摘 要：通過對塔設備風致擺動的分析，求解當外界力頻率同塔設備的自然頻率相等或者相近時塔設備的振動情況。計算了大高徑比塔設備的自然頻率與振動型式，以質量塊滑動裝置作為主要分析對象，研究質量環質量對減震效果的影響以及質量塊滑動裝置的安裝位置對其減震性能的影響。提出一種可行的設計方法，設計了新型的質量塊滑動裝置，為工程實踐提供參考。

　　關 鍵 詞：強度風致擺動;降低擺動幅度;有限元;質量塊滑動裝置

　　Abstract: Based on the analysis of the wind-induced swing of the tower equipment, the vibration of tower equipment was solved when the frequency of external force was equal to or close to the natural frequency of tower equipment. The natural frequency and vibration pattern of the tower equipment with large height to diameter ratio were calculated in this paper, taking mass block sliding device as the main analysis obiect, the influence of mass ring mass on damping effect and the influence of mass block sliding device installation position on damping performance were studied. And a feasible design method was proposed, which could provide some reference for engineering practice.

　　Key words: Strength wind induced swing, Reduction of swing amplitude; Finite element; Mass block sliding device

　　大高徑比塔設備對石化行業、冶金行業和生物制藥行業至關重要，其工藝性能、結構強度和工作穩定性，對整個生產流程有非常大的影響。其動載荷中橫風向載荷對擺動的影響最為復雜，橫風向載荷往往是由于其氣體旋渦脫落塔設備背風面的頻率同其固有頻率的比值在0.7-1.3的范圍內時，會誘發塔器發生共振現象，導致塔器產生較大振幅，對塔設備的工藝性能、結構強度和現場工人安全都造成較大的危害"。本文以某在役大高徑比塔設備為例，研究其風致擺動及質量塊減振效果。

　　1設計參數

　　設計參數以《塔式容器》(NB/T 47041-2014)為計算基礎。塔式容器設計參數見表1，簡圖見圖1，塔式容器主要材料為Q345R，彈性模量為2.06x10 MРа，松比為0.3.

　　2塔設備的風致擺動分析

　　塔設備的風致擺動分析，主要是求解當外界力頻率同塔設備的自然頻率相等或者相近時塔設備的振動情況。

　　下面將通過模態分析和塔設備諧響應分析，對塔設備在沒有降低風致擺動措施情況下振動情形進行求解計算"。

　　本文重點關注的問題是塔設備的風致擺動，而非其結構強度，因此在進行模態求解時可以忽略開孔和外部附件的影響，進行計算時可以不予考慮。但是這些忽略的東西由于其分布不同，導致塔設備不同位置的質量會發生變化，從而影響其自然頻率。為了解決模型簡化對計算結果的影響，建模時采用等效質量的方法，即將附件的質量通過調節塔設備相應部位的密度來等效"。為了降低計算量，加快計算速度，本文使用殼單元建立相應的模型。根據前人研究成果和軟件的使用經驗可知，使用分塊法求解出塔設備前五階振動型式即可滿足本文的研究需求"。因此，在后處理中將擴展也設置成五階，再進行求解后，便可在后處理中查看塔設備的響應特性。根據計算結果可以獲得塔設備的自然頻率見表2，與之對應的振動型式如圖2至圖6所示。

　　通過以上求解結果，使用風致擺動基本原理和風速同頻率的關系可以求解出塔設備發生相應振動時，需要的最小風速，其計算結果如表 3 所示。

　　依據以上求解結果可以清楚地得知在該塔設備的設計條件下，只會出現第一階的擺動，其更高階數的擺動不會發生。同時依據模態求解結果可以知道在該種情況下其最大位移點位于頂部，可以將此節點作為后續研究的參考點13質量塊滑動裝置減振效果探究

　　3.1質量塊滑動裝置結構根據質量塊滑動裝置降低擺動幅度原理及其基本結構，可知質量塊裝置由鐵塊、彈簧、吊裝裝置和阻尼裝置4個部分組成。其結構示意圖如圖7所示。

　　3.2質量環質量對減振效果的影響

　　質量作為質量塊滑動裝置一個重要參數，其對質量塊滑動裝置的性能具有較大的影響，因此本小節將對其具體影響規律進行探討。

　　為了使本小節的探究具有一定的工程意義，應該選用一個可以表征質量環質量的無量綱參數作為研究對象。為了確定質量環量對該裝置性能的影響，應該將質量環質量作為一個參變量。另外一個參變量的選擇，可以是塔設備整體靜質量，也可以是塔設備總體質量，還可以選擇質量環裝置質量或者整個結構的質量。為了有一個較好的參考意義，同時質量環裝置的主要作用是降低塔設備的擺動幅度，因此應該是降低塔設備正常工作情況下的擺動幅度，因而應該將塔設備總體質量作為另外一個參變量。本小節主要研究目的是質量環質量對裝置降低塔設備擺動幅度的影響，因此應該將塔設備總體質量作為分母，質量環質量作為分子。

　　根據上述分析和本文選用的塔設備可以確定參數的變化如表4所示。

　　依據表 4 在 ANSYS 中建立相應的有限元模型，將質量塊設置在靠近封頭與筒體焊縫的區域內。

　　建立有限元模型后，通過改變質量環單元的密度來實現其質量的更改。在計算出模態后，使用諧響應求解最終得到 3 種質量結構對質量塊滑動裝置降低擺動幅度的影響。最終計算結果如圖 8 所示。

　　3.3安裝位置對減振效果的影響

　　質量塊滑動裝置的安裝位置對其減震性能有一定的影響。如果將質量塊滑動裝置安裝在塔設備的底部或者裙座處，塔設備本身此處的擺動幅度較小，即使質量塊滑動裝置性能再優越，其降低幅度也是有限的。根據以上理論應該將質量塊滑動裝置盡可能地安裝在塔設備最高處，以便其吸收更多的擺動能量。但是塔設備的頂端是球形封頭或者橢圓形封頭，在其上焊接質量塊滑動裝置可能會對該部位的結構強度具有較大的影響。如果將質量塊滑動裝置安裝在距離此處較遠的距離，其又有可能會影響降低擺動幅度的效果。因此本小節將探討將質量塊滑動裝置安裝在何處可以即不會對塔設備的結構強度造成較大的影響，又能夠具有良好的降低塔設備擺動幅度的效果。

　　為了使結果具有普適性，應該選用一個無量綱參變量使結論可以更好地應用到其他裝置上。根據需要應該將兩個長度的比值作為質量塊滑動裝置安裝位置的參變量?；诎惭b質量塊滑動裝置的主要目的是降低塔設備的擺動幅度，因此應該將質量塊滑動裝置距離塔設備頂端的距離和余下距離作為該無量綱參量的兩個因素。其中距離塔設備頂端的距離理論上可以為零，所以應該將其作為分子，距離塔設備土建基礎的高度作為分母，同時將質量比選為0.06根據上述分析確定本小節需要計算的參變量如表 5 所示。

　　根據表5，分別建立3組有限元模型。第一組將質量塊設置在靠近封頭與筒體上焊縫的區域內;第二組將質量塊設置在距離上焊縫1/8簡節長度的位置;第三組將質量塊設置在距離上焊縫14簡節長度的位置。

　　建立有限元模型后，通過模態求解計算出各模型的一階模態。在計算出模態后，使用諸響應求解最終得到該3種安裝位置對質量塊滑動裝置降低擺動幅度的影響。最終計算結果如圖9所示。

　　根據圖9中展示的計算結果可知，質量塊滑動裝置安裝的位置越高，其降低風致擺動幅度的效果越好。但是安裝高度過高，也會給裙座底部的螺栓造成過大的附加彎矩。同時由于在球形封頭上不宜焊接墊板用來連接塔設備和質量塊滑動裝置。同時在簡體和球形封頭連接處屬于應力不連續，此處往往是應力較大的部位，因此在焊接墊板時也應該避開此處。

　　綜合以上原因和情況考慮，并且一般會發生風致擺動的塔設備內徑都較小，所以將質量塊滑動裝置安裝在距離筒體和球形封頭連接處以下是最佳選擇。

　　這種質量塊滑動裝置比傳統的質量塊滑動裝置具有更廣泛的適用范圍，并且減振效果也更好。

　　通過確定質量無量綱量，探討了質量環質量對降低塔設備風致擺動幅度的影響，根據計算結果可知質量環質量越大降低風致擺動幅度效果越好。

　　除此之外，還確定了一個安裝位無量綱量，適用該變量探討了質量環安裝位置對降低塔設備風致擺動幅度的影響。根據求解結果能夠看出安裝位置越高，降低風致擺動幅度效果越好。

　　4結論

　　本文首先對選用的塔設備的擺動特性進行了求解計算，并對質量塊滑動裝置中的質量環質量和安裝位置對降低塔設備風致擺動幅度的影響進行了探討。根據以上分析和求解可以得到如下結論：

　　1)本文選用的塔設備在其設計條件下僅能夠發生一階風致擺動。

　　2)質量環質量越大降低擺動幅度效果越好。

　　3)質量塊滑動裝置安裝位置越高降低擺動幅度效果越好。

　　4)本文的質量環滑動裝置具有良好的減振效果。

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文章名稱： 塔設備風致擺動及質量塊減振效果研究

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