變壓器彈簧減振降噪裝置的設計研究

顧鳴偉，仝 旭，何守磊，成 果，殷 振

(蘇州科技大學 機械工程學院， 江蘇 蘇州 215009)

0 引言

變壓器工作時會產生超過50 Hz的高次諧波噪聲，影響著居民的日常生活，對身體健康也會造成較大影響，因此對變電站的要求越來越高，變壓器振動和噪聲的控制任務日益緊迫[1-2]。

目前市場上絕大多數的變壓器能夠符合電力標準，但不符合環境標準要求，需要增加輔助設備來減小噪聲。在對結構聲傳播進行聲學分析的基礎上，提出對變壓器機組采取隔振處理和鋪設吸聲結構的措施，通過實際工程應用驗證，隔振是消除變壓器聲污染的主要方式[3]。

金屬彈簧具有緩沖減振、抗腐蝕性強和使用壽命長的特點，可以解決傳統的橡膠減振墊片易于老化的問題。為了能更好地減小變壓器噪聲的影響，本文針對S11-M-630/10型變壓器設計了一種新型彈簧減振降噪裝置。在ANSYS中構建裝置的有限元模型，對模型進行結構動力學分析，獲得裝置的固有頻率，并計算出裝置的振動傳遞率和減振效率的理論值。

1 變壓器彈簧減振裝置的設計

1.1 結構設計

減振類型通常分為主動減振和被動減振。為了防止變壓器的振動和噪聲向外擴散，在變壓器彈簧減振系統的設計中采用主動減振的方式，用以減弱變壓器的振動和噪聲對地面、墻體、空氣等介質的傳播和擴散。利用組合彈簧較好的壓簧穩定性和疲勞強度[4]，借鑒埃爾米特矩陣在重載夾持機構彈性動力學的研究成果[5]，在裝置中采用埃爾米特矩陣并聯設置12根彈簧，可以達到延遲振動時間、降低振動幅值的效果，且有利于提高裝置的減振效率和使用壽命。

圖1為設計的彈簧減振降噪裝置簡圖，圖2為彈簧減振降噪裝置三維效果圖。上頂板2和下底板4上分別有焊接固定導套5，每一個金屬彈簧分別固定在上頂板和下底板相對應的導套中，保證了彈簧在使用過程中不發生前后左右位移；矩形盒6焊接在下底板上，泡沫鋁1放置在矩形盒中，起到了很好的吸振降噪作用；上頂板和下底板四周都焊接有一定高度的鋼板，當彈簧承受的力超過了所能承受的最大壓力時，上頂板和下底板會相互接觸，阻止彈簧進一步變形，對彈簧的導向和過載起到了一定的保護作用。

1-泡沫鋁；2-上頂板；3-金屬彈簧；4-下底板；5-導套；6-矩形盒

1.2 主要技術指標

變壓器噪聲分為本體噪聲和冷卻系統噪聲。鐵芯和繞組的振動通過鐵芯墊腳和變壓器油傳遞給箱體和附件而產生本體噪聲；冷卻系統噪聲主要由風扇和油泵的振動引起；鐵芯噪聲是由硅鋼片在磁致伸縮下振動引起的，且振動以2倍的電源頻率為基頻率，繞組的振動是由于電流在繞組中產生電磁力引起的[6-8]。變壓器中鐵芯和繞組所受諧波電磁力的分布頻率在100 Hz～500 Hz，且在100 Hz～200 Hz最為突出[9]。

彈簧減振降噪裝置的特點是工作可靠、結構簡單且穩定，同時裝置對負載要求嚴格，承載物應嚴格控制在荷重范圍內。變壓器的型號種類較多，本文針對S11-M-630/10型變壓器進行設計。

S11-M-630/10型變壓器質量(含油重)為2 340 kg,長為1 570 mm，寬為920 mm。每個S11-M-630/10型變壓器底座下放置2個彈簧減振降噪裝置。設計彈簧減振降噪裝置的主要技術參數如下：負載質量為1 200 kg、垂直剛度為48 kg/mm、阻尼比為0.08、外形尺寸(長×寬×高)為900 mm×300 mm×150 mm。

1.3 金屬彈簧參數設計

變壓器工作產生的動載荷很小，相對于變壓器自重可忽略不計。12根彈簧在裝置內并聯布置，每個彈簧所受到的力基本相同，考慮上頂板的自重及安全因素，每個彈簧所受外力值為1 050 N。

金屬彈簧選用材料為60Si2Mn的圓柱螺旋壓縮彈簧，材料的許用切應力[τ]=480 MPa，切變模量G=80 000 MPa。曲度系數K和彈簧絲直徑d的計算公式分別為：

(1)

(2)

其中：C為旋繞比，取C=8；Fmax為彈簧承受的最大壓力，取Fmax=1 050 N。

將數值代入式(1)和式(2)計算得：K=1.18，d≥7.3 mm。根據GB/T 1358—2009圓柱螺旋彈簧尺寸系列取d=8 mm。

圓柱螺旋彈簧的中徑D計算公式為：

D=Cd.

(3)

將數值代入式(3)計算得：D=64 mm。根據GB/T 1358—2009圓柱螺旋彈簧尺寸系列取D=65 mm，內徑D1=57 mm，外徑D2=73 mm。

圓柱螺旋彈簧的有效圈數n、節距P和自由高度H0計算公式分別為：

(4)

P=πDSinα.

(5)

H0≈Pn+1.5d.

(6)

其中：KF為彈簧剛度，KF=470.4 N/mm；α為螺旋角，α=6°。

將數值代入式(4)～式(6)計算得：n=3.25圈，P=24.68 mm，H0≈110.12 mm。根據GB/T 1358—2009圓柱螺旋彈簧尺寸系列取n=4，在有效圈數上加2圈～2.5圈，最終取n=6，H0=115 mm。

2 結構動力學模態分析

在前處理中對彈簧減振降噪裝置建立有限元模型，設定材料參數并劃分網格，進行機構動力學模態分析，得到彈簧減振降噪裝置的固有頻率。

2.1 有限元模型

在ANSYS前處理器中對彈簧減振降噪裝置建立三維模型，在不影響分析結果的情況下對模型進行簡化。簡化后的彈簧減振降噪裝置三維模型如圖3所示。

圖2彈簧減振降噪裝置三維效果圖圖3彈簧減振降噪裝置簡化結構模型

在三維模型建立后，添加彈簧減振降噪裝置的材料屬性，上頂板與下底板材料為45鋼，單元類型選用Solid98；彈簧材料為60Si2Mn，單元類型選用Solid98。具體材料屬性如表1所示。進行3D網格劃分后的有限元模型如圖4所示。

表1 材料屬性

2.2 模態分析

在網格劃分完成后，設置彈簧減振降噪裝置為自由邊界條件，求解范圍設置為0 Hz～500 Hz，進行模態分析得到的振動模態如圖5所示，可以看出彈簧減振降噪裝置固有頻率為26.405 Hz。

3 減振效率與振動傳遞率

彈簧減振降噪裝置的隔振效果可以用振動傳遞率的大小來衡量。振動傳遞率TR為：

(7)

其中：ω為激振器的固有頻率，Hz；ωn為減振裝置的固有頻率，Hz；ζ為阻尼比。

減振效率Js為：

(8)

減振效率越高，說明裝置的減振效果越好。

圖4彈簧減振降噪裝置網格劃分后的有限元模型圖5彈簧減振降噪裝置振動模態圖6不同阻尼比的振動傳遞率TR與頻率比λ的關系曲線

將頻率比3.8代入式(7)和式(8)，得到振動傳遞率為0.087，減振效率為92.51%。變壓器振動頻率為200 Hz時，頻率比約為7.6，將頻率比代入式(7)和式(8)，得到振動傳遞率為0.027，減振效率為98.28%。這一結果表明了設計的彈簧減振降噪裝置能夠起到很好的減振降噪效果。

4 結語

設計了一種變壓器彈簧減振降噪裝置，使用有限元分析工具對其進行了結構動力學模態分析，得到了該裝置的固有頻率和振動模態，并利用振動傳遞率和減振效率的數學模型計算出其理論值，計算結果表明設計的彈簧減振降噪裝置能夠起到很好的減振降噪效果。該有限元分析方法和數學模型計算結果可以為今后變壓器彈簧減振降噪裝置的優化設計提供一定的理論依據，具有實用的參考價值。