颗粒阻尼器在启动气压缩机的减振应用.pdf

2023No9(上)设备管理与维修99颗粒阻尼器在启动气压缩机的减振应用唐凯（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300459)摘要：通过对启动气压缩机两种激励源：惯性力和机械冲击进行动力学分析，分析引起压缩机振动的原因。利用颗粒阻尼的被动降噪技术，提出一种基于颗粒阻尼器的减振方案。将启动气压缩机机械结构分析和振动分析相结合，设计颗粒阻尼器结构形式，确定安装位置。在此基础上为海洋石油平台压缩机的减振措施进行进一步的探索。关键词：压缩机；振动分析；减振；颗粒阻尼器中图分类号：TH457文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09.380引言某海洋石油平台安装两台原油主机，为平台提供所需电量，启动气压缩机是原油主机重要的附属设备，为主机启机提供原始动力，从而实现主机压燃点火。启动气压缩机是曲柄连杆往复式压缩机，压缩机气缸W形布置(图1)。由于其结构特性,压缩机运转过程中机组产生的振动较大。同时受限于海洋平台开发空间，多台启动气压缩机安装位置彼此靠近，且距原油主机位置较近，造成机组之间存在振动耦合问题。振动能量通过隔振器传递到平台甲板结构上，启停机振动强度较大，严重威胁着机组本身及周边设备的运行安全。而且启动气压缩机安装在中控值班室上方，振动噪声直接传至值班室内，对操作人员产生较大噪声危害。1启动气压缩机振动分析启动气压缩机具有较复杂的结构，依次引起启动气压缩振动的激励源较多，如气阀开闭的撞击振动、压缩气体的流动振动、活塞与缸套摩擦、机体固有频率振动、周围设备启停的振动等，按照往复式压缩机的激励源分类，可大致分为机械冲击和惯性力。1.1机械冲击引起的振动启动气压缩机的机械冲击主要分为三类：气阀开闭时对阀座阀盖的冲击；活塞发生偏磨，在缸套内往复运动时形成机械冲击；连杆轴瓦磨损，在往复运动中连杆和曲柄发生机械冲击。压缩机正常运转过程中，主要是气阀开闭机械冲击所产生的振动。启动气压缩机在一个工作周期内，进、排气阀门开启和关闭各一次，对阀盖和阀座分别产生一次冲击，进、排气阀在一个工作周期内产生两次机械冲击，通过一个周期冲击脉冲序列来简化气阀的机械冲击：2N-10)-Z ZA,;(t-nT+t)(1)1n=0其中，T表示曲轴转动周期；A：表示冲击脉冲强度；t表示技术与改造图1启动气压缩机曲轴一周内脉冲出现的时间;n表示冲击次数;8 表示单位脉冲响应函数。1.2惯性力引起的振动启动气压缩机主要运动部件是曲柄连杆机构，运转过程中的惯性力可以分为两种：曲轴与连杆旋转过程中产生的旋转惯性力，活塞与十字头还有连杆往复运动中产生的往复惯性力2 。旋转惯性力主要是曲轴制造的质量分布不平衡所导致，压缩机的旋转惯性力可表示为：F,=m,rw2(2)Fr=Fsin(wt+p)(3)其中，r表示曲轴旋转半径；w表示曲轴旋转角速度；m表示旋转部分总质量；表示初相角。旋转惯性力引起的压缩机振动，跟随曲轴转动产生，曲轴每转一圈产生一次，旋转惯性力引起的振动频率为压缩机曲轴转动频率。往复惯性力是由活塞与十字头还有连杆往复运动中加速度引起，往复惯性力可表示为：F,=mrw(cosa+cos2)(4)其中，表示曲轴旋转角度。从式（4）可以看出，往复惯性力的一阶惯性力的振动频率为曲轴转动频率，二阶惯性力的振动频率为曲轴转动频率的二倍。压缩机实际工作过程中产生的振动往往是多个激励源振动响应信号的耦合叠加，从激励源处降低振动的难度较高，而从振动传输路径上对振动进行控制是最为有效而常用的方法。2颗粒阻尼器减振技术颗粒阻尼技术是2 0 世纪9 0 年代由Panossian提出的一种区别于干摩擦、黏弹性材料等传统阻尼技术的微小颗粒阻尼减振技术，是一种被动降噪技术。该技术具有阻尼特性稳定、结构变动少、添加质量轻且在极端温度条件下不易老化等优点。颗粒阻尼器减振机理是在设备振动较大位置附着，利用其内部空间装填颗粒，依靠颗粒与颗粒以及颗粒与腔体之间的非弹性碰撞和摩擦，消耗设备的振动能量以达到减振目的3。对于高频振动，振动能量主要依靠颗粒之间以及颗粒与腔体之间的碰撞进行动量交换，并转换成热能消耗掉。颗粒阻尼器的减振效果与颗粒的数量、粒径和颗粒间的相2023No9(上)设备管理与维修技术与改造100李编辑波门对位移等因素有关。腔体内颗粒的数量对振动体振动能量的损耗有显著影响，一般是颗粒数量越多其减振效果越好。但同时应确保颗粒之间具有足够的运动空间。颗粒粒径对减振器减振效果也有明显影响。在实际使用时，一般选择小粒径的颗粒，这样可以增加颗粒数量，提高减振器的阻尼效果。在颗粒粒径、数量相同的情况下，金属材料的颗粒减振效果最好。对于给定尺寸的空腔，存在最佳填充率。填充率过大，会导致颗粒之间缺乏足够的运动空间，抑制了颗粒之间的碰撞；填充率过小，则颗粒数量不足，两者都会降低减振器的减振效果。颗粒阻尼器的耗能，按照能量耗散原理，可以分为两类：弹性碰撞耗散和摩擦耗散。颗粒阻尼器内发生碰撞接触的任意两个颗粒，其弹性碰撞耗能可以表示为：AE1mmi(1-e2)/Aul2(5)222m;+mj其中，mim,分别表示颗粒ii的质量;e表示颗粒的弹性碰撞恢复系数；表示颗粒碰撞前两者的相对速度。颗粒阻尼器内颗粒间的摩擦耗散可以由摩擦力做功计算，可表示为：AE-ulFxo(6)其中，表示颗粒间的摩擦因数；Fx表示颗粒间的法向接触力；8 表示颗粒间的相对位移。对于阻尼器壁和颗粒之间的能量耗散的计算，也可以通过式（5）和式（6)进行计算，计算过程中将其中一个颗粒当作阻尼器壁，整个颗粒阻尼器的系统总耗能可以看作是全部颗粒之间以及颗粒和阻尼器壁之间的弹性碰撞耗散和摩擦耗能的总和，系统总耗能可以表示为：E-ZAE+EAEr(7)3用于启动气压缩机的颗粒阻尼减振器设计结合压缩机振动分析，旋转惯性力和往复惯性力是压缩机振动的主要原因，曲轴部分是整个压缩机振动最大的位置。为有效降低压缩机的振动，本文设计了用于压缩机整体减振的颗粒阻尼减振器。颗粒阻尼器是高度的非线型阻尼器，它随着颗粒的材料、尺寸、填充率等参数的改变而变化。为了取得最好的减振效果，阻尼器的设计尤为重要。阻尼器的尺寸越大，能够填充的颗粒越多，阻尼效应就会得到一定程度的提高。但受制于压缩机的自身结构的局限，在阻尼器形状的设计上，考虑有效空间的最大利用率，通过振动分析确定阻尼器安装位置并进行阻尼器优化。启动气压缩机结构布局较为紧凑，压缩机电机、冷却器、压缩机三者安装在底部支座上，底部支座通过橡胶隔振器安装在平台甲板上；压缩机3 个气缸呈W形布局，气缸之间间隙狭小；压缩机曲轴端盖上安装有3 个气缸润滑油泵，端面上附属管线较多。为了发挥颗粒阻尼减振器的减振效果，同时确保压缩机安全、可靠运行，选择压缩机底部支座背面作为安装位置。基于启动气压缩机结构布局，本文采用长方形阻尼器，其外部尺寸为2 0 0 mmx100mmx50mm，颗粒阻尼器材料为0 0 Cr19Ni10铁合金，采用厚度为1.0 mm的不锈钢板进行焊接。为了保证减振器安装可靠，将颗粒阻尼器螺栓联接至底座背面。颗粒阻尼器与启动气压缩机之间采用M8（8.8 级）六角头螺栓进行连接。为保证颗粒阻尼器与启动气压缩机连接牢靠，螺栓底部螺纹可以使用防松螺纹胶，防止长期使用过程中螺母的脱落造成颗粒阻尼器松动。在压缩机底部支座背面安装1 6 个长方体颗粒阻尼器，颗粒阻尼器水平方向和垂直方向各布置4 个。阻尼器壁选择每个阻尼器填充0.3 mm铜制颗粒，铜的密度较大，弹性碰撞能耗高并且铜颗粒制备简单，容易获取为了对颗粒阻尼减振器效果进行验证，在压缩机甲板四周均匀布置4 个振动监测点，分别测量颗粒阻尼减振器安装前后振动值，测试结果如图2 所示。6减振前减振后5432101234测振点图2颗粒阻尼器减振前后对比从图2 可知，启动气压缩机在安装颗粒阻尼减振器后，4 个安装位置振动值都有明显下降，最多的振动值下降了50%，表明颗粒阻尼减振器具有良好的减振效果4结束语本文首先对启动气压缩机进行振动分析，然后利用颗粒阻尼的优良特性，在压缩机上安装颗粒阻尼器取得了较好的减振效果。降低了启动气压缩机的振动，确保启动气压缩机稳定运行，保障了海洋石油平台的安全生产，同时降低了噪声对操作人员产生的危害。该应用给海洋石油平台往复式压缩机减振措施提供一定的参考价值，通过结合不同压缩机自身结构，合理选择不同类型的颗粒阻尼器，完成对往复式压缩机的减振优化，降低往复式压缩机的设备故障率，进而促进设备完整性的不断提升。参考文献1 王育华，白延军.往复式压缩机振动信号特征分析及故障诊断方法研究 J1.中国化工贸易，2 0 1 5（3 5）：2 6 8.【2 】迟旭.金属橡胶阻尼器隔振性能理论及实验研究 D.沈阳：东北石油大学,2 0 1 1.3】徐志伟，陶宝祺，黄协清.NOPD颗粒减振机理的理论及实验研究 J.航空学报,2 0 0 1,2 2(4):3 4 7-3 50.【4 黄波，陆寅啸.NOPD技术在转子压缩机减振中的应用研究 J.噪声与振动控制,2 0 1 7,3 7(6)：2 1 6-2 1 9,2 2 4.5鲁正，吕西林，闫维明.颗粒阻尼技术研究综述 J.振动与冲击，2013,32(7):1-7.6杨英，赵西伟，何萌.基于DEM算法的多颗粒碰撞耗能机理分析与振动抑制研究 J.机电工程，2 0 1 7 3 4（1）：2 3-2 7.