基于新型调谐质量阻尼器的管道减振研究

冀沛尧 何立东

摘 要：在石化厂中，管道系统如同人体的血管连接各个器官一样，将整个厂内的设备连接起来。在化工生产流程中，管道经常会产生振动问题。为验证调谐质量阻尼器对管道震动的控制效果，本文搭建管道振动控制实验台，通过实验验证了调谐质量阻尼器对管道减振的良好效果；通过改变阻尼器的质量比，进一步拓宽了其有效减振的频带宽度。同时，针对调谐质量阻尼器工作产生新的共振峰，采取开关控制进行控制。本文的结论可以给调谐质量阻尼器在实际的石化管道中的应用提供一定依据。

关键词：调谐质量阻尼器；管道振动；减振；质量比；宽频

Abstract： In a petrochemical plant， the pipe system， like the human body's blood vessel，connects all the equipment in the plant as it connects to each organ. Therefore， it is necessary to ensure the safe operation of the pipeline， and it is of great significance to the safe production of the whole petrochemical plant. In this paper， a new type of integral package damper was designed， and a tuned mass damper experimental rig was constructed to verify the good effect of tuned mass damper on pipeline vibration reduction. By changing the mass ratio of the damper， the bandwidth of the effective vibration damping was further extended. Meanwhile， switching control is adopted to control the tuned mass damper to produce new resonance peaks. The conclusions of this paper can provide a basis for the application of tuned mass dampers in practical petrochemical pipelines.

Key Words： tuned mass damper； pipe vibration； vibration reduction； mass ratio； broadband

在化工領域中，石化厂的各种设备常常会产生振动问题，并影响与之相连的管道系统，使其一起振动。同时，管道内输送的介质也会产生压力脉动，对管道造成激励。管道长期振动会使得管道及管道附件特别是阀门、法兰等产生疲劳破坏，使得管道中输送的种种有害介质发生泄漏，甚至引起爆炸，因此对如何控制管道振动问题的研究有很多。

针对管道振动的研究，目前分为研究管道振动原因和研究如何控制管道振动两个方面。在理论研究的早期，最著名的是Joukowsky提出的经典水锤理论[1]，目前主要公认的是非线性流固耦合等[2、3]。在应用研究方向，主要是通过改变管道支撑改变管道共振频率或在管道上加装阻尼器吸收振动能量。其中，将近年来广泛应用于船舶、车辆及建筑领域减振的调谐质量阻尼器 （TMD）[4]运用在管道减振方向成为热点。安装TMD不需要搭建支撑，只需找到合适位置安装即可[5]。

针对传统吸振器的一些缺点，本文设计了一种新型调谐质量阻尼器，基于此，搭建管道减振实验台。通过实验验证了该阻尼器能有效控制管道振动问题。针对TMD系统工作带宽比较小的特点，本文研究了质量比对TMD的影响，并得到一些影响规律。

1 TMD控制管道振动原理

研究中往往将管道系统视为一个连续多自由度系统，其振动是各阶振型的叠加，但管道振动是以一阶固有频率为主。基于此，将管道看作主系统，吸振器看作子系统，简化成如图所示的系统，由此进行求解[5]。

由公式可知TMD的工作原理：调谐质量阻尼器的工作频率与主系统振动频率接近时，调谐质量阻尼器振动产出惯性力会反作用与管道系统，从而对管道振动进行控制；从能量角度看，调谐质量阻尼器通过自身的振动吸收了管道系统的振动能量，从而控制了管道的振动。因此，TMD本身的工作频率是影响控制管道振动效果的最关键因素。

2 实验设备简介

本文搭建了管道振动控制实验台，示意图如图所示。基于此实验台来探究调谐质量阻尼器的振动控制规律。

其中，管道系统选用门型结构，外径33.5mm，内径约25mm，管道的竖管及横管长度均为0.5m，质量约为4.6kg。实验设备还包括激振器、信号发生器、功率放大器。

3 调谐质量吸振器的设计

肖挺杨、张炳康设计的管道吸振器是用管箍与管道相连，在用弹簧等弹性单元把质量块与管箍连接 [6，7]，这样安装比较辅助。同时，这种调谐质量吸振器直接暴露的安装在管道上，容易受到介质和环境的侵蚀，且容易因碰撞发生损坏。据此，本文设计一种新型吸振器，如图5所示。调谐质量阻尼器外壳质量为2.3kg，实验测量系统总是亮为6.8kg。根据实验用调谐质量阻尼器配重的需求，设计了如图4两种管道调谐质量阻尼器。其质量比、弹簧刚度等参数列出在表1中。

如图，本文设计的调谐质量吸振器将质量块和弹簧先固定在外壳内部，再将吸振器整体固定到管道上，避免了传统阻尼器的某些问题。

4 管道系统模态计算

为了准确设计调谐质量吸振器的工作频率，本文先测量了实验台的参数，并用ANSYS计算管道实验台的五阶模态。

如图所示，在水平管段安装盒体，进行模态计算。结果如表2所示。

5 实验结果及分析

5.1 减振效果分析

为验证谐质量吸振器对管道振动效果，将吸振器盒体安装在水平管段的中点处，并采用正弦信号从10到30Hz进行扫频，步长为1Hz，分别测量初始振动、加装A型TMD以及加装B型TMD后的振动，振动数据如图所示。

如图6所示，调谐质量吸振器不工作时，管道的一阶共振频率为18Hz，此时最大振动幅值为11267.7μm；在加装A型TMD后，管道18Hz时振动降为2102.4μm，降幅达到了81.3%；同时，在17Hz时振动幅值由11042.5μm降到了2944.5μm，降幅达到了73.3%。在加装B型TMD后，管道18Hz时振动降为187.6μm，降幅达到了98.3%；同时，在17Hz时振动幅值由11042.5μm降到了655.3μm，降幅达到了94.1%，在19Hz时振动幅值由6548.1μm降到了617.2μm，降幅达到了90.6%。由实验数据可以得出，本文设计的调谐质量阻尼器可以有效控制管道的振动问题。

5.2 质量比对减振的影响

为研究质量比对TMD减振效果的影响，对实验中测得的数据进行处理。规定减振效率为

其中u1与u2分别为安装TMD前后管道振动位移峰峰值，单位为μm。处理数据结果如图所示。

如图7所示，加装质量比为0.0375的A型TMD后，在管道一种的一阶固有频率18Hz下TMD的减振效率为81.3%，在一阶频率附近，只有17、18、19、20、21Hz5个频率处减振效率大于50%。在加装质量比为0.148的B型TMD后，在管道一种的一阶固有频率18Hz下TMD的减振效率为98.3%，在一阶频率附近，减振效率大于50%的频带范围扩大到从16Hz到29Hz。

由以上实验可以证明，B型TMD在其工作目标频率的减振效率及对整体振动有效减振频带的带宽都比A型TMD更好。我们可以从能量的角度对此现象进行分析，因为TMD的工作原理是通过质量块的振动来吸收管道的振动能量，B型TMD的质量比更大，可以吸收更多振动能量，因此质量比大的吸振器可以更有效地控制管道振动。

6 开关控制

由之前实验测出的数据可以看出，TMD全程工作时会在初始共振频率附近产生新的共振峰，为了消去新共振峰，采取开关控制的方法，使得阻尼器只在其工作频带内工作。

如图8所示，通过开关控制调节，消去了阻尼器在工作频带之外工作时产生的共振峰，使得阻尼器对管道减振的整体效果更好。

7 结论

（1）设计了一种新型调谐质量吸振器，与传统吸振器相比易于安装，并通过ANSYS对试验台进行模态分析，并与实验结果比较符合，确定了TMD工作的目标频率。

（2）对调谐质量吸振器对管道振动的减振效果进行了实验。调谐质量吸振器能有效控制管道振动问题；加装A型TMD后，管段一阶模态的振动由11267.7μm降到了2102.4μm，降幅达到了81.3%；加装B型TMD后，管段一阶模态的振动由11267.7μm降到了187.6μm，降幅达到了98.3%。

（3）质量比决定TMD的性能，本文通过两种运用不同质量比的调谐质量阻尼器对管道分别进行振动控制实验，证明质量比较大的TMD在其工作频率的减振效果更好，且整体工作频带更大。

（4）TMD全程工作时，会在初始振动共振频率附近产生新的共振峰，为消除共振峰，本文引入开关控制，使TMD只在工作频带内工作，进一步优化了TMD对管道的减振作用。

参考文献：

[1]杨飞益.复杂空间管道系统动力特性分析与实验验证[D].南京：南京航空航天大学，2012.

[2]Sorokin S V，Olhoff N，Ershova O A. Analysis of the energy transmission in spatial piping systems with heavy internal fluid loading [J].Journal of Sound and Vibration，2008，310：1141-1166.

[3]O. .z H R. Non-linear vibrations and stability analysis of tensioned pipes conveying fluid with variable velocity[J]. International Journal of Non-Linear Mechanics，2001， 36：1031-1039.

[4]周勁松，张伟，孙文静，等.铁道车辆弹性车体动力吸振器减振分析[J].中国铁道科学，2009，30（3）：86-90.

[5]曾胜，任意，程涛涛，等.利用调谐质量阻尼器进行管路系统减振[J]. 振动、测试与诊断，2012，32（5）：823-826.

[6]肖挺杨.动力吸振器在管道振动控制中的应用研究[D].阜新：辽宁工程技术大学， 2013.

[7]张炳康，何立东，杨秀峰.颗粒碰撞环形调谐质量阻尼器的设计与实验[J].噪声与振动控制，2014（4）：142-147.