基于ANSYS的往復式壓縮機管線振動的減振分析

汪 玉，王茂廷，宋 升

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

基于ANSYS的往復式壓縮機管線振動的減振分析

汪 玉1，王茂廷1，宋 升2

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

管線的機械共振是往復式壓縮機管線振動的原因之一。通過介紹有限元軟件ANSYS在管道建模中的應用，利用有限元軟件ANSYS對振動管線進行建模分析，得出管線結構近似固有頻率。通過改變配管方式、支撐方式等改變管道結構固有頻率，消除共振，從而減小振動。

管線；振動；有限元；減振

管線振動是往復式壓縮機運行中常見的問題。管線振動過大不僅會帶來經濟損失，甚至會發生事故，造成人身危害。研究往復式壓縮機管道振動，減小振動具有重大意義。

管道的結構共振是管線振動的一個原因。管系的支撐方式、剛度、質量分布都影響著管系的固有結構，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頻率共振區，當管系的機械固有頻率落在共振區范圍為內，就會發生結構共振，影響生產安全［1-3］。

利用ANSYS有限元軟件中的PIPE單元對管道建模，進行模態分析，計算出管線前五階固有頻率，與往復式壓縮機的激振力頻率進行比較，改善管線系統固有頻率，使固有頻率避開激振力頻率，從而減小振動。

1 ANSYS在管線振動建模中的應用簡介

有限元計算分析軟件ANSYS［4-6］具有較豐富的管道單元庫。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，適用于各種實際中的復雜管線的分析。下面介紹幾個常用的單元。

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、和彎曲性能。 該單元在兩個結點有6個自由度：沿節點X,Y,Z方向的平移和繞結點X,Y,Z軸的旋轉。該單元基于三維梁單元(BEAM4)，包含了根據對稱性和標準管幾何尺寸進行的簡化。單元的幾何形狀、節點位置和單元坐標系如圖1所示。

1.2 PIPE18彈性彎管單元

PIPE18 是一個環向軸單元，可以承受拉伸、壓縮、扭轉和彎曲載荷。每個節點有6個自由度：沿節點X,Y,Z方向的平移和繞結點X,Y,Z軸的轉動，單元的幾何形狀、節點位置和單元坐標系如圖2所示。單元有兩個節點為端點，第三個節點用來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 計算實例

某煉廠1臺往復式壓縮機，雙作用氣缸，氣缸直徑300 mm，主軸轉速330 r/min，介質氣體溫度40 ℃，壓力8 MPa。管子規格為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過進氣總管進入壓縮機的進氣分支管路，在分支管路內又分成兩路，每一路都經過進氣緩沖罐進入壓縮機雙作用氣缸。利用ANSYS建模，管道材料參數E=210 GPa，μ=0.27，ρ=7 830㎏/m3。選擇坐標系原點為氣缸分離罐出口，即為BRANCH起點，選擇PIPE16單元，應用一系列RUN命令定義直管段，在管道兩個或多個單元之間的節點上插入彎管BEND,三通TEE。選擇Block Lanczos進行模態分析，對管道進行約束，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 管道激發主頻率的計算

激發頻率(Hz)為：

式中：

m —表示壓縮機氣缸作用方式的一個數，當單作用時，m =l；當雙作用時，m =2；

n —表示壓縮機曲軸轉速,r/min。振區按(0.8～1.2)fx計算為：8.88～13.32 Hz。

2.3 初始管道固有頻率的計算

初始管線的約束如圖4所示（蝴蝶結代表全固定約束,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。

從分析結果可以看出此時氣柱的二階固有頻率在激振力共振頻率范圍內，管線會產生劇烈振動，因此，在此基礎上進行改善。

3 減振措施及結果

3.1 改變支架位置，增加支架數量，可以增加管道剛度

圖5 管線約束優化圖Fig.5 Optimization of pipeline constraints

圖5 中管線在原來基礎上，只適當的增加了支架的數量，使支架分布相對均勻，縮短支架之間的跨度，并使支架盡量靠近彎頭和三通，從而增強了管道剛度，大大增大了管線系統的固有頻率。

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，在原來配管的基礎上改變了壓縮機入口的配管方式，增加了一個支架，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，管線的固有頻率沒有圖5中管線的固有頻率大。

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

4 結束語

通過以上分析可以看出，減小機械振動的方法是可行的。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過大，這樣就可以增大固有頻率，減小振動。

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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：往復式壓縮機出口管線振動及減振措施。E-mail：wy38756151@163.com。