摘要：为了减小变压器的振动和噪声对居民生活的影响，针对SZ11-6300/35型变压器设计了一种新型弹簧减振降噪装置。应用ＡＮＳＹＳ软件建立该装置的有限元模型，进行结构动力学分析，得出其固有频率和振动模态，并利用振动传递率和减振效率的数学模型计算出其理论值。有限元仿真分析结果以及振动传递率和减振效率的数学模型对该变压器弹簧减振降噪装置的设计及实现具有重要的指导意义。
关键词：弹簧减振降噪；变压器；设计；
引言
变压器工作时会产生超过５０Ｈｚ的高次谐波噪声，影响着居民的日常生活，对身体健康也会造成较大影响，因此对变电站的要求越来越高，变压器振动和噪声的控制任务日益紧迫。目前市场上绝大多数的变压器能够符合电力标准，但不符合环境标准要求，需要增加辅助设备来减小噪声。在对结构声传播进行声学分析的基础上，提出对变压器机组采取隔振处理和铺设吸声结构的措施，通过实际工程应用验证，隔振是消除变压器声污染的主要方式。金属弹簧具有缓冲减振、抗腐蚀性强和使用寿命长的特点，可以解决传统的橡胶减振垫片易于老化的问题。为了能更好地减小变压器噪声的影响，本文针对SZ11-6300/35型变压器设计了一种新型弹簧减振降噪装置。在ＡＮＳＹＳ中构建装置的有限元模型，对模型进行结构动力学分析，获得装置的固有频率，并计算出装置的振动传递率和减振效率的理论值。
１变压器弹簧减振装置的设计
1.1结构设计
减振类型通常分为主动减振和被动减振。为了防止变压器的振动和噪声向外扩散，在变压器弹簧减振系统的设计中采用主动减振的方式，用以减弱变压器的振动和噪声对地面、墙体、空气等介质的传播和扩散。利用组合弹簧较好的压簧稳定性和疲劳强度，借鉴埃尔米特矩阵在重载夹持机构弹性动力学的研究成果，在装置中采用埃尔米特矩阵并联设置１２根弹簧，可以达到延迟振动时间、降低振动幅值的效果，且有利于提高装置的减振效率和使用寿命。
１－泡沫铝；２－上顶板；３－金属弹簧；
４－下底板；５－导套；６－矩形盒
图１弹簧减振降噪装置简图
图１为设计的弹簧减振降噪装置简图，图２为弹簧减振降噪装置三维效果图。上顶板２和下底板４上分别有焊接固定导套５，每一个金属弹簧分别固定在上顶板和下底板相对应的导套中，保证了弹簧在使用过程中不发生前后左右位移；矩形盒６焊接在下底板上，泡沫铝１放置在矩形盒中，起到了很好的吸振降噪作用；上顶板和下底板四周都焊接有一定高度的钢板，当弹簧承受的力超过了所能承受的最大压力时，上顶板和下底板会相互接触，阻止弹簧进一步变形，对弹簧的导向和过载起到了一定的保护作用。
1.2主要技术指标
变压器噪声分为本体噪声和冷却系统噪声。铁芯和绕组的振动通过铁芯垫脚和变压器油传递给箱体和附件而产生本体噪声；冷却系统噪声主要由风扇和油泵的振动引起；铁芯噪声是由硅钢片在磁致伸缩下振动引起的，且振动以２倍的电源频率为基频率，绕组的振动是由于电流在绕组中产生电磁力引起的。变压器中铁芯和绕组所受谐波电磁力的分布频率在１００Ｈｚ～５００Ｈｚ，且在１００Ｈｚ～２００Ｈｚ最为突出。弹簧减振降噪装置的特点是工作可靠、结构简单且稳定，同时装置对负载要求严格，承载物应严格控制在荷重范围内。变压器的型号种类较多，本文针对SZ11-6300/35型变压器进行设计。
1.3金属弹簧参数设计
变压器工作产生的动载荷很小，相对于变压器自重可忽略不计。１２根弹簧在装置内并联布置，每个弹簧所受到的力基本相同，考虑上顶板的自重及安全因素，每个弹簧所受外力值为1050Ｎ。曲度系数Ｋ和弹簧丝直径ｄ的计算公式分别为：
其中：Ｃ为旋绕比，取Ｃ＝８；Ｆｍａｘ为弹簧承受的最大压力，取Ｆｍａｘ＝１０５０Ｎ。将数值代入式（１）和式（２）计算得：Ｋ＝１．１８，ｄ≥７．３ｍｍ。根据ＧＢ／Ｔ１３５８—２００９圆柱螺旋弹簧尺寸系列取ｄ＝８ｍｍ。
圆柱螺旋弹簧的中径Ｄ计算公式为：Ｄ＝Ｃｄ（3）
将数值代入式（3）计算得：Ｄ＝６４ｍｍ。根据ＧＢ／Ｔ１３５８—２００９圆柱螺旋弹簧尺寸系列取Ｄ＝６５ｍｍ，内径Ｄ１＝５７ｍｍ，外径Ｄ２＝７３ｍｍ。圆柱螺旋弹簧的有效圈数ｎ、节距Ｐ和自由高度Ｈ０计算公式分别为：
其中：ＫＦ为弹簧刚度，ＫＦ＝４７０．４Ｎ／ｍｍ；α为螺旋角，α＝６°。
将数值代入式（４）～式（６）计算得：ｎ＝３．２５圈，Ｐ＝２４．６８ｍｍ，Ｈ０≈１１０．１２ｍｍ。根据ＧＢ／Ｔ１３５８—２００９圆柱螺旋弹簧尺寸系列取ｎ＝４，在有效圈数上加２圈～２．５圈，最终取ｎ＝６，Ｈ０＝１１５ｍｍ。
２结构动力学模态分析
在前处理中对弹簧减振降噪装置建立有限元模型，设定材料参数并划分网格，进行机构动力学模态分析，得到弹簧减振降噪装置的固有频率。通过有限元分析计算出弹簧减振降噪装置固有频率为２６．４０５１Ｈｚ，变压器振动的最低频率为１００Ｈｚ，２．１有限元模型在ＡＮＳＹＳ前处理器中对弹簧减振降噪装置建立三维模型，在不影响分析结果的情况下对模型进行简化。简化后的弹簧减振降噪装置三维模型如图３所示。
图２弹簧减振降噪装置 图３弹簧减振降噪装置
三维效果图 简化结构模型
2.2模态分析
在网格划分完成后，设置弹簧减振降噪装置为自由边界条件，求解范围设置为０Ｈｚ～５００Ｈｚ，进行模态分析得到的振动模态如图５所示，可以看出弹簧减振降噪装置固有频率为２６．４０５Ｈｚ。
3减振效率与振动传递率
弹簧减振降噪装置的隔振效果可以用振动传递率的大小来衡量。振动传递率ＴＲ为：
减振效率越高，说明装置的减振效果越好。
利用ＭＡＴＬＡＢ软件对式（７）进行计算和绘图，可以得到如图６所示的不同阻尼比的振动传递率ＴＲ与频率比λ（λ＝ω／ωｎ）的关系曲线。从图６中可以看出，当频率比远远大于2时可以获得较好的减振效果，即振动传递率ＴＲ越接近于０。频率比最小为3.8，远远大于2，可以
获得较好的减振效果。将频率比３．８代入式（７）和式（８），得到振动传递率为0.087，减振效率为92.51％。变压器振动频率为２００Ｈｚ时，频率比约为７．６，将频率比代入式（７）和式（８），得到振动传递率为0.027，减振效率为98.28％。这一结果表明了设计的弹簧减振降噪装置能够起到很好的减振降噪效果。
结束语
综上所述，设计了一种变压器弹簧减振降噪装置，使用有限元分析工具对其进行了结构动力学模态分析，得到了该装置的固有频率和振动模态，并利用振动传递率和减振效率的数学模型计算出其理论值，计算结果表明设计的弹簧减振降噪装置能够起到很好的减振降噪效果。该有限元分析方法和数学模型计算结果可以为今后变压器弹簧减振降噪装置的优化设计提供一定的理论依据，具有实用的参考价值。
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论文作者:刘学宁,孙广迎,何传坤
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2018/12/25
标签：弹簧论文; 减振论文; 变压器论文; 装置论文; 降噪论文; 噪声论文; 频率论文; 《基层建设》2018年第32期论文;