一種基于液壓緩沖的減震管卡設計與性能分析

潘瑾　沈中祥　李兆鵬　陶煊煒

【摘 要】依據液壓緩沖原理，設計了一種帶液壓緩沖的新型管夾?；贏nsys有限元軟件，數值模擬受到來自垂向、橫向和縱向的沖擊載荷時，普通管夾和帶液壓緩沖的新型管夾管路系統的抗沖擊性能，結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。

【關鍵詞】管路系統；管夾；液壓緩沖；數值模擬

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，船舶等行業中，都采用了許多管道系統，是用于輸送各種流體介質的管道及其附屬機件、監測儀表、泵和閥門等的總稱。在正常工作情況下，管道系統的支承能夠滿足管道的靜應力及熱變形要求，但管路系統的振動噪音也會對工人工作環境的安靜性、舒適性造成不可忽視的影響，劇烈的振動甚至會造成構件的疲勞破壞，使管路斷裂影響系統的安全性。

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

目前國內關于管路系統抗沖擊性能的研究尤其是關于艦艇管路系統的研究比較少，主要研究手段是采用理論分析與數值模擬。上海交通大學的馮原[1]采用有限元軟件數值模擬分析了艦船復雜管路系統抗沖擊性能，并利用單點譜分析方法定性地得到管道系統的位移、應力、應變的最大沖擊響應情況，并進行了實驗驗證。王秋穎[2]則采用沖擊響應的譜分析方法，對汽輪機進汽管路進行了沖擊響應分析，以最大當量應力和最大位移為參考值，找出管路系統中的薄弱環節，安裝抗沖擊元件，再進行沖擊響應分析，從而確定抗沖擊阻尼元件的技術參數，為新型阻尼元件的研制奠定基礎。汪宏偉等[3]采用ANSYS—APDL軟件，以某型艦艇動力裝置管路系統為模型進行參數化分析建模，再應用MATLAB軟件對該管路系統沖擊響應的靈敏度進行分析。結果表明，管路系統管道壁厚、彈性支吊架的剛度大小、集中質量的大小、布置位置以及彈性支撐的位置均對管路系統的沖擊響應有較大影響。李兆俊等[4]采用不同沖擊設計方法對管路系統抗沖擊性能進行分析。郭晉挺等[5]提出了多點支撐管路系統的沖擊載荷輸入方法，給出了管路系統的抗沖擊性能評估方法，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用，本文也采用Ansys軟件對所設計的基于液壓緩沖的減震管夾進行了性能分析，并同常規管夾性能進行了比較。

1 帶液壓緩沖管夾的設計

管卡本體1兩端通過標準緊固件固定在設備基礎件上，使得管卡本體在安裝時呈弧形，管卡本體上對稱設置有預留縫隙；簧片彈簧3的兩端穿過預留縫隙，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，簧片彈簧在安裝時呈弧形；液壓緩沖裝置6通過標準緊固件42，43固定在設備基礎件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，活塞通過彈簧與缸體底部連接；缸體內充填粘性液體，粘性液體的高度浸沒活塞，活塞與缸體內側壁之間存在間隙。

2 實施案例

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

具體安裝步驟如下：

1）通過標準緊固件將液壓緩沖裝置固定在設備基礎件上；

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）在管卡本體的兩側開設相互對稱的預留縫隙；

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

6）利用標準緊固件將管卡本體固定在設備基礎件上；

7）在液壓緩沖裝置的缸體內充入粘性液體，使粘性液體將活塞浸沒。

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。根據管路布設特點設置邊界，如管路截斷處采用剛性位移約束。

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

應用有限元分析軟件，分別對兩種管路系統模型進行仿真分析，所進行的沖擊時域仿真分析，考慮管路受到來自垂向、橫向和縱向相同的沖擊載荷后得到管路的沖擊薄弱環節，為管路的抗沖擊設計提出建議。

本文進行有限元分析時，按如下順序進行：建模-劃分網格—設定材料屬性—載荷施加—提交計算—導入分析結果—處理分析結果。將最大譜加速度為100G的沖擊轉化為時域輸入，分別從垂向、橫向與縱向對管路系統進行沖擊。在沖擊輸入下，通過有限元方法計算得到兩種管夾的最大位移和最大合成應力。表1為管路與設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力。

表1 管路與設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力（100G譜加速度）

4 結論

本文基于液壓緩沖原理設計了一種新型管夾，應用Ansys軟件，數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備的連接方式最大位移響應與最大合成應力，采用新型抗沖擊連接裝置時的管路系統的最大位移響應與最大合成應力小于采用普通連接方式的管路系統。

同普通管夾相比，帶液壓緩沖的抗沖擊管夾的優點如下：

1）變形小，疲勞壽命得到提高，增加了管路與設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備連接處的應力；

3）有效防止管路與設備連接處在沖擊作用下發生斷裂的風險。

【參考文獻】

[1]馮原.艦船復雜管路系統抗沖擊問題研究[D].上海：上海交通大學，2005.

[2]王秋穎.艦用蒸汽管路抗沖擊分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

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

[4]李兆俊，汪玉，陳學德，等.管路系統沖擊設計方法分析[J].振動與沖擊，2008，27（9）：171-174.

[5]郭晉挺，司馬燦，劉建湖，等.艦艇管路系統的抗沖擊性能彈性評估方法[J].船舶力學，2004，8（4）：108-115.

[6]陳剛，汪玉，毛為民，等.沖擊載荷作用下艦艇管路系統全局參數靈敏度分析[J].振動與沖擊，2007，26（3）：45-48.