弹簧阻尼器在塔器防振中的应用_谭蔚
第41卷第12期2013年12月化学工程
CHEMICAL ENGINEEＲING（CHINA ）Vol．41No．12Dec．2013
弹簧阻尼器在塔器防振中的应用
谭
蔚，贾占斌，聂清德
（天津大学化工学院，天津300072）
摘要：以动力减振器为基本模型，设计了适合塔器应用的弹簧阻尼器。通过理论分析以及借鉴高层建筑等行业中确定实验中阻尼器的质量比为0．02—0．1。建立实验室小试模型，推导出实验条件下弹簧阻尼器单阻尼器的应用，
11振动分析仪作为数据测量和个弹簧的刚度计算公式，以此为基础计算出各个阻尼器的刚度系数。实验中以VA-采集的仪器，拾取塔器模型在发生自由振动时的振动信号，通过振幅的衰减计算出系统的阻尼比。以阻尼比作为参考标准，对比分析了各阻尼器安装在不同位置处的效果，研究了质量比与安装位置对阻尼器效果的影响。关键词：塔器；防振；阻尼器；阻尼比；质量比中图分类号：TB 535
文献标识码：A
9954（2013）12-0016-04文章编号：1005-DOI ：10．3969/j．issn．1005-9954．2013．12．005
Application of spring damper in antivibration of columns
TAN Wei ，JIA Zhan-bin ，NIE Qing-de
（School of Chemical Engineering and Technology ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ）
Abstract ：A spring damper suitable for columns in chemical industry was designed based on dynamic vibration absorber．Through the theory analysis and the practical application of turned mass dampers （TMD ）in construction industry ，the mass ratio of the damper was determined from 0．02to 0．1．An experimental model was built and the stiffness formula of a single spring was derived．The size and parameters of spring in the dampers were calculated based on the formula．A VA-11vibration analyzer was used to measure and record the data in the experiment．Picking up the vibration signals from the column model due to free vibration ，the damping ratio of the system was calculated as the reference standard ，thus investigating the influence of different dampers in different installation positions of column mode on the damper effect．
Key words ：columns ；antivibration ；damper ；damping ratio ；mass ratio
塔设备是化工、石油等工业中最重要的设备之一，塔设备的安全运行是整个工艺流程顺利进行的对整个工艺的产量、质量乃至工厂的经济效益保证，
［1］
有着直接的影响。因此，关于塔设备的研究和设计对化工、炼油等工业的发展至关重要。
的防振措施，对保护塔器的正常运行及安全有着重
要的意义。目前，对于高耸结构的防振措施，主要有
［4］以下3个方面：
（1）增大自振周期。对于塔器来说，这种做法
随着科学技术的不断进步，材料的性能越来越
人们对化工设备的要求越来越高，于是塔设备优异，
的长径比就变得越来越大，其结构更为柔性，发生风诱导振动的可能性也更大，使塔设备发生振动的事
［2-3］
。由于风诱导振动的振幅一般故因此相应增多
较大，因此容易造成塔器的疲劳损伤或者破坏塔器
会造成塔器工艺条件的破坏。
（2）采用扰流装置。但由于塔器中存在平台梯子等附件的存在，这种方法并不适应于所有的塔器。
（3）增大阻尼比［5］。增大阻尼比的最佳方法是安装阻尼器。例如上海青浦电视塔，其在地面137．5m 以上的一段悬挂了11个质量摆，使电视塔天线顶端位移被控制效果为20．3%；南京电视塔则在塔高240m 处安装了协调质量阻尼器和协调液体阻尼器，使小塔楼加速度最大值减小23．1%
［6］
内部的工艺条件，更严重的会导致设备的破坏，造成
人员的伤亡和生产的停顿。因此，研究塔器振动时
。
06-05收稿日期：2013-：（1965—），E-mail ：wtan@tju．edu．cn ；贾占斌，作者简介谭蔚女，教授，主要从事化工设备安全可靠性研究，电话：（022）27408728，男，硕士
E-mail ：j_517@163．com 。研究生，通信联系人，
谭蔚等弹簧阻尼器在塔器防振中的应用
·17·
鉴于前2种方法都有一定的局限性，因此文中考虑将阻尼器应用于塔器中，以填补塔器防振方法中阻尼器应用的空白。11．1
阻尼器结构设计阻尼器的设计原理
取α=λ，按ω2=ωj 进行设计，即阻尼器的自振频率
等于外界的激振频率。实际上当塔器发生风诱导振动时，风的诱导振动频率与塔器的自振频率基本一致，即ω1=ω2=ωj 。此时即可消除主系统在频率为ωj 时的振动。
由于塔器属于高耸的直立结构，过大的质量比容易造成塔器上部质量较大，在顺风向会产生更大的偏心弯矩，因此参考烟囱等高耸结构的阻尼器质量比μ≤0．1，文中选取质量比最小为μ=0．02。1．2
应用于塔器中的阻尼器设计
对于应用于塔器中的阻尼器，由于其激振频率
采用的弹簧阻尼器属于动力减振器，属于积极
减振，其原理是借助于附加的弹性元件和阻尼元件及辅助质量块连接在主振动系统所产生的动力作用来减小系统振动。这里的弹性元件、阻尼元件和辅。这助质量所构成的附加系统称为“动力减振器”种阻尼器的结构简单，设计制造方便，因此广泛的用于各种行业中。
塔设备装上动力减振器后，整个系统可以简化
m 1，k 1和成如图1所示的二自由度系统。其中，P j sin ωj t 分别为主振动系统的等效质量、等效刚度
和等效激振力，一般主系统的结构阻尼很小，可忽k 2和c 2分别为阻尼器的质量、弹簧刚度和黏略；m 2，
性阻尼系数。当c 2=0时，该阻尼器称为“无阻尼动；当c 2≠0时，“有阻尼动力阻尼器”
。称为力阻尼器”
来自于风的诱导振动，其振动方向受限于风的方向，
因此其振动方向并不固定，所以阻尼器的安装要满足各个方向上的防振要求。文中将减振器的质量块部分设计成环形，环绕塔器一周，塔器和质量块之间平均分布8根弹簧，使塔器无论发生哪个方向上的振动，阻尼器都可以做出正确的响应，以满足减振的其结构简图如图2所示
。在质量块的下部设需要，置钢板，作为质量块的支撑结构。
图2Fig．2
图1
Fig．1
动力减振器原理图
弹簧阻尼器器结构简图
Simple structure of spring damper
Principle of coordinate quality damper
由于支撑钢板的存在，质量块便与支撑板之间就有了直接接触。当质量块与主系统一起发生振动时，质量块与支撑板之间就形成了一定的摩擦，使其产生了一定的阻尼效果。但由于钢与钢之间的摩擦系数较小，参考有阻尼动力减振器的参数设置，其产生效果较低，因此仍然可以将该阻尼器以无阻尼动力减振器进行计算设计。
当质量块随塔器发生振动时，不同位置的弹簧会发生不同的形变，有的产生拉伸作用，有的弹簧是扭转作用，有的则是拉伸和扭转都会发生，因此在设计阻尼器时需要考虑弹簧的拉伸刚度和扭转刚度。
圆柱形拉伸弹簧的刚度为
Gd 4
k =
8ND 3
式中：G 为材料的切变模量。
（2）
本研究采用无阻尼动力阻尼器进行研究分析。对于一个阻尼器，当其c 2=0时，上图中的二自由度系统中的m 1和m 2的振幅A 1和A 2分别为
22δ（α－λ）
A 1=2
（α－λ2）（1－λ2）－α2λ2μ
A 2=
（
式中：α，λ，μ，δ
（1）2
22222α－λ）（1－λ）－αλμ
m 1ω1ωj
分别为α=，λ=，μ=，δ=
m 2ω2ω1
}
P j 12
；ω1，，。从式（1）ω2分别为ω1=ω2=k 1m 1m 2可知，当参数α=λ时，主系统的的振幅A 1可以变
为0，这就是选取动力减振器参数的减振原则。若
圆柱形弯曲弹簧的扭转刚度为
Ed 4
k θ=
32ND
1
型与安装效果如图3所示。
（3）
Table 1质量比1/501/401/30
表1
不同质量比下的阻尼器参数
－1
弹簧刚度系数/（N ·m ）
57
n
E 1+
2G
Parameters of spring damper in different mass ratios 质量/kg0．150．190．250．370．75
式中：N 为弹簧有效圈数；D 为弹簧中径；d 为钢丝直径；E 为材料的弹性模量。
该阻尼器结构属于并联弹簧，其刚度为
k =
k i ∑i =1
（4）
6483117219
1/201/10
根据塔器的不同参数，以上式为基础，可以得到适合该塔器的阻尼器参数。22．1
实验设计实验设计
并分析适合塔为了验证设计的阻尼器的效果，
器中阻尼器的尺寸及安装位置，制作了小型的塔器模型及阻尼器，进行了实验测试。由于塔器的长径因此不宜采用过大的几何相似系数，否则易比较大，
造成模型的直径过小，增大模型制作的难度，削弱模型的实验效果，因此文中采用1/45的几何相似系数。而在塔器模型的制作中，如果按照几何相似系数对壁厚进行缩小，则模型的厚度会非常小，因此壁厚需要单独确定其值
［7］
图3
Fig．3
阻尼器模型及安置效果图
Model of damper and effect of installation
。以JB /T4710《钢制塔式
容器》例题3中的塔器数据为原型，对保温层、平台得以及梯子等附件进行简化省略后设计实验模型，到实验模型的模型尺寸为：塔高1629mm ，塔外径57mm ，壁厚3．5mm 。
由于实验模型较小，因此初步确定弹簧的尺d =0．2mm 。寸为：D =3mm ，
根据该弹簧的尺寸，将弹簧的数据带入到弹簧的刚度公式中，可以发现，此时的拉伸刚度远大于扭转刚度，因此这里将阻尼器的扭转刚度忽略不计。所以，根据以上提供的公式，最终可以得到单个弹簧的刚度系数为
m 2f 21
k 2=
4．8μ+1
2．2实验过程
根据JB /T4710《钢制塔式容器》中塔设备横风
向振动的塔顶振幅公式，阻尼比作为分母项可直接影响塔器的塔顶振幅，较大的阻尼比可以有效的降低塔器振动时的塔顶振幅，因此本文拟采用系统的阻尼比作为衡量阻尼器效果的标准。
阻尼比的测量有多种方式，其中自由振动法最为简单快捷。用小钢锤敲击塔器模型，使之产生自由振动，由塔顶的加速度传感器拾取振动信号，该信11振动分析仪中，号传入VA-进过二次积分之后，得到振动的衰减图谱。根据振动分析仪的记录，记
及以后n 个波段振幅x i +n ，于是得到2录下振幅x i ，
个振幅的对数衰率为δn =ln 阻尼比
ξ=
33．1
实验结果与分析阻尼器效果分析
δn
δn
()
2
（5）
以式（5）为基准，对实验室的阻尼器参数进行设计，得出相应质量比所对应的弹簧刚度。
由前文可知，质量比的范围定为1/50—1/10，为便于分析不同质量比对阻尼比的影响，在此范围1/40，内取5个不同质量比进行实验，分别为1/50，1/30，1/20和1/10。安装位置分别为距塔顶1/10H ，1/3H 与1/2H 高。不同质量比下的阻尼器参数如表1所示。根据表1中的参数制作出的阻尼器模
x i
并且用式（6）计算x i +n
+4πn
（6）
图4是振动分析仪记录的塔顶位移衰减图谱，其中图4（a ）是未安置阻尼器时的位移衰减图，图4
（b ）为质量比为1/10的阻尼器安置在9/10塔高3个位置处的位移衰减图，可以明显看出其衰减效果显著增强，说明其阻尼比得到了很大的提升。
阻尼比最大可提高体效果都较1/2H 处略有提高，
到无阻尼器时的3．5倍。效果最佳的位置是9/10H 处，此时各种阻尼器都可以提高到3倍以上的阻尼比，阻尼比最大可以达到无阻尼器时的6倍。3．3
阻尼器质量比的影响
因此需质量比同样是阻尼器的重要参数之一，
要对阻尼比进行分析研究。随着质量比的增大，系统的阻尼比也随之增大，但是不同位置处的增大程度并不相同。
当阻尼器安装1/2H 时，质量比从1/50—1/20的阻尼器的效果都不明显，虽然系统的阻尼比也是呈增大的趋势，但是增大的很小，其阻尼比与未安置阻尼器时基本相同。只有质量比为1/10的阻尼器可以达到一定的防振效果。效果有较大的提升，
当阻尼器安装2/3H 时，系统阻尼比随质量比的
图4
Fig．4
塔顶位移衰减图
增加呈阶梯状，而不是线性增大的，即质量比为1/50和1/40，以及质量比为1/30和1/20的阻尼器，这2组阻尼比几乎相同，说明在1/50—1/40和1/30—1/20这2个范围内的阻尼比随着质量比的波动并不可以考大。因此今后在这2个范围内设计阻尼器时，
虑采用较低质量的阻尼比，以降低其制作成本。当阻尼器安装9/10H 时，阻尼比基本随质量比
此时所有的阻尼器都达到了良好的效的线性增加，
果，其中相对效果最差的1/50质量比的阻尼器效果
也优于在1/2H 处的所有阻尼器。在条件允许的情况下，安置在塔顶的阻尼器应该采用最大的质量比。4
结论
（1）对传统动力减振器进行变形，得到适合塔
Attenuation displacement at top of column
通过对所有位移衰减图谱数据的读取，经过计
算后，可以得到不同阻尼器在不同安置高度的系统主系统的阻尼比接的阻尼比。在未安装阻尼器时，近0．01。以此为基准，对比不同质量比和不同安置位置的阻尼器对主系统的阻尼比的改进。3．2阻尼器安装高度位置的影响
影响阻尼器效果的第1个因素为阻尼器的安装位置。图5为不同质量比的阻尼器安装在不同位置时的系统阻尼比
。
器应用的弹簧阻尼器，在此基础上推导出阻尼器的刚度系数公式。
（2）大部分阻尼器都可以有效的起到良好的减振效果。
（3）阻尼器的最佳安置位置为9/10H 处，1/2H 处效果相对较差。
图5
Fig．5
不同阻尼器安装在不同位置时的阻尼比
Damping ratio of different damper installed in different position
（4）随着阻尼器质量比的提升，阻尼器效果越好，对系统阻尼比的提升越大。（5）当塔器高度较大，塔顶不方便安装阻尼器时，可将质量比为1/10的阻尼器安装在1/2H 处的位置，或安装1/30质量比以上的阻尼器安装在2/3H 处。
（6）对于没有特殊要求的塔器，可安置质量比
【下转第34页】
从图5中可以看出，当阻尼器安装在1/2H 处时是效果最差的，相对于无阻尼器的情况略有提升，最小时阻尼器几乎没有变化，最大时为无阻尼器情况下的2．5倍。分析其原因为：塔器中部的振幅较小，对阻尼器的激发作用较差，阻尼器未能充分发挥其作用。当阻尼器安装在2/3H 处时，阻尼器的整
108，115kW /m2。蒸汽进口热流密度分别为102，
从图5可看出：在工质同为蒸馏水，充液率同为33%，在热管冷侧冷却水雷诺数相同的工况下，复合中空热管的传热系数随着加热蒸汽热流密度的增大而增大，原因是随着热管热侧蒸汽温度的升高，加热汽包脱离频率变快，热管壁面的汽化核心数量增加、热侧的给热系数增大，使得总传热系数增大；但热管传热系数并不是随热流密度增大无限增加，当热管达到某种传热极限时，热管传热系数将不再增加
。
汽热流密度提高而增大。参考文献：
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图5
Fig．5
加热蒸汽热流密度对传热系数的影响
Influence of heat flux of heating steam on heat transfer
4
结论
（1）充液率对复合中空热管的传热性能有影
响，当工质同为蒸馏水的实验工况下，复合中空热管的最佳充液率为33%。
（2）工质的性质对复合中空热管的传热性能有影响，当充液率同为33%的相同的实验工况下，无水乙醇为工质的复合中空热管传热性能最好，其次是蒸馏水和重铬酸钾溶液为工质的复合中空热管。（3）加热蒸汽热流密度对复合中空热管的传热性能有影响，在充液率为33%，工质同为蒸馏水的实验工况下，复合中空热管的传热性能随着加热蒸
櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆【上接第19页】
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