安全阀弹簧固有频率计算及仿真分析研究

宋一新

(哈电集团哈尔滨电站阀门有限公司，哈尔滨 150066)

安全阀弹簧固有频率计算及仿真分析研究

宋一新

(哈电集团哈尔滨电站阀门有限公司，哈尔滨 150066)

采用瑞利法及胡克定律计算安全阀弹簧的固有频率值，再通过建立安全阀弹簧模型，应用ANSYS进行有限元仿真分析，模拟安全阀弹簧在整个振动过程中的固有频率数值。通过对比计算与仿真分析的结果，最终确定仿真分析结果的偏差值，从而指导安全阀弹簧的设计与优化。

安全阀；弹簧；仿真分析；固有频率

安全阀作为一种自动阀门，是各类锅炉、压力容器和压力管道等设备不可缺少的安全附件，起到超压保护作用，其广泛应用在石油、化工和电站等行业[1]。弹簧直接载荷式安全阀是目前应用最广泛的一种安全阀，该结构安全阀利用弹簧力来实现阀门的密封与回座。用于核电一回路和二回路的安全阀通常都有固有频率要求[2]。由于安全阀中的弹簧都为弹性部件，因此，能否精确计算安全阀弹簧的固有频率值成为安全阀固有频率能否合格的重要因素[3]。应用有限元仿真分析软件ANSYS对安全阀弹簧进行仿真分析，模拟安全阀的固有频率特性，并进行计算验证，通过对比，最终确定安全阀弹簧固有频率计算及仿真分析的方法。

1 弹簧固有频率计算

对于弹簧质量不可忽略的弹簧，可以通过采用瑞利法求解弹簧的等效质量。瑞利法—采用能量法，将弹簧的分布质量的动能计入系统的总动能，仍按单自由度系统求固有频率的近似方法。

应用瑞利法，首先应假定系统的振动位形。

如图1所示系统，假设弹簧上各点在振动过程中任一瞬时的位移与1根等直弹性杆在一端固定另一端受轴向力作用下各截面的静变形一样。

图1 数学模型

依据胡克定律，各截面的静变形与离固定端的距离成正比。

依据此假设计算弹簧的动能，式中：meq为弹簧的等效质量；ms为弹簧有效圈数的质量；m为运动部件质量，对于安全阀，包括阀瓣、阀杆、下弹簧座、行程控制环以及弹簧的部分无效圈数(下端并圈)的质量；l为弹簧有效圈数的自由长度。

则集中质量的动能为

(1)

(2)

弹簧的总动能

(3)

通过式(1)与式(2)对比，可以得到

(4)

即弹簧等效质量为弹簧有效圈数质量的1/3。

得到系统的总动能

(5)

系统的势能为

设：x=Acos(ωt-φ)

由：Tmax=Vmax，可以得到

(6)

换算成频率

(7)

2 安全阀弹簧固有频率仿真分析

2.1 建立模型

根据以上计算，即弹簧振子的弹簧等效质量为弹簧有效圈数质量的1/3。建立以下模型：

1) 采用SolidWorks建立弹簧的三维模型。

2) 根据弹簧的尺寸建立安全阀中支撑弹簧的上、下弹簧座模型。

3) 由于安全阀的弹簧在起圈处存在并圈，因此在安全阀弹簧中并圈内测，绘制1个3 mm宽的小圆台，与弹簧施加组合约束，以避免在有限元仿真中并圈的接触约束。仿真模型如图2所示。

2.2 参数设置

将安全阀弹簧模型以x-t模型导入到Ansys中,如图3所示。

单元格类型：Solid 186 (20节点)

设定材料

密度：7 800 kg/m3

弹性模量：2.039 2×1011Pa

泊松比：0.3

图2 安全阀弹簧固有频率仿真模型

图3 ansys仿真分析模型

设定最大网格长度：0.008 m，划分网格如下，得到网格数：119 403。

2.3 划分网格及施加约束

将三维模型在ANSYS中转换为有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型

然后设定弹簧的约束如下：

1) 上弹簧座(A53、A9)设定三个方向的自由度全约束(UX，UY，UZ)。

2) 下弹簧座侧法兰面(A24、A17)设定X、Y方向约束(UX、UY)，即是只有Z方向，单自由度运动。

3) 下弹簧座端面(A5、A18)设定弹簧的预压缩量，暂定仍按起跳高度14.5 mm计算：

总弹簧力

F=1 292×(34.94+14.5)=63 877.4 N

等效至面压力

载荷设置如图5所示。

图5 载荷设置

2.4 设置模态分析

分析方法：Block Lanczos

分析阶数：10阶

2.5 分析结果

分析结果见表1。

表1 固有频率分析结果

第一阶振型：

图6 一阶振型

通过图6振型可以见到，其中第一阶固有频率31.194 Hz即是弹簧振子的固有频率。

3 结果对比

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

ms=Qs=32.44 kg

式中刚度k=1 410.4 N/mm

得到频率

=32.22 Hz

由前分析得到弹簧振子固有频率是：31.194 Hz，理论计算结果是32.22 Hz。

偏差

计算结果符合工程要求。

4 结 语

根据以上分析结果可以得出：采用推理公式计算出的安全阀弹簧固有频率值和应用ANSYS仿真分析模拟出的固有频率值非常接近，证明仿真分析所得数据准确度较高。在安全阀的设计中，应用ANSYS有限元数值模拟的方法来计算安全阀弹簧的固有频率值，可以依据其结果对安全阀进行优化设计。

[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] 李军业, 张宗列. 核电阀门设计规范的探讨[J]. 阀门, 2009,38 (6) :32-37.

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

[3] 周长宝, 于金超. 基于Simulation的核级阀门地震固有频率分析[J]. 黑龙江科技信息, 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，硕士研究生，从事电站阀门产品研发、企业管理等工作。

TK264.2

A

2095-6843(2017)05-0468-03

(编辑李世杰)