安全閥彈簧固有頻率計(jì)算及仿真分析研究

宋一新

(哈電集團(tuán)哈爾濱電站閥門(mén)有限公司，哈爾濱 150066)

安全閥彈簧固有頻率計(jì)算及仿真分析研究

宋一新

(哈電集團(tuán)哈爾濱電站閥門(mén)有限公司，哈爾濱 150066)

采用瑞利法及胡克定律計(jì)算安全閥彈簧的固有頻率值，再通過(guò)建立安全閥彈簧模型，應(yīng)用ANSYS進(jìn)行有限元仿真分析，模擬安全閥彈簧在整個(gè)振動(dòng)過(guò)程中的固有頻率數(shù)值。通過(guò)對(duì)比計(jì)算與仿真分析的結(jié)果，最終確定仿真分析結(jié)果的偏差值，從而指導(dǎo)安全閥彈簧的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

安全閥；彈簧；仿真分析；固有頻率

安全閥作為一種自動(dòng)閥門(mén)，是各類(lèi)鍋爐、壓力容器和壓力管道等設(shè)備不可缺少的安全附件，起到超壓保護(hù)作用，其廣泛應(yīng)用在石油、化工和電站等行業(yè)[1]。彈簧直接載荷式安全閥是目前應(yīng)用最廣泛的一種安全閥，該結(jié)構(gòu)安全閥利用彈簧力來(lái)實(shí)現(xiàn)閥門(mén)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(jì)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(yīng)用有限元仿真分析軟件ANSYS對(duì)安全閥彈簧進(jìn)行仿真分析，模擬安全閥的固有頻率特性，并進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)比，最終確定安全閥彈簧固有頻率計(jì)算及仿真分析的方法。

1 彈簧固有頻率計(jì)算

對(duì)于彈簧質(zhì)量不可忽略的彈簧，可以通過(guò)采用瑞利法求解彈簧的等效質(zhì)量。瑞利法—采用能量法，將彈簧的分布質(zhì)量的動(dòng)能計(jì)入系統(tǒng)的總動(dòng)能，仍按單自由度系統(tǒng)求固有頻率的近似方法。

應(yīng)用瑞利法，首先應(yīng)假定系統(tǒng)的振動(dòng)位形。

如圖1所示系統(tǒng)，假設(shè)彈簧上各點(diǎn)在振動(dòng)過(guò)程中任一瞬時(shí)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(shù)學(xué)模型

依據(jù)胡克定律，各截面的靜變形與離固定端的距離成正比。

依據(jù)此假設(shè)計(jì)算彈簧的動(dòng)能，式中：meq為彈簧的等效質(zhì)量；ms為彈簧有效圈數(shù)的質(zhì)量；m為運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，對(duì)于安全閥，包括閥瓣、閥桿、下彈簧座、行程控制環(huán)以及彈簧的部分無(wú)效圈數(shù)(下端并圈)的質(zhì)量；l為彈簧有效圈數(shù)的自由長(zhǎng)度。

則集中質(zhì)量的動(dòng)能為

(1)

(2)

彈簧的總動(dòng)能

(3)

通過(guò)式(1)與式(2)對(duì)比，可以得到

(4)

即彈簧等效質(zhì)量為彈簧有效圈數(shù)質(zhì)量的1/3。

得到系統(tǒng)的總動(dòng)能

(5)

系統(tǒng)的勢(shì)能為

設(shè)：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(jù)以上計(jì)算，即彈簧振子的彈簧等效質(zhì)量為彈簧有效圈數(shù)質(zhì)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(jù)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(nèi)測(cè)，繪制1個(gè)3 mm寬的小圓臺(tái)，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(shù)設(shè)置

將安全閥彈簧模型以x-t模型導(dǎo)入到Ansys中,如圖3所示。

單元格類(lèi)型：Solid 186 (20節(jié)點(diǎn))

設(shè)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(shè)定最大網(wǎng)格長(zhǎng)度：0.008 m，劃分網(wǎng)格如下，得到網(wǎng)格數(shù)：119 403。

2.3 劃分網(wǎng)格及施加約束

將三維模型在ANSYS中轉(zhuǎn)換為有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

然后設(shè)定彈簧的約束如下：

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

2) 下彈簧座側(cè)法蘭面(A24、A17)設(shè)定X、Y方向約束(UX、UY)，即是只有Z方向，單自由度運(yùn)動(dòng)。

3) 下彈簧座端面(A5、A18)設(shè)定彈簧的預(yù)壓縮量，暫定仍按起跳高度14.5 mm計(jì)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(shè)置如圖5所示。

圖5 載荷設(shè)置

2.4 設(shè)置模態(tài)分析

分析方法：Block Lanczos

分析階數(shù)：10階

2.5 分析結(jié)果

分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 固有頻率分析結(jié)果

第一階振型：

圖6 一階振型

通過(guò)圖6振型可以見(jiàn)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(jié)果對(duì)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(jì)算結(jié)果是32.22 Hz。

偏差

計(jì)算結(jié)果符合工程要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)以上分析結(jié)果可以得出：采用推理公式計(jì)算出的安全閥彈簧固有頻率值和應(yīng)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(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。在安全閥的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用ANSYS有限元數(shù)值模擬的方法來(lái)計(jì)算安全閥彈簧的固有頻率值，可以依據(jù)其結(jié)果對(duì)安全閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[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(yè), 張宗列. 核電閥門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范的探討[J]. 閥門(mén), 2009,38 (6) :32-37.

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

[3] 周長(zhǎng)寶, 于金超. 基于Simulation的核級(jí)閥門(mén)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(mén)產(chǎn)品研發(fā)、企業(yè)管理等工作。

TK264.2

A

2095-6843(2017)05-0468-03

(編輯李世杰)