張世亮， 嚴(yán) 謹(jǐn)， 張 全

(廣東海洋大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

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大型成撬動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)分析與實(shí)驗(yàn)研究

張世亮， 嚴(yán) 謹(jǐn)， 張 全

(廣東海洋大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

設(shè)備成撬的概念在大型動(dòng)力設(shè)備行業(yè)中應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。探討了大型成撬動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)原因，基于狀態(tài)空間理論建立了描述兩點(diǎn)激勵(lì)的撬塊振動(dòng)矩陣方程，并在MATLAB軟件中計(jì)算分析了激勵(lì)與響應(yīng)之間的規(guī)律關(guān)系。推導(dǎo)出了阻尼裝置上阻尼控制力與控制參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，采用減縮尺寸的振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)計(jì)算結(jié)果和推導(dǎo)函數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型成撬動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題的有效控制，為多振點(diǎn)聯(lián)動(dòng)工況的振動(dòng)控制提供理論參考。

成撬；動(dòng)力設(shè)備；狀態(tài)空間；阻尼裝置

設(shè)備成撬的概念在大型動(dòng)力設(shè)備行業(yè)中應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，成撬具有結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小、便于現(xiàn)場(chǎng)安裝、可實(shí)現(xiàn)專業(yè)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)于空間要求較高的諸如海洋油氣勘探開(kāi)采、動(dòng)力發(fā)電等領(lǐng)域是十分必要的[1]。成撬動(dòng)力設(shè)備主要包括大型的天然氣壓縮機(jī)組、水汽輪發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、大型泵類等，在國(guó)防、能源、礦山工程等領(lǐng)域扮演著十分重要的角色。但大型成撬動(dòng)力設(shè)備的振動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和設(shè)備損壞，損害作業(yè)人員的身心健康，給裝備的正常運(yùn)行帶來(lái)安全隱患，其振動(dòng)的治理控制已成為一個(gè)重要的研究方向[2-3]。

1 成撬動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)特征與原因分析

1.1 成撬動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)特征

成撬動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題在工業(yè)生產(chǎn)中比較常見(jiàn)，本文通過(guò)對(duì)兩個(gè)天然氣壓縮機(jī)組振動(dòng)實(shí)際案例共同特征進(jìn)行提取分析，總結(jié)得出：大型動(dòng)力設(shè)備一般采用整撬撬裝方式，所以體積較為龐大，質(zhì)量較大(甚至高達(dá)百噸級(jí))，因此振動(dòng)能量大；撬內(nèi)外各部件及安裝基礎(chǔ)等的振動(dòng)相互干擾、耦合，呈現(xiàn)非線性、多振點(diǎn)聯(lián)動(dòng)特征；振動(dòng)系統(tǒng)自由度數(shù)龐大，固有頻率低，且低頻模態(tài)密集，有一定規(guī)律的低頻為主的機(jī)械振動(dòng)，且持續(xù)存在。典型的天然氣壓縮機(jī)撬塊結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 某項(xiàng)目壓縮機(jī)成撬總體布局結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall layout diagram in a packaged compressor

1.2 成撬動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)原因分析

成撬動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)的原因是多方面的[4-6]，除了受外部諸如風(fēng)、地震等外部激勵(lì)的作用，還涉及撬塊自身的幾個(gè)方面，包括撬內(nèi)管路的氣流脈動(dòng)或不合理的管路支撐系統(tǒng)，撬塊所處基礎(chǔ)的局部結(jié)構(gòu)剛性不足，軸系扭振及旋轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡等，以上幾種振動(dòng)機(jī)理有著本質(zhì)的區(qū)別，但又同時(shí)存在且相互影響。本文僅局限于研究因動(dòng)力設(shè)備本身的動(dòng)平衡性能較差，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的不平衡力帶動(dòng)整個(gè)撬塊振動(dòng)，當(dāng)動(dòng)力設(shè)備的振動(dòng)頻率與基礎(chǔ)的固有頻率相近時(shí)引起強(qiáng)迫振動(dòng)的問(wèn)題。

2 成撬動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)數(shù)值建模分析

2.1 建立狀態(tài)空間計(jì)算模型

本文基于文獻(xiàn)[7]建立成撬動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)控制的二自由度模型[7]，選取x(y)和φ為廣義坐標(biāo)，其中x為撬塊質(zhì)心位置垂直運(yùn)動(dòng)的位移；y為撬塊安裝基礎(chǔ)位置垂直運(yùn)動(dòng)的位移；φ1為撬塊質(zhì)心位置側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的角位移，φ2為撬塊安裝基礎(chǔ)位置側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的角位移。采用長(zhǎng)為l帶質(zhì)量的平板來(lái)模擬表征撬塊，區(qū)別于文獻(xiàn)[7]中建立的計(jì)算模型，本文采用兩質(zhì)量塊來(lái)模擬表征動(dòng)力設(shè)備，振動(dòng)激勵(lì)F1=f1sin(ω1t+θ1)，F(xiàn)2=f2sin(ω2t+θ2)。撬板與基座之間有一并聯(lián)的彈簧(剛度分別為k1和k2)和阻尼缸(阻尼系數(shù)分別為c1和c2)，提供的控制力分別為fmr1和fmr2，如圖2所示。

圖2 成撬動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算模型Fig.2 The vibration system model of packaged power equipment

成撬設(shè)備振動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式可表示為：

(1)

2.2 計(jì)算分析

圖3 傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)圖Fig.3 The pole-zero plot of transfer function

圖4 傳遞函數(shù)降階前后單位階躍響應(yīng)對(duì)比Fig.4 The unit step response comparison of transfer function before reduced order and after

正弦函數(shù)能模擬因成撬動(dòng)力設(shè)備動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)激勵(lì)，是最接近現(xiàn)實(shí)工況的輸入函數(shù)。因此編制正弦函數(shù)激勵(lì)信號(hào)及阻尼(實(shí)際為阻尼比ζ)循環(huán)程序可計(jì)算得到當(dāng)系統(tǒng)受正弦函數(shù)激勵(lì)時(shí)的響應(yīng)曲線，如圖5所示。從圖中分析知，可以通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)成撬動(dòng)力系統(tǒng)的振動(dòng)控制目標(biāo)。

圖5 系統(tǒng)正弦激勵(lì)響應(yīng)曲線Fig.5 The sinusoidal excitation response curve

2.3 阻尼控制力的推導(dǎo)與計(jì)算

根據(jù)上述分析可知，阻尼是影響撬塊振動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和激勵(lì)響應(yīng)的關(guān)鍵因素之一，因此對(duì)阻尼控制力的推導(dǎo)是相當(dāng)有必要的。本文將阻尼控制力fmr定義為包括彈簧作用力和流體介質(zhì)阻尼作用兩部分，但當(dāng)彈簧剛度不變且位移差較小時(shí)，流體介質(zhì)的阻尼作用及活塞上下的壓力差將成為控制力的主要影響因素，根據(jù)流體在阻尼通道中的流體動(dòng)力學(xué)特性分析及等效黏性阻尼的原則，可推導(dǎo)出其近似表達(dá)式為：

(2)

圖6 阻尼、阻尼控制力與壓差函數(shù)曲線Fig.6 The function curve between damp, damping control force and pressure difference

3 實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果對(duì)比分析

3.1 縮尺振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

振動(dòng)控制系統(tǒng)原理見(jiàn)圖7，在忽略彈簧與阻尼缸的質(zhì)量影響，同時(shí)認(rèn)為液壓油路密封有效，且不會(huì)出現(xiàn)壓力差脈動(dòng)的前提下，成撬設(shè)備振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的具體管線連接和安裝參見(jiàn)圖8。

圖7 振動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 The vibration control system schematic

圖8 成撬設(shè)備振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)安裝圖Fig.8 The installation diagram of vibration measurement and analysis system in packaged equipment

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

從上述實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)對(duì)比可以得到，在實(shí)施調(diào)節(jié)節(jié)流閥阻尼裝置前后，振動(dòng)激勵(lì)和振動(dòng)響應(yīng)的幅值都有大幅度的降低，如圖9所示。測(cè)點(diǎn)1處平均最大幅值由15.173 m/s2降為2.373 m/s2，平均降幅為84.4%。測(cè)點(diǎn)8處平均最大幅值由7.896 m/s2降為1.408 m/s2，平均降幅為82.1%，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說(shuō)明，通過(guò)間接調(diào)節(jié)阻尼缸前后壓力差方式可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)阻尼的目的，對(duì)于成撬動(dòng)力系統(tǒng)自身引起的振動(dòng)問(wèn)題具有顯著效果。

將實(shí)驗(yàn)記錄的加速度幅值、壓力差數(shù)據(jù)及推導(dǎo)公式通過(guò)MATLAB軟件描繪出來(lái)，如圖10所示。顯然，兩條曲線存在負(fù)相關(guān)性，即通過(guò)逐步增大節(jié)流閥開(kāi)度，活塞前后壓力差隨之變大，相應(yīng)的阻尼控制力以三次函數(shù)的速度增加，這樣隨著阻尼裝置提供的控制力的增加撬塊振動(dòng)幅度明顯降低。

圖9 縮尺模型測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)8振動(dòng)控制實(shí)施效果對(duì)比圖Fig.9 The vibration control effect contrast of measuring point 1 and measuring point 8 in scale model

圖10 阻尼控制力與加速度幅值相關(guān)性曲線Fig.10 The correlation curve between damping control force and acceleration amplitude

圖11 阻尼缸1與阻尼缸4缸外壁實(shí)測(cè)溫度曲線Fig.11 The measured temperature curve on outer wall of damping cylinder 1 and 4

此外，在液壓循環(huán)油路開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，實(shí)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間激勵(lì)載荷作用下，兩個(gè)阻尼裝置缸外壁的溫度變化情況，如圖11所示。結(jié)果說(shuō)明液壓循環(huán)油路關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過(guò)約40 min的激勵(lì)振動(dòng)，阻尼缸外壁溫度逐步升高，當(dāng)開(kāi)啟液壓循環(huán)油路后，阻尼缸外壁溫度有一定的降低，這說(shuō)明處于循環(huán)油路狀態(tài)的阻尼裝置可以將產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移出阻尼缸腔體，從而避免了阻尼介質(zhì)(抗磨液壓油)在溫度變化時(shí)性能變化。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)大型成撬動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題，建立了兩振點(diǎn)激勵(lì)的條件下多輸入多輸出的狀態(tài)空間表達(dá)式，并推導(dǎo)出減振裝置活塞前后壓差與系統(tǒng)阻尼之間的函數(shù)關(guān)系。通過(guò)搭建縮尺振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成對(duì)比驗(yàn)證，證明了可以通過(guò)間接調(diào)節(jié)活塞前后壓差的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)撬塊上振動(dòng)激勵(lì)的阻尼反饋控制，并摸索出通過(guò)循環(huán)油路方式有效解決阻尼裝置熱積聚問(wèn)題的方法，為未來(lái)新型阻尼裝置的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了新的思路和方向。

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A study on vibration control for large packaged power equipments

ZHANG Shiliang, YAN Jin, ZHANG Quan

(School of Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

The concept of power equipments in large packaged industry has been applied widely. This paper discussed and analyzed the vibration source for large packaged power equipments firstly. The sate space matrix equations of a vibration block with two vibration excitation points were deduced based on the state space theory. The relationship between vibration excitation and response could thus be simulated and analyzed in MATLAB software. Finally, the function between damping control force and the control parameters of damping device was calculated and then the simulation results and derivation function were verified by a scale-reduced experimental platform. This work achieves effective control for vibration problems of large packaged power equipments, and provides a theoretical reference for multi-point linkage vibration conditions.

large packaged system; power equipment; state-space model; damping device

2015-06-12 修改稿收到日期：2015-10-08

張世亮 男，教授，1960年生

嚴(yán)謹(jǐn) 男，博士，副教授，1974年生

TG714；UDC621

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.20.006