建筑工程机电设备隔振减震技术应用现状研究.pdf

抗震研究KANGZHENYANJ IU王成建,等:建筑工程机电设备隔振减震技术应用现状研究 工程与建设 年第 卷第期收稿日期:;修改日期:作者简介:王成建(),男,天津人,工程师建筑工程机电设备隔振减震技术应用现状研究王成建,王君(中建七局第二建筑有限公司,江苏 昆山 )摘要:随着经济的发展,建筑工程中的机电设备越来越多,承载着各种各样的功能,与此同时机电设备的振动问题也更加突出.机电设备在振动中损坏可能会导致建筑物功能的丧失,带来不便和经济损失,因此隔振减震技术需要重视.建筑工程机电设备隔振减震技术旨在减小设备振(震)动响应,保证机电设备的正常运行和结构的安全.文章总结了建筑机电设备振动的原因,介绍了目前存在的振动问题,重点综述了现有的隔振减震技术,并提出了建筑机电设备的发展方向.关键词:建筑机电设备;隔振;减震中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()引言随着经济的快速发展,为满足人们的生活生产需要,各种建筑物承载的功能越来越丰富.为实现建筑物的各种功能,则需在建筑物内安装各种各样的机电设备,如水泵、风机、空调等.由于制造或安装误差,任何的机电设备都不可避免地存在不同程度的振动.对一些对噪声有限制要求的建筑物(如酒店、医院、办公楼等)来说,机电设备振动产生的噪声是最大的噪声来源.对工业建筑来说,虽然噪声的控制要求没有那么严格,但机电设备的振动会对设备本身造成损坏,影响设备使用寿命,甚至导致设备故障停止运转,从而引起巨大的经济损失.机电设备的振动不仅会对设备本身造成不好的影响,还会对建筑物造成一定程度的损伤.因此,对机电设备的安装采取一定的措施以削减设备造成的不利影响是必要的.建筑结构的设计通常考虑地震的影响,然而在地震作用下,建筑机电设备的损坏也会导致经济损失和人员伤亡.所以保证机电设备在地震作用下能正常工作同样是必要的.建筑机电设备振动原因水泵、风机和空调机组等常见的建筑机电设备通常会设置电机,这些设备运转的过程中会伴有旋转运动.当旋转部件的中心与转轴脱离时,由于离心现象,转动部件会出现不平衡的离心力,从而导致设备的振动.当水泵的转子(泵轴,叶轮等)质量不平衡时会引起水泵的振动现象.造成旋转部件中心脱离转轴的因素很多,如材料质量不均匀、安装和制造误差等.如果说这些因素可通过提高制造和安装工艺控制,那么设备在运转过程中造成的转子磨损、零部件松动等不可避免地导致了旋转偏心,从而引起了设备的振动.风机叶轮及叶片的不均匀磨损会引起振动加剧和出力不足等问题.造成转子质量不平衡诱发风机振动转动部件的偏心旋转引起的振动是由于偏心力呈周期性和规律性变化导致的,转子旋转一周为一次循环,所以设备振动的特征频率与转速相等.设备本身具有固有频率,由设备的质量和刚度决定.当特征频率与固有频率接近的时候,机电设备会发生共振,对设备造成损坏.所以一般在制造这些设备时,会将这一因素考虑进去,使特征频率与固有频率有一定的偏离,避免发生共振以造成不必要的损坏.目前存在的振动问题建筑机电设备产生的低频振动通过建筑结构传播,进而引起空气振动形成噪声.通常建筑机电设备需 h不间断运转,如此嘈杂持久的噪音势必影响人们的生产生活.一些建筑如居民楼、酒店(学校、医院、综合办公楼、高级酒店)等对室内环境的声学要求极其严格,甚至为此制定了噪音控制标准.机电设备内部结构精密复杂,设备振动可能对设备内部结构造成破坏,如对设备内部连接件的紧固程度造成影响,使设备内部的紧固件出现松动,进而造成设备本身的损坏.设备振动还可能对固定设备的紧固件的紧固程度造成影响,使设备与建筑结构的连接不牢固,进而使设备在运转过程中出现不稳定的问题.设备连接不稳固、安装松动等原因将影响设备的固有频率,可能引发设备共振.机电设备通常安装在建筑结构中,与建筑结构直接相连,设备振动会通过连接传递到建筑结构上,而过大的振动势必会对建筑结构的使用寿命和安全性造成一定的影响.随着技术的不断发展,建筑机电设备的种类越来越多,引起的振动越来越严重,由设备振动导致的建筑结构问题层出不穷.当地震来临时,设备将同时受到地震作用和机械振动的影响.虽然地震为概率性事件,但一旦发生地震,造成的人员伤亡和经济损失将不可估量.我国对建筑结构的抗震设计已经趋于成熟,但对于地震作用下建筑机电设备的保护还有待研究.对于核电站内的核电设备,必须保证其在地震作用下不发生损坏.核电安全就是生命,任何微小的故障都有可能引发严重的后果;对于医院这类特殊建筑,其承载着医疗功能,如其中的机王成建,等:建筑工程机电设备隔振减震技术应用现状研究抗震研究KANGZHENYANJ IU 工程与建设 年第 卷第期 电设备损坏,将危害人们的生命安全;对于一般建筑中的机电设备,地震对其造成的损坏也会导致经济损失和资源浪费.所以保证建筑机电设备在地震作用下能正常运转是必要的.隔振减震技术概括传统结构是通过 结 构本 身来 抵抗 并 消 耗 地 震 能 量 的,但结构与机电设备会因此受到损害.为保护结构与设备在地震作用下的安全或 正 常使 用,国 内外 学者 研 发了 大量 的隔振减震技术.根据隔振减震技术在发挥作用时是否需要从外部摄入能量来分类,可以分为被动隔振技术、半主动隔振技术和主动隔振技术.三种隔振技术的特点和常见类型见表.表隔振技术概况表隔振技术特点类型被动隔振技术不需要外部输入能量橡胶隔振器、弹簧隔振器等半主动隔振技术需要外部输入能量,但不提供主动的驱动力主动变刚度隔振器、主动变阻尼隔振器等主动隔振技术需要外部输入能量并提供主动的驱动力抵消振动形状记忆合金制动器、压电薄膜制动器等 被动隔振技术被动隔振技术运用在对建筑机电设备中发挥作用,并不需要外界的能量输入.被动隔振技术有结构简单、作用机理清晰、易拆卸、传力明确、价格低廉和使用寿命长等优点,因此被动隔振技术得到了广泛的应用.常见的被动隔振元件有橡胶、金属弹簧、空气弹簧等.橡胶材料的特性很复杂,是一种各向同性,形变量有限的材料.橡胶的弹性具有滞后性的特点,在承受冲击荷载时能够储存大量的能量.并且橡胶可塑性好,质量小,可以根据不同的隔振要求来设计橡胶隔振器.橡胶隔振器具有提供竖向承载能力、弹性复位能力、良好的变形能力等特性.天然橡胶支座由于阻尼较小,地震作用下会产生较大的水平位移,这就导致在地震时建筑机电设备容易损坏.同时天然橡胶在使用时,由于各种荷载作用和环境作用,橡胶的老化问题无法避免.橡胶老化会导致其拉伸强度、断裂伸长率、弹性等性能的劣化.针对这些问题,在后续研究中学者们也进行了大量的研究,如铅芯橡胶、聚氨酯橡胶、人工合成的高阻尼橡胶、橡胶老化时间对其性能影响等.金属弹簧的种类有很多,如:螺旋弹簧,碟簧等.金属弹簧中得到最广泛应用的是圆柱螺旋弹簧.刚度是圆柱螺旋弹簧最重要的指标,它的优点是使用寿命长,无须更换与维修,但其压缩可认为是线弹性,阻尼系数很小,从而导致耗能能力很弱,稳定性能较差.碟形弹簧具有变刚性的特性.单个碟簧形状扁平,多个碟簧可以进行不同形式的组合.碟簧对合可以增加碟簧组的可压缩量,减小碟簧组的刚度;叠合则可以提高碟簧组的承载力和刚度.通过碟簧数量和组合方式的改变,可以设计出不同承载力的碟簧隔振器,具有灵活设计的优点.空气弹簧主要由柔性密闭容器和高压气体组成,结构与传统的金属弹簧有着很大的区别.空气弹簧中的柔性密闭容器自身并没有承重能力,空气弹簧利用了空气的可压缩性,充入柔性密闭容器中的高压气体为空气弹簧提供弹性和承重能力.空气弹簧可以实现较低的刚度,同时兼具较好的阻尼特性.但其内部结构复杂,难以模拟分析,同时需要占用较多的空间.半主动隔振技术半主动隔振技术相对于被动隔振技术来说出现的时间较短,是处于被动隔振技术和主动隔振技术之间的一种隔振技术.半主动隔振技术的原理是通过调整隔振系统内部的相关参数来适应设备的不同振动状态,由此来达到最优的隔振性能.半主动隔振技术与被动隔振技术的区别是被动隔振技术不需要外部输入的能量,而半主动隔振技术需要外部输入能量来改变系统中的刚度和阻尼等参数.半主动隔振技术虽然需要外部输入能量,但是输入的能量仅改变系统的关键参数,并不会对系统提供主动的驱动力.半主动隔振技术根据改变的系统参数不同可以分为主动变阻尼隔振技术和主动变刚度隔振技术.H r o v a t等学者首先提出了主动变阻尼控制系统.主动变阻尼隔振技术是通过控制改变阻尼来改变动力特性,以此减轻振动.K o b o r i等学者首先提出了主动变刚度隔振技术.主动变刚度隔振技术是通过改变系统的刚度,将设备的固有频率调整为远离外部激振力的频率,使结构避免共振状态,进而达到了减弱振动的目的.主动隔振技术主动隔振技术的原理是首先获得系统的振动信息,然后根据振动信息通过从外部输入能量来给负载平台提供一个相反的作用,以此来抵消掉设备振动.被动隔振技术和半主动隔振技术都是通过合理的设计来隔离振动,而主动隔振技术是通过外部能量来抵消振动.主动隔振系统需要包含受控系统、控制器、驱动器、传感器等部分.通过各部分的协同作用,主动隔振技术有响应快、隔振带宽高、性能稳定和隔振效果好等优点.主动隔振技术的性能不仅可以通过改变制动器来提高,还可以通过改进控制算法来实现.传统的制动器有气动制动器、液压制动器、电磁式制动器等,经过不断的发展,国内外学者也不断推陈出新,研究出了各种智能材料制动器,如压电薄膜制动器、电致伸缩制动器、超磁致伸缩制动器、形状记忆合金制动器、压电陶瓷制动器等.形状记忆合金作动器体积很小,且拥有很好的稳定性和可靠性,但是恢复变形需要时间,这就导致了形状记忆合金作动器的响应较慢,对隔振实时性要求高的设备并不适用.主动隔振技术的控制方法有P I D控制、独立模态空间控制、最优控制、自适应控制和模糊控制等.张春良基于广义预测控制算抗震研究KANGZHENYANJ IU王成建,等:建筑工程机电设备隔振减震技术应用现状研究 工程与建设 年第 卷第期法进行改进,提出了一种自适应广义预测控制算法,提高了隔振效果.隔振减震技术存在的问题被动隔振技术常用的金属弹簧、橡胶和空气弹簧在隔振时效果良好,但是当地震来临时效果并不理想.由于地震的频率较低很容易与设备发生共振,这就导致被动隔振器容易损坏.也有在被动隔振技术中添加阻尼装置来消耗地震能量,但是经常采用的黏滞阻尼器会造成隔振效果下降、设计更加复杂和成本增加的问题.半主动隔振技术也存在着一些问题.常规的变刚度隔振技术抑振频带窄,且开关控制对设备的加速度削减效果并不理想.变阻尼隔振技术只有设备动力反映远离共振区时隔振效果较好,且与对应的被动阻尼控制并没有明显的提高,成本却比被动隔振技术要高.主动控制技术需要外部输入能量,属于外力控制.主动隔振技术成本高、技术复杂,在地震作用下无法保证外部能源的正常供给,一旦外部能源出现问题则主动隔振技术就无法正常发挥作用,可靠性和稳定性较差.在隔振技术发展上,目前我国的隔振减震技术水平较发达国家仍有一定差距,建筑设备中使用最广泛的是被动隔振技术,在地震来临时常会出现隔振器失稳破坏,丧失隔振功能.在被动隔振技术中采用阻尼装置增加了地震下耗能装置,但是正常状态下的隔振性能受到影响,也导致成本上升.半主动隔振技术和主动隔振技术由于成本更高,建筑机电设备中使用较少.但随着国家对抗震防灾工作的重视和技术宣传普及度的提高,未来减振隔震技术的发展以及减震结构的推广使用是毋庸置疑的.总结和展望本文针对目前的隔振减震技术,总结了目前设备振动的原因及存在的问题、目前的隔振减震技术及存在的问题,基于此给出的总结与展望如下:()造成设备振动的原因较多,设备设计时应避免设备自振频率与结构频率接近,同时需要提高制造和安装工艺.()目前采用最多的被动隔振技术在地震作用时容易发生损坏,需要采用更加经济合理的耗能装置来提高地震下的性能.()半主动隔振技术和主动隔振技术隔振效果较好,但技术复杂、成本更高,在建筑设备中使用较少.随着国家技术发展水平的提高,更高性能与经济性的隔振减震技术的推广是必然的.参考文献程智卿大型火力发电厂循环水泵系统与基础结构振动性能分析D西安:西安建筑科技大学,张凯辉超高层建筑机电设备噪声与振动消除措施的应用探讨J广东科技,():满祥,庞茂龙,郑晓通,等被动式建筑机电设备减震降噪工艺J安装,():刘海卿,杨雪,李忠献地震作用下建筑物内重要设备半主动减震控制J自然灾害学报,():汪东林,蒋翔水泵振动的原因及 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