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        廣西龍勝興隆電站液壓管道振動分析及減振設計

        2016-08-04 18:06:28林時來
        大科技 2016年20期
        關鍵詞:龍勝興隆液壓油

        林時來

        (華自科技股份有限公司 湖南長沙 410025)

        廣西龍勝興隆電站液壓管道振動分析及減振設計

        林時來

        (華自科技股份有限公司 湖南長沙 410025)

        本文針對液壓管道的振動原因及常用減振方法進行了分析,并以廣西龍勝興隆電站的液壓管道振動現(xiàn)象為例,設計了一套簡單、經(jīng)濟、實用的減振方案,有限元仿真分析表明,該方案可有效地減小管道的振動。

        液壓管道;減振;有限元仿真

        引言

        液壓油管在電站的液壓控制系統(tǒng)中較常使用,對于立式機組采用外置式接力器的電站,由于電站系統(tǒng)布局空間較大,液壓系統(tǒng)與接力器之間有一段較長的距離,可能長達十幾米到數(shù)十米,這時則需要采用液壓油管連接調(diào)速器進出油口及接力器,一般采用普通剛性管加液壓軟管即可。但在實際使用過程中,當操作換向閥控制接力器動作時,由于壓力油的沖擊,液壓油管會發(fā)生明顯的振動,產(chǎn)生異響。一方面對管道接頭結(jié)構(gòu)的可靠性有影響,易產(chǎn)生疲勞破壞造成滲油漏油,另一方面對環(huán)境及操作者也有噪音干擾。以廣西龍勝興隆電站為例,液壓油源的額定工作壓力為14.4~16MPa,接力器與調(diào)速器換向閥進出油口之間距離約15m,用剛性管道及液壓軟管連接,未采取減振措施,當控制換向閥操作接力器動作時,管道振幅很大,噪音明顯。

        1 液壓管道振動原因及常見減振方法

        液壓管道的振動主要是由于液壓油的沖擊造成,液壓油的沖擊則是由于系統(tǒng)啟動、停止、換向等原因造成,液壓油壓力變化與管道振動的數(shù)學關系模型涉及到流固耦合問題,這里采用振動控制的理論,對系統(tǒng)作定性分析。一般振動系統(tǒng)可簡化為二階阻尼振動系統(tǒng),其動力學方程為:

        其中m為系統(tǒng)質(zhì)量,c為系統(tǒng)阻尼,k為系統(tǒng)剛度,x為系統(tǒng)振動位移,f(t)為系統(tǒng)激勵,則系統(tǒng)的無阻尼振動固有頻率為。由振動理論可知,當系統(tǒng)激勵(ft)的頻率接近系統(tǒng)固有頻率Wn時,系統(tǒng)振幅將明顯增大,產(chǎn)生共振現(xiàn)象,而系統(tǒng)激勵(ft)的頻率遠離系統(tǒng)固有頻率Wn時,系統(tǒng)振幅較小。

        目前,液壓油管的振動控制控制方法主要分為兩類:①該改變系統(tǒng)固有頻率,比如設置管道支撐、布置管道時改變管道形狀等;②減小振源激勵,比如通過設置相應的控制閥和控制策略,減小液壓系統(tǒng)的壓力變化率,從而減小沖擊。

        1.1 設置管道支撐減振

        通過在管道外圍設置合理的支撐,可增加管道結(jié)構(gòu)的剛性,改變管道系統(tǒng)的固有頻率,從而達到減振的效果。這種方法在系統(tǒng)沖擊頻率變化較小的場合或管道比較長的場合非常適用。

        通過改變支撐結(jié)構(gòu)本身的剛性也可明顯改善減振性能。例如在支撐與管道之間增添橡膠墊片,利用橡膠墊片的彈性承載能力和能量耗散能力,緩沖液壓管道的振動。這種方法簡單有效,不需更改較多的結(jié)構(gòu)設計及占用較多的空間。

        1.2 合理布置管道減振

        當管道中的液壓沖擊載荷相同時,管道結(jié)構(gòu)的設計及安裝也對振動有較大影響。液壓管道中,發(fā)生沖擊載荷最大處為管道彎頭處或異徑管接頭處等截面面積發(fā)生變化的位置,因此,設計布置管道時,應盡量避免彎頭或盡量加大管道轉(zhuǎn)角半徑。

        此外,設計管道壁厚及形狀時,在保證強度的前提下,盡量使管道的系統(tǒng)頻率偏離液壓沖擊激勵的頻率。

        1.3 液壓減振

        液壓減振是指通過一定的控制閥及控制策略,改變液壓系統(tǒng)的壓力變化率、流速等參數(shù),從而減小液壓沖擊,減小管道振動。比如在不影響系統(tǒng)工作的情況下,盡量降低閥口的開關速度,或者在液壓回路中設置合適的穩(wěn)壓控制閥、流量控制閥及蓄能器等。

        2 減振設計

        分析現(xiàn)有的液壓管道減振方法及廣西龍勝興隆電站管道布置的實際情況,采用設置管道支撐的方式來減小液壓沖擊帶來的管道振動。由于液壓沖擊在低頻段的能量較大,而廣西龍勝興隆電站使用的液壓管道較長,整體剛度低,也即系統(tǒng)固有頻率較低,控制接力器動作的油量需求大,因此造成了操作接力器時的管道明顯振動,噪音非常明顯。通過增加合理的支撐設置,提高管道的系統(tǒng)固有頻率,從而減小管道的振動。

        這里采用有限元軟件計算管道系統(tǒng)的固有頻率,分別考慮無支撐方式時液壓管道的固有頻率、單支撐時液壓管道的固有頻率、三支撐時液壓管道的固有頻率計五支撐時液壓管道的固有頻率。將管道簡化為等截面的直管,在ANSYS中采用PIPE單元對管道進行網(wǎng)格劃分,采用桿單元對支撐進行網(wǎng)格劃分,計算固有頻率如表1所示,對管道振動影響最大的第一階模態(tài)如圖1~4所示。

        表1 管道計算固有頻率(Hz)

        圖1 無支撐時第一階模態(tài)

        圖2 單支撐時第一階模態(tài)

        圖3 三支撐時第一階模態(tài)

        圖4 五支撐時第一階模態(tài)

        3 總結(jié)

        由上述計算結(jié)果可知,管道支撐越多,剛性越多,系統(tǒng)固有頻率也越高,則與液壓沖擊的頻率偏離越遠,利于系統(tǒng)減振。但系統(tǒng)支撐也不是越多越好:①需要考慮支撐布局所占的空間問題;②管道支撐改變了系統(tǒng)的固有頻率,同時也改變了系統(tǒng)的受力狀態(tài),需要防止產(chǎn)生局部較大應力的問題,在支撐與管道之間增加合適的彈性阻尼元件有利于改善結(jié)構(gòu)的可靠性。

        針對管道振動問題,首先應分析振動產(chǎn)生的原因,然后根據(jù)振源特性對系統(tǒng)進行相應的設計或改善,達到減小振動及噪音的效果。如果簡單地對結(jié)構(gòu)進行加固或換管處理,則可能達不到減振效果,甚至給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的強度及穩(wěn)定性帶來不利的影響。

        [1]趙子琴,李樹勛,徐登偉,等.管道振動的減振方案及工程應用[J].管道技術與設備,2011(3):54~56.

        [2]李崗,梁兵兵,殷海峰.核電廠常規(guī)島工藝管道振動改善研究[J].核動力工程,2012,33(6):93~95.

        [3]法特,潘靈永,李寶仁.瞬態(tài)壓力突變下管道振動研究[J].機床與液壓,2010,38(13):40~43.

        [4]陸春月,曾清平,孟鑫.液流沖擊作用下的管道振動特性研究[J].制造業(yè)信息化,2013(7):94~95.

        [5]袁少波,喻丹萍,周正平,等.田灣核電站管道振動問題處理[J].核動力工程,2012,33(6):6~8.

        TQ055.8

        A

        1004-7344(2016)20-0060-02

        2016-7-1

        林時來(1985-),助理工程師,本科,主要從事水電行業(yè)自動化方面工作。

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