基于双层隔振系统理论的隔振地基研究

杨龙宇 高芳清

(西南交通大学力学与工程学院，四川 成都 610031)

基于双层隔振系统理论的隔振地基研究

杨龙宇 高芳清

(西南交通大学力学与工程学院，四川 成都 610031)

同单层隔振系统只适用于低频区域(通常＜50Hz)相比,双层隔振系统的传递率曲线在共振区后下降得比较快,对于高频振动隔离比较有效。然而由于部分被隔离的机械设备本身重量不小，因而作为中间质量块的设备造价过高，且不经济实用。本文提出了以刚性基础作为中间质量块的双层隔振系统的观点，并以大型电力变压器为被隔离设备进行可行性分析， 提出了合理的隔振地基的结构，可供地基设计人员参考

电力变压器 双层隔振 隔振地基 结构形式

变电站中最主要的噪声源设备是变压器、电抗器在运行时产生的噪声，变压器等设备噪声产生的原因基本一致，即铁芯与绕组振动产生的机械噪声，主要包括硅钢片磁滞伸缩引起的铁芯振动，及硅钢片接缝处、硅钢片之间会产生一定的漏磁现象产生的磁场力而引起的铁芯的振动。变压器是作为变电站降压、升压、联络变压器非常重要的设备，由于该设备较细高，且自重大,常规的单层隔振效果一般，本文由双层隔振系统理论入手，通过理论计算与数值模拟，分析了不同参数下，隔振地基对于大型变压器隔振效果的影响.

1.双层隔振系统

单层隔振系统和双层隔振系统模型可用下图表示

图1

双层隔振就是在一次隔振的基础上再加一层弹簧和阻尼器进行二次隔振,如图1所示。该系统分为双层,机器设备本体为上层质量块M,由于有了中间质量块m以及下层阻尼器，双层隔振会在单层隔振基础上产生二次衰减能量的惯性力和阻尼力，使振动能量得到二次衰减。

根据隔振设计原理，无论阻尼比大小，单层隔振系统只有在频率比大于2时候，传递率才小于1，隔振才有意义。研究表明：单层隔振系统只适用于低频区域(通常＜50Hz)，相对于单层隔振系统，双层隔振效率更高，频率比范围更广，对于高频振动隔离比较有效。

双层隔振系统虽然优点明显，但是由于部分被隔振设备重量过大，以大型变压器为例，某110kv变压器变压器整体重量6895kg，安装时最大起重重量 35410kg，油质量 17120kg，而工程中作为双层隔振系统的中间质量块质量一般在设备的0.25-1倍之间，造价昂贵且不经济，但已有研究表明，变压器的振动频率是100Hz及其倍频，使用单层隔振效果不佳。

考虑到以上因素，本文提出了以刚性基础作为中间质量块的双层隔振系统的观点，这样既避免了中间质量块设备的制作，又能减少整体系统的重量，并对提高系统稳定性有一定的帮助。

图2 -a图2-b

2种隔振地基模型如图2所示，其中图2-a为混凝土独立地基，考虑基础周围土体对隔振系统的影响，将其等效刚度与阻尼形式来表达,此时，隔振系统模型可理解为双层隔振模型。图2-b为多层结构，周围设有隔振沟，振动主要沿竖向传递，下层的隔振由减震橡胶和胶合板来提供。

2.变压器基础隔振数值模拟

选取较为简单的模型图2-a进行分析，采用有限元分析方法进行理论研究，变压器通过上层阻尼弹簧隔振器与基础相连，建立力学模型如图3所示。考虑基础周围土体对隔振系统的影响土体的刚度设定为1 . 3 ×10e 7 N / m ，阻尼比设定0 .1。隔振器的具体参数通过在ansys中输入隔振器的纵向等效刚度和阻尼，输入不同的数值就可以模拟不同隔振参数下隔振器的效果。

图3 力学模型

为了评估隔振地基的效果，首先要确定隔振器刚度及阻尼的合理取值范围。先选取频率比λ，是激励频率与系统固有频率之间的比值，为使研究具有普适性，可分别取频率比λ=0.5，λ=1，λ=1.5，λ=2，λ=3四种情况进行分析。

阻尼比体现了结构阻尼的大小，用于描述结构在振动过程中对能量的耗散，是结构的动力特性之一。隔振层的阻尼比可用符号ζ表示，为研究阻尼参数对响应的影响，可取阻尼比ζ=0.0001，ζ=0.001，ζ=0.01，ζ=0.1四种情况来进行分析。

描述和评价隔振效果最常用的是振动传递率T，变压器隔振系统的隔振特性可通过传递率来衡量。位移传递率是指振动传递到基础上引起的位移与设备底部的位移之比，通过计算不同频率比和阻尼比下油箱表面和地基处的振动位移可以得到振动位移传递率曲线如图4所示。

图4 变压器隔振系统位移传递率变化曲线

由计算结果表明：选取合适的频率比和阻尼比后，图2-a型隔振地基有较好的隔振效果，但由于下层隔振只选取周边土体的等效刚度和阻尼影响，隔振效果达不到最佳状态，在混凝土基础底部放置减震橡胶以及在周围设置隔振沟，会有更好地效果。

3.基础质量对变压器隔振效果的影响

变压器隔振系统是一个双层隔振系统，在系统中，中间质量对隔振效果有比较大的

影响，因此有必要对变压器混凝土基础大小对变压器隔振效果的影响进行分析。

鉴于目前变压器基础设计规范中并未对基础大小、高度、质量等几何参数作明确的要求，

本文依据混凝土基础质量与被隔振设备的质量比作为变化参数进行分析。这里选取混凝土基础与变压器设备的质量比分别为0.5、1和2三种情况。 分析时保证混凝土基础长宽不变，仅改变其高度，分析混凝土基础质量大小对变压器隔振效果的影响。将三种不同质量比时的隔振传递率进行对比，如表1所示。

表1 三种不同质量比下，系统的振动位移传递率

由表1看出，基础与变压器质量比为2时的振动位移传递率反而比较大，可以看出混凝土基础的质量并不是越大越好。同时也可以看出：质量比为0.5和1时的隔振效果较好且比较相近。

基于混凝土的重度和常规混凝土基础设计以及隔振系统的稳定性等因素，认为选取混凝土基础与变压器设备的质量比为1较为合理。

4.结语

在保证大型变压器结构安全稳定的前提下，合理设计变压器基础隔振层参数（分为上层和下层）、基础质量，可有效降低变压器振动向地基等邻近结构传递率，有效降低变压器油箱表面振动，从而有效降低大型变压器噪声。设置不同的隔振地基基础结构类型，在城市化越来越快的今天，对于今后的电力建设有着重要的意义，隔振地基研究具有推广应用价值。

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G322

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1007-6344（2015）05-0333-02

杨龙宇（1990— ），男，汉族，湖北天门人，西南交通大学力学与工程学院硕士研究生。