氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥振動(dòng)試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

張孫力

摘要：調(diào)節(jié)閥作為重要的流體調(diào)節(jié)裝置，其在設(shè)計(jì)與使用中的可靠性對(duì)于系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。文中針對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)，采用掃頻和定頻振動(dòng)方式，檢驗(yàn)閥門(mén)的抗振能力。并結(jié)合模態(tài)與諧響應(yīng)仿真分析方法，對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥不同結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性進(jìn)行研究，得到諧振時(shí)閥門(mén)的危險(xiǎn)部位在閥蓋的頸部和閥體的法蘭端部，并提出優(yōu)化建議，改進(jìn)后氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的最大應(yīng)力顯著減小，有效提高了抗振性能和使用壽命。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥；振動(dòng)試驗(yàn)；諧振應(yīng)力；疲勞強(qiáng)度

Vibration Test and Structural Response Analysis of a Pneumatic Regulating Valve

ZHANG Sunli

（1 Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute，F(xiàn)uzhou 350008，F(xiàn)ujian， China）

（2 National Quality Inspection and Testing Center of Valve Products（Fujian），Quanzhou 362800，F(xiàn)ujian， China）

Abstract： As an important fluid regulating device， its reliability in design and use is very important to the safe operation of the system. The vibration test is carried out for a pneumatic regulating valve using sweep frequency and fixed frequency vibration methods to test the valve's ability to withstand vibration. Combined with the modal and harmonic response simulation analysis method， the response characteristics of different structures of pneumatic control valve were studied. The dangerous parts of the valve are found at the neck of the valve cover and the flange end of the valve body during resonance， and optimization suggestions are put forward. The maximum stress of the improved pneumatic control valve is significantly reduced， and the anti-vibration performance and service life are effectively improved.

Key Words： Pneumatic control valve;? Vibration test;? Resonant stress;? Fatigue strength

0引言

調(diào)節(jié)閥作為管道系統(tǒng)的控制元件，通過(guò)電動(dòng)或氣動(dòng)等方式帶動(dòng)閥門(mén)動(dòng)作，改變流量、壓力、溫度、液位等參數(shù)，滿(mǎn)足了冶金、能源、化工、石油、軍事、水利等各行業(yè)的應(yīng)用需求[1]。隨著實(shí)際應(yīng)用工況的復(fù)雜化，調(diào)節(jié)閥在廣泛應(yīng)用的過(guò)程中，振動(dòng)問(wèn)題逐漸凸顯。調(diào)節(jié)閥的振動(dòng)會(huì)帶來(lái)閥門(mén)及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的損壞，影響管路系統(tǒng)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的還會(huì)造成介質(zhì)泄漏等系列問(wèn)題[2]。因此，對(duì)調(diào)節(jié)閥開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)和相關(guān)振動(dòng)研究對(duì)于產(chǎn)品實(shí)際工作中的可靠應(yīng)用十分重要。

文中采用試驗(yàn)方法結(jié)合仿真分析對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行振動(dòng)研究。采用掃頻和定頻振動(dòng)方式，檢驗(yàn)閥門(mén)的抗振能力，結(jié)合模態(tài)與諧響應(yīng)仿真分析方法，對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥不同結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性進(jìn)行研究，得到諧振時(shí)閥門(mén)的危險(xiǎn)部位，優(yōu)化后有效提升調(diào)節(jié)閥的抗振性能和使用壽命。研究結(jié)果可為調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考，提高國(guó)產(chǎn)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)和使用的可靠性。

1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)基礎(chǔ)理論

調(diào)節(jié)閥振動(dòng)特性研究就是研究結(jié)構(gòu)在不同持續(xù)頻率的周期載荷作用下產(chǎn)品的響應(yīng)特性[3]。將復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為彈簧振子系統(tǒng)，它的動(dòng)力學(xué)方程為[4]：

這個(gè)方程的解分兩部分：通解和特解。通解為阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)的響應(yīng)，該響應(yīng)隨時(shí)間衰減，稱(chēng)為瞬態(tài)響應(yīng)，特解為強(qiáng)迫振動(dòng)的響應(yīng)，該響應(yīng)不隨時(shí)間衰減，也叫穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。振動(dòng)試驗(yàn)就是求解強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)的試驗(yàn)。

2 振動(dòng)試驗(yàn)

當(dāng)外界的激勵(lì)頻率接近或等于閥門(mén)的固有頻率時(shí)，閥門(mén)才發(fā)生共振現(xiàn)象。共振時(shí)，結(jié)構(gòu)或材料發(fā)生大幅度的振動(dòng)，這將導(dǎo)致閥門(mén)使用壽命降低，甚至帶來(lái)結(jié)構(gòu)失效。因此，調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)和使用要盡量避免共振，提高調(diào)節(jié)閥在系統(tǒng)中的可靠性。

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)作為振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)儀器，對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)具有重要意義。電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)包括電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)、功率放大器、振動(dòng)控制儀器、冷卻風(fēng)機(jī)及測(cè)量?jī)x器（如傳感器）等組成。

試驗(yàn)要求參照GB/T 4213-2008[5]中耐工作振動(dòng)性能的試驗(yàn)要求，將某型氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥按工作位置安裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，如圖2所示。

輸入氣動(dòng)信號(hào)將閥門(mén)半開(kāi)，在10～55Hz，輸入信號(hào)為0.15mm位移幅值；在55～150Hz，采用20m/s²加速度幅值進(jìn)行正弦掃頻振動(dòng)。以0.5 octave/min的速度在X，Y，Z三個(gè)方向上進(jìn)行掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，獲取150Hz內(nèi)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的共振頻率。

試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示。

試驗(yàn)得到在150Hz內(nèi)，X方向的共振頻率為47.77Hz，Y方向的共振頻率為42.55Hz，125.32Hz，Z方向無(wú)諧振點(diǎn)。

調(diào)節(jié)閥使用時(shí)，由于管道系統(tǒng)和流體工況變化等環(huán)境因素的影響，易發(fā)生振動(dòng)，因此需要在共振點(diǎn)進(jìn)行30min的耐振試驗(yàn)，綜合測(cè)評(píng)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在振動(dòng)影響后的性能，包括閥門(mén)基本誤差、回差和填料函及其他連接處的密封性是否還符合設(shè)計(jì)要求。

按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4213-2008A級(jí)要求，基本誤差的允許范圍為±4%，回差的允許范圍為3%。表1為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)前后相關(guān)測(cè)量參數(shù)，實(shí)驗(yàn)后基本誤差稍有增大，回差有所下降，但基本誤差、回差、填料函及其他連接處密封性均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。說(shuō)明該調(diào)節(jié)閥啟閉靈活，無(wú)明顯卡阻，具有良好的耐振性能。

3 有限元分析

3.1 模態(tài)分析

所研究氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥流通介質(zhì)為氣體，密度較小，故可不考慮工作情況下流體介質(zhì)質(zhì)量帶來(lái)的閥門(mén)結(jié)構(gòu)模態(tài)變化。對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)氣動(dòng)裝置部分簡(jiǎn)化建模，添加點(diǎn)質(zhì)量來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)質(zhì)心和氣動(dòng)裝置質(zhì)量，等效實(shí)際氣動(dòng)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度影響。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)所建立模型進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的模態(tài)仿真分析結(jié)果見(jiàn)表2。

模擬固有模態(tài)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，一階模態(tài)的誤差為1.2%，二階模態(tài)的誤差小于0.1%，三階模態(tài)的誤差為0.6%，誤差在可接受范圍內(nèi)，所建立分析模型符合實(shí)際情況，可采用該模型進(jìn)行后續(xù)閥門(mén)結(jié)構(gòu)和應(yīng)力響應(yīng)研究。

表3為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥各階模態(tài)X，Y，Z方向有效質(zhì)量占比，前四階模態(tài)振型圖如圖6所示。

根據(jù)表3和圖6結(jié)果，分析得到一階和二階模態(tài)頻率下的諧振對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)影響明顯。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在一階模態(tài)易受到Y(jié)方向激振力的影響，沿激振力方向擺動(dòng)。閥門(mén)在二階模態(tài)易沿著X方向進(jìn)行擺動(dòng)。三階和四階模態(tài)展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相同。

3.2諧響應(yīng)分析

對(duì)閥門(mén)前兩階模態(tài)諧響應(yīng)下的閥體、閥蓋、閥桿進(jìn)行應(yīng)力分析，輸入信號(hào)與試驗(yàn)相同。由于輸入信號(hào)是位移幅值，采用諧響應(yīng)分析的完全法計(jì)算在諧振頻率下氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，并分析結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面。一階、二階模態(tài)調(diào)節(jié)閥不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖7所示。

由圖7可知，調(diào)節(jié)閥閥體、閥蓋、閥桿、支架在42Hz定頻振動(dòng)下的應(yīng)力峰值比48Hz時(shí)大。在42Hz和48Hz定頻振動(dòng)時(shí)，閥蓋的應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在頸部，分別為107MPa和86.5MPa；閥體的峰值應(yīng)力分別出現(xiàn)在法蘭頸部和加強(qiáng)筋板處，大小為84.9MPa和28.2MPa；閥桿的峰值應(yīng)力在42Hz定頻振動(dòng)下出現(xiàn)在閥桿中部，48Hz振動(dòng)時(shí)出現(xiàn)在閥桿中上位置，大小分別為69.3MPa和67.5MPa。該調(diào)節(jié)閥如在條件惡劣的工況下工作，建議在閥蓋頸部增加加強(qiáng)筋，增大閥體法蘭段圓弧過(guò)渡角度。

當(dāng)閥門(mén)使用時(shí)的最大應(yīng)力不大于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力時(shí)，閥門(mén)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)符合要求，此時(shí)對(duì)閥門(mén)使用的可靠性影響較大的是疲勞強(qiáng)度。材料的疲勞強(qiáng)度通常用S-N曲線(xiàn)材表示。

圖8為典型的S-N曲線(xiàn)，分為三段：低周疲勞區(qū)（LCF）、高周疲勞區(qū)（HCF）、亞疲勞區(qū)（SF）。橫軸為疲勞強(qiáng)度，縱軸為外加應(yīng)力。Weibull計(jì)算公式為[6]：。

圖9是優(yōu)化后閥體、閥蓋的一階模態(tài)諧振應(yīng)力云圖，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，閥體、閥蓋一階模態(tài)諧振響應(yīng)應(yīng)力減小，閥體的最大應(yīng)力減小了42%，閥蓋的最大應(yīng)力減小了32.3%，結(jié)構(gòu)抗振性能得到了顯著提升，使用強(qiáng)度壽命得到延長(zhǎng)。

4 結(jié)論

1）通過(guò)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥振動(dòng)試驗(yàn)，得到42.55Hz，47.77Hz和125.32Hz為所研究氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的共振頻率。調(diào)節(jié)閥承受諧振試驗(yàn)后，基本誤差、回差、填料函及其他連接處密封性均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，具有較好的抗振性能。

2）氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的模態(tài)分析和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，最大誤差僅為1.2%。說(shuō)明氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥模型建立較符合實(shí)際情況，可運(yùn)用該模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)仿真研究。

3）諧響應(yīng)分析結(jié)果表明，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥蓋的危險(xiǎn)部位在頸部，閥體的危險(xiǎn)部位在法蘭圓角處，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效提升了調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和強(qiáng)度壽命。

參考文獻(xiàn)

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