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變壓器彈簧減振降噪裝置的設(shè)計研究

2018-11-01 03:43顧鳴偉何守磊
機械工程與自動化 2018年5期
關(guān)鍵詞:彈簧底板頂板

顧鳴偉,仝 旭,何守磊,成 果,殷 振

(蘇州科技大學(xué) 機械工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215009)

0 引言

變壓器工作時會產(chǎn)生超過50 Hz的高次諧波噪聲,影響著居民的日常生活,對身體健康也會造成較大影響,因此對變電站的要求越來越高,變壓器振動和噪聲的控制任務(wù)日益緊迫[1-2]。

目前市場上絕大多數(shù)的變壓器能夠符合電力標準,但不符合環(huán)境標準要求,需要增加輔助設(shè)備來減小噪聲。在對結(jié)構(gòu)聲傳播進行聲學(xué)分析的基礎(chǔ)上,提出對變壓器機組采取隔振處理和鋪設(shè)吸聲結(jié)構(gòu)的措施,通過實際工程應(yīng)用驗證,隔振是消除變壓器聲污染的主要方式[3]。

金屬彈簧具有緩沖減振、抗腐蝕性強和使用壽命長的特點,可以解決傳統(tǒng)的橡膠減振墊片易于老化的問題。為了能更好地減小變壓器噪聲的影響,本文針對S11-M-630/10型變壓器設(shè)計了一種新型彈簧減振降噪裝置。在ANSYS中構(gòu)建裝置的有限元模型,對模型進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析,獲得裝置的固有頻率,并計算出裝置的振動傳遞率和減振效率的理論值。

1 變壓器彈簧減振裝置的設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

減振類型通常分為主動減振和被動減振。為了防止變壓器的振動和噪聲向外擴散,在變壓器彈簧減振系統(tǒng)的設(shè)計中采用主動減振的方式,用以減弱變壓器的振動和噪聲對地面、墻體、空氣等介質(zhì)的傳播和擴散。利用組合彈簧較好的壓簧穩(wěn)定性和疲勞強度[4],借鑒埃爾米特矩陣在重載夾持機構(gòu)彈性動力學(xué)的研究成果[5],在裝置中采用埃爾米特矩陣并聯(lián)設(shè)置12根彈簧,可以達到延遲振動時間、降低振動幅值的效果,且有利于提高裝置的減振效率和使用壽命。

圖1為設(shè)計的彈簧減振降噪裝置簡圖,圖2為彈簧減振降噪裝置三維效果圖。上頂板2和下底板4上分別有焊接固定導(dǎo)套5,每一個金屬彈簧分別固定在上頂板和下底板相對應(yīng)的導(dǎo)套中,保證了彈簧在使用過程中不發(fā)生前后左右位移;矩形盒6焊接在下底板上,泡沫鋁1放置在矩形盒中,起到了很好的吸振降噪作用;上頂板和下底板四周都焊接有一定高度的鋼板,當(dāng)彈簧承受的力超過了所能承受的最大壓力時,上頂板和下底板會相互接觸,阻止彈簧進一步變形,對彈簧的導(dǎo)向和過載起到了一定的保護作用。

1-泡沫鋁;2-上頂板;3-金屬彈簧;4-下底板;5-導(dǎo)套;6-矩形盒

1.2 主要技術(shù)指標

變壓器噪聲分為本體噪聲和冷卻系統(tǒng)噪聲。鐵芯和繞組的振動通過鐵芯墊腳和變壓器油傳遞給箱體和附件而產(chǎn)生本體噪聲;冷卻系統(tǒng)噪聲主要由風(fēng)扇和油泵的振動引起;鐵芯噪聲是由硅鋼片在磁致伸縮下振動引起的,且振動以2倍的電源頻率為基頻率,繞組的振動是由于電流在繞組中產(chǎn)生電磁力引起的[6-8]。變壓器中鐵芯和繞組所受諧波電磁力的分布頻率在100 Hz~500 Hz,且在100 Hz~200 Hz最為突出[9]。

彈簧減振降噪裝置的特點是工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單且穩(wěn)定,同時裝置對負載要求嚴格,承載物應(yīng)嚴格控制在荷重范圍內(nèi)。變壓器的型號種類較多,本文針對S11-M-630/10型變壓器進行設(shè)計。

S11-M-630/10型變壓器質(zhì)量(含油重)為2 340 kg,長為1 570 mm,寬為920 mm。每個S11-M-630/10型變壓器底座下放置2個彈簧減振降噪裝置。設(shè)計彈簧減振降噪裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下:負載質(zhì)量為1 200 kg、垂直剛度為48 kg/mm、阻尼比為0.08、外形尺寸(長×寬×高)為900 mm×300 mm×150 mm。

1.3 金屬彈簧參數(shù)設(shè)計

變壓器工作產(chǎn)生的動載荷很小,相對于變壓器自重可忽略不計。12根彈簧在裝置內(nèi)并聯(lián)布置,每個彈簧所受到的力基本相同,考慮上頂板的自重及安全因素,每個彈簧所受外力值為1 050 N。

金屬彈簧選用材料為60Si2Mn的圓柱螺旋壓縮彈簧,材料的許用切應(yīng)力[τ]=480 MPa,切變模量G=80 000 MPa。曲度系數(shù)K和彈簧絲直徑d的計算公式分別為:

(1)

(2)

其中:C為旋繞比,取C=8;Fmax為彈簧承受的最大壓力,取Fmax=1 050 N。

將數(shù)值代入式(1)和式(2)計算得:K=1.18,d≥7.3 mm。根據(jù)GB/T 1358—2009圓柱螺旋彈簧尺寸系列取d=8 mm。

圓柱螺旋彈簧的中徑D計算公式為:

D=Cd.

(3)

將數(shù)值代入式(3)計算得:D=64 mm。根據(jù)GB/T 1358—2009圓柱螺旋彈簧尺寸系列取D=65 mm,內(nèi)徑D1=57 mm,外徑D2=73 mm。

圓柱螺旋彈簧的有效圈數(shù)n、節(jié)距P和自由高度H0計算公式分別為:

(4)

P=πDSinα.

(5)

H0≈Pn+1.5d.

(6)

其中:KF為彈簧剛度,KF=470.4 N/mm;α為螺旋角,α=6°。

將數(shù)值代入式(4)~式(6)計算得:n=3.25圈,P=24.68 mm,H0≈110.12 mm。根據(jù)GB/T 1358—2009圓柱螺旋彈簧尺寸系列取n=4,在有效圈數(shù)上加2圈~2.5圈,最終取n=6,H0=115 mm。

2 結(jié)構(gòu)動力學(xué)模態(tài)分析

在前處理中對彈簧減振降噪裝置建立有限元模型,設(shè)定材料參數(shù)并劃分網(wǎng)格,進行機構(gòu)動力學(xué)模態(tài)分析,得到彈簧減振降噪裝置的固有頻率。

2.1 有限元模型

在ANSYS前處理器中對彈簧減振降噪裝置建立三維模型,在不影響分析結(jié)果的情況下對模型進行簡化。簡化后的彈簧減振降噪裝置三維模型如圖3所示。

圖2彈簧減振降噪裝置三維效果圖圖3彈簧減振降噪裝置簡化結(jié)構(gòu)模型

在三維模型建立后,添加彈簧減振降噪裝置的材料屬性,上頂板與下底板材料為45鋼,單元類型選用Solid98;彈簧材料為60Si2Mn,單元類型選用Solid98。具體材料屬性如表1所示。進行3D網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖4所示。

表1 材料屬性

2.2 模態(tài)分析

在網(wǎng)格劃分完成后,設(shè)置彈簧減振降噪裝置為自由邊界條件,求解范圍設(shè)置為0 Hz~500 Hz,進行模態(tài)分析得到的振動模態(tài)如圖5所示,可以看出彈簧減振降噪裝置固有頻率為26.405 Hz。

3 減振效率與振動傳遞率

彈簧減振降噪裝置的隔振效果可以用振動傳遞率的大小來衡量。振動傳遞率TR為:

(7)

其中:ω為激振器的固有頻率,Hz;ωn為減振裝置的固有頻率,Hz;ζ為阻尼比。

減振效率Js為:

(8)

減振效率越高,說明裝置的減振效果越好。

圖4彈簧減振降噪裝置網(wǎng)格劃分后的有限元模型圖5彈簧減振降噪裝置振動模態(tài)圖6不同阻尼比的振動傳遞率TR與頻率比λ的關(guān)系曲線

將頻率比3.8代入式(7)和式(8),得到振動傳遞率為0.087,減振效率為92.51%。變壓器振動頻率為200 Hz時,頻率比約為7.6,將頻率比代入式(7)和式(8),得到振動傳遞率為0.027,減振效率為98.28%。這一結(jié)果表明了設(shè)計的彈簧減振降噪裝置能夠起到很好的減振降噪效果。

4 結(jié)語

設(shè)計了一種變壓器彈簧減振降噪裝置,使用有限元分析工具對其進行了結(jié)構(gòu)動力學(xué)模態(tài)分析,得到了該裝置的固有頻率和振動模態(tài),并利用振動傳遞率和減振效率的數(shù)學(xué)模型計算出其理論值,計算結(jié)果表明設(shè)計的彈簧減振降噪裝置能夠起到很好的減振降噪效果。該有限元分析方法和數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果可以為今后變壓器彈簧減振降噪裝置的優(yōu)化設(shè)計提供一定的理論依據(jù),具有實用的參考價值。

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