的竖向总阻尼比ξZ除受隔振器自身的竖向总阻尼系数CZ影响之外，还受隔振器的竖向总刚度KZ以及台座质量mf的影响。本文中方案一与方案二隔振器竖向总阻尼系数CZ、隔振器的竖向总刚度KZ均相同，方案一台座质量mf比方案二小，则其隔振器的竖向总阻尼比ξZ比方案二大，与公式（4）中所得台座质量对隔振器竖向总阻尼比的影响规律相符。

综合上述分析可得到如下结论：隔振基础的总质量、隔振器的阻尼比、阻尼系数、弹簧刚度等因素均能影响隔振的效率，若仅单独考虑其中的一种因素，隔振基础的总质量越大，隔振效果越好；隔振器的阻尼比越小，隔振效果越好；隔振器的阻尼系数越小，隔振效果越好；隔振器的弹簧刚度越小，隔振效果越好。但是通过上述公式（4）可知，隔振基础的总质量、隔振器的阻尼比、阻尼系数、弹簧刚度这些影响因素并不是孤立存在的，而是相互影响的。因此，在隔振方案设计时需要综合考虑上述因素的影响，此外还应考虑方案的经济性、施工便捷性等，通过多种方案的比较，选择一个最为合适的方案。但是，在实际的工程应用中，同时考虑多个影响因素往往太过复杂，因而进行隔振设计时需要采用简化的方法。首先根据设备安装的需要以及DLT 5188-2004《火力发电厂辅助机器基础隔振设计规范》中公式5.2.2-1～8初步选定基础台座的质量、隔振器的特性、隔振器的数量等，然后由初步选定的隔振器特性、数量等选择合适的隔振器，再根据所选择的隔振器来设计隔振方案，最后通过改变基础台座的质量、隔振器的数量等来调节隔振效率、振动线位移或振动速率等以满足隔振设计的技术要求，通常需经过多个方案的比选，才能得到最优方案。

4 结论

1）弹簧隔振器布置的越多隔振效果不一定会越好，一方面会降低隔振的使用效率，另一方面可能会引起基础台座质量的增加，起到适得其反的作用；

2）隔振效果受隔振基础的总质量、隔振器的弹簧刚度、隔振器的阻尼比或阻尼系数等众多因素的综合影响；

3）实际工程应用中，同时考虑多个影响因素会造成隔振设计困难，可采用简化方法，经过多方案的比选，确定最优的隔振方案。