CN109630590A - 一种塔器用防振粘滞阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种塔器用防振粘滞阻尼器，包括销头、油缸、活塞杆、阻尼介质、活塞、阻尼器卡座及塔器连接件；该粘滞阻尼器相互呈90°排列，共4个，安装于40％‑60％塔器高度处。本发明给出了粘滞阻尼器结构参数的确定方法，并列出了相对阻尼系数、速度指数和相对刚度系数的取值范围，在阻尼器设计时，可直接供设计人员参照；通过实例，安装本发明所提出的粘滞阻尼器后，相比于原始塔器，可减少风致振动响应70.6％，减少地震响应70％，减振效果明显，适用于工程应用。本发明具有易设计、易安装、减振防振效果显著、易于推广的特点。

Description

一种塔器用防振粘滞阻尼器

技术领域

本发明应用于石油、化工和制药等行业，涉及一种塔器用防振粘滞阻尼器，主要应用在塔器承受风载荷或地震载荷时的减振防振装置设计。

背景技术

石油化工生产中广泛应用的塔器，具有高径比大、固有频率低和阻尼比小的特点，存在于精馏、萃取、吸收等诸多化工操作单元中。塔器由于结构特殊和工艺需求等原因，一般安放在露天环境中，并经常处于孤立的状态。因此，塔器除了承受自身载荷和操作载荷外，还包括风载荷和地震载荷。风致振动中较为常见且危害较大的是横风向振动，塔器在短时间内发生横风向振动会影响正常操作和产品质量，长时间共振甚至会造成设备的破坏甚至倒塌。特别是伴随着钢材料领域的不断发展和工艺方面提出的更高要求，塔器的设计和制造参数(高度、高径比等)越来越大，使得塔器变得越来越柔，阻尼不断减小，这使得塔器在风载荷和地震载荷作用下更加容易产生振动。

目前，塔器防振的措施主要有三种，即增大自振周期、采用扰流装置和增大阻尼比。对塔器来说，增大自振周期可能会破坏原有工艺条件，增加壁厚，增加制造成本；扰流装置则是目前化工塔器使用最多的防振措施，但其必须在设计时就予以考虑，若塔器安装完毕后，依旧发生大幅振动，则会束手无策；通过增设阻尼器来增大阻尼比则是最为简单方便、最适宜工程应用的措施。阻尼器属于耗能减振(震)技术，对结构的减振效果好，但是目前多集中在建筑工程领域刚性框架结构，未见对化工塔器的应用和相关研究。尽管粘滞阻尼器的主体结构及主体尺寸计算方法已趋于成熟，但阻尼器的设计与应用是与结构相匹配的，是服务于减振对象的。不同的减振对象，会与阻尼器构成不同的体系，此时，阻尼器的设计参数也需要更改。然而当服务对象为塔器时，由于塔用粘滞阻尼器的具体结构形式尚不明确，各部件的参数设计缺乏指导及规范，一直限制了塔用粘滞阻尼器的创新和发展，亟需一种具有详细结构并配有结构参数设计方法的塔用粘滞阻尼器，实现塔器的减振防振。

发明内容

本发明的目的是设计一种塔器用粘滞阻尼器，避免塔器在风载荷和地震载荷下产生大幅振动，实现减振防振。

本发明的原理是：通过在塔体和框架间增设粘滞阻尼器，增加系统的阻尼，将塔器振动所产生的能量借由粘滞阻尼器快速耗散，使塔体振幅迅速衰减，降低塔顶振幅，从而避免塔器发生振动破坏。

本发明的思路是：设计粘滞阻尼器结构，根据阻尼器理论模型，结合塔器结构参数，确定阻尼器各结构的具体参数，选定最优的安装位置，实现塔器的减振防振。

本发明技术方案如下：

一种塔器防振用粘滞阻尼器，包括销头1、油缸2、活塞杆3、阻尼介质4、活塞5、阻尼器卡座6组成，卡座通过螺栓固定在钢制框架7上，塔器连接件固定在塔器上。活塞在油缸内作往复运动，阻尼孔是在活塞上开有的小孔，以便阻尼材料流动，油缸内装满流体阻尼材料。阻尼器通过卡座固定在钢制框架上，活塞杆一端装有销头，并与塔器连接件通过万向轴承连接。阻尼器带来的阻尼器最终产生的阻尼力由式(1)计算。

F＝2πmωC_rξv^α+K_rω²mu (1)

式中：v—塔器振动速度，m/s；u—塔器振动位移，m；m—塔器质量，kg；ω—塔器一阶固有圆频率，rad/s；ξ—塔器阻尼比；C_r—相对阻尼系数；K_r—相对阻尼器刚度系数；α—流动指数，F—粘滞阻尼器产生的阻尼力，N。

在传统的建筑工程领域，被应用物体诸如钢架、高楼等刚度较大，粘滞阻尼器可被视作理想的，其仅具有耗能功能，不具备刚度，一般以非线性模型考虑，即式(1)只存在2πmωC_rξv^α这一项，因此粘滞阻尼器的耗能能力仅与被应用物体的运动速度有关，这就导致在速度较小时，易出现耗能不足的缺点。在将粘滞阻尼器应用于塔器时，一方面由于塔器结构高径比大，结构柔，自身刚度很小，安装粘滞阻尼器后，带来的附加刚度不能忽略，并且为了避免速度小耗能不足这一缺点，本发明同时考虑其耗能作用和刚度作用，即为式(1)所示。观察式(1)可知，参数v、u、m、ω和ξ为塔器参数，为已知条件。而C_r、K_r和α为粘滞阻尼器参数，由其结构决定，由于本发明同时考虑耗能和刚度作用，上述三个参数存在耦合关系，本专利在所发明粘滞阻尼器结构的基础上，给出了所有参数的选取范围，极具创新性和工程应用价值。

结合图1、图2和图3，本发明的具体步骤如下：

(1)根据设计文件及图纸，查取塔器一阶固有圆频率ω、塔器阻尼比ξ和塔器质量m。

(2)确定粘滞阻尼器相对阻尼系数C_r，其值为1.65～3.30。

(3)确定粘滞阻尼器流动指数α，其值为0.2～1。

(4)确定粘滞阻尼器相对刚度系数K_r，其值为0.65～2。

(5)选择所需阻尼液，推荐采用甲基硅油，查取其稠度系数k和流动指数α，初步确定粘滞阻尼器的结构参数：活塞宽度l，油缸内径D，活塞杆直径d，活塞中小孔组数s，小孔个数n，小孔直径d。

(6)将步骤5中的参数代入式(2)，计算相对阻尼系数：

式中：k—稠度系数；l—活塞宽度，mm；D—油缸内径，mm；d—活塞杆直径，mm；s—小孔组数；n_i—小孔个数；d_i—小孔直径，mm；α—流动指数。

(7)步骤6中所得的值是否与步骤2相符，若相等，则粘滞阻尼器结构参数确定，若不相符，返回至步骤5，推荐调整活塞宽度及活塞杆直径两个参数，直至相对阻尼系数值相等，粘滞阻尼器的各部分结构如图2所示。

(8)粘滞阻尼器安装高度为40％-60％塔器高度，相互呈90°，共安装4个。

(9)粘滞阻尼器置于阻尼器卡座中，卡座与框架通过螺栓连接，塔器连接件焊接在塔器上，且与销头通过万向轴承连接，安装方式如图3所示。

本发明上述步骤(2)～(4)中相对阻尼系数C_r、流动指数α和相对刚度系数K_r的确定以及阻尼器的推荐安装方式，上述步骤中各参数确定的过程如下：

(a)利用Kelvin理论公式计算粘滞阻尼器的回滞曲线，通过对比回滞曲线的饱满度，确定相对阻尼系数C_r和流动指数α的初步取值范围。

(b)利用ANSYS软件建立塔器有限元模型，进行模态分析，并与实测数据对比，验证数值模拟模型的准确性。在此基础上，将风载荷加载在塔器模型上，模拟塔器在风中的振动，获得风载荷下的塔顶振幅；将地震波以加速度的方式施加于塔底，模拟地震载荷，获得地震作用下的塔顶振幅。

(c)采用COMBIN14单元模拟粘滞阻尼器，并将其加载在模型对应位置上，根据(a)中初选参数范围，设定各参数的值，并逐步改变。

(d)采用瞬态动力学分析，分别在风载荷以及地震载荷下进行瞬态时域分析。

(e)比较各阻尼参数下塔顶位移、各部位应力及能量变化，以无量纲的形式确定出各参数的最优取值范围。

(f)在阻尼器参数选取后，在相同的粘滞阻尼器参数下，更改阻尼器安装高度及安装个数(单边或对称)，最终得到与本发明参数配套的阻尼器安装位置及安装个数。

本发明的效果是：

相比于原始塔器，在风载荷作用下，塔顶振幅可降低70.6％，整体截面应力相对于原始塔器大幅降低。在地震载荷作用下，框架塔塔顶位移均方根值、框架塔各部位应力均方根值降低70％左右。本发明所设计的粘滞性阻尼器结构简单，安装方便快捷，减振效果明显，可显著降低塔器的振幅及应力，减少事故发生，确保安全生产。

附图说明

图1为粘滞阻尼器设计路线图；

图2为粘滞阻尼器装置简图；

图3为粘滞阻尼器安装位置简图；

其中：1-销头、2-油缸、3-活塞杆、4-阻尼介质、5-活塞、6-阻尼器卡座、7-钢制框架、8-塔器连接件、9-塔器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将根据附图对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

该实例以一座小试塔器为对象，采用本发明所提出的粘滞性阻尼器进行减振防振，该粘滞阻尼器如图2所示，包括销头1、油缸2、活塞杆3、阻尼介质4、活塞5、阻尼器卡座6组成，具体设计流程如下：

步骤1：根据设计图纸，查到该塔器一阶固有圆频率为7.364rad/s，阻尼比为0.0203，总质量为4.03kg。

步骤2：初定粘滞阻尼器参数如下：

选用7000号甲基硅油作为阻尼介质，查得稠度系数k＝8.663Pa.s，α＝0.97

步骤3：按照式(2)计算相对阻尼系数：

步骤4：相对阻尼系数符合，结构确定。

步骤5：按照式(1)计算粘滞阻尼器带来的附加阻尼力：

F＝2πmωC_rξv^α+K_rω²mu＝4.0v^0.97+218.5u

步骤6：评价减振防振效果，根据图2所示的安装方式，将粘滞阻尼器相互呈90°(共4个)安装于塔高50％处。根据实验结果及理论公式计算验证，在风振情况下可使原塔器的位移由39.5mm减小为5mm以下，降幅达87％以上，在地震情况下，位移均方根值降低78.2％，减振效果明显。

实施例2：

将本发明所提出的粘滞阻尼器应用于另一塔器时，其设计步骤如下：

步骤1：根据设计图纸，查到该塔器一阶固有圆频率为12.566rad/s，阻尼比为0.01，总质量为7.66kg。

步骤2：初定粘滞阻尼器参数如下：

仍选用7000号甲基硅油作为阻尼介质，查得稠度系数k＝8.663Pa.s，α＝0.97

步骤3：按照式(2)计算相对阻尼系数：

步骤4：相对阻尼系数不符合权利要求4的规定，重新确定其结构参数。

步骤5：调整活塞杆径为6mm及活塞宽度1mm，再次计算相对阻尼系数。

C_r＝3.06

步骤6：相对阻尼系数符合要求，结构参数确定。

步骤7：按照式(1)计算粘滞阻尼器带来的附加阻尼力：

F＝2πmωC_rξv^α+K_rω²mu＝18.51v^0.97+1209.547u

步骤6：评价减振防振效果，根据图2所示的安装方式，将粘滞阻尼器相互呈90°(共4个)安装于塔高50％处。根据实验结果及理论公式计算验证，在风振情况下可使原塔器的位移降幅达80％以上，在地震情况下，位移均方根值降低75％，减振效果明显。

Claims (8)

1.一种塔器用粘滞阻尼器，其特征是阻尼器通过卡座固定在钢制框架上，活塞杆一端装有销头，并与塔器连接件通过万向轴承连接；阻尼器带来的阻尼器最终产生的阻尼力由式(1)计算；

F＝2πmωC_rξv^α+K_rω²mu (1)

式中：v—塔器振动速度，m/s；u—塔器振动位移，m；m—塔器质量，kg；ω—塔器一阶固有圆频率，rad/s；ξ—塔器阻尼比；C_r—相对阻尼系数；K_r—相对阻尼器刚度系数；α—流动指数，F—粘滞阻尼器产生的阻尼力，N。

2.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是设计步骤如下：

(1)根据设计文件及图纸，查取塔器一阶固有圆频率ω、塔器阻尼比ξ和塔器质量m；

(2)确定粘滞阻尼器相对阻尼系数C_r，其值为1.65～3.30；

(3)确定粘滞阻尼器流动指数α，其值为0.2～1；

(4)确定粘滞阻尼器相对刚度系数K_r，其值为0.65～2；

(5)选择所需阻尼液，查取其稠度系数k和流动指数α，初步确定粘滞阻尼器的结构参数：活塞宽度l，油缸内径D，活塞杆直径d，活塞中小孔组数s，小孔个数n，小孔直径d；

(6)将步骤5中的参数代入式(2)，计算相对阻尼系数：

式中：k—稠度系数；l—活塞宽度，mm；D—油缸内径，mm；d—活塞杆直径，mm；s—小孔组数；n_i—小孔个数；d_i—小孔直径，mm；α—流动指数；

(7)步骤(6)中所得的值是否与步骤(2)相符，若相等，则粘滞阻尼器结构参数确定，若不相符，返回至步骤(5)，推荐调整活塞宽度及活塞杆直径两个参数，直至相对阻尼系数值相等；

(8)粘滞阻尼器安装高度为40％-60％塔器高度，相互呈90°，共安装4个；

(9)粘滞阻尼器置于阻尼器卡座中，卡座与框架通过螺栓连接，塔器连接件焊接在塔器上，且与销头通过万向轴承连接。

3.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是利用Kelvin理论公式计算粘滞阻尼器的回滞曲线，通过对比回滞曲线的饱满度，确定相对阻尼系数C_r和流动指数α的初步取值范围。

4.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是利用ANSYS软件建立塔器有限元模型，进行模态分析，并与实测数据对比，验证数值模拟模型的准确性；在此基础上，将风载荷加载在塔器模型上，模拟塔器在风中的振动，获得风载荷下的塔顶振幅；将地震波以加速度的方式施加于塔底，模拟地震载荷，获得地震作用下的塔顶振幅。

5.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是采用COMBIN14单元模拟粘滞阻尼器，并将其加载在模型对应位置上，根据(a)中初选参数范围，设定各参数的值，并逐步改变。

6.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是采用瞬态动力学分析，分别在风载荷以及地震载荷下进行瞬态时域分析。

7.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是比较各阻尼参数下塔顶位移、各部位应力及能量变化，以无量纲的形式确定出各参数的最优取值范围。

8.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是在阻尼器参数选取后，在相同的粘滞阻尼器参数下，更改阻尼器安装高度及安装个数，最终得到与本发明参数配套的阻尼器安装位置及安装个数。