一種基于液壓緩沖的減震管卡設(shè)計(jì)與性能分析

潘瑾　沈中祥　李兆鵬　陶煊煒

【摘 要】依據(jù)液壓緩沖原理，設(shè)計(jì)了一種帶液壓緩沖的新型管夾?；贏nsys有限元軟件，數(shù)值模擬受到來(lái)自垂向、橫向和縱向的沖擊載荷時(shí)，普通管夾和帶液壓緩沖的新型管夾管路系統(tǒng)的抗沖擊性能，結(jié)果表明帶液壓緩沖的新型管夾變形小，具有較好的抗沖擊能力。

【關(guān)鍵詞】管路系統(tǒng)；管夾；液壓緩沖；數(shù)值模擬

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，船舶等行業(yè)中，都采用了許多管道系統(tǒng)，是用于輸送各種流體介質(zhì)的管道及其附屬機(jī)件、監(jiān)測(cè)儀表、泵和閥門(mén)等的總稱(chēng)。在正常工作情況下，管道系統(tǒng)的支承能夠滿(mǎn)足管道的靜應(yīng)力及熱變形要求，但管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪音也會(huì)對(duì)工人工作環(huán)境的安靜性、舒適性造成不可忽視的影響，劇烈的振動(dòng)甚至?xí)斐蓸?gòu)件的疲勞破壞，使管路斷裂影響系統(tǒng)的安全性。

另外，在劇烈沖擊等載荷作用下，除了導(dǎo)向、剛性吊架外，彈簧吊架無(wú)法及時(shí)限制管道位移、保護(hù)管道不至于變形，管道上的大部分彈簧吊架都會(huì)隨著外部作用力的增大而加大變形，尤其是艦艇管路系統(tǒng)，由于爆炸、碰撞等突然的沖擊而引起內(nèi)部重要管道的破損，將會(huì)使艦艇動(dòng)力裝置癱瘓，從而失去動(dòng)力、喪失戰(zhàn)斗能力?；谝陨显?，設(shè)計(jì)了一種帶液壓緩沖裝置的管卡，以提高管路系統(tǒng)減震，抗沖擊，降噪的能力。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于管路系統(tǒng)抗沖擊性能的研究尤其是關(guān)于艦艇管路系統(tǒng)的研究比較少，主要研究手段是采用理論分析與數(shù)值模擬。上海交通大學(xué)的馮原[1]采用有限元軟件數(shù)值模擬分析了艦船復(fù)雜管路系統(tǒng)抗沖擊性能，并利用單點(diǎn)譜分析方法定性地得到管道系統(tǒng)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變的最大沖擊響應(yīng)情況，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。王秋穎[2]則采用沖擊響應(yīng)的譜分析方法，對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)汽管路進(jìn)行了沖擊響應(yīng)分析，以最大當(dāng)量應(yīng)力和最大位移為參考值，找出管路系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，安裝抗沖擊元件，再進(jìn)行沖擊響應(yīng)分析，從而確定抗沖擊阻尼元件的技術(shù)參數(shù)，為新型阻尼元件的研制奠定基礎(chǔ)。汪宏偉等[3]采用ANSYS—APDL軟件，以某型艦艇動(dòng)力裝置管路系統(tǒng)為模型進(jìn)行參數(shù)化分析建模，再應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)該管路系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的靈敏度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，管路系統(tǒng)管道壁厚、彈性支吊架的剛度大小、集中質(zhì)量的大小、布置位置以及彈性支撐的位置均對(duì)管路系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)有較大影響。李兆俊等[4]采用不同沖擊設(shè)計(jì)方法對(duì)管路系統(tǒng)抗沖擊性能進(jìn)行分析。郭晉挺等[5]提出了多點(diǎn)支撐管路系統(tǒng)的沖擊載荷輸入方法，給出了管路系統(tǒng)的抗沖擊性能評(píng)估方法，分析得出，管路上的沖擊破壞主要集中于彎頭、三通管、接管座根部以及管路與閥門(mén)連接處等部位。

綜上所述，目前Ansys軟件在管路抗沖擊性能研究中有廣泛的應(yīng)用，本文也采用Ansys軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的基于液壓緩沖的減震管夾進(jìn)行了性能分析，并同常規(guī)管夾性能進(jìn)行了比較。

1 帶液壓緩沖管夾的設(shè)計(jì)

管卡本體1兩端通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)緊固件固定在設(shè)備基礎(chǔ)件上，使得管卡本體在安裝時(shí)呈弧形，管卡本體上對(duì)稱(chēng)設(shè)置有預(yù)留縫隙；簧片彈簧3的兩端穿過(guò)預(yù)留縫隙，安裝于管卡本體上，管卡本體和簧片彈簧將管道固定在兩者之間的間隙中，簧片彈簧在安裝時(shí)呈弧形；液壓緩沖裝置6通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)緊固件42，43固定在設(shè)備基礎(chǔ)件5上，包括活塞桿、缸體、活塞和彈簧；活塞桿的頂端與簧片彈簧的弧形底端相連，活塞桿的底端伸入缸體，與活塞相連，活塞通過(guò)彈簧與缸體底部連接；缸體內(nèi)充填粘性液體，粘性液體的高度浸沒(méi)活塞，活塞與缸體內(nèi)側(cè)壁之間存在間隙。

2 實(shí)施案例

安裝時(shí)，管卡1在緊固件41，44作用下，固定在基礎(chǔ)設(shè)施上，簧片3的兩端穿過(guò)管卡1預(yù)留的縫隙，并在穿過(guò)縫隙后的兩端形成卷耳，以便工作時(shí)，簧片彈簧3不會(huì)從管卡1滑出，這樣就將管道2牢牢固定住。液壓緩沖裝置6通過(guò)缸體62的安裝孔用緊固件固定在基礎(chǔ)設(shè)施上，活塞63端部與簧片彈簧3的最底端連接。一旦管道內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)，首先簧片彈簧3參與減震，通過(guò)在管卡1上的縫隙，簧片彈簧3有較大的伸縮量以達(dá)到減震效果，同時(shí)管道2的振動(dòng)也會(huì)擠壓液壓緩沖裝置6中的活塞桿61，通過(guò)活塞桿61抵抗彈簧64的彈簧力和油液的粘性力，彈簧64被壓縮時(shí)，吸收了極小的一部分能量。而活塞63移動(dòng)時(shí)壓縮了缸體內(nèi)的粘性液體，受到壓力作用的液體，流經(jīng)缸體與活塞的環(huán)形間隙進(jìn)入活塞上端儲(chǔ)油腔，在此處把吸收的撞擊能量轉(zhuǎn)化為熱能，起到了緩沖作用?；善瑥椈?和液壓緩沖裝置6共同作用，相對(duì)于僅靠彈簧減震的裝置，提高了減震裝置的穩(wěn)定性，從而保證管道正常工作。

具體安裝步驟如下：

1）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)緊固件將液壓緩沖裝置固定在設(shè)備基礎(chǔ)件上；

2）將簧片彈簧的弧形底端與液壓緩沖裝置中活塞桿的頂端連接；

3）將管道置于簧片彈簧上；

4）在管卡本體的兩側(cè)開(kāi)設(shè)相互對(duì)稱(chēng)的預(yù)留縫隙；

5）將管卡本體置于管道的上方，簧片彈簧的兩端分別穿過(guò)管卡本體兩側(cè)的預(yù)留縫隙，然后將簧片彈簧兩端穿過(guò)預(yù)留縫隙的部分卷曲，形成防止簧片彈簧從預(yù)留縫隙滑出的卷耳；

6）利用標(biāo)準(zhǔn)緊固件將管卡本體固定在設(shè)備基礎(chǔ)件上；

7）在液壓緩沖裝置的缸體內(nèi)充入粘性液體，使粘性液體將活塞浸沒(méi)。

3 帶液壓緩沖減震管夾與普通管夾性能

建立普通的管路與設(shè)備的連接方式及管路與帶液壓緩沖減震管夾連接的抗沖擊裝置模型，如圖3所示。根據(jù)管路布設(shè)特點(diǎn)設(shè)置邊界，如管路截?cái)嗵幉捎脛傂晕灰萍s束。

A 帶液壓緩沖減震管夾 B 普通管夾

圖3 兩種管夾安裝示意圖

應(yīng)用有限元分析軟件，分別對(duì)兩種管路系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析，所進(jìn)行的沖擊時(shí)域仿真分析，考慮管路受到來(lái)自垂向、橫向和縱向相同的沖擊載荷后得到管路的沖擊薄弱環(huán)節(jié)，為管路的抗沖擊設(shè)計(jì)提出建議。

本文進(jìn)行有限元分析時(shí)，按如下順序進(jìn)行：建模-劃分網(wǎng)格—設(shè)定材料屬性—載荷施加—提交計(jì)算—導(dǎo)入分析結(jié)果—處理分析結(jié)果。將最大譜加速度為100G的沖擊轉(zhuǎn)化為時(shí)域輸入，分別從垂向、橫向與縱向?qū)苈废到y(tǒng)進(jìn)行沖擊。在沖擊輸入下，通過(guò)有限元方法計(jì)算得到兩種管夾的最大位移和最大合成應(yīng)力。表1為管路與設(shè)備普通管卡連接方式及帶緩沖管卡連接方式最大位移與最大合成應(yīng)力。

表1 管路與設(shè)備普通管卡連接方式及帶緩沖管卡連接方式

最大位移與最大合成應(yīng)力（100G譜加速度）

4 結(jié)論

本文基于液壓緩沖原理設(shè)計(jì)了一種新型管夾，應(yīng)用Ansys軟件，數(shù)值模擬了分別受到垂向、橫向與縱向沖擊載荷的作用下不同管路與設(shè)備的連接方式最大位移響應(yīng)與最大合成應(yīng)力，采用新型抗沖擊連接裝置時(shí)的管路系統(tǒng)的最大位移響應(yīng)與最大合成應(yīng)力小于采用普通連接方式的管路系統(tǒng)。

同普通管夾相比，帶液壓緩沖的抗沖擊管夾的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）變形小，疲勞壽命得到提高，增加了管路與設(shè)備連接裝置的抗沖擊性能；

2）在沖擊荷載作用下可降低管路與設(shè)備連接處的應(yīng)力；

3）有效防止管路與設(shè)備連接處在沖擊作用下發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馮原.艦船復(fù)雜管路系統(tǒng)抗沖擊問(wèn)題研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2005.

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[3]汪宏偉，汪玉，趙建華.EFAST法在管路系統(tǒng)沖擊響應(yīng)中的應(yīng)用研究[J].振動(dòng)與沖擊，2010，29（4）：197-199.

[4]李兆俊，汪玉，陳學(xué)德，等.管路系統(tǒng)沖擊設(shè)計(jì)方法分析[J].振動(dòng)與沖擊，2008，27（9）：171-174.

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