汪 玉，王茂廷，宋 升

（1. 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001； 2. 洛陽(yáng)智達(dá)石油化工工程公司， 河南 洛陽(yáng) 471000）

基于ANSYS的往復(fù)式壓縮機(jī)管線振動(dòng)的減振分析

汪 玉1，王茂廷1，宋 升2

（1. 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001； 2. 洛陽(yáng)智達(dá)石油化工工程公司， 河南 洛陽(yáng) 471000）

管線的機(jī)械共振是往復(fù)式壓縮機(jī)管線振動(dòng)的原因之一。通過(guò)介紹有限元軟件ANSYS在管道建模中的應(yīng)用，利用有限元軟件ANSYS對(duì)振動(dòng)管線進(jìn)行建模分析，得出管線結(jié)構(gòu)近似固有頻率。通過(guò)改變配管方式、支撐方式等改變管道結(jié)構(gòu)固有頻率，消除共振，從而減小振動(dòng)。

管線；振動(dòng)；有限元；減振

管線振動(dòng)是往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行中常見的問(wèn)題。管線振動(dòng)過(guò)大不僅會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)l(fā)生事故，造成人身危害。研究往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)，減小振動(dòng)具有重大意義。

管道的結(jié)構(gòu)共振是管線振動(dòng)的一個(gè)原因。管系的支撐方式、剛度、質(zhì)量分布都影響著管系的固有結(jié)構(gòu)，影響著管系的固有頻率。工程上常把（0.8～1.2）fx的頻率范圍作為激發(fā)頻率共振區(qū)，當(dāng)管系的機(jī)械固有頻率落在共振區(qū)范圍為內(nèi)，就會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，影響生產(chǎn)安全［1-3］。

利用ANSYS有限元軟件中的PIPE單元對(duì)管道建模，進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出管線前五階固有頻率，與往復(fù)式壓縮機(jī)的激振力頻率進(jìn)行比較，改善管線系統(tǒng)固有頻率，使固有頻率避開激振力頻率，從而減小振動(dòng)。

1 ANSYS在管線振動(dòng)建模中的應(yīng)用簡(jiǎn)介

有限元計(jì)算分析軟件ANSYS［4-6］具有較豐富的管道單元庫(kù)。有彈性直管單元PIPE16，彈性三通管單元PIPE17，塑性直管單元PIPE20，浸入式管單元PIPE59，彈性彎 管單元PIPE18等。此外，還有三通TEE、法蘭FLANGE、異徑管REDUCE和閥VALVE等常用管道建模元件，適用于各種實(shí)際中的復(fù)雜管線的分析。下面介紹幾個(gè)常用的單元。

1.1 PIPE16-彈性直管單元

圖1 PIPE16彈性直管單元Fig.1 PIPE16 elastic straight pipe

PIPE 16是一種單軸單元，具有拉壓、扭轉(zhuǎn)、和彎曲性能。 該單元在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)X,Y,Z方向的平移和繞結(jié)點(diǎn)X,Y,Z軸的旋轉(zhuǎn)。該單元基于三維梁?jiǎn)卧?BEAM4)，包含了根據(jù)對(duì)稱性和標(biāo)準(zhǔn)管幾何尺寸進(jìn)行的簡(jiǎn)化。單元的幾何形狀、節(jié)點(diǎn)位置和單元坐標(biāo)系如圖1所示。

1.2 PIPE18彈性彎管單元

PIPE18 是一個(gè)環(huán)向軸單元，可以承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)X,Y,Z方向的平移和繞結(jié)點(diǎn)X,Y,Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，單元的幾何形狀、節(jié)點(diǎn)位置和單元坐標(biāo)系如圖2所示。單元有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為端點(diǎn)，第三個(gè)節(jié)點(diǎn)用來(lái)確定單元所處的平面。

圖2 PIPE18彈性彎管單元Fig.2 PIPE18 elastic curved pipe

2 計(jì)算實(shí)例

某煉廠1臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)，雙作用氣缸，氣缸直徑300 mm，主軸轉(zhuǎn)速330 r/min，介質(zhì)氣體溫度40 ℃，壓力8 MPa。管子規(guī)格為Φ90 mm×4 mm。

2.1 管線的分析與有限元模型的建立

氣體從氣液分離罐經(jīng)過(guò)進(jìn)氣總管進(jìn)入壓縮機(jī)的進(jìn)氣分支管路，在分支管路內(nèi)又分成兩路，每一路都經(jīng)過(guò)進(jìn)氣緩沖罐進(jìn)入壓縮機(jī)雙作用氣缸。利用ANSYS建模，管道材料參數(shù)E=210 GPa，μ=0.27，ρ=7 830㎏/m3。選擇坐標(biāo)系原點(diǎn)為氣缸分離罐出口，即為BRANCH起點(diǎn)，選擇PIPE16單元，應(yīng)用一系列RUN命令定義直管段，在管道兩個(gè)或多個(gè)單元之間的節(jié)點(diǎn)上插入彎管BEND,三通TEE。選擇Block Lanczos進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)管道進(jìn)行約束，得出管線的前五階固有頻率。

圖3 初始管線圖Fig.3 Initial pipelines

2.2 管道激發(fā)主頻率的計(jì)算

激發(fā)頻率(Hz)為：

式中：

m —表示壓縮機(jī)氣缸作用方式的一個(gè)數(shù)，當(dāng)單作用時(shí)，m =l；當(dāng)雙作用時(shí)，m =2；

n —表示壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速,r/min。振區(qū)按(0.8～1.2)fx計(jì)算為：8.88～13.32 Hz。

2.3 初始管道固有頻率的計(jì)算

初始管線的約束如圖4所示（蝴蝶結(jié)代表全固定約束,下同）。

圖4 初始管線約束圖Fig.4 Initial constraints of pipelines

表1 初始管線的固有頻率值Table 1 Natural frequency of initial pipelines Hz

圖3為初始管道配置圖，其固有頻率值見表1。

從分析結(jié)果可以看出此時(shí)氣柱的二階固有頻率在激振力共振頻率范圍內(nèi)，管線會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，因此，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改善。

3 減振措施及結(jié)果

3.1 改變支架位置，增加支架數(shù)量，可以增加管道剛度

圖5 管線約束優(yōu)化圖Fig.5 Optimization of pipeline constraints

圖5 中管線在原來(lái)基礎(chǔ)上，只適當(dāng)?shù)脑黾恿酥Ъ艿臄?shù)量，使支架分布相對(duì)均勻，縮短支架之間的跨度，并使支架盡量靠近彎頭和三通，從而增強(qiáng)了管道剛度，大大增大了管線系統(tǒng)的固有頻率。

改變約束后的固有頻率值見表2。

表2 管線約束優(yōu)化后的固有頻率值Table 2 Natural frequency of pipelines with optimized constraints Hz

3.2 改變管線的配管形式，同樣可以改變氣柱的固有頻率(圖6)

圖6 配管優(yōu)化約束圖Fig.6 Optimization of pipeline constraints

管線的配管方式改變后，其固有頻率值見表3。

此時(shí)，在原來(lái)配管的基礎(chǔ)上改變了壓縮機(jī)入口的配管方式，增加了一個(gè)支架，管線的固有頻率就增大了許多。但由于支架的跨距比較大，且不均勻，管線的固有頻率沒(méi)有圖5中管線的固有頻率大。

表3 管線配管方式優(yōu)化后的固有頻率值/HzTable 3 Natural frequency of optimized pipelines

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以看出，減小機(jī)械振動(dòng)的方法是可行的。一種方法是改變配管方式，盡量減少不必要的彎頭，繼而增大管道的剛度，使其避開激振力的固有頻率。其次，合理配置支架，使彎頭，三通，閥組等需要承重處盡量安裝支架，安裝足夠的支架，支架之間的跨距不應(yīng)過(guò)大，這樣就可以增大固有頻率，減小振動(dòng)。

［1］ 謝振紅，吳東旭.往復(fù)式壓縮機(jī)出口管線振動(dòng)分析及防振設(shè)計(jì)[J].當(dāng)代化工，2006，35(4): 302-304.

［2］ 牛福春,顧海明.往復(fù)壓縮機(jī)管道振動(dòng)分析[J].壓縮機(jī)技術(shù),2008(1): 31-33.

［3］ 張道剛，王茂廷.往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)的ANSYS分析[J].化工設(shè)備與管道，2009,46（1）:55-57.

［4］ 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M]. 北京：人民交通大學(xué)出版社,2013.

［5］ 邵蘊(yùn)秋．ANSYS 8．0有限元分析實(shí)例導(dǎo)航[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社,2004．

［6］ 石磊. 基于ANSYS的往復(fù)壓縮機(jī)管系振動(dòng)分析[J].化工設(shè)備與管道，2010，47（1）：30-33.

［7］ 黨錫淇，陳守五.活塞式壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)與管道振動(dòng).西安：西安交通大學(xué)出版社，1984:65-78.

［8］ 張成武.壓縮機(jī)出口管線振動(dòng)原因分析及改進(jìn)[J].齊魯石油化工，2004,32（3）：212-215.

Analysis on the Vibration Reduction of Pipelines Connected With the Reciprocating Compressor Based on ANSYS

WANG Yu1，WANG Mao-ting1，SONG Sheng2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Luoyang Zhida Petrochemcal Engineering Co.,Ltd., Henan Luoyang 471000，China）

The mechanical resonance of pipeline is one of the reasons to cause the compressor piping vibration. In this paper, application of the finite element software ANSYS in modeling piping system was introduced, then ANSYS was used to model and analyze the vibration of pipeline, approximate inherent frequency of the pipe system was obtained. The resonance was eliminated and the vibration was reduced by changing the design of piping and supporting.

Pipeline; Vibration; Finite element; Vibration reduction

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）02-0383-03

2014-09-21

汪玉（1990-），女，河南周口人，研究方向：往復(fù)式壓縮機(jī)出口管線振動(dòng)及減振措施。E-mail：wy38756151@163.com。