整體式擠壓油膜阻尼器對管道振動抑制試驗*

丁繼超， 何立東， 冀沛堯

(北京化工大學(xué)高端機(jī)械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點實驗室 北京，100029)

引 言

在石油化工領(lǐng)域，管道系統(tǒng)是過程裝備必不可少的組成部分，連接著壓縮機(jī)管網(wǎng)、泵管網(wǎng)等。過大的管道振動會影響設(shè)備機(jī)組的正常運行，嚴(yán)重的會引起結(jié)構(gòu)疲勞，造成安全隱患[1]。目前常用的管道減振方式有改變管線結(jié)構(gòu)、增加支撐等方式，此外還有增加緩沖罐、孔板等方式消振[2]。擠壓油膜阻尼器作為整體式的智能減振裝置，已廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備上[3-4]。

擠壓油膜阻尼器(integral squeeze film damper, 簡稱ISFD)是由英國羅-羅公司首先應(yīng)用于發(fā)動機(jī)作為轉(zhuǎn)子減振裝置[5]。擠壓油膜阻尼器構(gòu)造簡單，重量輕，減振效果好，已成為發(fā)動機(jī)中常用的減振機(jī)構(gòu)。Santiago等[6-7]提出了一種整體式的擠壓油膜阻尼器模型，解決了在阻尼較大時低剛度的問題。祝長生等[8]研究了擠壓油膜阻尼器應(yīng)用于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的減振。曹磊等[9]設(shè)計了彈性環(huán)擠壓油膜阻尼器，對轉(zhuǎn)子-支撐系統(tǒng)進(jìn)行振動控制。趙杰等[10]提出一種可動外環(huán)擠壓油膜阻尼器，研究對剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時的振動控制能力。馬艷紅等[11]研究了一種金屬橡膠環(huán)自適應(yīng)擠壓油膜阻尼器對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非協(xié)調(diào)響應(yīng)的減振效果。文獻(xiàn)[12-13]設(shè)計了鼠籠式擠壓油膜阻尼器，研究其對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰磨和不對中振動故障的抑制效果。

上述研究驗證了擠壓油膜阻尼器在旋轉(zhuǎn)機(jī)械方面具有良好的減振效果，但未將擠壓油膜阻尼器應(yīng)用于管道系統(tǒng)中。筆者建立門型管道試驗臺，將整體式擠壓油膜阻尼器安裝在管道系統(tǒng)上，研究其在管道不同安裝位置、不同安裝角度、安裝數(shù)量等條件下的抑振效果，并通過SAP2000軟件仿真分析阻尼減振效果，最終得到整體式擠壓油膜阻尼器的減振規(guī)律。

1 整體式擠壓油膜阻尼器的結(jié)構(gòu)及減振機(jī)理

1.1 結(jié)構(gòu)特點

ISFD通過其分隔腔室油路設(shè)計、阻尼器整體式設(shè)計為整個振動系統(tǒng)提供線性特征的剛度和阻尼，從能量角度來說，系統(tǒng)的振動能量通過彈性支撐的阻尼進(jìn)行耗散，起到降低被控對象振動幅值和減小系統(tǒng)外傳給基礎(chǔ)的動載荷的作用。

圖1為試驗所用的整體式擠壓油膜阻尼器示意圖。整體式擠壓油膜阻尼器采用電火花線切割工藝(electrical discharge machining，簡稱EDM)加工而成的整體式阻尼器，該結(jié)構(gòu)由內(nèi)凸緣和外凸緣兩部分組成。S型彈性體分布在內(nèi)外凸緣的周向，并且呈周向?qū)ΨQ分布，支撐系統(tǒng)的徑向剛度由這一定數(shù)量的S型彈性結(jié)構(gòu)提供。內(nèi)外凸緣之間分布有周向間隔的擠壓油膜區(qū)域，為系統(tǒng)提供所需的阻尼，同時周向的S型彈性結(jié)構(gòu)分隔腔室，大幅降低油膜的非線性特征。內(nèi)凸緣和管道安裝位置相連，外凸緣和阻尼器底座相連。

圖1 試驗用整體式擠壓油膜阻尼器Fig.1 The experimentally integral squeeze film damper

1.2 減振機(jī)理分析

ISFD是一個具有彈性支撐的系統(tǒng)，其有阻尼力學(xué)模型如圖2所示。根據(jù)動力學(xué)原理，其系統(tǒng)振動方程[14]為

圖2 整體式擠壓油膜阻尼器力學(xué)模型Fig.2 The mechanical model of integral squeeze film damper

-Fx=CxxVx+CxyVy+MxxAx+MxyAy

(1)

-Fy=CyxVx+CyyVy+MyxAx+MyyAy

(2)

其中：Fx，F(xiàn)y分別為x，y方向的激振力；Vx，Vy，Ax，Ay分別為被控對象在x，y方向瞬時速度和加速度；Cij，Mij分別為擠壓油膜阻尼器的阻尼系數(shù)和慣性力系數(shù)。

ISFD既能發(fā)揮彈性支撐作用，又能為整個振動系統(tǒng)提供阻尼減振特性。整體式擠壓油膜阻尼器的剛度由內(nèi)外凸緣的S型彈性結(jié)構(gòu)的整體徑向支撐剛度決定，而與被控對象的振幅和頻率無直接關(guān)系[15]。

在管道系統(tǒng)中安裝ISFD后，當(dāng)管道振動時，油膜區(qū)受到振動激振力產(chǎn)生油膜阻尼力，油膜區(qū)的擠壓油膜效應(yīng)和S型彈性體的活塞效應(yīng)提供相應(yīng)阻尼，起到阻尼減振效果，并且該阻尼力為周向分布，整體式擠壓油膜阻尼器的阻尼器系數(shù)是傳統(tǒng)鼠籠式擠壓油膜阻尼器的15倍[16]。

2 阻尼器剛度的影響規(guī)律

為了分析阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對剛度的影響規(guī)律，分別對阻尼器厚度L、擠壓油膜間隙C及S型彈性體高度H進(jìn)行剛度影響規(guī)律研究。L分別為10，15，20，25和30mm；C分別為0.3，0.25，0.2，0.15和0.1mm；H分別為4.9，5.7，6.5，7.3和8.1mm。在其他因素不變的情況下，利用ANSYS仿真軟件建立阻尼器模型，研究不同參數(shù)下的阻尼器剛度，如圖3所示。

圖3 阻尼器剛度的影響規(guī)律Fig.3 The effect of damper stiffness

由圖3可知，隨著阻尼器厚度的增加，阻尼器兩個方向的剛度都近似線性增加。當(dāng)阻尼器厚度超過25mm時，徑向剛度和軸向剛度隨厚度變化趨勢更加明顯。隨著擠壓油膜間隙的增大，阻尼器兩個方向的剛度都近似線性變小。隨著S型彈性體高度的增加，阻尼器兩個方向的剛度都近似線性減小。通過計算，該阻尼器徑向剛度為3.57×107N/m，軸向剛度為6.58×107N/m。

3 仿真分析

為了研究整體式擠壓油膜阻尼器對管道振動的減振效果，利用SAP2000軟件模擬管道-整體式擠壓油膜阻尼器模型，如圖4所示。A處為與激振器相連的豎直管段，B處為遠(yuǎn)離激振器的豎直管段。角度α為阻尼器平面和激振力平面的夾角，當(dāng)阻尼器平面和激振力平面平行時，α=0°；當(dāng)阻尼器平面和激振力平面垂直時，α=90°。首先選擇“管和板”模型建立門型管道，定義材料為Q235，在豎直管段底部施加全約束，模擬發(fā)生共振時的情況。設(shè)定載荷函數(shù)為時程載荷，載荷頻率為15.5Hz，在管道豎直管段A處選取48個節(jié)點，每個節(jié)點施加15N作用力，總共720N，垂直管道平面方向。運行分析得到管道原始振動情況，如圖5(a)所示。模擬A處α=0°，α=45°和α=90°以及B處α=0°安裝ISFD的減振效果，ISFD利用連接/支座單元進(jìn)行設(shè)置，參考擠壓油膜阻尼器具體參數(shù)設(shè)置[17]，其中剛度系數(shù)為3.57×107N/m，阻尼系數(shù)為1 050(kN·s)/m，阻尼指數(shù)為0.3。圖5(b～e)為不同安裝位置的減振效果，表1為仿真計算結(jié)果。

圖4 ISFD安裝位置示意圖Fig.4 ISFD installations position

從圖5和表1可以看出，相同安裝角度下，整體式擠壓油膜阻尼器安裝在激振源處的減振效果優(yōu)于安裝在遠(yuǎn)離激振源處。在相同安裝位置時，當(dāng)整體

圖5 不同安裝位置的仿真計算Fig.5 Simulation calculations for different install positions

表1 仿真計算結(jié)果

式擠壓油膜阻尼器平面和激振力平面平行時，減振效果最佳；當(dāng)整體式擠壓油膜阻尼器平面和激振力平面垂直時，減振效果最差。阻尼器安裝在靠近激振源端并平行安裝時，減振效果最佳，可達(dá)84.7%。

4 ISFD的管道振動控制試驗

4.1 試驗臺參數(shù)

由于整體式擠壓油膜阻尼器具有支撐剛度和支撐阻尼，可以作為整體式的減振支撐單元對管道系統(tǒng)進(jìn)行振動控制。ISFD管線試驗臺由門型管道、整體式擠壓油膜阻尼器、JZ-10型激振器、信號發(fā)生器和Smart Balance構(gòu)成，試驗臺模型如圖6所示。門型管道系統(tǒng)由DN25無縫鍍鋅管構(gòu)成，鋼管外徑為33.5mm，壁厚為3mm，管道高度為500mm，管道橫向跨度為500mm。JZ-10型激振器的頻率為1～5 000Hz，信號發(fā)生器能產(chǎn)生1～10 000Hz的正弦信號，經(jīng)過信號功率放大器輸入到激振器，激振器控制門型管道產(chǎn)生不同振幅和頻率的自激振動。試驗由Smart Balancer測振儀測得管道的振動位移值和振動頻率。研究相同條件下，在管道上激振源處和遠(yuǎn)離激振源處的豎直管段分別安裝整體式擠壓油膜阻尼器，其不同安裝角度和安裝數(shù)量工控下的減振效果。

圖6 整體式擠壓油膜阻尼器管道試驗臺(α=45°)Fig.6 Pipeline test bench with integral squeeze film damper(α=45°)

ISFD是一種整體式的彈性阻尼支撐，由阻尼器底座、S型彈性單元、O型圈和密封端蓋組成(見圖1)。其中：O型圈用于管道安裝位置和阻尼器底座之間的密封，在密封端蓋上安裝有注油孔和密封螺栓，對S型彈性單元注入潤滑油。管道安裝的整體式擠壓油膜阻尼器通過支撐軸和連接板與管道系統(tǒng)相連。

4.2 ISFD對管道振動的控制規(guī)律

如圖4所示，試驗在A處的豎直管段分別在α=0°，α=45°和α=90°安裝整體式擠壓油膜阻尼器，比較不同角度的減振效果，特別比較在α=0°時安裝不同數(shù)量的阻尼器以及阻尼器注油的減振效果。振動數(shù)據(jù)如圖7所示。

由圖7可得，在α=0°時，原始振動峰值在15Hz，原始振動峰峰值為18 180.56μm，安裝一個整體式擠壓油膜阻尼器后，其振動峰值在16Hz，振動峰峰值為8 757.68μm，降幅為51.83%；在α=45°時，原始振動峰值在15.5Hz，原始振動峰峰值為18 371.56μm，安裝一個整體式擠壓油膜阻尼器后，其振動峰值在16Hz，振動峰峰值為14 496.78μm，降幅為21.09%；在α=90°時，原始振動峰值在22Hz，原始振動峰峰值為7 435.13μm，安裝一個整體式擠壓油膜阻尼器后，其振動峰值在24Hz，振動峰峰值為6 294.73μm，降幅為15.38%。在A處α=0°安裝整體式擠壓油膜阻尼器比在A處α=45°安裝阻尼器具有更優(yōu)越的減振效果，在α=90°安裝阻尼器效果最差。另外,在各個方向安裝整體式擠壓油膜阻尼器后，管道振動存在移頻現(xiàn)象。

從圖7(a)可得，在激振源相同角度安裝2個注油整體式擠壓油膜阻尼器的減振效果高于安裝2個注油的阻尼器，單獨安裝1個不注油整體式擠壓油膜阻尼器的減振效果最差。

圖7 A處不同角度安裝ISFD的振動數(shù)據(jù)Fig.7 The vibration data of different install position near-end with ISFD

在B處α=0°安裝1個整體式擠壓油膜阻尼器的振動數(shù)據(jù)如圖8所示。原始振動峰值在23Hz，原始振動峰峰值為15 291μm，安裝1個整

圖8 B處安裝ISFD的振動數(shù)據(jù)(α=0°)Fig.8 The vibration data of far-end install position with ISFD

體式擠壓油膜阻尼器后，其振動峰值在26Hz，振動峰峰值為13 628μm，振動峰峰值降幅為10.87%，并且出現(xiàn)嚴(yán)重的移頻現(xiàn)象，振動峰值從23Hz轉(zhuǎn)移到26Hz。在遠(yuǎn)離激振源處α=0°安裝1個擠壓油膜阻尼器的減振效果低于在激振源處α=0°安裝擠壓油膜阻尼器。

由仿真分析可知，在相同安裝角度時，靠近激振源的減振效果優(yōu)于遠(yuǎn)離激振源。在相同安裝位置處，整體式擠壓油膜阻尼器平面和激振力平面相同時(α=0°)減振效果最好，垂直時(α=90°)減振效果最差。這與整體式擠壓油膜阻尼器抑制管道振動規(guī)律一致。

從圖7和圖8可得，擠壓油膜阻尼器能在整個頻帶進(jìn)行減振，但是不同的安裝位置減振效果不同。在α=0°安裝擠壓油膜阻尼器的減振效果最佳，在α=90°安裝減振效果最差。這是由于不同的安裝位置，整體式擠壓油膜阻尼器的剛度阻尼不同。如圖2所示，在阻尼器平面方向的剛度阻尼是x和y的交叉阻尼產(chǎn)生的，其值是剛度阻尼的最大值。當(dāng)阻尼器平面與激振力平面產(chǎn)生夾角時，阻尼器提供的剛度阻尼為x和y方向剛度阻尼的分量，其值小于剛度阻尼的最大值。當(dāng)阻尼器平面和激振力平面垂直時(α=90°)，剛度阻尼達(dá)到最小值，此時阻尼器只起到支撐作用。故α=0°安裝位置的剛度阻尼遠(yuǎn)大于α=90°安裝位置的剛度阻尼，α=0°時的減振效果最佳，并且隨著剛度阻尼的增加，其減振效果越好。

5 結(jié) 論

1) 整體式擠壓油膜阻尼器能控制整個頻帶的振動，在共振區(qū)控制效果最佳，最高降幅達(dá)到51.83%。

2) 在整體式擠壓油膜阻尼器對管道振動控制試驗中，安裝阻尼器數(shù)量相同時，在激振源處且與激振力平面平行(α=0°)時安裝阻尼器的減振效果最好。

3) 在安裝角度和安裝數(shù)量相同的情況下，激振源處安裝整體式擠壓油膜阻尼器的減振效果優(yōu)于在遠(yuǎn)離激振源處安裝。

4) 在整體式擠壓油膜阻尼器對管道振動控制試驗中，在相同角度和位置下安裝2個注油阻尼器的減振效果優(yōu)于安裝1個注油阻尼器。

5) 在安裝位置和安裝角度相同時，1個注油阻尼器的減振效果優(yōu)于安裝1個不注油阻尼器。