【正文】 第一章 緒 論 1 第一章 緒 論 研究背景 壓縮機是用以提高各種氣體壓力的一種通用機械，是機械工業(yè)中量大面廣的產(chǎn)品之一。在國民經(jīng)濟許多部門中得到十分廣泛的應用，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、醫(yī)生、國防、科研乃至全入民生活的許多領域，尤其在化工、合成、煤炭、石油、建筑施工、海洋工程等方面，更是必不可少的動力設備。壓縮機、泵、風機和電動機等四類產(chǎn)品的設計制造水平，以及它們的遠行經(jīng)濟性和可靠性，己被認為是衡量一個國家機械工業(yè)發(fā) 展狀況和水平的標志之一。容積式壓縮機的種類很多，適用的范圍各不相同。據(jù)我國機械工業(yè)部的統(tǒng)計，社會對各類容積式壓縮機的需求最 (按噸位均為 :活塞式壓縮機 86%，螺桿式 %,滑片式 %,隔膜式及其它型式為 3%。 由此 可以看出，活塞式壓縮機的需求量最多 ， 在經(jīng)濟建設中的重要性不言而喻 。 活塞式壓縮機是通過曲柄連桿機構(gòu)，把驅(qū)動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞的往復運動而對氣體做功，提高氣體的壓力，屬于往復式運動機械。這類機械帶來兩個特點 :一是運行過程將產(chǎn)生往復慣性力，通過機構(gòu)傳給基礎 。二是具有明 顯脈動性質(zhì)的氣體壓力，產(chǎn)生交變 的活塞力作用在壓縮機機構(gòu)上，從而引起壓縮機機組和管道振動。 雙作用壓縮機每個汽缸在曲柄一轉(zhuǎn)中有兩個壓縮行程的壓縮機，即活塞兩面都是工作面的壓縮機。壓縮機氣缸兩端都有吸排、閥，運行到一側(cè)止點的活塞往回運行時，在對一側(cè)氣體進行壓縮排氣的同時，另一側(cè)的余隙壓縮氣體則膨脹，在氣體膨脹到壓力低于進氣壓力時，又進行吸氣，活塞在氣缸內(nèi)循環(huán)運行一次，能完成兩次膨脹、吸氣、壓縮和排氣過程。這樣的壓縮機叫雙作用壓縮機 。 壓縮機 氣流脈動 的振動會引起管道的振動，強烈的管道振動給生產(chǎn)帶來了嚴重的危害 :使得管道結(jié)構(gòu)、管路附件產(chǎn)生疲勞破壞 ，特別是管道的連接部位和管道與附件的連接部位等處發(fā)生松動和破裂 :使得壓縮機的工況變壞，閥片過早損壞 :使得管道上的或附近的計測儀表失真或者毀壞 。使得噪聲增大，影響了工作人員的身心健康等等。所造成的損失輕則引起泄漏，重則由破裂而引起爆炸、燃燒，造成嚴重事故。在美國，因管道的振動而造成的損失，每年就達到 1 個 億美元，并且在 I00起毀壞事件中，由管道振動而引起的，就占了 %,占了第二位，機械故障為第一位。在國內(nèi)，由于管道振動而造成的泄漏和爆炸事故也迭有發(fā)生。某廠壓縮機管道由于振動疲勞，在使用中突然斷裂，大量氣體泄 漏 入室內(nèi)，沖破照明燈，引西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文） 2 起空間爆炸，造成嚴重損失 :某化學公司有機合成廠因放 空管振裂，泄出乙烯氣，立即引起大火，燒化和燒壞垮塌廠房屋頂，損壞設 備和管道，釀成重大事故。 研究意義 隨著工業(yè)的發(fā)展和安全生產(chǎn)的需要，壓縮機在廣泛應用于石油化工、化學化工、動力水能等工業(yè)領域的同時，其管道的振動問題也越來越引起人們的重視。國內(nèi)壓縮機生產(chǎn)廠家在壓縮機管道振動問題上一直未得到很好的解決 .由振動引起的管道振裂、限時運轉(zhuǎn)、氣體泄漏等事故時有發(fā)生。 特別是 對于化工及石油等工礦企業(yè)，生產(chǎn)機器能安全有效的運轉(zhuǎn)就是最大的經(jīng)濟性。壓 縮機管道振動帶來的危害，就是對經(jīng)濟性最大的威脅。因此，研究壓縮機管道的振動問題并有效的控制振動 、 消除振動是一個具有重要現(xiàn)實意義的課題，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。 理論 研究現(xiàn)狀 壓縮機管道振動研究，在二十世紀五十年代就已開始。但是長期以來，人們只能對簡單管道的固有頻率做出計算。復雜管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動力特性，自一九五四年開始，應用計算機來求解。但因當時計算機速度慢，存儲量小，對太復雜的管系還是不能進行計算。一九五六年后，出版了大量矩陣代數(shù)的著作，同時計算機的速度和存儲量迅速增大，這就有可能對任何復雜的管 道系統(tǒng)進行有效的分析計算。到一九七五年，國外有人首先采用有限元法把框架結(jié)構(gòu)固有頻率值解析法應用于管道系統(tǒng)，計算其固有頻率及振型，并進一步應用所得結(jié)果進行相應計算。國外在這方面的工作已經(jīng)做的不少，并對生產(chǎn)起了重要的指導作用。 國內(nèi)西安交通大學最早從 1972 年開始該課題的研究，陸續(xù)研制了包括復雜管道系統(tǒng)氣柱固有頻率、氣流壓力脈動、機械固有頻率以及管道系統(tǒng)機械振動分析計算的整套大型通用程序， 1984 年出版了國內(nèi)截至目前唯一的《活塞式壓縮機氣流脈動與管道振動》專著， 1985 年獲得了國家級的科技進步二等獎。 并結(jié)合工程實際，先后解決了大批大中企業(yè)的壓縮機管道振動課題。 現(xiàn)狀 針對工程實際中出現(xiàn)的問題，管道振動的工程應用研究主要是尋求最實用有效的管道減振方法。在氣流脈動的發(fā)源處即靠近壓縮機氣缸處設置緩沖器，是最方便且有效的管道振動控制措施。緩沖器能使其后管道內(nèi)的氣流脈動變得緩和，降低排氣或吸氣沖擊造成得損失，以及降低管道內(nèi)的阻力損失。 在 1952 年，國外就有學者對單容積緩沖器和濾波器型緩沖器的安放位置進行了研究，得出在第一章 緒論 3 這兩種容積相等條件下，使用濾波型緩沖器，在器前管路內(nèi)的壓力脈沖要高出使用單個容積 緩沖器前的 1 倍，而在后的管路內(nèi)的壓力脈動卻大約 是 單個容積緩沖器后管路內(nèi)壓力脈動的一半。國內(nèi)西安交通大學的孫嗣瑩等也對緩沖器的安放位置進行了研究 [17]，得出緩沖器愈靠近氣缸，消振效果就愈明顯。 1979 年，竟錫淇、陳守五等對孔板消減氣流脈動的機理進行了研究 ， 當緩沖器沒有緊靠氣缸，緩沖效果不理想時，特別是氣缸與緩沖器間連接管為共振管長時，在緩沖器法蘭處安裝恰當尺寸的孔板，可以增強緩沖效果。孔板內(nèi)徑邊緣處必須保留銳利棱角，不得倒角，否則會降低消振效果，而且孔板材料應與管道材料相同。 國外還有學者對氣流脈動衰減器 、多孔聲學濾波器、孔管子的衰減器等振動控制設施進行了研究，其減振效果如應用得當 ， 比緩沖器效果更佳。但由于這些設施結(jié)構(gòu)較復雜，制造成本高，在目前的實際中應用尚少。參考實際運行中的各壓縮機，其管道的大致布局及加彈性支承的個數(shù)是受到限制的，所以要加強管道系統(tǒng)的剛度只能改變各支承剛度的大小。因此，在管道系統(tǒng)的設計過程中，優(yōu)化設計管道系統(tǒng)的支承剛度對管道結(jié)構(gòu)的振動非常關鍵。在 1989 年，國外學者NSCIta 等就對管道結(jié)構(gòu)支承的優(yōu)化進行了研究 .國內(nèi)西安交通大學的陳玲莉、王瑞等以實際工程應用為主要出發(fā)點，提出了壓縮機管道 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)支承剛度的動力優(yōu)化數(shù)學模型，并且推導了在周期激振力作用下穩(wěn)態(tài)響應幅值隨設計變量變化的靈敏度分析公式 :對壓縮機管道結(jié)的優(yōu)化設計具有重要的指導意義 。 本文的主要工作 本文結(jié)合某氣田的往復式壓縮機工藝管道系統(tǒng)，分以下幾個方面進行研究和分析計算： 1分別建立了各級進、排氣管線的分析、計算力學模型； 2利用相關的“壓縮機管道系統(tǒng)固有特性分析”科研軟件，進行了模擬分析計算； 3根據(jù)分析計算結(jié)果，判斷出該設計管道系統(tǒng)的動力特性，提出了排除管道系統(tǒng)避開共振運行的改進方案。 西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文） 4 第二章 管道結(jié)構(gòu)的動力 特性分析 管道系統(tǒng)是一個彈性的連續(xù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它在管內(nèi)脈動流體的激發(fā)下，產(chǎn)生相應的機械振動。設計管道時，除計算管道內(nèi)流體的氣柱固有頻率和壓力脈動外，還必須對管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)固有頻率和機械振動進行分析和計算，只有這樣，才能準確預計壓縮機在工作時管系的振動情況，判明管道工作時的安全可靠程度。 物體的振動是指物體在穩(wěn)定平衡位置附近所作的往復性運動。系統(tǒng)由初始干擾所引起，而后僅在恢復力作用下的振動，稱為自由振動。而管道系統(tǒng)的振動并不是自由振動，它是由于作用在管道系統(tǒng)上的周期性激振力所引起的受迫振動。這種激振力有兩個來源 ，一是管道內(nèi)的脈動壓力，另一是壓縮機運動機構(gòu)的不平衡質(zhì)量引起的慣性力。其中管道內(nèi)的脈動壓力是激振力的主要來源。 系統(tǒng)作同步自由振動時的頻率稱為系統(tǒng)的固有頻率。系統(tǒng)固有頻率的大小只 與該系統(tǒng)的質(zhì)量和剛度有關。 N 個自由振動系統(tǒng)有 N 個固有頻率。當作用在系統(tǒng)上的干擾力頻率 (或稱激發(fā)頻率 )等于或接近系統(tǒng)的固有頻率時，振動系統(tǒng)的振幅會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為機械共振。管道系統(tǒng)設計的目的，不僅要避免氣柱共振，而且要避免機械共振。 管道振動的原因 根據(jù)作用力自身的特點，管道的振動大致是由以下三種原因引起的 : （ 1）機體 振動引起管道振動。由于振動具有傳遞性，機體振動將引起管道振動，機體振動越強烈管道振動越強烈。 （ 2）流體脈動引起管道振動。由于往復式壓縮機的工作特點是吸排流體呈間歇性和周期性，至使激起管內(nèi)流體呈脈動狀態(tài) (以下簡稱脈動 ).脈動的流體沿管道輸送時，遇到彎頭、異徑管、控制閥、盲板等元件，由于瞬間壓力、速度、密度的變化，將產(chǎn)生隨時間變化的激振力 (不平衡力 )，受該力作用，管道結(jié)構(gòu)及附件便產(chǎn)生一定的機械振動響應。 (3)管道的共振。輸送介質(zhì)的管道系統(tǒng)具有一系列固有頻率，當往復式壓縮機激發(fā)頻率與某階固有頻率相等時，系統(tǒng)即 產(chǎn)生對應于該階頻率的共振。共振對管道的振動影響很大，一般采用核算頻率的方法來避開頻率重疊發(fā)生的可能，處理辦法通常就是調(diào)節(jié)支架間距。 調(diào)整管系結(jié)構(gòu)的固有頻率以避免發(fā)生機械共振 第二 章 管道結(jié)構(gòu)的動力特性分析 5 在整個管系脈動值都控制在安全所允許的范圍內(nèi)之后， 計算、調(diào)整 管系的機械固有頻率， 以避開 與 活塞 激發(fā)頻率 對應的共振區(qū)就至關重要 ， 否則即使減小脈動的有效措施采取，也達不到減振目的，還會引起共振。西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文） 6 第三章 復雜管系結(jié)構(gòu)固有頻率計算 SAPP 概述 基本功能和運行方式 SAPP 用于計算復雜管系的固有頻率計算。 裝機后， SAPP 存放在＼ PAP＼ OVR 目錄下。 數(shù)據(jù)輸人方式，指令為： SAPP／ 0 輸入數(shù)據(jù)文件名 [結(jié)果數(shù)據(jù)存放目錄名 ] SAPP 運行完畢后所有數(shù)據(jù)存放在＼ PAP＼ FOR2＼ DATA 下，如果指定了結(jié)果數(shù)據(jù)的存放目錄，則 SAPP 會自動將 DATA 下有關的文件拷到用戶指定的目錄下。 單位約定 為了方便于工程習慣，這部分數(shù)據(jù)的單位如下：長度單位采用 mm，質(zhì)量單位采用 Kg。 數(shù)據(jù)格式 文件的數(shù)據(jù)格式可用下圖 （ 31） 表示 ： * 以下一行為注釋卡 (注意該卡不得以 *號打頭 ) 結(jié)構(gòu)振動算例一 * 以下為控制卡 (1) 1 15 1 0 100 * 以下為控制卡 (2) 10 * 以下 {}對為計算固有頻率所需的數(shù)據(jù)。 {． ．．．．．．．．． } 文件中可在任何位置插人空行和注釋行，注釋行的標志符是，該行首列字符第三章 復雜管系結(jié)構(gòu)固有頻率計算 7 為 *，注釋卡不得以 *開頭。 每行長度不得超過 1 3 2 列字符，程序忽略 1 3 3 列以后的數(shù)據(jù)。 結(jié)點號可以是數(shù)字也可以是字符串。只需在匯流 (如三通等 )、有附加質(zhì)量或剛度處標出?？刹还芷浯笮『晚樞?。 約定：【 】中的參數(shù)為選擇項，必選一項。如【 x | Y | z】意為必選 x、 Y、 z中的一個。 〖 〗表示任選項，根據(jù)需要可有可無。如遁〖 DN〗表示轉(zhuǎn)彎半徑大小的輸人方式，使半徑輸入能按絕對大小方式和按相對管徑大小方式輸人。 所有命令和操作數(shù)之間用空格空開，因而空格不能出現(xiàn)在標號 (結(jié)點編號 )內(nèi)部。 將數(shù)據(jù)的輸入劃分為：主控數(shù)據(jù)、結(jié)點和單元數(shù)據(jù)輸人二個部分。 主控數(shù)據(jù) 注釋卡 (8 0 個字符 ) NAME： 注釋字符 控制卡 (1) PAGE： 大頁碼 (號 ) ROOTS： 所求固有頻率的階數(shù) LOADCASE： 載荷類型（ 取 0） BANDMIN： 保留 (取 0) COORD： 初始坐標系類型 (提供四種座標類型、見下 圖 31) 代碼 (從左到右共 4 位 )首位為坐標類型，按圖示坐標系配置時二、三、四位均取為 0 值；如坐標軸 X、 Y、 Z 的指向與圖示指向相反時，則將 0 改為 1。 控制卡 (2) N： 激振力的階數(shù)（最大不要超過 3 2) 西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文） 8 F0： 激振力基頻 （ Hz） 結(jié)點和單元數(shù)據(jù) 以下數(shù)據(jù)應放在第一對大括號 { }內(nèi)，第一組數(shù)應為啟始點的絕對坐標 。 輸入坐標格式 起始坐標輸人 命令字：缺省 格式： X Y Z 〖： 〗 示例： 10 100 說明： X， Y， Z 為啟始點的絕對坐標，本命令必需緊跟左大括號 “ {” 后首先出現(xiàn)，且只能出現(xiàn)一次。 沿各坐標軸向輸入相對坐標 從參考點起，沿 x 或 y 或 z 走一個距離，確定一個新的點 M01。 命令字：【 x | Y | z】 格式： ? ? 〖： 〗 示例： Y 100 ： M01 說 明：該點在離參考點沿 Y 軸 1 0 0 的位置上，編號為 M 0 1。 單元劃分疏密控制 命令字： L 格式： L DL 示例 ： L 1000 說明：該指令指定單元劃分的疏密程度 (單元的長度 )，系統(tǒng)的缺省值為 1000，通?？稍诠芟底兓^復雜、跨度較小、轉(zhuǎn)彎前等區(qū)段指定較小的 L