空冷風(fēng)機(jī)橋架振動(dòng)可靠性分析.doc

空冷風(fēng)機(jī)橋架振動(dòng)可靠性分析蔣紅梅，高峰北京首航艾啟威節(jié)能技術(shù)股份有限公司摘 要：在直接空冷系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)橋架受到電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響，由于外載荷、幾何尺寸、材料性能等方面存在著不確定因素使振動(dòng)具有隨機(jī)性，從而影響風(fēng)機(jī)橋架的可靠度。本文利用ANSYS軟件對(duì)橋架振動(dòng)特性進(jìn)行了分析，借助Camp bell圖找出危險(xiǎn)共振點(diǎn)，考慮某一激振力頻率的分布和與其最為接近的某一階固有頻率的分布的干涉模型，對(duì)橋架避開共振的可靠度進(jìn)行計(jì)算。分別得到25%額定功率工況、50%額定功率工況、75%額定功率工況、100%額定功率工況和110%額定功率工況下工作的風(fēng)機(jī)橋架避開共振的可靠度，并借助橋架振動(dòng)可靠性評(píng)估邏輯圖（PFTA圖）對(duì)這些危險(xiǎn)共振點(diǎn)組成的串聯(lián)特性的共振系統(tǒng)進(jìn)行了振動(dòng)可靠性計(jì)算。從而為風(fēng)機(jī)橋架的設(shè)計(jì)及可靠性決策提供參考。關(guān)鍵詞：空冷；風(fēng)機(jī)橋架；振動(dòng)；可靠性Analysis of Rreliability Analysis of the fan bridge truss in Aair cooling condenserCC structure systemJiang Hongmei， Gao FengBeijing Shouhang IHW Resources Saving Technology Co., LtdAbstract: In ACC structure system, Vibration of fan bridge truss influence vibration caused induced by motor and fan in ACC structure system, The reliability of the fan bridge truss is affected by vibration randomness, which depends on randomness in some uncertain factors, such as loads, geometry sizes, material properties, and so on. The vibration characteristics of the bridge truss are analyzed studied in this paper by the way ofusing ANSYS softwareanalysis, . dangerous Dangerous resonance point is identified by means of Camp bell graph. An interference model of which the frequency distribution of the exciting force is closed to one of the natural frequency distribution is discussed, and the reliability of the bridge truss to avoid resonance is calculated. The reliability of the fan bridge truss to avoid resonance under dDifferent conditions of the reliability of the fan bridge truss to avoid resonance are obtained ,which the results refers to 25 percent rated power condition, 50 percent rated power condition, 75 percent rated power condition, 100 percent rated power condition and 110 percent rated power condition, respectively. With the help of bridge truss vibration reliability evaluation logic map (or so-called Probability Fault Tree Analysis), the vibration reliability of the The series system consisting of these dangerous resonance points are calculatedproceeded. The results is a nice Rreference is provided for decision-making of the design and reliability of the fan bridge truss.Key words: air-cooling condenser; fan bridge truss; vibration; reliability空冷風(fēng)機(jī)橋架是一種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，300 MW空冷機(jī)組空冷中一般布置30臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的開啟工況也比較多，?？绽淦脚_(tái)屬于多點(diǎn)激振, 且每臺(tái)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不同、相位角也不相同,為多點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)過程,其結(jié)構(gòu)受力及變形的因素一般都隨著空間位置及時(shí)間的變化而變化發(fā)生或大或小的隨機(jī)擾動(dòng)，即具有不確定性。所以，可認(rèn)為工程結(jié)構(gòu)都是隨機(jī)結(jié)構(gòu)。由于載荷的隨機(jī)性和橋架的幾何尺寸、材料性能、加工工藝參數(shù)的隨機(jī)性，其強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率及其自振頻率亦呈現(xiàn)出一定的不確定性，表現(xiàn)為呈一定的分布。因此，基于概率和統(tǒng)計(jì)的橋架振動(dòng)可靠性分析是十分必要的。1振動(dòng)可靠性理論振動(dòng)問題是影響結(jié)構(gòu)可靠性和耐久性的重要因素之一，其失效機(jī)理主要為共振失效，同時(shí)還有因振動(dòng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部交變應(yīng)力值變化而大于結(jié)構(gòu)材料許用應(yīng)力值所導(dǎo)致的強(qiáng)度失效。因此，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)可靠性分析時(shí)，應(yīng)包含以下兩方面的內(nèi)容，即結(jié)構(gòu)不發(fā)生共振的可靠性和振動(dòng)時(shí)疲勞強(qiáng)度的可靠性。本文暫只考慮不發(fā)生共振的可靠性。當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與橋架自振頻率相等或相近時(shí)，橋架即會(huì)發(fā)生共振失效。結(jié)構(gòu)受到的外加激勵(lì)的頻率P與其固有頻率的關(guān)系是考察結(jié)構(gòu)是否發(fā)生共振的指標(biāo)，因此以外加激勵(lì)的頻率P和結(jié)構(gòu)的固有頻率作為廣義的應(yīng)力一強(qiáng)度干涉模型是恰當(dāng)?shù)?。避開共振的可靠度 指的是不發(fā)生共振的概率，即機(jī)械零件固有頻率避開激振力頻率的概率。用f 表示機(jī)械零件的固有頻率，用表示激振力頻率。文獻(xiàn)3曾提出。對(duì)于大多數(shù)機(jī)械零件的各階固有頻率, 很難滿足的要求。眾所周知， 接近1 時(shí)發(fā)生共振，, f 還應(yīng)避開 一定距離。按照傳統(tǒng)的振動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)范, 當(dāng)時(shí), 有,或當(dāng)時(shí)，有，振動(dòng)設(shè)計(jì)才是安全的。這里，8。不同機(jī)械零件的和取值有所差異，例如汽輪機(jī)葉片為0.050.15, 轉(zhuǎn)軸為0.100.30。給定, ，并把和仍稱為激振力頻率。用表示機(jī)械零件固有頻率分布的概率c密度函數(shù)，用和表示激振力頻率分布的概率密度函數(shù)。當(dāng)時(shí)，根據(jù)固有頻率分布同激振力頻率分布的干涉模型,有： （1）當(dāng)和獨(dú)立地服從正態(tài)分布時(shí)，利用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布積分表，有： （2）式中： ；同理,當(dāng)時(shí)，有： （3） （4）式中：通常機(jī)械零件有多階固有頻率, 激振力頻率也不止一個(gè)。在機(jī)械零件避開共振的可靠性設(shè)計(jì)分析中，主要考慮某一激振力頻率的分布和與其最為接近的某一階固有頻率的分布的干涉模型。2橋架振動(dòng)可靠性分析風(fēng)機(jī)橋架上的主要設(shè)備為風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、減速齒輪箱,下端固定在空冷鋼平臺(tái)主梁上, 風(fēng)機(jī)和電機(jī)是整個(gè)空冷支架結(jié)構(gòu)體系中的振動(dòng)源。風(fēng)機(jī)橋架由于幾何尺寸、材料等的不確定性，導(dǎo)致橋架的固有頻率的不確定，外界激振力的頻率和力幅的不確定，共同導(dǎo)致橋架振動(dòng)響應(yīng)的不確定性。所以風(fēng)機(jī)橋架振動(dòng)研究必須考慮如下的設(shè)計(jì)變量及它們的分散度。2.1激振力頻率分析橋架直接承受電動(dòng)機(jī)、減速器、風(fēng)機(jī)的動(dòng)力荷載，而風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起橋架的振動(dòng)。風(fēng)機(jī)橋架受到的風(fēng)機(jī)激振力主要來自風(fēng)機(jī)葉輪的振動(dòng)。風(fēng)機(jī)葉輪受到的激振力頻率： (5)式中： ；N 轉(zhuǎn)速；K 結(jié)構(gòu)諧波系數(shù)。由文獻(xiàn)4知，工作轉(zhuǎn)速服從正態(tài)分布，其均值為,標(biāo)準(zhǔn)差為。則有也服從正態(tài)分布，且有： (6) (7)式中： 激振力頻率均值； 激振力頻率標(biāo)準(zhǔn)差。激振力種類不同K取值不同。風(fēng)機(jī)橋架所受的激振力可分為兩類：（1）機(jī)械激振力由于轉(zhuǎn)動(dòng)零件或傳動(dòng)零件產(chǎn)生的交變力和力矩，稱為機(jī)械激振力。這些激振力是通過與葉輪相聯(lián)結(jié)的輪轂與軸等零件傳給減速箱，通過減速箱傳到橋架并激勵(lì)其振動(dòng)。相鄰的橋架振動(dòng)通過主梁傳遞給橋架。此時(shí)K為結(jié)構(gòu)系數(shù)，由不同的振源所定。如：轉(zhuǎn)子不平衡力引起的激振，為風(fēng)機(jī)中主要振源，其激振頻率等于風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速，通常認(rèn)為K=葉片數(shù)和K=1的激振源。相鄰的橋架振動(dòng)經(jīng)過主梁傳遞過來，其激振能視傳遞路程的遠(yuǎn)近將有所消耗。所以一般此力只有在較大的能量下才較為嚴(yán)重。（2）氣體激振力葉片旋轉(zhuǎn)失速振動(dòng)。此振動(dòng)是由于氣流在葉片槽流道間產(chǎn)生分離造成的一種氣動(dòng)激振力，使葉片受到強(qiáng)迫振動(dòng)而產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)離開設(shè)計(jì)狀態(tài)工作，流經(jīng)葉片的氣流進(jìn)氣攻角就發(fā)生了變化，當(dāng)進(jìn)氣攻角增大到某一定程度以后，使轉(zhuǎn)子上某一葉片或幾個(gè)葉片的氣流產(chǎn)生分離，進(jìn)入失速狀態(tài)。這種失速現(xiàn)象由一個(gè)葉片的葉背向另一葉片的葉背方向連續(xù)傳播，相對(duì)于葉片來說，如同旋轉(zhuǎn)一樣，故稱旋轉(zhuǎn)失速。失速區(qū)的數(shù)目和它的旋轉(zhuǎn)速度是重要的，但目前它們尚難以準(zhǔn)確地計(jì)算。同一級(jí)葉片，可以出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)失速區(qū)。一般可認(rèn)為18個(gè)。出現(xiàn)幾個(gè)失速區(qū)時(shí)，大多數(shù)都是周向均勻分布的。而失速區(qū)的旋轉(zhuǎn)速度約為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一半。對(duì)任一葉片，它在正常氣流狀態(tài)和失速狀態(tài)下，所受的氣體力是不同的。這樣，當(dāng)葉片交替地通過正常區(qū)和失速區(qū)時(shí)，葉片就受到激振力。此激振力的頻率將隨失速區(qū)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度而改變，即：式中：K 失速區(qū)數(shù)目。 旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象只發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速狀態(tài)（4570%最大轉(zhuǎn)速）下，所以它引起的葉片振動(dòng)只是短時(shí)間的。2.2風(fēng)機(jī)橋架不發(fā)生共振的可靠性分析及算例給出風(fēng)機(jī)橋架為六行五列，研究的橋架為第五行第四列，因此相鄰橋架傳來的激振力的激振頻率中，構(gòu)造系數(shù)K=2、K=4、K=5、K=1。葉片數(shù)為6，此構(gòu)造系數(shù)K=6。本文利用ANSYS軟件對(duì)風(fēng)機(jī)橋架固有頻率進(jìn)行分析。得出固有頻率均值。橋架長12840mm，寬2345mm，采用鋼材料為Q235B普通低碳鋼材料材質(zhì)。，其密度為kg/m3，常溫下彈性模量為MPa，泊松比。圖1 有限元網(wǎng)格劃分采用Solid185 3維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元。該元素由8個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度：x,y,z方向。模型分為371642個(gè)單元。有限元網(wǎng)格如圖1所示。（1） 荷載與邊界條件 橋架與鋼平臺(tái)主梁間的墊板下接觸面所有節(jié)點(diǎn)均為固定邊界條件；荷載為電機(jī)、減速箱和風(fēng)機(jī)自重34.7kN。100%工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1485 r/min，風(fēng)機(jī)葉輪工作轉(zhuǎn)速為74r/min。（2） 固有頻率和模態(tài)分析在ANSYS中使用Block Lanczos法，對(duì)橋架進(jìn)行固有頻率計(jì)算。提取前30階模態(tài)，130階頻率如表1，部分模態(tài)形狀如圖215所示。 圖2 風(fēng)機(jī)橋架1階振動(dòng)模態(tài) 圖3 風(fēng)機(jī)橋架3階振動(dòng)模態(tài) 圖4 風(fēng)機(jī)橋架4階振動(dòng)模態(tài) 圖5 風(fēng)機(jī)橋架5階振動(dòng)模態(tài) 圖6 風(fēng)機(jī)橋架9階振動(dòng)模態(tài) 圖7 風(fēng)機(jī)橋架13階振動(dòng)模態(tài) 圖8 風(fēng)機(jī)橋架14階振動(dòng)模態(tài) 圖9 風(fēng)機(jī)橋架18階振動(dòng)模態(tài) 圖10 風(fēng)機(jī)橋架19階振動(dòng)模態(tài) 圖11 風(fēng)機(jī)橋架21階振動(dòng)模態(tài) 圖12 風(fēng)機(jī)橋架22階振動(dòng)模態(tài) 圖13 風(fēng)機(jī)橋架26階振動(dòng)模態(tài) 圖14 風(fēng)機(jī)橋架27階振動(dòng)模態(tài) 圖15 風(fēng)機(jī)橋架30階振動(dòng)模態(tài) 表1 固有頻率表 Hz階數(shù)123456頻率8.37211.63411.80811.91912.63512.802階數(shù)7 89101112頻率15.39215.42217.49520.20420.39624.125階數(shù)131415161718頻率24.15428.50730.45030.47235.09336.300階數(shù)19 2021222324頻率36.78637.53837.54938.93539.24840.965階數(shù)25 2627282930頻率41.46942.36243.11047.51447.54248.384利用以上分析數(shù)據(jù)繪制共振圖如圖16所示，橫坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)表示頻率，圖中未經(jīng)過圓心的橫線表示橋架固有頻率線，經(jīng)過圓心的射線是激振頻率射線。在此圖上，橋架的共振為固有頻率線與激振頻率射線的相交點(diǎn)就是共振點(diǎn)。從交點(diǎn)向下作垂線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為風(fēng)機(jī)的共振轉(zhuǎn)速。如果風(fēng)機(jī)在這個(gè)轉(zhuǎn)速下工作，橋架就會(huì)產(chǎn)生共振。圖16 橋架共振轉(zhuǎn)速圖 從圖16中可以看出，由于橋架有許多共振點(diǎn)，也就有不止一個(gè)的共振轉(zhuǎn)速，對(duì)于一個(gè)橋架來說，在轉(zhuǎn)速變化的過程中，就有較多的機(jī)會(huì)產(chǎn)生共振，共振轉(zhuǎn)速也很多。因此嚴(yán)格來說，橋架的共振現(xiàn)象是不可避免的。但是，只要共振轉(zhuǎn)速不落在工作轉(zhuǎn)速范圍以內(nèi)，或者工作轉(zhuǎn)速在橋架共振轉(zhuǎn)速下停留時(shí)間不長，都可以達(dá)到要求。圖中A、B、C、D、E、F、G、H分別是轉(zhuǎn)速大于20r/min的危險(xiǎn)共振點(diǎn)?？疾旃ぷ鬓D(zhuǎn)速下的裕度，當(dāng)時(shí)，則為安全，不會(huì)發(fā)生共振。當(dāng)時(shí)，則有共振的可能，需要進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過驗(yàn)算B、C分別為50%額定功率工況轉(zhuǎn)速下5階和4階危險(xiǎn)共振點(diǎn)， D點(diǎn)為75%額定功率工況轉(zhuǎn)速下9階危險(xiǎn)共振點(diǎn)，A為100%額定功率工況轉(zhuǎn)速下13階危險(xiǎn)共振點(diǎn)，E為110%額定功率工況轉(zhuǎn)速下14階危險(xiǎn)共振點(diǎn)，F(xiàn)為110%額定功率工況轉(zhuǎn)速下18階危險(xiǎn)共振點(diǎn)，這些危險(xiǎn)共振點(diǎn)組成一個(gè)具有串聯(lián)特性的共振系統(tǒng)，該系統(tǒng)稱為橋架共振的PFTA圖，或稱橋架振動(dòng)可靠性評(píng)估邏輯圖，如圖17所示。根據(jù)可靠性理論，可知橋架避開共振功能函數(shù)形式如下：共振點(diǎn)A： ， 共振點(diǎn)B： ， 共振點(diǎn)C： ， 共振點(diǎn)D： ， 共振點(diǎn)E： ， 共振點(diǎn)F： ， 共振點(diǎn)G： ， 共振點(diǎn)H： ， 圖17 葉片共振的PFTA圖從圖16中可以看出、，因此、和不存在。利用上述理論計(jì)算葉片不發(fā)生共振的概率，其結(jié)果見表2。表2 橋架不發(fā)生共振的概率序號(hào)共振點(diǎn)模態(tài)階數(shù)橋架固有頻率（Hz）激振力頻率（Hz）避開共振的可靠度頻率均值標(biāo)準(zhǔn)差頻率均值標(biāo)準(zhǔn)差1A13階24.1540.7224.6670.740.69042B5階12.6350.3812.3330.370.71543C4階11.9190.3612.3330.370.78874D9階17.4950.5218.5000.560.90585E14階28.5070.8627.1330.810.87766F18階36.0001.0836.4651.090.61877G10階20.2040.6119.8900.600.64398H6階12.8020.3812.9690.