空冷风机桥架振动可靠性分析.doc

空冷风机桥架振动可靠性分析蒋红梅，高峰北京首航艾启威节能技术股份有限公司摘 要：在直接空冷系统中，风机桥架受到电动机和风机振动的影响，由于外载荷、几何尺寸、材料性能等方面存在着不确定因素使振动具有随机性，从而影响风机桥架的可靠度。本文利用ANSYS软件对桥架振动特性进行了分析，借助Camp bell图找出危险共振点，考虑某一激振力频率的分布和与其最为接近的某一阶固有频率的分布的干涉模型，对桥架避开共振的可靠度进行计算。分别得到25%额定功率工况、50%额定功率工况、75%额定功率工况、100%额定功率工况和110%额定功率工况下工作的风机桥架避开共振的可靠度，并借助桥架振动可靠性评估逻辑图（PFTA图）对这些危险共振点组成的串联特性的共振系统进行了振动可靠性计算。从而为风机桥架的设计及可靠性决策提供参考。关键词：空冷；风机桥架；振动；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空冷风机桥架是一种复杂的结构体系，300 MW空冷机组空冷中一般布置30台风机，风机的开启工况也比较多，。空冷平台属于多点激振, 且每台风机的转速不同、相位角也不相同,为多点随机振动过程,其结构受力及变形的因素一般都随着空间位置及时间的变化而变化发生或大或小的随机扰动，即具有不确定性。所以，可认为工程结构都是随机结构。由于载荷的随机性和桥架的几何尺寸、材料性能、加工工艺参数的随机性，其强迫振动的频率及其自振频率亦呈现出一定的不确定性，表现为呈一定的分布。因此，基于概率和统计的桥架振动可靠性分析是十分必要的。1振动可靠性理论振动问题是影响结构可靠性和耐久性的重要因素之一，其失效机理主要为共振失效，同时还有因振动导致结构内部交变应力值变化而大于结构材料许用应力值所导致的强度失效。因此，在对结构进行振动可靠性分析时，应包含以下两方面的内容，即结构不发生共振的可靠性和振动时疲劳强度的可靠性。本文暂只考虑不发生共振的可靠性。当强迫振动的频率与桥架自振频率相等或相近时，桥架即会发生共振失效。结构受到的外加激励的频率P与其固有频率的关系是考察结构是否发生共振的指标，因此以外加激励的频率P和结构的固有频率作为广义的应力一强度干涉模型是恰当的2。避开共振的可靠度 指的是不发生共振的概率，即机械零件固有频率避开激振力频率的概率。用f 表示机械零件的固有频率，用表示激振力频率。文献3曾提出。对于大多数机械零件的各阶固有频率, 很难满足的要求。众所周知， 接近1 时发生共振，, f 还应避开 一定距离。按照传统的振动设计规范, 当时, 有,或当时，有，振动设计才是安全的。这里，8。不同机械零件的和取值有所差异，例如汽轮机叶片为0.050.15, 转轴为0.100.30。给定, ，并把和仍称为激振力频率。用表示机械零件固有频率分布的概率c密度函数，用和表示激振力频率分布的概率密度函数。当时，根据固有频率分布同激振力频率分布的干涉模型,有： （1）当和独立地服从正态分布时，利用标准正态分布积分表，有： （2）式中： ；同理,当时，有： （3） （4）式中：通常机械零件有多阶固有频率, 激振力频率也不止一个。在机械零件避开共振的可靠性设计分析中，主要考虑某一激振力频率的分布和与其最为接近的某一阶固有频率的分布的干涉模型。2桥架振动可靠性分析风机桥架上的主要设备为风机、电动机、减速齿轮箱,下端固定在空冷钢平台主梁上, 风机和电机是整个空冷支架结构体系中的振动源。风机桥架由于几何尺寸、材料等的不确定性，导致桥架的固有频率的不确定，外界激振力的频率和力幅的不确定，共同导致桥架振动响应的不确定性。所以风机桥架振动研究必须考虑如下的设计变量及它们的分散度。2.1激振力频率分析桥架直接承受电动机、减速器、风机的动力荷载，而风机、电动机的转动会引起桥架的振动。风机桥架受到的风机激振力主要来自风机叶轮的振动。风机叶轮受到的激振力频率： (5)式中： ；N 转速；K 结构谐波系数。由文献4知，工作转速服从正态分布，其均值为,标准差为。则有也服从正态分布，且有： (6) (7)式中： 激振力频率均值； 激振力频率标准差。激振力种类不同K取值不同。风机桥架所受的激振力可分为两类：（1）机械激振力由于转动零件或传动零件产生的交变力和力矩，称为机械激振力。这些激振力是通过与叶轮相联结的轮毂与轴等零件传给减速箱，通过减速箱传到桥架并激励其振动。相邻的桥架振动通过主梁传递给桥架。此时K为结构系数，由不同的振源所定。如：转子不平衡力引起的激振，为风机中主要振源，其激振频率等于风机叶片的转速，通常认为K=叶片数和K=1的激振源。相邻的桥架振动经过主梁传递过来，其激振能视传递路程的远近将有所消耗。所以一般此力只有在较大的能量下才较为严重。（2）气体激振力叶片旋转失速振动。此振动是由于气流在叶片槽流道间产生分离造成的一种气动激振力，使叶片受到强迫振动而产生的共振现象。发动机离开设计状态工作，流经叶片的气流进气攻角就发生了变化，当进气攻角增大到某一定程度以后，使转子上某一叶片或几个叶片的气流产生分离，进入失速状态。这种失速现象由一个叶片的叶背向另一叶片的叶背方向连续传播，相对于叶片来说，如同旋转一样，故称旋转失速。失速区的数目和它的旋转速度是重要的，但目前它们尚难以准确地计算。同一级叶片，可以出现一个或几个失速区。一般可认为18个。出现几个失速区时，大多数都是周向均匀分布的。而失速区的旋转速度约为发动机转速的一半。对任一叶片，它在正常气流状态和失速状态下，所受的气体力是不同的。这样，当叶片交替地通过正常区和失速区时，叶片就受到激振力。此激振力的频率将随失速区的相对旋转速度而改变，即：式中：K 失速区数目。 旋转失速现象只发生在发动机的低转速状态（4570%最大转速）下，所以它引起的叶片振动只是短时间的。2.2风机桥架不发生共振的可靠性分析及算例给出风机桥架为六行五列，研究的桥架为第五行第四列，因此相邻桥架传来的激振力的激振频率中，构造系数K=2、K=4、K=5、K=1。叶片数为6，此构造系数K=6。本文利用ANSYS软件对风机桥架固有频率进行分析。得出固有频率均值。桥架长12840mm，宽2345mm，采用钢材料为Q235B普通低碳钢材料材质。，其密度为kg/m3，常温下弹性模量为MPa，泊松比。图1 有限元网格划分采用Solid185 3维8节点实体单元。该元素由8个节点定义，每个节点3个自由度：x,y,z方向。模型分为371642个单元。有限元网格如图1所示。（1） 荷载与边界条件 桥架与钢平台主梁间的垫板下接触面所有节点均为固定边界条件；荷载为电机、减速箱和风机自重34.7kN。100%工况下，电机转速为1485 r/min，风机叶轮工作转速为74r/min。（2） 固有频率和模态分析在ANSYS中使用Block Lanczos法，对桥架进行固有频率计算。提取前30阶模态，130阶频率如表1，部分模态形状如图215所示。 图2 风机桥架1阶振动模态 图3 风机桥架3阶振动模态 图4 风机桥架4阶振动模态 图5 风机桥架5阶振动模态 图6 风机桥架9阶振动模态 图7 风机桥架13阶振动模态 图8 风机桥架14阶振动模态 图9 风机桥架18阶振动模态 图10 风机桥架19阶振动模态 图11 风机桥架21阶振动模态 图12 风机桥架22阶振动模态 图13 风机桥架26阶振动模态 图14 风机桥架27阶振动模态 图15 风机桥架30阶振动模态 表1 固有频率表 Hz阶数123456频率8.37211.63411.80811.91912.63512.802阶数7 89101112频率15.39215.42217.49520.20420.39624.125阶数131415161718频率24.15428.50730.45030.47235.09336.300阶数19 2021222324频率36.78637.53837.54938.93539.24840.965阶数25 2627282930频率41.46942.36243.11047.51447.54248.384利用以上分析数据绘制共振图如图16所示，横坐标表示转速，纵坐标表示频率，图中未经过圆心的横线表示桥架固有频率线，经过圆心的射线是激振频率射线。在此图上，桥架的共振为固有频率线与激振频率射线的相交点就是共振点。从交点向下作垂线与横坐标的交点为风机的共振转速。如果风机在这个转速下工作，桥架就会产生共振。图16 桥架共振转速图 从图16中可以看出，由于桥架有许多共振点，也就有不止一个的共振转速，对于一个桥架来说，在转速变化的过程中，就有较多的机会产生共振，共振转速也很多。因此严格来说，桥架的共振现象是不可避免的。但是，只要共振转速不落在工作转速范围以内，或者工作转速在桥架共振转速下停留时间不长，都可以达到要求。图中A、B、C、D、E、F、G、H分别是转速大于20r/min的危险共振点。考察工作转速下的裕度，当时，则为安全，不会发生共振。当时，则有共振的可能，需要进行计算。经过验算B、C分别为50%额定功率工况转速下5阶和4阶危险共振点， D点为75%额定功率工况转速下9阶危险共振点，A为100%额定功率工况转速下13阶危险共振点，E为110%额定功率工况转速下14阶危险共振点，F为110%额定功率工况转速下18阶危险共振点，这些危险共振点组成一个具有串联特性的共振系统，该系统称为桥架共振的PFTA图，或称桥架振动可靠性评估逻辑图，如图17所示。根据可靠性理论，可知桥架避开共振功能函数形式如下：共振点A： ， 共振点B： ， 共振点C： ， 共振点D： ， 共振点E： ， 共振点F： ， 共振点G： ， 共振点H： ， 图17 叶片共振的PFTA图从图16中可以看出、，因此、和不存在。利用上述理论计算叶片不发生共振的概率，其结果见表2。表2 桥架不发生共振的概率序号共振点模态阶数桥架固有频率（Hz）激振力频率（Hz）避开共振的可靠度频率均值标准差频率均值标准差1A13阶24.1540.7224.6670.740.69042B5阶12.6350.3812.3330.370.71543C4阶11.9190.3612.3330.370.78874D9阶17.4950.5218.5000.560.90585E14阶28.5070.8627.1330.810.87766F18阶36.0001.0836.4651.090.61877G10阶20.2040.6119.8900.600.64398H6阶12.8020.3812.9690.