基于新型調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的管道減振研究

冀沛堯 何立東

摘 要：在石化廠中，管道系統(tǒng)如同人體的血管連接各個器官一樣，將整個廠內(nèi)的設(shè)備連接起來。在化工生產(chǎn)流程中，管道經(jīng)常會產(chǎn)生振動問題。為驗證調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對管道震動的控制效果，本文搭建管道振動控制實驗臺，通過實驗驗證了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對管道減振的良好效果；通過改變阻尼器的質(zhì)量比，進(jìn)一步拓寬了其有效減振的頻帶寬度。同時，針對調(diào)諧質(zhì)量阻尼器工作產(chǎn)生新的共振峰，采取開關(guān)控制進(jìn)行控制。本文的結(jié)論可以給調(diào)諧質(zhì)量阻尼器在實際的石化管道中的應(yīng)用提供一定依據(jù)。

關(guān)鍵詞：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器；管道振動；減振；質(zhì)量比；寬頻

Abstract： In a petrochemical plant， the pipe system， like the human body's blood vessel，connects all the equipment in the plant as it connects to each organ. Therefore， it is necessary to ensure the safe operation of the pipeline， and it is of great significance to the safe production of the whole petrochemical plant. In this paper， a new type of integral package damper was designed， and a tuned mass damper experimental rig was constructed to verify the good effect of tuned mass damper on pipeline vibration reduction. By changing the mass ratio of the damper， the bandwidth of the effective vibration damping was further extended. Meanwhile， switching control is adopted to control the tuned mass damper to produce new resonance peaks. The conclusions of this paper can provide a basis for the application of tuned mass dampers in practical petrochemical pipelines.

Key Words： tuned mass damper； pipe vibration； vibration reduction； mass ratio； broadband

在化工領(lǐng)域中，石化廠的各種設(shè)備常常會產(chǎn)生振動問題，并影響與之相連的管道系統(tǒng)，使其一起振動。同時，管道內(nèi)輸送的介質(zhì)也會產(chǎn)生壓力脈動，對管道造成激勵。管道長期振動會使得管道及管道附件特別是閥門、法蘭等產(chǎn)生疲勞破壞，使得管道中輸送的種種有害介質(zhì)發(fā)生泄漏，甚至引起爆炸，因此對如何控制管道振動問題的研究有很多。

針對管道振動的研究，目前分為研究管道振動原因和研究如何控制管道振動兩個方面。在理論研究的早期，最著名的是Joukowsky提出的經(jīng)典水錘理論[1]，目前主要公認(rèn)的是非線性流固耦合等[2、3]。在應(yīng)用研究方向，主要是通過改變管道支撐改變管道共振頻率或在管道上加裝阻尼器吸收振動能量。其中，將近年來廣泛應(yīng)用于船舶、車輛及建筑領(lǐng)域減振的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 （TMD）[4]運用在管道減振方向成為熱點。安裝TMD不需要搭建支撐，只需找到合適位置安裝即可[5]。

針對傳統(tǒng)吸振器的一些缺點，本文設(shè)計了一種新型調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，基于此，搭建管道減振實驗臺。通過實驗驗證了該阻尼器能有效控制管道振動問題。針對TMD系統(tǒng)工作帶寬比較小的特點，本文研究了質(zhì)量比對TMD的影響，并得到一些影響規(guī)律。

1 TMD控制管道振動原理

研究中往往將管道系統(tǒng)視為一個連續(xù)多自由度系統(tǒng)，其振動是各階振型的疊加，但管道振動是以一階固有頻率為主。基于此，將管道看作主系統(tǒng)，吸振器看作子系統(tǒng)，簡化成如圖所示的系統(tǒng)，由此進(jìn)行求解[5]。

由公式可知TMD的工作原理：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的工作頻率與主系統(tǒng)振動頻率接近時，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器振動產(chǎn)出慣性力會反作用與管道系統(tǒng)，從而對管道振動進(jìn)行控制；從能量角度看，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器通過自身的振動吸收了管道系統(tǒng)的振動能量，從而控制了管道的振動。因此，TMD本身的工作頻率是影響控制管道振動效果的最關(guān)鍵因素。

2 實驗設(shè)備簡介

本文搭建了管道振動控制實驗臺，示意圖如圖所示。基于此實驗臺來探究調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的振動控制規(guī)律。

其中，管道系統(tǒng)選用門型結(jié)構(gòu)，外徑33.5mm，內(nèi)徑約25mm，管道的豎管及橫管長度均為0.5m，質(zhì)量約為4.6kg。實驗設(shè)備還包括激振器、信號發(fā)生器、功率放大器。

3 調(diào)諧質(zhì)量吸振器的設(shè)計

肖挺楊、張炳康設(shè)計的管道吸振器是用管箍與管道相連，在用彈簧等彈性單元把質(zhì)量塊與管箍連接 [6，7]，這樣安裝比較輔助。同時，這種調(diào)諧質(zhì)量吸振器直接暴露的安裝在管道上，容易受到介質(zhì)和環(huán)境的侵蝕，且容易因碰撞發(fā)生損壞。據(jù)此，本文設(shè)計一種新型吸振器，如圖5所示。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器外殼質(zhì)量為2.3kg，實驗測量系統(tǒng)總是亮為6.8kg。根據(jù)實驗用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器配重的需求，設(shè)計了如圖4兩種管道調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。其質(zhì)量比、彈簧剛度等參數(shù)列出在表1中。

如圖，本文設(shè)計的調(diào)諧質(zhì)量吸振器將質(zhì)量塊和彈簧先固定在外殼內(nèi)部，再將吸振器整體固定到管道上，避免了傳統(tǒng)阻尼器的某些問題。

4 管道系統(tǒng)模態(tài)計算

為了準(zhǔn)確設(shè)計調(diào)諧質(zhì)量吸振器的工作頻率，本文先測量了實驗臺的參數(shù)，并用ANSYS計算管道實驗臺的五階模態(tài)。

如圖所示，在水平管段安裝盒體，進(jìn)行模態(tài)計算。結(jié)果如表2所示。

5 實驗結(jié)果及分析

5.1 減振效果分析

為驗證諧質(zhì)量吸振器對管道振動效果，將吸振器盒體安裝在水平管段的中點處，并采用正弦信號從10到30Hz進(jìn)行掃頻，步長為1Hz，分別測量初始振動、加裝A型TMD以及加裝B型TMD后的振動，振動數(shù)據(jù)如圖所示。

如圖6所示，調(diào)諧質(zhì)量吸振器不工作時，管道的一階共振頻率為18Hz，此時最大振動幅值為11267.7μm；在加裝A型TMD后，管道18Hz時振動降為2102.4μm，降幅達(dá)到了81.3%；同時，在17Hz時振動幅值由11042.5μm降到了2944.5μm，降幅達(dá)到了73.3%。在加裝B型TMD后，管道18Hz時振動降為187.6μm，降幅達(dá)到了98.3%；同時，在17Hz時振動幅值由11042.5μm降到了655.3μm，降幅達(dá)到了94.1%，在19Hz時振動幅值由6548.1μm降到了617.2μm，降幅達(dá)到了90.6%。由實驗數(shù)據(jù)可以得出，本文設(shè)計的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器可以有效控制管道的振動問題。

5.2 質(zhì)量比對減振的影響

為研究質(zhì)量比對TMD減振效果的影響，對實驗中測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。規(guī)定減振效率為

其中u1與u2分別為安裝TMD前后管道振動位移峰峰值，單位為μm。處理數(shù)據(jù)結(jié)果如圖所示。

如圖7所示，加裝質(zhì)量比為0.0375的A型TMD后，在管道一種的一階固有頻率18Hz下TMD的減振效率為81.3%，在一階頻率附近，只有17、18、19、20、21Hz5個頻率處減振效率大于50%。在加裝質(zhì)量比為0.148的B型TMD后，在管道一種的一階固有頻率18Hz下TMD的減振效率為98.3%，在一階頻率附近，減振效率大于50%的頻帶范圍擴(kuò)大到從16Hz到29Hz。

由以上實驗可以證明，B型TMD在其工作目標(biāo)頻率的減振效率及對整體振動有效減振頻帶的帶寬都比A型TMD更好。我們可以從能量的角度對此現(xiàn)象進(jìn)行分析，因為TMD的工作原理是通過質(zhì)量塊的振動來吸收管道的振動能量，B型TMD的質(zhì)量比更大，可以吸收更多振動能量，因此質(zhì)量比大的吸振器可以更有效地控制管道振動。

6 開關(guān)控制

由之前實驗測出的數(shù)據(jù)可以看出，TMD全程工作時會在初始共振頻率附近產(chǎn)生新的共振峰，為了消去新共振峰，采取開關(guān)控制的方法，使得阻尼器只在其工作頻帶內(nèi)工作。

如圖8所示，通過開關(guān)控制調(diào)節(jié)，消去了阻尼器在工作頻帶之外工作時產(chǎn)生的共振峰，使得阻尼器對管道減振的整體效果更好。

7 結(jié)論

（1）設(shè)計了一種新型調(diào)諧質(zhì)量吸振器，與傳統(tǒng)吸振器相比易于安裝，并通過ANSYS對試驗臺進(jìn)行模態(tài)分析，并與實驗結(jié)果比較符合，確定了TMD工作的目標(biāo)頻率。

（2）對調(diào)諧質(zhì)量吸振器對管道振動的減振效果進(jìn)行了實驗。調(diào)諧質(zhì)量吸振器能有效控制管道振動問題；加裝A型TMD后，管段一階模態(tài)的振動由11267.7μm降到了2102.4μm，降幅達(dá)到了81.3%；加裝B型TMD后，管段一階模態(tài)的振動由11267.7μm降到了187.6μm，降幅達(dá)到了98.3%。

（3）質(zhì)量比決定TMD的性能，本文通過兩種運用不同質(zhì)量比的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對管道分別進(jìn)行振動控制實驗，證明質(zhì)量比較大的TMD在其工作頻率的減振效果更好，且整體工作頻帶更大。

（4）TMD全程工作時，會在初始振動共振頻率附近產(chǎn)生新的共振峰，為消除共振峰，本文引入開關(guān)控制，使TMD只在工作頻帶內(nèi)工作，進(jìn)一步優(yōu)化了TMD對管道的減振作用。

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