一种基于液压缓冲的减震管卡设计与性能分析

2016-09-29

科技视界 2016年20期

潘瑾　沈中祥　李兆鹏　陶煊炜

【摘要】依据液压缓冲原理，设计了一种带液压缓冲的新型管夹。基于Ansys有限元软件，数值模拟受到来自垂向、横向和纵向的冲击载荷时，普通管夹和带液压缓冲的新型管夹管路系统的抗冲击性能，结果表明带液压缓冲的新型管夹变形小，具有较好的抗冲击能力。

【关键词】管路系统；管夹；液压缓冲；数值模拟

Design and Performance Analysis of a Anti-impact Pipe Clamp with Hydraulic Buffer

PAN Jin SHEN Zhong-xiang LI Zhao-peng TAO Xuan-wei

（Jiangsu Maritime Institute， Nanjing Jiangsu 211111， China）

【Abstract】A new type of pipe clamp with hydraulic buffer is designed based on the principle of hydraulic buffer. Using ANSYS software， pipes shock resistance performance which contains transverse，longitudinal and vertical load are evaluated on ordinary pipeline system and pipeline system with buffer hydraulic pipe clamp. The results show that the pipeline system with the buffering hydraulic pipe clamp has good anti-impact ability ， deformation small.

【Key words】Pipeline system； Pipe clamp； Hydraulic buffer； Numerical simulation

0 引言

在冶金，化工，船舶等行业中，都采用了许多管道系统，是用于输送各种流体介质的管道及其附属机件、监测仪表、泵和阀门等的总称。在正常工作情况下，管道系统的支承能够满足管道的静应力及热变形要求，但管路系统的振动噪音也会对工人工作环境的安静性、舒适性造成不可忽视的影响，剧烈的振动甚至会造成构件的疲劳破坏，使管路断裂影响系统的安全性。

另外，在剧烈冲击等载荷作用下，除了导向、刚性吊架外，弹簧吊架无法及时限制管道位移、保护管道不至于变形，管道上的大部分弹簧吊架都会随着外部作用力的增大而加大变形，尤其是舰艇管路系统，由于爆炸、碰撞等突然的冲击而引起内部重要管道的破损，将会使舰艇动力装置瘫痪，从而失去动力、丧失战斗能力。基于以上原因，设计了一种带液压缓冲装置的管卡，以提高管路系统减震，抗冲击，降噪的能力。

目前国内关于管路系统抗冲击性能的研究尤其是关于舰艇管路系统的研究比较少，主要研究手段是采用理论分析与数值模拟。上海交通大学的冯原[1]采用有限元软件数值模拟分析了舰船复杂管路系统抗冲击性能，并利用单点谱分析方法定性地得到管道系统的位移、应力、应变的最大冲击响应情况，并进行了实验验证。王秋颖[2]则采用冲击响应的谱分析方法，对汽轮机进汽管路进行了冲击响应分析，以最大当量应力和最大位移为参考值，找出管路系统中的薄弱环节，安装抗冲击元件，再进行冲击响应分析，从而确定抗冲击阻尼元件的技术参数，为新型阻尼元件的研制奠定基础。汪宏伟等[3]采用ANSYS—APDL软件，以某型舰艇动力装置管路系统为模型进行参数化分析建模，再应用MATLAB软件对该管路系统冲击响应的灵敏度进行分析。结果表明，管路系统管道壁厚、弹性支吊架的刚度大小、集中质量的大小、布置位置以及弹性支撑的位置均对管路系统的冲击响应有较大影响。李兆俊等[4]采用不同冲击设计方法对管路系统抗冲击性能进行分析。郭晋挺等[5]提出了多点支撑管路系统的冲击载荷输入方法，给出了管路系统的抗冲击性能评估方法，分析得出，管路上的冲击破坏主要集中于弯头、三通管、接管座根部以及管路与阀门连接处等部位。

综上所述，目前Ansys软件在管路抗冲击性能研究中有广泛的应用，本文也采用Ansys软件对所设计的基于液压缓冲的减震管夹进行了性能分析，并同常规管夹性能进行了比较。

1 带液压缓冲管夹的设计

管卡本体1两端通过标准紧固件固定在设备基础件上，使得管卡本体在安装时呈弧形，管卡本体上对称设置有预留缝隙；簧片弹簧3的两端穿过预留缝隙，安装于管卡本体上，管卡本体和簧片弹簧将管道固定在两者之间的间隙中，簧片弹簧在安装时呈弧形；液压缓冲装置6通过标准紧固件42，43固定在设备基础件5上，包括活塞杆、缸体、活塞和弹簧；活塞杆的顶端与簧片弹簧的弧形底端相连，活塞杆的底端伸入缸体，与活塞相连，活塞通过弹簧与缸体底部连接；缸体内充填粘性液体，粘性液体的高度浸没活塞，活塞与缸体内侧壁之间存在间隙。

2 实施案例

安装时，管卡1在紧固件41，44作用下，固定在基础设施上，簧片3的两端穿过管卡1预留的缝隙，并在穿过缝隙后的两端形成卷耳，以便工作时，簧片弹簧3不会从管卡1滑出，这样就将管道2牢牢固定住。液压缓冲装置6通过缸体62的安装孔用紧固件固定在基础设施上，活塞63端部与簧片弹簧3的最底端连接。一旦管道内产生振动，首先簧片弹簧3参与减震，通过在管卡1上的缝隙，簧片弹簧3有较大的伸缩量以达到减震效果，同时管道2的振动也会挤压液压缓冲装置6中的活塞杆61，通过活塞杆61抵抗弹簧64的弹簧力和油液的粘性力，弹簧64被压缩时，吸收了极小的一部分能量。而活塞63移动时压缩了缸体内的粘性液体，受到压力作用的液体，流经缸体与活塞的环形间隙进入活塞上端储油腔，在此处把吸收的撞击能量转化为热能，起到了缓冲作用。簧片弹簧3和液压缓冲装置6共同作用，相对于仅靠弹簧减震的装置，提高了减震装置的稳定性，从而保证管道正常工作。

具体安装步骤如下：

1）通过标准紧固件将液压缓冲装置固定在设备基础件上；

2）将簧片弹簧的弧形底端与液压缓冲装置中活塞杆的顶端连接；

3）将管道置于簧片弹簧上；

4）在管卡本体的两侧开设相互对称的预留缝隙；

5）将管卡本体置于管道的上方，簧片弹簧的两端分别穿过管卡本体两侧的预留缝隙，然后将簧片弹簧两端穿过预留缝隙的部分卷曲，形成防止簧片弹簧从预留缝隙滑出的卷耳；

6）利用标准紧固件将管卡本体固定在设备基础件上；

7）在液压缓冲装置的缸体内充入粘性液体，使粘性液体将活塞浸没。

3 带液压缓冲减震管夹与普通管夹性能

建立普通的管路与设备的连接方式及管路与带液压缓冲减震管夹连接的抗冲击装置模型，如图3所示。根据管路布设特点设置边界，如管路截断处采用刚性位移约束。

A 带液压缓冲减震管夹 B 普通管夹

图3 两种管夹安装示意图

应用有限元分析软件，分别对两种管路系统模型进行仿真分析，所进行的冲击时域仿真分析，考虑管路受到来自垂向、横向和纵向相同的冲击载荷后得到管路的冲击薄弱环节，为管路的抗冲击设计提出建议。

本文进行有限元分析时，按如下顺序进行：建模-划分网格—设定材料属性—载荷施加—提交计算—导入分析结果—处理分析结果。将最大谱加速度为100G的冲击转化为时域输入，分别从垂向、横向与纵向对管路系统进行冲击。在冲击输入下，通过有限元方法计算得到两种管夹的最大位移和最大合成应力。表1为管路与设备普通管卡连接方式及带缓冲管卡连接方式最大位移与最大合成应力。

表1 管路与设备普通管卡连接方式及带缓冲管卡连接方式

最大位移与最大合成应力（100G谱加速度）

4 结论

本文基于液压缓冲原理设计了一种新型管夹，应用Ansys软件，数值模拟了分别受到垂向、横向与纵向冲击载荷的作用下不同管路与设备的连接方式最大位移响应与最大合成应力，采用新型抗冲击连接装置时的管路系统的最大位移响应与最大合成应力小于采用普通连接方式的管路系统。

同普通管夹相比，带液压缓冲的抗冲击管夹的优点如下：

1）变形小，疲劳寿命得到提高，增加了管路与设备连接装置的抗冲击性能；

2）在冲击荷载作用下可降低管路与设备连接处的应力；

3）有效防止管路与设备连接处在冲击作用下发生断裂的风险。

【参考文献】

[1]冯原.舰船复杂管路系统抗冲击问题研究[D].上海：上海交通大学，2005.

[2]王秋颖.舰用蒸汽管路抗冲击分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

[3]汪宏伟，汪玉，赵建华.EFAST法在管路系统冲击响应中的应用研究[J].振动与冲击，2010，29（4）：197-199.