王 輝 王秀娟 陳 迪 湯曉勇 張凱迪 張?jiān)魄?/p>

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074

0 前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,石油、化工、電力等行業(yè)也得到了蓬勃發(fā)展,需要很多大型設(shè)備來(lái)滿足其生產(chǎn)需求[1-2]。這些設(shè)備往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型巨大、造價(jià)昂貴,因而其運(yùn)輸與運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題不容忽視。大型橇裝設(shè)備主要以公路運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)抵安裝現(xiàn)場(chǎng),在顛簸路面狀態(tài)下,來(lái)自路面的隨機(jī)激勵(lì)極易引起橇裝設(shè)備部件的共振,在管路、設(shè)備連接處產(chǎn)生較大變形,甚至造成設(shè)備的損壞[3-4]。除了路面隨機(jī)激勵(lì)之外,橇裝設(shè)備內(nèi)部存在壓縮機(jī)、往復(fù)泵[5]等往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件,在實(shí)際工作中其周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)使流體介質(zhì)產(chǎn)生周期性壓力脈動(dòng),進(jìn)而引起管路非簡(jiǎn)諧周期激振,對(duì)管路及其附屬設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生共振影響,造成復(fù)雜的流固耦合問(wèn)題[6]。

本文以某天然氣三甘醇(以下簡(jiǎn)稱TEG)脫水裝置再生模塊為研究對(duì)象,針對(duì)路面隨機(jī)激勵(lì)和往復(fù)泵往復(fù)振動(dòng)激勵(lì)對(duì)橇裝整體穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究。建立了橇裝有限元模型,在過(guò)坑、制動(dòng)、側(cè)傾三種典型工況和往復(fù)振動(dòng)交變載荷激勵(lì)下,研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)設(shè)備振動(dòng)特性的影響;在典型路面行駛工況下,以局部變形為指標(biāo),通過(guò)運(yùn)輸系統(tǒng)剛?cè)狁詈戏抡骝?yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)橇裝整體穩(wěn)定性的影響。

1 振動(dòng)模型建立

1.1 有限元模型

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,有限元技術(shù)越來(lái)越成熟,對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析也越來(lái)越精確[7]。為模擬橇裝設(shè)備的真實(shí)振動(dòng)及受力情況,在有限元軟件Hypermesh中建立TEG脫水裝置再生模塊有限元模型,見(jiàn)圖1。網(wǎng)格單元總計(jì)1 101 614,賦予適當(dāng)?shù)拿芏葏?shù)、楊氏模量,總質(zhì)量達(dá)28.7 t。

圖1 TEG脫水裝置再生模塊有限元模型圖Fig.1 Finite element model of regeneration module ofTEG dewatering unit

1.2 往復(fù)泵振動(dòng)數(shù)學(xué)模型

TEG脫水裝置所用的往復(fù)泵為三柱塞雙隔膜往復(fù)泵,額定流量2.9 m3/h,出口壓力6.8 MPa,往復(fù)次數(shù)180次/min,行程長(zhǎng)度95 mm。該泵采用三缸單作用工作方式,三液壓缸相位差120°,按照1—2—3—1順序依次工作。

管路系統(tǒng)不平衡激振力通過(guò)往復(fù)泵的流量脈動(dòng)實(shí)現(xiàn)[8]。單缸單作用泵流量脈動(dòng)呈正弦特征分布見(jiàn)圖2-a)。而三缸單作用泵運(yùn)行時(shí),活塞相位相差120°,交替吸入與排出液體,其瞬時(shí)流量也呈現(xiàn)脈動(dòng)情況,但脈動(dòng)程度相較于單缸有所改善，見(jiàn)圖2-b)。

a)單缸單作用泵流量曲線a)Single cylinder single acting pump flow curve

管液的壓力脈動(dòng)則會(huì)在管道彎頭處產(chǎn)生不平衡激振力[9-11],采用分離變數(shù)法推導(dǎo)出管路壓力脈動(dòng)pΔ為:

(1)

式中：pΔ(x,t)為x位置t時(shí)刻的壓力脈動(dòng),Pa;n為階數(shù);c為聲速,m/s;p為進(jìn)出口壓力，Pa;l為管道總長(zhǎng),m;x為距計(jì)算起點(diǎn)的距離,m;ωn為激振圓頻率,(°)/s;u為初始速度,m/s。

往復(fù)泵在管道中產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)在介質(zhì)中傳播,將在管系中的每個(gè)彎頭處產(chǎn)生諧波載荷[12],彎管兩端壓力F1、F2合力表示為R,見(jiàn)圖3。

圖3 等截面彎管受力示意圖Fig.3 Iso-sectional bend force diagram

彎管處所受合力為:

(2)

產(chǎn)生的交變壓力ΔR為:

(3)

式中:di為管道內(nèi)徑，m;β為彎管角度，(°);p0為平均壓力,Pa;Δp為壓力脈動(dòng)pΔ(x,t)的最大幅值,Pa;S為管道截面面積，m2。

管道彎頭受力點(diǎn)見(jiàn)圖4,針對(duì)往復(fù)泵的出口管道及彎頭受力處,計(jì)算各彎頭的壓力脈動(dòng)變化幅值及交變壓力載荷變化幅值見(jiàn)表1。

圖4 管道彎頭受力點(diǎn)圖Fig.4 Pipe bend force point

1.3 橇裝運(yùn)輸系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h3>

運(yùn)輸車輛行駛過(guò)程中的振動(dòng)來(lái)源包括:不平路面激振、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)和車輪的不平衡。其中,不平路面激振是主要因素。振動(dòng)經(jīng)過(guò)輪胎、懸架、車架、座椅等車輛子系統(tǒng),傳遞到車身和駕駛員上。因此,建立準(zhǔn)確的隨機(jī)不平路面激勵(lì)模型,對(duì)于研究車輛及運(yùn)載橇裝的振動(dòng)特性至關(guān)重要[13]。

首先對(duì)Hypermesh橇裝有限元模型進(jìn)行柔性化處理,并在動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中建立運(yùn)輸車輛與橇裝設(shè)備的剛?cè)狁詈夏Ｐ?以模擬TEG脫水裝置再生模塊的運(yùn)輸系統(tǒng),見(jiàn)圖5。重型平板卡車自重15 t,采用8×2前置后驅(qū)布置。平板拖車與橇裝柔性體模型之間剛性連接,根據(jù)橇裝模型質(zhì)量分布,將固定點(diǎn)均勻布置在橇裝底座槽鋼上。

圖5 運(yùn)輸系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ蛨DFig.5 Rigid-flexible coupling model of transportation system

在整車行駛仿真分析中,隨機(jī)不平路面模型作為激勵(lì)源將不同幅值、頻率的位移激勵(lì)通過(guò)輪胎、懸架傳遞到車身。路面按照不平度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以分成8級(jí),中國(guó)大部分公路路面不平度主要為A、B、C、D、E級(jí),而F、G、H級(jí)極差路面占比較少,A級(jí)路面的路面平整且故障概率極低,本文主要考慮對(duì)橇裝設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中常見(jiàn)且易發(fā)生故障的B、C、D、E級(jí)四種隨機(jī)不平路面及三角凸塊路面進(jìn)行模擬，路面不平度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2，三角凸塊尺寸見(jiàn)圖6，其中凸塊寬度L根據(jù)車身尺寸設(shè)置。

表2 路面不平度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表

圖6 三角凸塊的尺寸Fig.6 Dimensions of triangular convex blocks

2 有限元仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在有限元軟件Hypermesh中建立TEG脫水裝置再生模塊的有限元模型,分別對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析、典型運(yùn)輸工況受力分析以及交變載荷分析。

2.1 模態(tài)分析

在橇裝有限元模型底座設(shè)置固定點(diǎn),將固定點(diǎn)6個(gè)自由度全部約束[14-15],見(jiàn)圖7。對(duì)橇裝設(shè)備進(jìn)行0～30 Hz 約束模態(tài)分析,主要模態(tài)結(jié)果見(jiàn)圖8。橇裝設(shè)備主要共振頻率為3.52 Hz、6.69 Hz、9.64 Hz、17.98 Hz、27.31 Hz,當(dāng)受到激勵(lì)時(shí),相應(yīng)部位將產(chǎn)生劇烈共振。

圖7 橇裝約束位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of skid mounted constraint position

a)3.52 Hz

模態(tài)仿真結(jié)果表明：管線1、3振動(dòng)相對(duì)較大，對(duì)管路上的螺栓連接影響較大；管線2、4剛度明顯偏低，易產(chǎn)生較大振動(dòng)。橇裝設(shè)備模態(tài)分析結(jié)果振動(dòng)較大位置示意圖見(jiàn)圖9。

圖9 橇裝設(shè)備模態(tài)分析結(jié)果振動(dòng)較大位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of modal analysis results ofskid-mounted equipment with large vibration position

2.2 典型運(yùn)輸工況受力分析

針對(duì)橇裝設(shè)備運(yùn)輸工況,在有限元環(huán)境下對(duì)橇裝模型分別施加垂向、縱向及側(cè)向加速度,對(duì)運(yùn)輸中的過(guò)坑、制動(dòng)、側(cè)傾三種典型工況進(jìn)行模擬[7],具體參數(shù)見(jiàn)表3。仿真結(jié)果見(jiàn)圖10～12，其中位置1～7處為三種典型工況下應(yīng)力較大的位置。

表3 有限元仿真參數(shù)設(shè)置表

圖10 過(guò)坑工況應(yīng)力分布圖Fig.10 Stress distribution diagram for over-pit conditions

圖11 制動(dòng)工況應(yīng)力分布圖Fig.11 Stress distribution diagram for braking conditions

圖12 側(cè)傾工況應(yīng)力分布圖Fig.12 Stress distribution diagram for tilting condition

根據(jù)三種典型工況應(yīng)力分布結(jié)果可知:過(guò)坑工況下,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在位置1～6處;制動(dòng)工況下,位置1有明顯應(yīng)力集中,位置2、4、5、7處應(yīng)力較大;側(cè)傾工況下,位置1處有明顯的應(yīng)力集中。

2.3 交變載荷分析

在橇裝管道各彎頭處施加交變載荷(參數(shù)見(jiàn)表1),以模擬TEG脫水裝置往復(fù)泵往復(fù)振動(dòng)對(duì)橇裝整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,結(jié)果見(jiàn)圖13～14。

圖13 交變載荷應(yīng)變分布圖Fig.13 Distribution diagram of alternating load strain

圖14 交變載荷應(yīng)力分布圖Fig.14 Distribution diagram of alternating load stress

仿真結(jié)果表明:往復(fù)泵的安全閥和緩沖器等處產(chǎn)生較大應(yīng)變量,最大應(yīng)變出現(xiàn)在安全閥頂端,為0.883 mm;最大應(yīng)力出現(xiàn)在泵出口管線與泵體相交處,為85.391 MPa,應(yīng)力集中主要分布在各管線相交處,如往復(fù)泵的出口管線,為管線局部共振所致。

3 管道支撐方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

3.1 管道支撐方案設(shè)計(jì)

有限元分析結(jié)果表明,在典型工況及往復(fù)泵交變載荷激勵(lì)作用下,TEG脫水裝置再生模塊管系存在局部共振和應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了保證橇裝管道在運(yùn)輸和運(yùn)作過(guò)程中不受損壞,相應(yīng)的減振措施必不可少[16-17]。目前,大型天然氣橇裝設(shè)備管路減振方法有多種,包括安裝阻尼器、撓性管和彎頭、吸振材料、脈動(dòng)壓力衰減器、T型支撐等[18-20]。其中,增加T型支撐能直接有效地提高管系剛度,成本低、可靠性高,減振效果明顯。根據(jù)有限元分析結(jié)果,在管道a～g及往復(fù)泵出口管道h、i等薄弱處增加T型支撐,以提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,見(jiàn)圖15～16。

圖15 管道支撐位置示意圖Fig.15 Diagram of pipeline support position

圖16 往復(fù)泵結(jié)構(gòu)支撐方案圖Fig.16 Schematic diagram of reciprocating pumpstructure support scheme

3.2 有限元分析與驗(yàn)證

3.2.1 典型工況分析

為了驗(yàn)證管道支撐對(duì)橇裝減振的有效性,對(duì)橇裝支撐模型進(jìn)行過(guò)坑、制動(dòng)及側(cè)傾工況的有限元分析,對(duì)比改進(jìn)前后橇裝管道的局部應(yīng)力分布,見(jiàn)表4,其中位置1～7為三種典型工況下應(yīng)力較大的位置。

表4 脈沖激勵(lì)易振管線最大應(yīng)力結(jié)果對(duì)比表

對(duì)比支撐前后的管道應(yīng)力分布可知,與原方案相比,增加T型支撐后管道的局部應(yīng)力明顯減小,應(yīng)力集中處的應(yīng)力降至材料許用應(yīng)力以下,有效改善了管道振動(dòng)對(duì)管道薄弱處和連接處的影響。

3.2.2 交變載荷分析

為了驗(yàn)證支撐結(jié)構(gòu)對(duì)往復(fù)泵振動(dòng)的減振效果,改進(jìn)前后的模型在交變載荷激勵(lì)下進(jìn)行振動(dòng)分析,對(duì)比橇裝管線的應(yīng)變、應(yīng)力分布,進(jìn)行支撐方案可行性驗(yàn)證,見(jiàn)圖17～18。

圖17 管路應(yīng)變分布圖Fig.17 Strain distribution diagram of pipeline

圖18 管路應(yīng)力分布圖Fig.18 Stress distribution diagram of pipeline

應(yīng)變、應(yīng)力分布結(jié)果表明,改進(jìn)支撐后的模型安全閥頂端的最大應(yīng)變量從原來(lái)的0.883 mm變成了0.693 mm,降低了21.5%。最大應(yīng)力出現(xiàn)在泵出口管道與泵體相交處,從原來(lái)的85.391 MPa變成了71.585 MPa,降低了16.2%。因此,對(duì)往復(fù)泵管道增加T型支撐可以使其模態(tài)頻率偏離激勵(lì)頻率,減小往復(fù)泵運(yùn)作時(shí)所造成的設(shè)備振動(dòng)。

3.3 運(yùn)輸系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡骝?yàn)證

為了模擬與驗(yàn)證真實(shí)道路運(yùn)輸工況下的管路支撐方案對(duì)橇裝整體振動(dòng)特性的影響,在ADAMS中建立了平板拖車與橇裝設(shè)備的剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行仿真驗(yàn)證。分別采用B、C、D、E、凸塊等五種路面模擬實(shí)際運(yùn)輸路面,設(shè)置直線、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎等三種工況進(jìn)行模擬驗(yàn)證,見(jiàn)表5。監(jiān)測(cè)管道、管道與閥門接口、管道支撐等處,以局部變形作為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)比管道支撐方案對(duì)橇裝設(shè)備的減振效果,監(jiān)測(cè)位置S1～S9見(jiàn)圖19，局部變形對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 仿真工況參數(shù)表

圖19 橇裝模型關(guān)鍵監(jiān)測(cè)位置圖Fig.19 Key monitoring locations diagram for skid mounted models

表6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后關(guān)鍵位置的最大局部變形對(duì)比表

局部變形是評(píng)價(jià)不同工況下橇裝關(guān)鍵部位發(fā)生振動(dòng)與形變的主要指標(biāo),對(duì)比可知,在大多數(shù)工況下,橇裝設(shè)備增加了管道支撐后,管道、管道與閥門接口、管道支撐處局部位移形變都明顯減小,橇裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到明顯改善,法蘭及其緊固件處更加牢固可靠,減小了局部變形對(duì)橇裝設(shè)備的影響,對(duì)于運(yùn)輸過(guò)程中橇裝設(shè)備的局部振動(dòng)具有明顯的抑制作用,大大降低了設(shè)備管系損壞的可能性。

4 結(jié)論

1)研究了典型運(yùn)輸工況及往復(fù)泵往復(fù)振動(dòng)對(duì)TEG脫水裝置設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,首先將典型運(yùn)輸工況加速度施加到TEG脫水裝置再生模塊有限元模型中,模擬路面激勵(lì)下橇裝管道的振動(dòng)響應(yīng);將往復(fù)泵往復(fù)振動(dòng)導(dǎo)致的不平衡激振力作為交變載荷,作用在橇裝有限元模型上,分析交變載荷對(duì)設(shè)備管道及其附屬部件的影響;設(shè)計(jì)管道支撐方案來(lái)降低局部應(yīng)力集中與位移變形。

2)建立橇裝運(yùn)輸系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ?分別在不同等級(jí)路面勻速直線、凸塊、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎工況下進(jìn)行運(yùn)輸過(guò)程仿真,對(duì)比支撐前后橇裝管系關(guān)鍵位置的局部最大局部變形,證明在運(yùn)輸過(guò)程中,支撐方案對(duì)橇裝設(shè)備的管道振動(dòng)具有明顯的抑制作用,大大降低了設(shè)備損壞的可能性。