水泥余熱電廠空冷島振動空溝減隔振效果數(shù)值分析

田松峰，丁閃閃，李昊晨

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展拓寬了大型動力設(shè)備的使用場合,而動力機(jī)器基礎(chǔ)的振動問題亦是一個廣泛存在的問題[1]。這些機(jī)器設(shè)備基礎(chǔ)的強(qiáng)烈振動有時不僅對其自身的正常生產(chǎn)造成威脅,還可能通過振動波的傳播影響周圍的建筑結(jié)構(gòu)及設(shè)備[2]。山西西山華通水泥余熱發(fā)電機(jī)組在建成試運(yùn)行階段,發(fā)現(xiàn)空冷島在運(yùn)行時振動值偏大,檢查發(fā)現(xiàn)廠內(nèi)生料磨停運(yùn)時空冷島風(fēng)機(jī)振動值正常,在生料磨正常運(yùn)行時空冷島風(fēng)機(jī)振動值達(dá)12.6 mm/s?！犊绽湎到y(tǒng)運(yùn)行說明書》中指示:當(dāng)DCS檢測到風(fēng)機(jī)的振動速度大于6.3 mm/s時保護(hù)性停機(jī),故空冷島風(fēng)機(jī)在生料磨運(yùn)行時無法正常投運(yùn)。

鑒于生料磨和空冷島等已建設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝控制與設(shè)計(jì)要求,改變此兩者的結(jié)構(gòu)與布置需考慮的情況較為復(fù)雜[3,4],本文擬考慮從振動波傳播途徑上對振動問題進(jìn)行控制[5]。隔振空溝因效果顯著、施工方便的特點(diǎn)在實(shí)際中應(yīng)用廣泛[6]。孫立強(qiáng)[7]等通過試驗(yàn)對比,研究了空溝、碎石填充溝以及排樁的隔振效果。葉茂[8]等模擬了溝屏障對某古遺址的隔振作用,認(rèn)為溝深及位置的改變會顯著影響古建筑相關(guān)部位的振動響應(yīng)。基于以上分析,擬利用ABAQUS建立生料磨基礎(chǔ)土體?空冷結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算模型,重點(diǎn)分析將隔振空溝應(yīng)用于生料立磨運(yùn)行誘發(fā)的低頻振動治理上的效果,通過改變空溝深度、寬度和距振源距離等參數(shù),對比空溝后土體以及空冷島上部風(fēng)筒梁的振動情況。通過數(shù)值分析結(jié)果所反映的規(guī)律,找到針對本工程問題最經(jīng)濟(jì)有效的隔振方案。

1 有限元模型

1.1 模型尺寸

土體模型長80 m,寬40 m,深度方向據(jù)場地實(shí)際土體分層情況取為40 m,長18 m,寬12 m,深2 m的長方體基礎(chǔ)埋置于地基中。空冷風(fēng)機(jī)單元按1×2方式布置,空冷平臺為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),高17 m,其中2 m埋于地下,單臺空冷跨度長24.54 m,寬11.88 m,梁柱截面尺寸根據(jù)實(shí)際情況,柱采用1.5 m×1 m,頂層梁1.3 m×0.6 m,底部梁1m×0.6 m,邊梁0.7 m×0.4 m,步道梁0.35 m×0.25 m,風(fēng)筒梁0.4 m×0.25 m。空冷島距生料磨距離為20 m。

1.2 接觸定義

空冷島立柱作為與土體直接接觸并實(shí)現(xiàn)動響應(yīng)傳播的部分,接觸的設(shè)置至關(guān)重要。本文將水泥立柱下部2 m的側(cè)表面和柱底面以及位于柱側(cè)和柱底直接接觸的土體表面使用面面接觸進(jìn)行定義。將切向接觸選為罰函數(shù),摩擦系數(shù)0.5,法向接觸選為硬接觸[9]。

1.3 材料及參數(shù)選取

計(jì)算模型中立磨基礎(chǔ)、下部土體以及空冷土建結(jié)構(gòu)均采用彈性模型,各部分材料參數(shù)見表1。采用瑞利阻尼對土體和混凝土結(jié)構(gòu)施加阻尼,阻尼比取為0.03。

表1 土層分布及材料參數(shù)

1.4 生料磨激勵荷載條件

生料磨處由于入磨物料的粒度不均,磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生一個不平衡的脈動慣性力,相當(dāng)于一個隨機(jī)荷載,文章將立磨基礎(chǔ)處實(shí)測到的振動加速度時程記錄截取5s時長,轉(zhuǎn)換為作用在基礎(chǔ)上的荷載激勵輸入計(jì)算模型,進(jìn)行對生料磨隔振的數(shù)值計(jì)算。

1.5 邊界條件

為防止因設(shè)置固定邊界而產(chǎn)生波的反射與散射造成計(jì)算結(jié)果的誤差,采用有限元與無限元耦合的方法來處理邊界,即將模型四個側(cè)面邊界10 m范圍和底面邊界10 m范圍設(shè)置成CIN3D8無限元單元[10],其他部分使用C3D8R單元。設(shè)置符合精度的單元尺寸后三維有限元模型如圖2。輸入實(shí)測激勵后,無減振措施時空冷島上部風(fēng)筒梁的振動速度最大值達(dá)到12.64 mm/s,與實(shí)測值十分相近,驗(yàn)證了模型的正確性。

圖1 激勵加速度時程曲線

圖2 無隔振措施計(jì)算模型圖

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 空溝隔振作用分析及對比參數(shù)工況設(shè)置

由于實(shí)際監(jiān)測空冷島上部振動超標(biāo)主要為水平方向,為對比加隔振措施前后的空溝后土體以及空冷島上部風(fēng)筒梁的振動變化情況,主要分析考慮水平振動。為了說明空溝對其后距離振源固定位置處地面點(diǎn)的減隔振作用,圖3給出了距生料磨基礎(chǔ)20 m(即空冷平臺底部)處地表一點(diǎn),在未施加減隔振措施前和設(shè)置深10 m、寬0.5 m、距立磨基礎(chǔ)邊緣4 m的空溝后的水平加速度時程曲線對比?？梢?相比于不加隔振措施,空溝后地表同一點(diǎn)處的加速度幅值顯著降低,說明在生料磨與空冷島之間設(shè)置空溝能夠阻礙振動在土層中的傳播。

為了探究深度、寬度和距離振源距離等對空溝隔振作用的影響,取空溝深度為5 m、10 m和15 m,寬度0.5 m、1 m和1.5 m,以及空溝距振源距離為4 m、10 m和16 m等幾種工況,進(jìn)行空溝隔振效果的對比分析,具體工況安排如表2。其中,根現(xiàn)場設(shè)備布置情況,模型中空溝溝長均取18 m。

圖3 距振源20 m處地表加速度時程對比

表2 空溝隔振計(jì)算工況列表

2.2 空溝深度對隔振作用的影響

為研究本隔振工程溝的深度對其隔振作用的影響,先固定溝寬為0.5m,空溝距振源距離為4 m,改變溝深度為5 m、10 m和15 m,對應(yīng)表2中的工況1、2、3。分析時在空溝后側(cè)至空冷島底部每間隔1m取一個測點(diǎn)。

圖4給出了不同深度工況下各測點(diǎn)的加速度峰值。可見,加空溝隔振措施后,其后各測點(diǎn)加速度峰值都有所降低。隨著深度增大其加速度值降低的越多。在溝深小于5 m 時,溝后地表加速度峰值隨空溝深度增大而迅速衰減,當(dāng)溝深超過5 m后,隨空溝深度的加深,各測點(diǎn)加速度峰值衰減程度逐漸放緩,但依然對振動衰減很有效。各深度工況都有在溝后5 m范圍內(nèi)的地面加速度峰值衰減較快,大于5 m以后加速度的衰減減慢的特征。

表3給出了不同溝深時空冷島上部風(fēng)筒梁振動的最大加速度和速度的比較,其中最大加速度相對值為加空溝隔振措施與無隔振時風(fēng)筒梁最大加速度之比。相比于無隔振,當(dāng)空溝深度為5 m、10 m和15 m時,風(fēng)筒梁最大加速度分別衰減了17.74%、29.68%和33.87%。隨著溝深的增加,空冷平臺風(fēng)筒梁振動加速度和速度衰減明顯,當(dāng)深度達(dá)到10 m時,風(fēng)筒梁的最大振動速度值減小至5.92 mm/s,小于規(guī)定的最大限值6.3 mm/s,空冷島風(fēng)機(jī)可正常運(yùn)行。綜合計(jì)算結(jié)果與施工難易,可將空溝深度設(shè)置為12-15 m。

圖4 深度對隔振作用的影響

表3 不同空溝深度空冷島風(fēng)筒梁的最大加速度和速度比較

2.3 空溝寬度對隔振作用的影響

為研究空溝寬度對隔振作用的影響,固定空溝深度10 m,距振源距離4 m,改變空溝寬度分別為0.5 m、1 m和1.5 m,對應(yīng)表2中工況2、4和5,空溝后側(cè)至空冷島底部每間隔1 m取一個測點(diǎn)。

圖5給出了不同寬度時各測點(diǎn)加速度峰值,可見隨著溝寬度的增加,各點(diǎn)加速度峰值變化很小,只在溝后5 m范圍內(nèi)有較小衰減。在空溝后大于5 m處,隨溝寬度的增加,地表加速度峰值基本保持穩(wěn)定,也就是說寬度改變對該范圍以外的影響很小。

圖5 寬度的影響

表4為不同空溝寬度時空冷島上部風(fēng)筒梁振動的最大加速度和速度的比較,對比加空溝之前,當(dāng)設(shè)置溝寬為0.5 m、1 m和1.5 m時,風(fēng)筒梁最大加速度分別衰減了29.68%、30.32%和30.65%。可見深度固定為10 m時,隨著空溝寬度的增加,空冷平臺風(fēng)筒梁振動加速度和速度衰減變化很小,空溝寬度由0.5 m加大到1.5 m,風(fēng)筒梁最大振動速度基本穩(wěn)定在5.89 mm/s左右,小于規(guī)定的最大限值6.3 mm/s。綜合計(jì)算結(jié)果及空溝的施工難易程度,可將空溝寬度設(shè)在1 m以內(nèi)。

表4 不同空溝寬度空冷島風(fēng)筒梁的最大加速度和速度比較

2.4 空溝距振源距離對隔振作用的影響

為研究空溝距振源距離對其隔振作用的影響,固定溝深為10 m,寬度0.5 m,改變空溝距振源距離分別為4 m、10 m、16 m,對應(yīng)工況2、6、7?？諟虾笾量绽鋶u底每隔1 m取一測點(diǎn)。

圖6為空溝在不同距離時各測點(diǎn)加速度峰值。可見,空溝與振源間距離改變會影響隔振效果。隨著空溝距振源距離的增大,各測點(diǎn)加速度峰值的衰減程度先減弱后又有所回升。

圖6 空溝距振源距離的影響

表5給出了不同空溝距離條件下空冷島上部風(fēng)筒梁振動的最大加速度和速度的比較,與無減隔振措施相比,當(dāng)空溝深度為10 m,寬度為0.5 m,距振源距離為4 m、10 m和16 m時,風(fēng)筒梁最大加速度分別衰減了29.68%、22.58%和25.81%?？梢婋S空溝距振源距離的增大風(fēng)筒梁振動加速度和速度衰減呈先減弱后增強(qiáng)的趨勢,但后兩種工況風(fēng)筒梁最大振動速度相差不大,都可超過最大限值6.3 mm/s。三種不同位置空溝隔振時,空溝設(shè)在距立磨基礎(chǔ)4 m左右,隔振效果最好,本工程采用空溝減振措施時更適用于近源隔振。

表5 不同空溝位置空冷島風(fēng)筒梁的最大加速度和速度比較

3 結(jié) 論

(1)空溝減振措施能夠有效地解決生料磨誘發(fā)空冷平臺振動問題,空溝的設(shè)置使溝后土體及空冷平臺風(fēng)筒梁的振動明顯減弱。設(shè)置一定深度空溝可將空冷島上部風(fēng)筒梁的最大振動速度從12.64 mm/s降至5.2 mm/s,小于允許的最大限制6.3 mm/s。

(2)空溝的深度對其隔振作用影響很大,深度越大,隔振效果越好。但增加至一定深度后,其隔振效果增強(qiáng)幅度逐漸放緩。當(dāng)設(shè)置空溝深度達(dá)10 m以上時,空冷島風(fēng)筒梁的最大振動速度可以達(dá)標(biāo)。綜合考慮空冷島風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性與空溝的施工難易程度,可將空溝深度設(shè)置為12～15 m。

(3)空溝寬度對隔振作用的影響不明顯,寬度的增加并不能很好的衰減溝后土體以及空冷平臺風(fēng)筒梁的振動,綜合考慮空溝隔振效果與施工難度,可將空溝寬度取在1 m以內(nèi)。

(4)空溝與振源的距離對隔振效果有較大影響。由計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)空溝設(shè)置在距立磨基礎(chǔ)4 m左右時,隔振效果最好,本工程空溝隔振措施更適用于近源隔振。為保證空冷島風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性同時考慮實(shí)際施工難易程度,可將空溝深度設(shè)為12～15 m的同時盡量將其布置在靠近生料立磨一側(cè)。