第一篇：多自由度系統(tǒng)振動(dòng)分析典型教案

第2章 多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)

基本要點(diǎn)：

① 建立系統(tǒng)微分方程的幾種方法；

② 固有頻率、固有振型的概念以及固有振型關(guān)于質(zhì)量和剛度矩陣的加權(quán)正交性； ③ 多自由度系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的解耦—模態(tài)坐標(biāo)變換及運(yùn)用模態(tài)疊加法求解振動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)。

引言

多自由度振動(dòng)系統(tǒng)的幾個(gè)工程實(shí)例；多自由度系統(tǒng)振動(dòng)分析的特點(diǎn)；多自由度系統(tǒng)振動(dòng)分析與單自由度系統(tǒng)的區(qū)別與聯(lián)系。

§2.1 多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)方程

? 方程的一般形式：質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和激振力

§2.2 建立系統(tǒng)微分方程的方法

? 影響系數(shù)：剛度影響系數(shù)、柔度影響系數(shù)

? 剛度矩陣法、柔度矩陣法及這兩種方法的特點(diǎn)；Lagrange方程法

§2.3 無(wú)阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)

? 二自由度系統(tǒng)的固有振動(dòng)：固有頻率、固有振型。? 二自由度系統(tǒng)的自由振動(dòng)

? 二自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)耦合與解耦

? 彈性耦合，慣性耦合；

? 振動(dòng)系統(tǒng)的耦合取決于坐標(biāo)系的選擇； ? 多自由度系統(tǒng)的固有振動(dòng)

? 固有振動(dòng)的形式及條件：特征值、特征向量、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度； ? 固有振型的性質(zhì)：關(guān)于質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的加權(quán)正交性； ? 剛體模態(tài)；

? 運(yùn)動(dòng)的解耦：模態(tài)坐標(biāo)變換（主坐標(biāo)變換）。? 多自由度系統(tǒng)的自由振動(dòng)

§2.4 無(wú)阻尼系統(tǒng)的受迫振動(dòng)

? 頻域分析：動(dòng)剛度矩陣和頻響函數(shù)矩陣，頻響函數(shù)矩陣的振型展開式，系統(tǒng)反共振問(wèn)題。

? 時(shí)域分析：?jiǎn)挝幻}沖響應(yīng)矩陣，任意激勵(lì)下的響應(yīng)，模態(tài)截?cái)鄦?wèn)題，模態(tài)加速度法。

§2.5 比例阻尼系統(tǒng)的振動(dòng)

? 多自由度系統(tǒng)的阻尼：Rayleigh比例阻尼。? 自由振動(dòng)

? 受迫振動(dòng)：頻響函數(shù)矩陣，單位脈沖響應(yīng)矩陣，任意激勵(lì)下的響應(yīng)。

§2.6 一般粘性阻尼系統(tǒng)的振動(dòng) ? 自由振動(dòng)：物理空間描述，狀態(tài)空間描述。

? 受迫振動(dòng)：脈沖響應(yīng)矩陣，頻響函數(shù)矩陣，任意激勵(lì)下的響應(yīng)。

思考題：

① 剛度矩陣和柔度矩陣在什么條件下是互逆的兩個(gè)矩陣？從物理上和數(shù)學(xué)兩方面加以解釋？

② 為什么說(shuō)模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度的數(shù)值大小沒有直接意義？

③ 證明固有振型關(guān)于質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的加權(quán)正交性，并討論其物理意義。④ 在實(shí)際的多自由度系統(tǒng)振動(dòng)分析中，為什么要進(jìn)行模態(tài)截?cái)啵?/p>

參考書目

1.2.3.4.胡海巖，機(jī)械振動(dòng)與沖擊，航空工業(yè)出版社，2002 故海巖，機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)，北京航空航天大學(xué)出版社，2005 季文美，機(jī)械振動(dòng)，科學(xué)出版社，1985。（圖書館索引號(hào)：TH113.1/1010）鄭兆昌主編, 機(jī)械振動(dòng) 上冊(cè) ,機(jī)械工業(yè)出版社，1980。（圖書館索引號(hào)：TH113.1/1003-A）

5.Singiresu S R, Mechanical vibrations，Longman Prentice Hall, 2004(圖書館索引號(hào)：TH113.1/WR32)

第二篇：教案平面機(jī)構(gòu)的自由度

平面機(jī)構(gòu)的自由度

【教學(xué)目的】

1、掌握運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件。

2、熟練掌握機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算方法。能自如地運(yùn)用自由度計(jì)算公式計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度，尤其是平面機(jī)構(gòu)的自由度。

【教學(xué)內(nèi)容】

1、引出自由度的概念，明確自由度和約束的關(guān)系；

2、推導(dǎo)自由度計(jì)算公式，并加以舉例說(shuō)明；

3、學(xué)會(huì)利用公式計(jì)算平面機(jī)構(gòu)的自由度。

【教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)】

1、機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算

【教學(xué)方法】

1、課堂以講授為主，結(jié)合實(shí)物文件進(jìn)行分析講解。

2、注重師生交流，提倡師生互動(dòng)，上課時(shí)細(xì)心觀察學(xué)生的反應(yīng)，課間與學(xué)生交談，了解學(xué)生的掌握情況，根據(jù)反饋的信息，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整授課內(nèi)容和方法等。

【教學(xué)內(nèi)容】

1、概念：平面機(jī)構(gòu)的自由度——機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)稱為機(jī)構(gòu)的自由度。

2、自由度的引入

構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)稱為自由度。一個(gè)作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件具有3個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，見圖1。

圖1平面自由度

即沿x軸、y軸移動(dòng)及繞垂直于xoy面的軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)。

構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副后，其運(yùn)動(dòng)就受到了約束，其自由度數(shù)隨之減少，不同類型的運(yùn)動(dòng)副帶來(lái)的約束不同。

如圖2移動(dòng)副中，限制了2相對(duì)1沿垂直于導(dǎo)路的移動(dòng)及相對(duì)限制轉(zhuǎn)動(dòng)，引入兩個(gè)約束。

如圖3中轉(zhuǎn)動(dòng)副限制了2相限制1沿x軸y軸移動(dòng)，引入兩個(gè)約束。

如圖4高副中，限制了2相對(duì)1沿法線軸的移動(dòng)，引入一個(gè)約束。

圖4 高副及表示符號(hào) 自由度公式的推導(dǎo)

如設(shè)平面機(jī)構(gòu)共有n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件（不包括機(jī)架），當(dāng)此機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件尚未通過(guò)運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接時(shí)，顯然它們共有3n個(gè)自由度。

當(dāng)兩構(gòu)件構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副之后，它們的運(yùn)動(dòng)就將受到約束，其自由度將減少，假設(shè)各構(gòu)件間共構(gòu)成了pL個(gè)低副和pH個(gè)高副，自由度減少的數(shù)目等于運(yùn)動(dòng)副引入的約束（2pL?pH）。于是，該機(jī)構(gòu)的自由度應(yīng)為

F?3n??2pL?pH??3n?2pL?pH（1）自由度的計(jì)算

圖5平面四連桿機(jī)構(gòu)

圖6平面五連桿機(jī)構(gòu)

（1）三個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，四個(gè)低副，零個(gè)高副。

F?3?3?2?4?0?1

（2）四個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，五個(gè)低副，零個(gè)高副

F=3?42?50=2

總結(jié)：

平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，計(jì)算自由度時(shí)需要找準(zhǔn)活動(dòng)構(gòu)件的個(gè)數(shù)，注意低副和高副的約束，然后進(jìn)行計(jì)算。

第三篇：第1章平面機(jī)構(gòu)的自由度和速度分析教案

第1章平面機(jī)構(gòu)的自由度和速度分析

平面機(jī)構(gòu)——所有構(gòu)件在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)

§1-1 運(yùn)動(dòng)副及其分類

構(gòu)件的自由度——構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目。

作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件(如圖所示)則只有三個(gè) 自由度，這三個(gè)自由度可以用三個(gè)獨(dú)立的 參數(shù)x、y和角度θ表示。如圖所示

約束——對(duì)構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)所加的限制。

運(yùn)動(dòng)副——兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接。是由兩構(gòu)件組成的可動(dòng)聯(lián)接。

運(yùn)動(dòng)副是約束運(yùn)動(dòng)的，構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副后，其獨(dú)立運(yùn)動(dòng)受到約束，自由度便隨之減少。

由運(yùn)動(dòng)副的定義可知：構(gòu)成機(jī)構(gòu)的兩個(gè)基本要素是構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副。

按運(yùn)動(dòng)副元素接觸形式可將運(yùn)動(dòng)副分為低副和高副。1.低副——兩運(yùn)動(dòng)副元素通過(guò)面接觸所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副。

⑴ 轉(zhuǎn)動(dòng)副——兩構(gòu)件間只能作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的低副稱為轉(zhuǎn)動(dòng)副或鉸鏈。如圖所示

⑵ 移動(dòng)副——兩構(gòu)件間只能作相對(duì)移動(dòng)的低副稱為移動(dòng)副，如圖所示

2.高副——兩運(yùn)動(dòng)副元素通過(guò)點(diǎn)或線接觸所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副。如圖所示

如果構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)是空間運(yùn)動(dòng)，則稱為空間運(yùn)動(dòng)副，不在本書討論范圍

§1-2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

實(shí)際構(gòu)件外形結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化僅用線條和符號(hào)來(lái)表示構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖——并按一定的比例尺定出各運(yùn)動(dòng)副的位置，再用規(guī)定的運(yùn)動(dòng)副符號(hào)和簡(jiǎn)單的線條或幾何圖形表示機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的一種簡(jiǎn)化圖形。

運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的表示方法如圖所示 畫陰影線的構(gòu)件表示機(jī)架

構(gòu)件的表示方法如圖所示

任何機(jī)構(gòu)都包含機(jī)架、原動(dòng)件和從動(dòng)件3個(gè)部分。⑴ 機(jī)架——是用來(lái)支承活動(dòng)構(gòu)件的構(gòu)件。

⑵ 原動(dòng)件——是運(yùn)動(dòng)規(guī)律已知的活動(dòng)構(gòu)件。它的運(yùn)動(dòng)是由外界輸入的，又稱為輸入構(gòu)件。

⑶ 從動(dòng)件——是機(jī)構(gòu)中隨著原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的其余活動(dòng)構(gòu)件。相對(duì)于機(jī)架有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)確定之后，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全取決于原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

§1-3 平面機(jī)構(gòu)的自由度

一、平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式

作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件有三個(gè)自由度。當(dāng)兩構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副后，它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就受到限制（約束），自由度隨之減少。

不同類型的運(yùn)動(dòng)副引入的約束不同，保留的自由度也不同。平面機(jī)構(gòu)中 ? 每個(gè)低副引入兩個(gè)約束，使構(gòu)件失去兩個(gè)自由度，保留一個(gè)自由度。? 每個(gè)高副引入一個(gè)約束，使構(gòu)件失去一個(gè)自由度，保留兩個(gè)自由度。

在機(jī)構(gòu)中，若共有K個(gè)構(gòu)件，除去機(jī)架外，其活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為n=K-1。顯然，這些活動(dòng)構(gòu)件在未組成運(yùn)動(dòng)副之前，其自由度總數(shù)為3n，當(dāng)它們用PL個(gè)低副和PH個(gè)高副聯(lián)接組成機(jī)構(gòu)后，因?yàn)槊總€(gè)低副引入兩個(gè)約束，每個(gè)高副引入一個(gè)約束，所以，總共引入(2PL+PH)個(gè)約束。故整個(gè)機(jī)構(gòu)的自由度應(yīng)為活動(dòng)構(gòu)件的自由度總數(shù)與全部運(yùn)動(dòng)副引入的約束總數(shù)之差，用F 表示，即

F=3n-2PL-PH

(1-1)

由上式可知：機(jī)構(gòu)自由度F取決于活動(dòng)構(gòu)件的件數(shù)與運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)（高副或低副）和個(gè)數(shù)。

機(jī)構(gòu)的自由度——指機(jī)構(gòu)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目。

從動(dòng)件不能有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，只有原動(dòng)件才有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，每個(gè)原動(dòng)件具有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，故機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)應(yīng)當(dāng)與原動(dòng)件數(shù)相等

例題：

二、計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)

1，復(fù)合鉸鏈

由兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)就構(gòu)成復(fù)合鉸鏈。由三個(gè)構(gòu)件匯交成的復(fù)合鉸鏈如圖所示。

由K個(gè)構(gòu)件以復(fù)合鉸鏈相聯(lián)接時(shí)構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)為(K-1)個(gè)。計(jì)算自由度時(shí)要特別注意“復(fù)合鉸鏈”。

例題：

2，局部自由度

不影響機(jī)構(gòu)中其它構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的自由度稱為局部自由度。如右圖所示。

在計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，要排除這個(gè)局部自由度。

例題：

3，虛約束

有些約束對(duì)機(jī)構(gòu)自由度的影響是重復(fù)的，對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不起獨(dú)立限制作用，這種約束稱為虛約束。

計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件連同它所帶入的運(yùn)動(dòng)副一起除去不計(jì)。如圖所示

例題：

第四篇：淺談火電廠汽水管道幾種典型的振動(dòng)..

淺談火電廠汽水管道幾種典型的振動(dòng)類型

摘要 ：介紹了電廠汽水管道幾種常見的振動(dòng)，分析了其原因，總結(jié)了預(yù)防和處理辦法。(6 未加)

關(guān)鍵詞:電廠；汽水管道；振動(dòng) ．

1、前言

汽水管道振動(dòng)是是電廠運(yùn)行中的一種常見的現(xiàn)象，振動(dòng)的存在不僅會(huì)降低管道和設(shè)備的使用壽命，而且振動(dòng)導(dǎo)致的管路泄漏或斷裂會(huì)危及到設(shè)備的使用安全性，甚至造成機(jī)組非?；蛉松韨龅仁鹿?。在解決管道振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，首先應(yīng)該分析清楚管道振動(dòng)的原因，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行管系的布置修正和加固。

2、振動(dòng)的現(xiàn)象

電廠汽水管道振動(dòng)非常普遍，主要表現(xiàn)為管路及其支吊架的擺動(dòng)并伴有“碰碰”的噪聲，振動(dòng)的時(shí)間多發(fā)生在啟停機(jī)和變工況的時(shí)刻，振動(dòng)地點(diǎn)多發(fā)生在主蒸汽管道、高低加之間正常疏水和危急疏水管路、水泵的出入口管路及再循環(huán)管路，高溫高壓容器或主蒸汽管道的有壓放水母管等管路。

3、振動(dòng)的原因

根據(jù)管道振動(dòng) 的理論分析，管道及其支架和與

之相連接的各種設(shè)備或裝置構(gòu)成 了一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在有激振力的情況下，這個(gè)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生

振動(dòng)。研究管道振動(dòng)，要從兩方面考慮 ：一個(gè)是減

小激振力，從根源上消除振動(dòng)l2 ；另一個(gè)是改變管道

結(jié)構(gòu)，即從結(jié)構(gòu)研究的角度來(lái)降低管系對(duì)外界激振

力的響應(yīng)。

2．1 激振力

動(dòng)力管道的激振力有來(lái) 自系統(tǒng) 自身和系統(tǒng)外兩

大類，其中前者是管道振動(dòng)的主要誘因。來(lái) 自系統(tǒng)

自身的激振力 主要是管道內(nèi)部流體的不穩(wěn)定流動(dòng)引

起的振動(dòng)，來(lái) 自系統(tǒng)外 的激振力主要是與管道相連

接的機(jī)器、設(shè)備、平臺(tái)等的振動(dòng)和風(fēng)載荷、地震載荷 等。工程中引起激振力的常見因素有：

a．管流脈動(dòng)引起的振動(dòng)。管道輸液(氣)需通

過(guò)泵或壓縮機(jī)加壓作為動(dòng)力，這種加壓方式是間隙

性的，由于間隙加壓，管道 內(nèi)的壓力在平均值的上下

脈動(dòng)(或稱波動(dòng))，即產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，管 流處于脈動(dòng)

狀態(tài)。脈動(dòng)狀態(tài) 的流體遇到彎管頭、異徑管、控制

閥、節(jié)流孔板、盲板等管道元件，產(chǎn)生隨時(shí)問(wèn)變化的激振力，使管道及其附屬設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)。

b．液擊振動(dòng)。在輸送 液體 的管 道中，由于生

產(chǎn)過(guò)程的調(diào)節(jié)，有時(shí)需要突然啟、停 閥門、水泵和水

輪機(jī)，這時(shí)管道內(nèi)液體 的速度會(huì)突然發(fā)生變化，液體

速度的變化使液體的動(dòng)量改變，反映在管道 內(nèi)的壓

強(qiáng)迅速上升或下降，并伴有液體錘擊的聲音，這種現(xiàn)象稱為液擊，也 叫做水錘或水擊。液擊造成管道 內(nèi)

壓力的變化很大，嚴(yán)重時(shí)可使管子爆裂，迅速降壓而

形成負(fù)壓，使管子失穩(wěn)。液擊還經(jīng)常導(dǎo)致管道振動(dòng)，發(fā)出噪音，嚴(yán)重影響管道系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

C．管道內(nèi)流體流速過(guò)快，因而流體 與管道邊界

層分離而產(chǎn)生湍流，引起振動(dòng)。

2．2 管 系

管系是連續(xù)彈性體，當(dāng)管系的固有頻率與激振

力的頻率接近時(shí)會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，使 系統(tǒng)振動(dòng)大大

加強(qiáng)。對(duì)于簡(jiǎn)單管系的結(jié)構(gòu) 固有頻率的計(jì)算，理論

力學(xué)有較詳細(xì)的介紹。一個(gè)復(fù)雜的管系在工程上大

都用有限元法計(jì)算，將管系分成若干個(gè)單元，一般

將一段直管作為一個(gè)管單元，彎管處理成彎管 單元

或若干根截面與彎管相等 的直管組成的折線代替；

法蘭和閥門作為集中質(zhì)量來(lái)考慮。

理論 上 講汽 水 管 道 振 動(dòng) 的 分 析，就 是 研 究 管 道 系 統(tǒng) 的 外 界 激 擾 力、管 系 響 應(yīng) 及 管 系 自 身 振 動(dòng) 特 性 的 3個(gè) 方 面。某一管路振動(dòng)的原因可能只是單一的，但也有可能是多種因素綜合的結(jié)果，常見的振動(dòng)因素主要有以下幾種。根據(jù)管道振動(dòng)的理論分析，管道及其支架和與之相連接的

各種設(shè)備或裝置構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在有激振力的情況下，這個(gè)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。研究管道振動(dòng)時(shí)，要遇到 2 個(gè)振動(dòng)系統(tǒng) ：一個(gè)是管道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，即從結(jié)構(gòu)研究 的角度來(lái)確

定結(jié)構(gòu)對(duì)流體激發(fā)的響應(yīng) ；另一個(gè)是流體系統(tǒng)，即從流體研究的角度來(lái)確定流動(dòng)的規(guī)律和它對(duì)結(jié)構(gòu)的激發(fā)作用l2J。

壓力管道的激振力可分為來(lái) 自系統(tǒng) 自身和系統(tǒng)外 2大類。

來(lái)自系統(tǒng) 自身的主要有與管道直接相連接的機(jī)器、設(shè)備的振動(dòng)

和管道內(nèi)部流體的不穩(wěn)定流動(dòng)引起的振動(dòng)；來(lái) 自系統(tǒng)外的有風(fēng)載荷、地震載荷等，其中前者是管道振動(dòng)的主要誘 岡。振動(dòng)對(duì)

壓力管道來(lái)講是一種交變動(dòng)載荷，其危害程度取決激振力的大 小和管道自身的抗振性能。其主要的影響因素如下：

3．1 機(jī)械振動(dòng)

當(dāng)管道與相連的 工藝設(shè)備或機(jī)械設(shè)備發(fā)生振

動(dòng)時(shí)，傳遞到管系上引發(fā)的管道機(jī)械振動(dòng)。旋轉(zhuǎn)機(jī)

械的轉(zhuǎn)動(dòng)部分由于制造誤差、材料的不均勻性以及 運(yùn)動(dòng)中遭受不均勻侵蝕或損傷，它的重心就會(huì)偏離 軸線。轉(zhuǎn)予的重心的偏離使其在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)不 斷變換的慣性力，這種慣性力就是引起旋轉(zhuǎn)機(jī)械振 動(dòng)的主要周期性激振力。此外，由于軸承座在水平

方 向和垂直方向的剛度不同；軸承的剛度具有非對(duì) 稱性的彈性特性。3.1、管路的選型不對(duì) 3..1.1 高速流引起的振動(dòng)

管道內(nèi)流體流速過(guò)快，因而流體邊界層分離而產(chǎn)生湍流，引起振動(dòng)。

湍流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流速很小時(shí)，流體分層流動(dòng)，互不混合，稱為層流，也稱為穩(wěn)流或片流；逐漸增加流速，流體的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng)，擺動(dòng)的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過(guò)渡流；當(dāng)流速增加到很大時(shí)，流線不再清楚可辨，流場(chǎng)中有許多小漩渦，層流被破

壞，相鄰流層間不但有滑動(dòng)，還有混合。這時(shí)的流體作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，有垂直于流管軸線方向的分速度產(chǎn)生，這種運(yùn)動(dòng)稱為湍流，又稱為亂流、擾流或紊流。

流體作湍流時(shí)，阻力大流量小，能量耗損增加。實(shí)驗(yàn)證明，能量耗損E與速度的關(guān)系為

當(dāng)流體流經(jīng)減壓閥、安全閥、噴嘴或其它節(jié)流，流體的流速急劇增加而達(dá)到了或接近臨界，由此出現(xiàn)不穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，管道系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，還發(fā)出噪聲。

(1)由蒸汽管系頻譜分析知管道的振動(dòng)是由受 迫振動(dòng)引起的，且振源位于截止閥附近．分析蒸汽 管系結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，蒸汽在高速流經(jīng)截止閥及其后 彎頭時(shí)所形成的渦流引起蒸汽的脈動(dòng)，是導(dǎo)致管系 振動(dòng)的主要原因．蒸汽流過(guò)截止閥后雖然不改變流 向，但在流經(jīng)截止閥內(nèi)部時(shí)，由于閥內(nèi)的彎頭及閥 桿的作用使蒸汽的流向變?yōu)楦哌M(jìn)低出，蒸汽的壓力 也由于彎頭及閥桿的節(jié)流作用，相應(yīng)經(jīng)歷由高到低 的變化，流向與壓力的不斷變化，使蒸汽在截止閥 后及彎管處引發(fā)渦流并形成脈動(dòng)造成管系振動(dòng)．這 也是該電廠蒸汽管道振動(dòng)的主要原因．(2)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，由于主蒸汽管道改造，管系原彈簧支吊荷載分配被破壞，載荷分配不均使彈簧支吊架失去減振作用甚至促使 了振動(dòng)的形成與加?。?/p>

(3)改造后的管系剛度不足，尤其管道截止閥處上下位移沒有固定，管道易產(chǎn)生受迫振動(dòng)；

(4)主蒸汽管道內(nèi)蒸汽流速較大(57 m／s左右)超過(guò)了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值(40 m／s)，也容易產(chǎn)生激振．

成管道 系統(tǒng) 振動(dòng) 的原因。通 常情況下分 析管道 系統(tǒng) 振動(dòng) 的原 因，主要從 以下三個(gè) 方面考慮 ： 2．2．1 機(jī) 械系 統(tǒng) 的動(dòng)力平衡 性。與管 道 系統(tǒng)相 連 的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備(比如氣 輪機(jī)組、泵 等)的平衡 力過(guò)大，將 引起設(shè)備本 身的振 動(dòng)，如果基 礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì) 不 當(dāng)，轉(zhuǎn) 機(jī) 的振 動(dòng)將通過(guò)基 礎(chǔ) 或其 他 設(shè)施 傳 遞給 管 道，牽 連 管 道 振 動(dòng)。

2．2．2 管 道 內(nèi)部 流 體 流 動(dòng) 狀 況。管 道 系 統(tǒng) 布 置 的 不和理情況(比如 彎頭過(guò) 多、頻 繁改 變 走 向)以及 管 件(比如 閥門、孔板)對(duì) 流體 的作 用，使介 質(zhì)流場(chǎng) 突然 改變，會(huì)導(dǎo)致 管道 振動(dòng) ；當(dāng)流 在 管道 中流動(dòng) 時(shí)，若 流速 過(guò) 大 并 超 過(guò) 某 一 允 許 流 速 時(shí)，也 可 能 引 起 管 道 振動(dòng)。所 以在管 道 的設(shè) 計(jì) 規(guī)定 中，一般 都 會(huì)根 據(jù) 管 道輸送 的流體種 類、應(yīng)用 場(chǎng)合、管 道種類 等因素 限制 管道 內(nèi)流體 的允 許流 速 ：管道 內(nèi)兩 相 流及 “水錘 ”也 是 管 道 系 統(tǒng) 振 動(dòng) 的 主 要 原 因 之 一。2．2．3 管道流 體 的脈 動(dòng)壓 力。管道 內(nèi) 的流體 輸送

主 要 通 過(guò) 壓 縮 機(jī) 或 泵 加 壓 進(jìn) 行，這 種 加 壓 方 式 是 周期 性 的，因此，有 可 能 引 起 管 道 內(nèi) 實(shí) 際 的 壓 力 在平均

壓 力 的上 下 波 動(dòng)，即形 成 了 所 謂 的 “脈 動(dòng) 壓 力 ”。這 種“脈動(dòng) 壓力”作 用于 管道 系統(tǒng)，會(huì) 引起 管道 系統(tǒng) 的 振動(dòng)，如果 系統(tǒng) 的約束 不夠牢 固或減震 性能不好，系

統(tǒng) 的振 動(dòng)會(huì) 逐 漸 加 劇。3.2、管路布置不合理 3.3、發(fā)生共振

1．1．2 流 體 渦流激振

當(dāng)管內(nèi)流速較大時(shí)，紊流邊界層分離而產(chǎn)生渦

流，渦流的周期性釋放，在管壁上產(chǎn)生周期性擾動(dòng)

力，因而激起管道振動(dòng)。當(dāng)渦流釋放的周期與管道的自振頻率一致時(shí)，渦流激起共振。渦流激振發(fā)生于蒸

汽繞流過(guò)擋板、閥門及分叉管時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)頻率一

般較高，且伴有較大的音頻聲發(fā)射。對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)

組的蒸汽管道，流速不是很大，并且管內(nèi)沒有擋板等

其它部件，發(fā)生流動(dòng)渦流的可能性很小。

1．1．3 壓 力脈動(dòng) 引起 的 氣柱諧 振

氣 體的可壓縮性和管道的彈性，在流體動(dòng)力

學(xué)分析 中相 當(dāng)于電路 中的電容，而氣體的流動(dòng)慣

性，相當(dāng)于電路中的電感，從而構(gòu)成類同于電路中I C諧振回路。在管端壓力脈動(dòng)時(shí)，氣體的壓縮和

膨脹產(chǎn)生周期性流動(dòng)振蕩。當(dāng)壓力脈動(dòng)頻率與氣

柱的諧振頻率相等時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生共振，激起管道強(qiáng)

烈振動(dòng)和發(fā)出強(qiáng)烈的噪聲。這類擾動(dòng)問(wèn)題在軸流

式風(fēng)機(jī)及風(fēng)道中較易出現(xiàn)。當(dāng)發(fā)生氣柱諧振時(shí)，整 個(gè)管道基本上處于同一振動(dòng)頻率。

1．1．4 管流脈動(dòng)激發(fā)管道振動(dòng)

管內(nèi)氣體壓力脈動(dòng)時(shí)，氣流也處于脈動(dòng)狀態(tài)。

脈動(dòng)的氣流流經(jīng)彎頭、管徑縮擴(kuò)、調(diào)節(jié)門、孔板等

流動(dòng)轉(zhuǎn) 向、流速變化部件時(shí)，作用在管壁的氣流動(dòng)

量呈周期性脈動(dòng)狀態(tài)，因而誘發(fā)管道振動(dòng)。

如圖 1所示的彎頭，如流體 的脈動(dòng)壓力值為

P，管道的通流面積 為．S，彎頭的彎角為 |8，則作用

F

圖 1 彎 頭 受 力t-g蒽

在管道截面上的脈動(dòng)力大小為P5，將這兩個(gè)力合成，得到沿彎頭分量的合力 R，其值為

R=2kSsin導(dǎo)

(1)

這就是由于脈動(dòng)壓力引起的作用在彎頭上的干擾力的大小。由式(1)可見，R隨彎角的增 大

而增 大。P是隨時(shí)間周期變化的，所以作用在彎頭的脈動(dòng)干擾力也隨時(shí)間作周期變化。它們的變化

規(guī)律，可以用脈動(dòng)壓力分析的方法計(jì)算出來(lái)。管道

中流動(dòng) 的脈動(dòng)氣流，在遇到彎頭、異徑管、盲板以

及閥門時(shí)出現(xiàn)激勵(lì)力，從而使管道振動(dòng)。3.4、水擊現(xiàn)象

在有壓管道中，由于某種原因(如閥門啟閉，換向閥變換工位，水泵機(jī)組突然停車，管道中有氣

等)，使水流速度發(fā)生突然變化，同時(shí)引起管道中水流壓力急劇上升或下降的現(xiàn)象，稱為水擊(或水錘

壓力管道系統(tǒng)的水擊現(xiàn)象是一種典型的有壓管道非恒定流問(wèn)題。水錘引起的壓強(qiáng)升高，可達(dá)管道正常

壓強(qiáng)的幾十倍至數(shù)百倍。另外，還會(huì)使管內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓。壓強(qiáng)大幅波動(dòng)，可導(dǎo)致管道系統(tǒng)強(qiáng)烈振動(dòng)、產(chǎn) 聲，造成閥門破壞、管件接頭破裂、斷開，甚至管道炸裂等重大事故。湖南華能岳陽(yáng)電廠引進(jìn)英國(guó)GEC公司2臺(tái)362．5MW機(jī)組。自機(jī)組調(diào)試、移交生產(chǎn)以來(lái)，高、低壓給

水系統(tǒng)多次發(fā)生水擊現(xiàn)象，其中3臺(tái)次造成停機(jī)，給電廠帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。高壓給水系統(tǒng)兩次水擊事

故造成停機(jī)均發(fā)生在 2號(hào)機(jī)組。第一次發(fā)生在機(jī)組調(diào)試階段，第二次發(fā)生在帶負(fù)荷 340MW運(yùn)行時(shí)，鍋爐

壓力161MPa，給水壓力191MPa，5號(hào)高壓加熱器水位趣高，激發(fā)6號(hào)高壓加熱器給水自動(dòng)跳旁路，緊接

著給水泵母管壓力急劇波動(dòng)，產(chǎn)生水擊。引起鍋爐給水管道大幅度擺動(dòng)，部分吊架拉壞，給水流量取樣管

拉斷2根，給水疏水管拉斷3根，水大量外噴，水汽彌漫機(jī)房和鍋爐區(qū)，機(jī)組被迫停運(yùn)。.(1)安裝水擊消除器。當(dāng)管路中壓力升高時(shí)彈簧受到壓縮，于是打開了水的通路，水被排出而泄壓，因此降低了水擊壓力；

(2)在水泵出口處增設(shè)泄壓閥，采用被動(dòng)的泄壓方法讓水擊產(chǎn)生的壓力增值釋放掉，從而達(dá)到保護(hù)

管道及水泵的目的；

(3)在循環(huán)泵前、后的管路之間安裝止回閥的旁通管，可防止由于突然停泵引發(fā)的水擊 ；

(4)可適當(dāng)增設(shè)緩閉單向閥，延長(zhǎng)閥全部關(guān)閉所需的時(shí)間；

(5)在較長(zhǎng)管道中設(shè)置調(diào)壓室，縮短管道長(zhǎng)度，減小相長(zhǎng)，可以緩和水擊；

(6)在管系上按規(guī)定安裝排氣閥，避免管道產(chǎn)生集氣；

(7)適當(dāng)加大管徑，限制管中流速可減小水錘強(qiáng)度。

4．2 建立安全操作規(guī)程

(1)合理延長(zhǎng)管路閥門關(guān)閉時(shí)間，緩慢操作，禁止突然關(guān)閉閥門；

(2)水泵啟動(dòng)、停車前完全關(guān)閉出水閥門；

(3)加強(qiáng)巡視，確保管道及設(shè)備工況良好；(4)完善管理制度和嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程、及時(shí)維修排除管系運(yùn)行故障。結(jié)語(yǔ)

壓力管道系統(tǒng)的水擊現(xiàn)象是難以避免的，水擊的危害性很大，為此在設(shè)計(jì)上考慮水擊作用的影響是很

有必要的。另外，很多事故是由于現(xiàn)場(chǎng)水泵或閥門操作不當(dāng)造成的，因此管理、操作人員要嚴(yán)格執(zhí)行操作

規(guī)程，將水擊發(fā)生的頻率和水擊所造成的損失降至最低。3．2 流體脈動(dòng)

由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的吸液或排液的周期性、間歇

性，因而管內(nèi)流體的速度忽快忽慢，壓力忽高忽低，形成 了一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。

本文所述蒸汽管道發(fā)生振動(dòng)的主要原因，是高 速流動(dòng)的蒸汽在流經(jīng)截止閥及其后彎頭時(shí)產(chǎn)生渦 流而形成激振引發(fā)振動(dòng)．

給 水 泵 轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí)產(chǎn) 生 的振 動(dòng) 傳 遞 到 相 連 的 蕾道 上，屬 于振動(dòng)潭的傳 遞 }②省煤囂人 口主培水蕾道攮 動(dòng)，特 別是 在 機(jī)組 帶 32％左 右 負(fù) 荷 時(shí)，攮硇 時(shí)問(wèn)222222222 長(zhǎng)、頻 率 高、振幅 大，而在 帶 滿負(fù) 荷 時(shí) 情 況 尚好，這 是 由 于 介 質(zhì) 擾 動(dòng)、劇 烈 的 紊 流 引起 的振 動(dòng)。(2)培 莖

票篙

羹

主萎 的固定支架及限位支架少；②部分支吊架松脫、跨 落或失去作用，使個(gè)別支吊點(diǎn)失重，流體的沖擊造 成管道失穩(wěn)晃動(dòng)；③管道布置不順暢，流體阻力 大。(3)高壓加熱器琉水管道的振動(dòng)。①高壓加熱

器疏 水 管 道 上 的 琉 水 閥選 型時(shí)，流量 系 數(shù)計(jì) 算 有 誤，琉 水 悶 通 徑 選擇 偏 小，工 質(zhì) 流速 過(guò) 高，快 開 的疏 水 悶使 工 質(zhì) 產(chǎn) 生二 相 流，引起 “汽錘 或 水 錘 ：

(2)管 道 布 置 中采 用 的 彎 頭 較 多，柔 性 過(guò) 大，增 加 了

流 體 對(duì) 管 道 的 激 擾 力，流 體 變 化 頻 率 和 管 道 白振

3．4 汽液兩相流

流體靜管路尤其是節(jié)流元件時(shí)，其壓力由于 沿程摩擦阻力或局部阻力而逐漸地下降。如果液體 壓力降到飽和壓力以下，這時(shí)部分液體就會(huì)汽化，產(chǎn)生汽泡就會(huì)破滅。當(dāng)流體壓力繼續(xù)降低時(shí)，汽化和氣體的比率將不 斷增高，就會(huì)形成各種各樣的汽液兩相流。在摩擦損 失比較大的長(zhǎng)管線上，壓力變化大，會(huì)有振動(dòng)的發(fā)生。

4、振動(dòng)消除的辦法

針 對(duì) 所 確 定 的 管 道 振 動(dòng) 原 因，采 取 以 下 有 效

措 施 ：(1)在 管 系 適 當(dāng) 位 置 設(shè) 置 剛 性 約 束，如 固 定 支

架、導(dǎo) 向 支 架、滑 動(dòng) 支 架 或 限 位 裝 置，必 要 時(shí) 設(shè) 置

減 振 器 或 阻 尼 器 ；(2)盡 量 將 轉(zhuǎn) 動(dòng) 設(shè) 備 產(chǎn) 生 的 振 動(dòng)

與 管 道 隔 絕 開，以 使 管 道 不 受 外 界 振 動(dòng) 力 的 激 擾 ：

(3)消 除 振 源，即 消 除 管 系 的 激 擾 力，如 在 管 路 中 設(shè)

置集 箱、空腔 緩 沖 器、濾 波緩 沖器 或 蓄 壓 緩 沖 器

等，布 置 中 盡 量 少 用 彎 頭、變 徑 管 等 ；f4)準(zhǔn) 確 選 取

節(jié) 流減 壓 闊件，如 疏水 闊、節(jié) 流 閥、調(diào) 節(jié) 闊等，使介

質(zhì) 流 動(dòng) 順 暢 ；(5)蒸 汽 管 道 的 布 置 要 盡 可 能 增 加 坡

度，使 疏 水 通 暢，盡 量 不 要 出 現(xiàn) U 型 段，形 成 積 水。

造 成 水 擊 振 動(dòng)。3．3 合理設(shè)計(jì)管道系統(tǒng)

(1)管道系統(tǒng)?；l共振振幅最大，高階共振的振幅較小，所以避開低頻

振是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。目前的作法有調(diào)整管 道的走向、支承位置、支承結(jié)構(gòu)及管道結(jié)構(gòu)尺寸等，將系統(tǒng)的固

有頻率調(diào)高到激振力主頻率的2．8 3．0倍以上。在工程中，由

于現(xiàn)場(chǎng)條件和工藝條件的限制，管道的走向和結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)法改

變，只有通過(guò)改變約束條件來(lái)改變系統(tǒng)的固有頻率。

(2)應(yīng)避免管道彎頭急轉(zhuǎn)彎。在壓縮機(jī)管系的運(yùn)行中，其

激振力主要產(chǎn)生于彎頭和異徑管的接頭處，因此在管道的安裝

中應(yīng)辱量減少?gòu)濐^的使用，使管道走向平直以減少激振力數(shù)

目，又因彎管處的激振力與轉(zhuǎn)彎之角度相關(guān)，這是由于彎頭處

彎管角越大則脈動(dòng)壓力引起的交變力越大，產(chǎn)生較大的管道振

動(dòng)激振力，故減小轉(zhuǎn)彎角度可以增強(qiáng)減振效果。

(3)消減液擊。主要方法是緩慢關(guān)閉閥門，根據(jù)工藝要求，盡可能縮短管道的長(zhǎng)度 ；在管道靠近液擊源附近設(shè)安全閥、蓄

能器等裝置，以釋放或吸收液擊能量。產(chǎn)。l 2消振措施

2．1在振動(dòng)的管道上設(shè)置支撐

根據(jù)無(wú)阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)方程式 ：m+kx：

Fosm ∞t。其中m和k值與管系的形式有關(guān)，根據(jù)固有頻率的定義式 ：【o

當(dāng)作用于管道上的激振頻率等于或接近

于固有頻率 ∞時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，要避開共振區(qū)

必須使∞增大或減小，增強(qiáng)管道結(jié)構(gòu)的剛性 k 值或減小系統(tǒng)質(zhì)量 m，頻率(o就會(huì)有所變化，現(xiàn)場(chǎng)一般采取調(diào)整支撐或加固管道的辦法來(lái)

增強(qiáng)剛性k值。事例：某鋼廠空壓站內(nèi)裝設(shè)了

4臺(tái)日本二手空壓機(jī)設(shè)備機(jī)組，空壓機(jī)形式為

對(duì)稱平衡式，銘牌出力為5t．2m3／min，排氣壓

力為 0．85MPa，其中 l#、2# 機(jī)組功率為

250kW，3#、4# 機(jī)組功率為 240kW，在空

壓機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于當(dāng)時(shí)空壓機(jī)的二級(jí)缸出口 至后冷卻器之間的管段缺乏牢固的支撐，結(jié)構(gòu)

固有頻率則較低，以至此管段出現(xiàn)了較大的振

動(dòng)，當(dāng)達(dá)到位移共振頻率時(shí)，振幅約 40ram。

通過(guò)對(duì)振動(dòng)情況進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，認(rèn)為改變

管道的剛性k值與質(zhì)量 m的比值，使固有頻率

得到變化，是減小振動(dòng)的有效措施。因此，為

了增加管道結(jié)構(gòu)的剛性，在幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處做了

2．2改變支架的形式

當(dāng)動(dòng)力管道發(fā)生振動(dòng)時(shí)，采取改變支架形 式的作法是解決管振 問(wèn)題 的方法之一。例 如：在解決某廠空壓站管道振動(dòng)問(wèn)題時(shí)對(duì)原有 的支架形式做了改變，其方法就是在支座與管 道之間或兩兩0性件的接觸面之間增加 了厚度 大于 5mm 的橡膠墊片，這種墊片具有彈性承 載能力和能量消散能力，提高抗扭性，緩沖了 傳到生根部位的外來(lái)激振力，在結(jié)構(gòu)上起到補(bǔ) 償作用。當(dāng)某廠空壓站 出現(xiàn)管道振動(dòng)時(shí)，采 用了這種彈性支架形式，其結(jié)果減少了振動(dòng)，降低 了噪音，收到了比較好的效果。

止凝結(jié)水管道內(nèi)流體瞬變引起的振蕩運(yùn)動(dòng)。但這

種減振措施，要求在機(jī)組停運(yùn)的條件下才能實(shí)施。

為避免非計(jì)劃停機(jī)所引起的巨大經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)

又將凝結(jié)水管道振動(dòng)減小到不影響機(jī)組安全運(yùn)行的狀態(tài)，采取 了不停機(jī)限振措施。這些減振措施

是 ：(I)調(diào)整管道支吊架的松緊度，使其受力分配

合 理；(2)機(jī)組低負(fù)荷小流量運(yùn)行時(shí)，打開凝結(jié)水

泵再循環(huán)門，進(jìn)行分流調(diào)節(jié)；(3)在管道的某些特

殊部位增加支撐，以約束管道 由于振 動(dòng)而引起的有害變位。但采取這種措施需對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行全 面的受力分析，并充分考慮管 道在 各種狀 態(tài)(如

冷態(tài)、熱態(tài))下 的變位情況，杜絕不 當(dāng)?shù)南拚翊胧?/p>

對(duì)管道產(chǎn)生附加危害。為此在管道上增設(shè) 了一個(gè)

水平活動(dòng)支撐，有效地限制了管道的水平變位。2．3合理的管道布置

合理的布置動(dòng)力管道也是消振的重要部

分。發(fā)生振動(dòng)的主要原因是在管道內(nèi)有脈動(dòng)的激振力，但是同樣的激振力也可以引起不同的振動(dòng)，這取決于管道的設(shè)計(jì)與安裝。激振

力主要產(chǎn)生在彎頭處和異徑管接頭處，因此，在配管設(shè)計(jì)時(shí)盡可能減少?gòu)濐^，加大管道轉(zhuǎn)角

彎曲半徑，可以消減振動(dòng)。另外，空壓機(jī)吸、由本文計(jì)算結(jié)果可以看出，水錘能激發(fā)管系

很大的振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)于關(guān)鍵的動(dòng)力管道系統(tǒng)，必須

在工程設(shè)計(jì)中考慮采取合理布局、擴(kuò)管減速、安裝

減振器等措施降低水錘的危害。對(duì)于已有的管系，可按如下方法控制水錘的有害影響：(1)補(bǔ)水穩(wěn)

壓，防止產(chǎn)生水柱分離或升壓過(guò)高的斷流彌合水

錘，如可采用調(diào)壓塔等；(2)泄水降壓，避免壓力

陡升，如可采用水錘消除器、緩閉止回閥、設(shè)置旁

路等；(3)采用管道減振器(snubber)或液壓式阻

尼器。

第五篇：直流系統(tǒng)典型故障分析與對(duì)策

直流系統(tǒng)典型故障分析與對(duì)策

設(shè)備工程部 張建全

【摘要】本文介紹了直流系統(tǒng)的常見配置、絕緣監(jiān)察裝置的原理和數(shù)學(xué)模型，針對(duì)發(fā)電廠直流系統(tǒng)的接地、交流竄入直流、寄生回路等典型故障，分析了不同故障產(chǎn)生的原因及分析方法，總結(jié)了應(yīng)對(duì)直流系統(tǒng)典型故障的對(duì)策，以期為設(shè)計(jì)、檢修及維護(hù)人員的直流改造、設(shè)備驗(yàn)收、故障消除等工作提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】直流系統(tǒng) 直流接地 交流串入直流 寄生回路 引言

直流系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，為一些重要負(fù)荷、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、交流不停電電源（UPS）、遠(yuǎn)動(dòng)通訊裝置、控制及信號(hào)回路提供穩(wěn)定可靠地工作電源。發(fā)電廠直流系統(tǒng)所接設(shè)備多、回路復(fù)雜，常因回路設(shè)計(jì)不完善、誤接線、元件生產(chǎn)工藝落后以及在長(zhǎng)期運(yùn)行中環(huán)境的改變、氣候的變化引起的電纜及接頭老化等問(wèn)題，不可避免的會(huì)出現(xiàn)直流接地、交流串入直流、不同直流系統(tǒng)間形成寄生回路等故障，這些故障不僅會(huì)造成直流電源的短路、引起熔斷器熔斷或電源開關(guān)斷開，使電力設(shè)備失去控制電源；甚至?xí)鹦盘?hào)裝置、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、斷路器的誤動(dòng)或拒動(dòng)，引發(fā)電力系統(tǒng)故障乃至事故，從而對(duì)發(fā)電廠、電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。因此關(guān)于直流系統(tǒng)的可靠性與安全性以及如何迅速有效的解決故障等問(wèn)題，得到了研究、設(shè)計(jì)、檢修及維護(hù)人員的廣泛關(guān)注。2 直流系統(tǒng)的配置、絕緣監(jiān)察原理和數(shù)學(xué)模型 2.1 直流系統(tǒng)的常見配置

直流系統(tǒng)的常見配置如圖1所示。直流系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)子系統(tǒng)都有獨(dú)立的充電機(jī)、蓄電池組和絕緣監(jiān)察裝置。兩個(gè)直流子系統(tǒng)通過(guò)直流分電屏分別提供兩組直流母線KM1（控制母線電源1）、BM1(保護(hù)母線電源1)和KM2（控制母線電源2）、BM2(保護(hù)母線電源2)。將保護(hù)裝置的直流電源與操作控制的直流電源分開，以保證雙重化配置的兩套保護(hù)的直流電源、兩個(gè)控制回路的控制電源相互獨(dú)立[1]。

圖1 直流系統(tǒng)的配置

2.2 絕緣監(jiān)察裝置的原理和數(shù)學(xué)模型

直流絕緣監(jiān)察裝置的原理如圖2所示，虛線內(nèi)為主機(jī)內(nèi)部分，主機(jī)檢測(cè)正、負(fù)母線對(duì)地電壓，通過(guò)對(duì)地電壓計(jì)算出正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻，當(dāng)絕緣電阻低于設(shè)定值時(shí)，裝置報(bào)警。

圖2 直流絕緣監(jiān)察裝置原理

其中，R+為直流正母線對(duì)地電阻值，R-為直流負(fù)母線對(duì)地電阻值，V1為直流正母線對(duì)地電壓值，V2為直流負(fù)母線對(duì)地電壓值，R1、R2為裝置內(nèi)設(shè)定電阻，R1=R2，數(shù)學(xué)模型如下：

當(dāng)K1閉合，K2打開，測(cè)得一組V1,V2實(shí)際數(shù)值，得出方程（1）

V1/V2=（R1//R+）/R-（1）

當(dāng)K1斷開，K2閉合，測(cè)得一組V1’,V2’實(shí)際數(shù)值，得出方程（2）

V1’/V2’=R+/（R2//R-）（2）聯(lián)立方程（1）、（2）即可求得正、負(fù)母線的對(duì)地電阻值R+、R-，當(dāng)計(jì)算值R+、R-低于設(shè)定值時(shí)，裝置報(bào)出正、負(fù)接地告警信號(hào)。3 直流系統(tǒng)典型故障及分析 3.1 直流系統(tǒng)接地

直流系統(tǒng)接地故障因其發(fā)生率高、危害性大而成為發(fā)電廠電氣維護(hù)工作中的一個(gè)頑疾。在豐潤(rùn)熱電公司兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行5年發(fā)現(xiàn)的電氣二次缺陷中，直流系統(tǒng)接地故障占有很大的比例。僅2011年涉及直流接地故障就有5次之多。

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)金屬性接地時(shí)，因其不能形成回路，不會(huì)產(chǎn)生短路電流，故不會(huì)影響設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，但是必須及時(shí)消除。否則，再發(fā)生另一點(diǎn)金屬性接地，就有可能構(gòu)成接地短路，造成繼電保護(hù)、信號(hào)、自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)；造成直流保險(xiǎn)熔斷，使繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、控制回路失去電源，從而引發(fā)電力系統(tǒng)嚴(yán)重故障乃至事故[2]。

3.1.1直流正極兩點(diǎn)接地導(dǎo)致誤動(dòng)

直流正極兩點(diǎn)接地有使繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、斷路器線圈誤動(dòng)的可能，如圖3所示，若A、B兩點(diǎn)接地，則KA1、KA2的接點(diǎn)被短接，KM將誤動(dòng)跳閘。若A、C兩點(diǎn)接地，則KM接點(diǎn)被短接從而引起相關(guān)開關(guān)誤跳閘。同理，正極兩點(diǎn)接地還可能造成誤合閘，誤報(bào)信號(hào)。

圖3 直流系統(tǒng)接地情況圖

3.1.2直流負(fù)極兩點(diǎn)接地導(dǎo)致拒動(dòng)

直流負(fù)極兩點(diǎn)接地有使繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、斷路器線圈拒動(dòng)的可能，如圖3所示，若B、E兩點(diǎn)地，則KM線圈被短接，保護(hù)動(dòng)作時(shí)KM線圈不動(dòng)作，開關(guān)不會(huì)跳閘。若D、E兩點(diǎn)接地，則LT線圈被短接，保護(hù)動(dòng)作及操作時(shí)開關(guān)拒跳。同理，負(fù)極兩點(diǎn)接地開關(guān)也可能合不上閘，信號(hào)不能報(bào)出。3.1.3正負(fù)極兩點(diǎn)接地引起熔絲熔斷

當(dāng)直流正負(fù)極兩端兩點(diǎn)接地時(shí)，如圖3所示，當(dāng)A、E兩點(diǎn)接地時(shí)，將引起熔絲熔斷。當(dāng)B、E和C、E兩點(diǎn)接地,保護(hù)又動(dòng)作時(shí)，不但斷路器拒跳，而且熔絲會(huì)熔斷、可能燒壞繼電器的觸點(diǎn)[3]。3.2 交流串入及耦合電容對(duì)直流系統(tǒng)的影響

在電廠、變電站現(xiàn)場(chǎng)除了直流回路外，還存在著大量而廣泛的交流回路，例如照明及墻壁電源、低壓電動(dòng)機(jī)交流控制、電壓互感器以及電流互感器二次回路等。由于他們的一端是連接大地的，這些回路與直流回路串電時(shí)，不僅導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地[4]，甚至引起保護(hù)及自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。

2010年6月豐潤(rùn)熱電公司1號(hào)機(jī)機(jī)爐PC A段進(jìn)線等三個(gè)進(jìn)線開關(guān)跳閘，跳閘前DCS系統(tǒng)檢測(cè)到直流負(fù)母線發(fā)生過(guò)接地故障。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)某端子箱內(nèi)交、直流相鄰端子有短接燒黑痕跡，確定因此發(fā)生了220V交流電串入直流負(fù)端。直流負(fù)端串入交流電壓后，DIC對(duì)DI的電位某些時(shí)刻超過(guò)動(dòng)作電壓值，同時(shí)因?yàn)镈I端存在的耦合電容導(dǎo)致DI端的電位不能發(fā)生突變（電容特性），導(dǎo)致DI的兩端存在大于動(dòng)作值的電位差，測(cè)控裝置檢測(cè)到DI動(dòng)作，開關(guān)發(fā)生跳閘。

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)原理圖

我們對(duì)相關(guān)測(cè)控裝置進(jìn)行了交流串入直流的模擬實(shí)驗(yàn)，原理如圖4所示，K1、K2、R1、R2為絕緣檢查裝置內(nèi)部元件，監(jiān)察原理如2.2所述，在控制回路負(fù)端加入交流220V電壓，當(dāng)耦合電容達(dá)到0.4μF時(shí)，光耦發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。

從而可以得出結(jié)論：因控制線路教長(zhǎng)而存在耦合電容，當(dāng)耦合電容達(dá)到一定量時(shí)，若發(fā)生直流負(fù)極接地或負(fù)極串入交流電源信號(hào)時(shí)將導(dǎo)致光耦電路產(chǎn)生電平變位。同理若直流正極或外部分閘接點(diǎn)下口線路發(fā)生交流串入，風(fēng)險(xiǎn)等同。3.2 寄生回路造成接地假象

2013年8月，豐潤(rùn)熱電公司I、II段兩獨(dú)立直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)察裝置同時(shí)報(bào)警，I段母線發(fā)負(fù)接地信號(hào),I號(hào)絕緣監(jiān)察裝置顯示正母線對(duì)地電壓為230V，負(fù)母線對(duì)地電壓0V；II段母線發(fā)正接地信號(hào),II號(hào)絕緣監(jiān)察裝置顯示正母線對(duì)地電壓為0V，負(fù)母線對(duì)地電壓-230V。同時(shí)啟備變B套保護(hù)裝置告警。經(jīng)查在B套保護(hù)裝置的操作箱內(nèi)“顯示與復(fù)歸”板件端子焊點(diǎn)處有短路燒黑痕跡。其板件原理圖如圖5所示，板件元件布置情況如圖6所示。

圖5 顯示與復(fù)歸原理圖

圖6 板件實(shí)際布置圖

因板件焊點(diǎn)9J1ac4和焊點(diǎn)9J1ac5在板件上的距離接近，制造工藝不良，再加上環(huán)境變化及積塵的影響導(dǎo)致了兩個(gè)焊點(diǎn)間的短路。從而形成寄生回路將II段直流正電與I段直流負(fù)電短接。兩段直流短接后形成了一個(gè)端電壓為460V的電池組，中點(diǎn)對(duì)地電壓為零，又因?yàn)槊拷M直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)察裝置均有一個(gè)接地點(diǎn)（原理見2.2），短路后直流系統(tǒng)中存在兩個(gè)接地點(diǎn)。所以II段直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)察裝置判斷為正極接地，I段直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)察裝置判斷為負(fù)極接地。4 直流系統(tǒng)典型故障相應(yīng)對(duì)策

鑒于直流系統(tǒng)的重要性、故障造成的危害性以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，如何將風(fēng)險(xiǎn)降至最低，如何將缺陷消除于萌芽，如何迅速有效的解決故障成為繼電保護(hù)設(shè)計(jì)、制造和檢修維護(hù)人員緊迫問(wèn)題。為此，本文針對(duì)上述直流系統(tǒng)典型故障進(jìn)行分析并總結(jié)相應(yīng)對(duì)策，已期能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供一定的參考。

（1）對(duì)于運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、環(huán)境惡略的場(chǎng)所的直流電纜，在設(shè)計(jì)、建設(shè)施工期間的電纜選型應(yīng)考慮足夠的備用芯，檢修維護(hù)人員可利用設(shè)備停修的機(jī)會(huì)，對(duì)直流回路進(jìn)行絕緣測(cè)試做好記錄，并進(jìn)行劣化分析。對(duì)于絕緣水平低，或出現(xiàn)接地芯線時(shí)可及時(shí)更換。當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，雖不至引起危害，但必須及時(shí)消除，以免發(fā)生兩點(diǎn)接地給系統(tǒng)造成影響。對(duì)于直流系統(tǒng)接地故障的查找方法和注意事項(xiàng)可參見相關(guān)規(guī)程，本文不再贅述。

（2）為避免交流串入直流的影響，應(yīng)在端子箱或屏柜端子處將交流端子做明顯的標(biāo)識(shí)，并與直流端子以明顯距離隔開。同時(shí)直流回路繼電器與交流繼電器、接觸器、小開關(guān)等設(shè)備保持相當(dāng)?shù)木嚯x，以免交流回路的電壓切換中產(chǎn)生電弧將交流電壓引入直流回路[2]。為避免直流長(zhǎng)線路耦合電容的影響，可在控制回路，特別是跳合閘出口回路加裝大功率的重動(dòng)繼電器。

（3）對(duì)于設(shè)備數(shù)量多、回路復(fù)雜的發(fā)電廠直流系統(tǒng)，由于輸煤、除灰、廢水等輔助系統(tǒng)的工況和環(huán)境惡略，建議將這些輔助系統(tǒng)的直流電源與主系統(tǒng)的直流電源分開布置，以提高主系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

（4）為防止出現(xiàn)寄生回路并造成影響，除了在直流回路的設(shè)計(jì)、改造、施工、驗(yàn)收中嚴(yán)格審核把關(guān)外，還可以在定期檢驗(yàn)過(guò)程中以測(cè)量?jī)山M獨(dú)立的直流系統(tǒng)之間的絕緣的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)于板件內(nèi)回路應(yīng)盡可能采用弱電源設(shè)計(jì)，且兩組不同的直流回路之間應(yīng)留有足夠的絕緣距離，提高制造工藝，以防焊點(diǎn)接近虛接而形成寄生回路。

（5）加強(qiáng)日常巡檢及特巡力度、保持電纜溝排水通暢，定期清掃灰、粉塵、檢查接線端子發(fā)熱情況，二次回路退出運(yùn)行或多余的電纜頭應(yīng)包扎好，工作完畢注意清理現(xiàn)場(chǎng)勿將金屬零件遺留屏內(nèi)，保持好設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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