空冷風機橋架振動可靠性分析.doc

空冷風機橋架振動可靠性分析蔣紅梅，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，風機橋架受到電動機和風機振動的影響，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具有隨機性，從而影響風機橋架的可靠度。本文利用ANSYS軟件對橋架振動特性進行了分析，借助Camp bell圖找出危險共振點，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，對橋架避開共振的可靠度進行計算。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機橋架避開共振的可靠度，并借助橋架振動可靠性評估邏輯圖（PFTA圖）對這些危險共振點組成的串聯(lián)特性的共振系統(tǒng)進行了振動可靠性計算。從而為風機橋架的設(shè)計及可靠性決策提供參考。關(guān)鍵詞：空冷；風機橋架；振動；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空冷風機橋架是一種復雜的結(jié)構(gòu)體系，300 MW空冷機組空冷中一般布置30臺風機，風機的開啟工況也比較多，?？绽淦脚_屬于多點激振, 且每臺風機的轉(zhuǎn)速不同、相位角也不相同,為多點隨機振動過程,其結(jié)構(gòu)受力及變形的因素一般都隨著空間位置及時間的變化而變化發(fā)生或大或小的隨機擾動，即具有不確定性。所以，可認為工程結(jié)構(gòu)都是隨機結(jié)構(gòu)。由于載荷的隨機性和橋架的幾何尺寸、材料性能、加工工藝參數(shù)的隨機性，其強迫振動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)計的橋架振動可靠性分析是十分必要的。1振動可靠性理論振動問題是影響結(jié)構(gòu)可靠性和耐久性的重要因素之一，其失效機理主要為共振失效，同時還有因振動導致結(jié)構(gòu)內(nèi)部交變應力值變化而大于結(jié)構(gòu)材料許用應力值所導致的強度失效。因此，在對結(jié)構(gòu)進行振動可靠性分析時，應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時疲勞強度的可靠性。本文暫只考慮不發(fā)生共振的可靠性。當強迫振動的頻率與橋架自振頻率相等或相近時，橋架即會發(fā)生共振失效。結(jié)構(gòu)受到的外加激勵的頻率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，因此以外加激勵的頻率P和結(jié)構(gòu)的固有頻率作為廣義的應力一強度干涉模型是恰當?shù)?。避開共振的可靠度 指的是不發(fā)生共振的概率，即機械零件固有頻率避開激振力頻率的概率。用f 表示機械零件的固有頻率，用表示激振力頻率。文獻3曾提出。對于大多數(shù)機械零件的各階固有頻率, 很難滿足的要求。眾所周知， 接近1 時發(fā)生共振，, f 還應避開 一定距離。按照傳統(tǒng)的振動設(shè)計規(guī)范, 當時, 有,或當時，有，振動設(shè)計才是安全的。這里，8。不同機械零件的和取值有所差異，例如汽輪機葉片為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)。當時，根據(jù)固有頻率分布同激振力頻率分布的干涉模型,有： （1）當和獨立地服從正態(tài)分布時，利用標準正態(tài)分布積分表，有： （2）式中： ；同理,當時，有： （3） （4）式中：通常機械零件有多階固有頻率, 激振力頻率也不止一個。在機械零件避開共振的可靠性設(shè)計分析中，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橋架振動可靠性分析風機橋架上的主要設(shè)備為風機、電動機、減速齒輪箱,下端固定在空冷鋼平臺主梁上, 風機和電機是整個空冷支架結(jié)構(gòu)體系中的振動源。風機橋架由于幾何尺寸、材料等的不確定性，導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，共同導致橋架振動響應的不確定性。所以風機橋架振動研究必須考慮如下的設(shè)計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機、減速器、風機的動力荷載，而風機、電動機的轉(zhuǎn)動會引起橋架的振動。風機橋架受到的風機激振力主要來自風機葉輪的振動。風機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4知，工作轉(zhuǎn)速服從正態(tài)分布，其均值為,標準差為。則有也服從正態(tài)分布，且有： (6) (7)式中： 激振力頻率均值； 激振力頻率標準差。激振力種類不同K取值不同。風機橋架所受的激振力可分為兩類：（1）機械激振力由于轉(zhuǎn)動零件或傳動零件產(chǎn)生的交變力和力矩，稱為機械激振力。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其振動。相鄰的橋架振動通過主梁傳遞給橋架。此時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，為風機中主要振源，其激振頻率等于風機葉片的轉(zhuǎn)速，通常認為K=葉片數(shù)和K=1的激振源。相鄰的橋架振動經(jīng)過主梁傳遞過來，其激振能視傳遞路程的遠近將有所消耗。所以一般此力只有在較大的能量下才較為嚴重。（2）氣體激振力葉片旋轉(zhuǎn)失速振動。此振動是由于氣流在葉片槽流道間產(chǎn)生分離造成的一種氣動激振力，使葉片受到強迫振動而產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。發(fā)動機離開設(shè)計狀態(tài)工作，流經(jīng)葉片的氣流進氣攻角就發(fā)生了變化，當進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葉片的氣流產(chǎn)生分離，進入失速狀態(tài)。這種失速現(xiàn)象由一個葉片的葉背向另一葉片的葉背方向連續(xù)傳播，相對于葉片來說，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確地計算。同一級葉片，可以出現(xiàn)一個或幾個失速區(qū)。一般可認為18個。出現(xiàn)幾個失速區(qū)時，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)動機轉(zhuǎn)速的一半。對任一葉片，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，當葉片交替地通過正常區(qū)和失速區(qū)時，葉片就受到激振力。此激振力的頻率將隨失速區(qū)的相對旋轉(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)動機的低轉(zhuǎn)速狀態(tài)（4570%最大轉(zhuǎn)速）下，所以它引起的葉片振動只是短時間的。2.2風機橋架不發(fā)生共振的可靠性分析及算例給出風機橋架為六行五列，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軟件對風機橋架固有頻率進行分析。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)點實體單元。該元素由8個節(jié)點定義，每個節(jié)點3個自由度：x,y,z方向。模型分為371642個單元。有限元網(wǎng)格如圖1所示。（1） 荷載與邊界條件 橋架與鋼平臺主梁間的墊板下接觸面所有節(jié)點均為固定邊界條件；荷載為電機、減速箱和風機自重34.7kN。100%工況下，電機轉(zhuǎn)速為1485 r/min，風機葉輪工作轉(zhuǎn)速為74r/min。（2） 固有頻率和模態(tài)分析在ANSYS中使用Block Lanczos法，對橋架進行固有頻率計算。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 風機橋架1階振動模態(tài) 圖3 風機橋架3階振動模態(tài) 圖4 風機橋架4階振動模態(tài) 圖5 風機橋架5階振動模態(tài) 圖6 風機橋架9階振動模態(tài) 圖7 風機橋架13階振動模態(tài) 圖8 風機橋架14階振動模態(tài) 圖9 風機橋架18階振動模態(tài) 圖10 風機橋架19階振動模態(tài) 圖11 風機橋架21階振動模態(tài) 圖12 風機橋架22階振動模態(tài) 圖13 風機橋架26階振動模態(tài) 圖14 風機橋架27階振動模態(tài) 圖15 風機橋架30階振動模態(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，橫坐標表示轉(zhuǎn)速，縱坐標表示頻率，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就是共振點。從交點向下作垂線與橫坐標的交點為風機的共振轉(zhuǎn)速。如果風機在這個轉(zhuǎn)速下工作，橋架就會產(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，也就有不止一個的共振轉(zhuǎn)速，對于一個橋架來說，在轉(zhuǎn)速變化的過程中，就有較多的機會產(chǎn)生共振，共振轉(zhuǎn)速也很多。因此嚴格來說，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)速下停留時間不長，都可以達到要求。圖中A、B、C、D、E、F、G、H分別是轉(zhuǎn)速大于20r/min的危險共振點。考察工作轉(zhuǎn)速下的裕度，當時，則為安全，不會發(fā)生共振。當時，則有共振的可能，需要進行計算。經(jīng)過驗算B、C分別為50%額定功率工況轉(zhuǎn)速下5階和4階危險共振點， D點為75%額定功率工況轉(zhuǎn)速下9階危險共振點，A為100%額定功率工況轉(zhuǎn)速下13階危險共振點，E為110%額定功率工況轉(zhuǎn)速下14階危險共振點，F(xiàn)為110%額定功率工況轉(zhuǎn)速下18階危險共振點，這些危險共振點組成一個具有串聯(lián)特性的共振系統(tǒng)，該系統(tǒng)稱為橋架共振的PFTA圖，或稱橋架振動可靠性評估邏輯圖，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A： ， 共振點B： ， 共振點C： ， 共振點D： ， 共振點E： ， 共振點F： ， 共振點G： ， 共振點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)生共振的概率序號共振點模態(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準差頻率均值標準差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.