隔膜泵浆体管道振动分析及减振技术

隔膜泵浆体管道振动分析及减振技术

隔膜泵浆体管道振动分析及减振技术胡成名(中煤科

工集团武汉设计研究院有限公司，湖北武汉430064) 摘要：隔膜泵浆体管道振动是泵输过程中常遇到的问题，生产设备所发生的事故很大部分是管道振动引起的。文中介绍了隔膜泵工作的特点和管道振动产生的原因(液柱共振、流固耦合振动、机械共振)，并给出了多种浆体管道减振的技术方法(设置缓冲罐和汇总管、采取峰值分散技术、避开液柱共振管长、减少弯管和异径管的使用、合理布置支架等)，这些方法的综合使用在工程实际中取得了良好的效果。关键词：隔膜泵；浆体管道；振动；耦合；减振技术0 引言隔膜泵利用隔膜将输送介质与驱动介质(油类)隔离，具有耐磨损、高效节能、耐高压的特点，在输送固液两相介质(高浓度煤浆、矿浆)时，体现出其独特的优越性[1]。在实际的生产过程中，由于管道的强烈振动导致管道系统破坏，介质外流，甚至引起环境污染、生产事故。因此，对隔膜泵浆体管道振动原因进行分析并采取相应的防振措施十分必要。 1 隔膜泵浆体管道振动的原因往复式隔膜泵的工作特点是活塞在缸体中进行周期性的往复运动，引起吸排浆液呈间歇性和周期性，管内浆体呈脉动状态，管内浆体参数，如压力、速度、密度等随位置变化，也随时间作周期性变化。管道产生振动主要有以下3

种形式：隔膜泵产生的压力脉动频率与浆体谐振频率接近时的耦合振动(液柱共振)；隔膜泵产生的压力脉动频率与管路系统结构的固有频率接近时，产生的流固耦合振动；隔膜泵本身的机械振动引起的管道振动。 1.1 液柱共振隔膜泵连接的管路所容纳的浆体具有一定的质量和压缩性，因此可视浆体为一个振动系统，当浆柱受到一定的激发后，会形成一定的受迫振动。隔膜泵产生的压力脉动频率为[2] fy=ijN/60 (1) 式中：i为谐波数，i =1,2,3…;j为隔膜泵的活塞数，j

=1,3,5…;N为隔膜泵曲轴转速，r/min。简单管道液柱固有频率[3]：(1)管道一端开放另一端封闭时，如安全阀泄放管线或旁路管线。f1=a/(4L) (2) 式中：a为浆液中的声速，m/s；L为管道长度，m。(2)管道两端都开放或两端都封闭时，如隔膜泵与汇总管之间的管线。f2=a/(2L) (3) 当管道直径变化比是2∶1或更大时，管道直径从小变到大可以认为是开放端，反之当直径从大变到小可以认为是封闭端。当f1或f2=(0.9～1.1)fy 时，管道内的浆体将产生液柱共振。1.2 流固耦合振动管道的流固耦合包括3种情形：摩擦耦合、泊松耦合与联接耦合。摩擦耦合体现管壁对附壁流的阻尼效果。泊松耦合由管壁材料的弹性变形与浆液弹性共同作用产生，在薄壁管中表现明显。联接耦合主要是由于管道弯曲、变径等引起的管壁运动与浆液流动方向等发生改变造成的

耦合[4]。浆体管道一般具有高压低速的特点，因此由摩擦耦

合、泊松耦合引起的振动影响较小，振动的主要原因来自联接耦合。以管道中常用的弯头、异径管为例进行分析。弯管的受力如图1所示，设弯管的角度为A，截面积为S，管内的压力为p,由于存在脉动，因此压力p可分解为平均压力pm和脉动压力py,则弯头处的受力F为[5]

F=pS/cos=(pm+py)S/cos (4) 由式(4)可以看出,压力脉动是导

致管道耦合振动的激振力。当A=0°时，F=(pm+py)S，这说明当管道为直管段时，压力脉动引起管道振动效应最小，随着A角度变大，F逐渐变大，压力脉动引起管道振动效应逐渐明显，因此管道尽量避免大角度的回转。图1 弯管受力图异径管的受力如图2所示，设异径管两端的截面积分别为S1和S2,则异径管的受力F为F=p(S2-S1)=(pm+py)(S2-S1) (5) 图2 异径管受力图由式(5)可以看出，异径管的大小端面积差值越大，F越大，因此管道设计时尽量避免异径管两端截面积变化过大，需要变径时尽量采取逐级变径，以减小脉动力的不利影响。1.3 机械共振隔膜泵液力端动力平衡性能差、基础设计不合理、安装质量不达标等都可能导致隔膜泵机身和基础的振动，从而导致和其相连的管道振动，与设备相连的管道系统(包含阀门、管件、容器、支吊架等)，组成一个振动系统，当其固有频率与机器振动频率相同或相近时，就会出现振动响应，形成机械共振。 2 隔膜泵浆体管道的减振技术 2.1 设置缓冲罐减少压力脉动根据电路