安全閥彈簧固有頻率計算及仿真分析研究

宋一新

(哈電集團哈爾濱電站閥門有限公司，哈爾濱 150066)

安全閥彈簧固有頻率計算及仿真分析研究

宋一新

(哈電集團哈爾濱電站閥門有限公司，哈爾濱 150066)

采用瑞利法及胡克定律計算安全閥彈簧的固有頻率值，再通過建立安全閥彈簧模型，應用ANSYS進行有限元仿真分析，模擬安全閥彈簧在整個振動過程中的固有頻率數值。通過對比計算與仿真分析的結果，最終確定仿真分析結果的偏差值，從而指導安全閥彈簧的設計與優化。

安全閥；彈簧；仿真分析；固有頻率

安全閥作為一種自動閥門，是各類鍋爐、壓力容器和壓力管道等設備不可缺少的安全附件，起到超壓保護作用，其廣泛應用在石油、化工和電站等行業[1]。彈簧直接載荷式安全閥是目前應用最廣泛的一種安全閥，該結構安全閥利用彈簧力來實現閥門的密封與回座。用于核電一回路和二回路的安全閥通常都有固有頻率要求[2]。由于安全閥中的彈簧都為彈性部件，因此，能否精確計算安全閥彈簧的固有頻率值成為安全閥固有頻率能否合格的重要因素[3]。應用有限元仿真分析軟件ANSYS對安全閥彈簧進行仿真分析，模擬安全閥的固有頻率特性，并進行計算驗證，通過對比，最終確定安全閥彈簧固有頻率計算及仿真分析的方法。

1 彈簧固有頻率計算

對于彈簧質量不可忽略的彈簧，可以通過采用瑞利法求解彈簧的等效質量。瑞利法—采用能量法，將彈簧的分布質量的動能計入系統的總動能，仍按單自由度系統求固有頻率的近似方法。

應用瑞利法，首先應假定系統的振動位形。

如圖1所示系統，假設彈簧上各點在振動過程中任一瞬時的位移與1根等直彈性桿在一端固定另一端受軸向力作用下各截面的靜變形一樣。

圖1 數學模型

依據胡克定律，各截面的靜變形與離固定端的距離成正比。

依據此假設計算彈簧的動能，式中：meq為彈簧的等效質量；ms為彈簧有效圈數的質量；m為運動部件質量，對于安全閥，包括閥瓣、閥桿、下彈簧座、行程控制環以及彈簧的部分無效圈數(下端并圈)的質量；l為彈簧有效圈數的自由長度。

則集中質量的動能為

(1)

(2)

彈簧的總動能

(3)

通過式(1)與式(2)對比，可以得到

(4)

即彈簧等效質量為彈簧有效圈數質量的1/3。

得到系統的總動能

(5)

系統的勢能為

設：x=Acos(ωt-φ)

由：Tmax=Vmax，可以得到

(6)

換算成頻率

(7)

2 安全閥彈簧固有頻率仿真分析

2.1 建立模型

根據以上計算，即彈簧振子的彈簧等效質量為彈簧有效圈數質量的1/3。建立以下模型：

1) 采用SolidWorks建立彈簧的三維模型。

2) 根據彈簧的尺寸建立安全閥中支撐彈簧的上、下彈簧座模型。

3) 由于安全閥的彈簧在起圈處存在并圈，因此在安全閥彈簧中并圈內測，繪制1個3 mm寬的小圓臺，與彈簧施加組合約束，以避免在有限元仿真中并圈的接觸約束。仿真模型如圖2所示。

2.2 參數設置

將安全閥彈簧模型以x-t模型導入到Ansys中,如圖3所示。

單元格類型：Solid 186 (20節點)

設定材料

密度：7 800 kg/m3

彈性模量：2.039 2×1011Pa

泊松比：0.3

圖2 安全閥彈簧固有頻率仿真模型

圖3 ansys仿真分析模型

設定最大網格長度：0.008 m，劃分網格如下，得到網格數：119 403。

2.3 劃分網格及施加約束

將三維模型在ANSYS中轉換為有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

然后設定彈簧的約束如下：

1) 上彈簧座(A53、A9)設定三個方向的自由度全約束(UX，UY，UZ)。

2) 下彈簧座側法蘭面(A24、A17)設定X、Y方向約束(UX、UY)，即是只有Z方向，單自由度運動。

3) 下彈簧座端面(A5、A18)設定彈簧的預壓縮量，暫定仍按起跳高度14.5 mm計算：

總彈簧力

F=1 292×(34.94+14.5)=63 877.4 N

等效至面壓力

載荷設置如圖5所示。

圖5 載荷設置

2.4 設置模態分析

分析方法：Block Lanczos

分析階數：10階

2.5 分析結果

分析結果見表1。

表1 固有頻率分析結果

第一階振型：

圖6 一階振型

通過圖6振型可以見到，其中第一階固有頻率31.194 Hz即是彈簧振子的固有頻率。

3 結果對比

m=Qd+Qb=8.28+15.315=23.595 kg

ms=Qs=32.44 kg

式中剛度k=1 410.4 N/mm

得到頻率

=32.22 Hz

由前分析得到彈簧振子固有頻率是：31.194 Hz，理論計算結果是32.22 Hz。

偏差

計算結果符合工程要求。

4 結 語

根據以上分析結果可以得出：采用推理公式計算出的安全閥彈簧固有頻率值和應用ANSYS仿真分析模擬出的固有頻率值非常接近，證明仿真分析所得數據準確度較高。在安全閥的設計中，應用ANSYS有限元數值模擬的方法來計算安全閥彈簧的固有頻率值，可以依據其結果對安全閥進行優化設計。

[1] Heuy-Dong Kim, Jun-Hee. A study of the gas flow through a LNG safety valve[J]. Journal of Thermal Science, 2006, 15(4): 355-360.

[2] 李軍業, 張宗列. 核電閥門設計規范的探討[J]. 閥門, 2009,38 (6) :32-37.

LI Junye, ZHANG Zonglie. Discussion of nuclearvalves design specification[J]. Valve, 2009, 38(6): 32-37.

[3] 周長寶, 于金超. 基于Simulation的核級閥門地震固有頻率分析[J]. 黑龍江科技信息, 2014，18(12): 35.

ZHOU Changbao, YU Jinchao. Natural frequency analysison nuclear valves when in earthquake based on Simulation[J].HeilongjiangScience and TechnologyInformation, 2014, 18(12): 35.

Calculation of natural frequency of safety valve springand simulation analysis

SONG Yixin

(HE Harbin Power Group Harbin Power Valve Company Limited,Harbin 150066)

The Rayleigh law and Hooke's law is used to calculate natural ferquencyvalue, then ANSYS is appliedfor finite element analysis bybuilding safety valve spring, model and the natural frequency valuesimulationof safety valve springin the whole process of vibration is performed. By comparing the calculation and simulation analysis results, the variation valuesfrom the simulation analysis resultsarefinallyconfirmed, so as to guide the design and optimization of safety valve spring.

safety valve; spring; simulation analysis; natural frequency

2017-04-17。

宋一新(1966—)，男，碩士研究生，從事電站閥門產品研發、企業管理等工作。

TK264.2

A

2095-6843(2017)05-0468-03

(編輯李世杰)