基于錳銅高阻尼合金輸流管路減振設(shè)計實驗研究

雷少攀，劉寶會，冀璞光，王清周，殷福星

（1.河北工業(yè)大學機械工程學院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學材料科學與工程學院，天津 300401；3.河北工業(yè)大學能源裝備材料技術(shù)研究院，天津 300401）

0 引言

對管路結(jié)構(gòu)管路系統(tǒng)振動因素有很多，如液體流動時在彎頭、三通等位置發(fā)生的湍流、外部激勵產(chǎn)生的振動、液壓泵工作過程中產(chǎn)生的脈動等都會引起管路的振動。輸流管路的振動不僅會降低管路及液壓管件的壽命，造成嚴重的后果，還會產(chǎn)生噪聲污染，對周圍環(huán)境造成很大影響。為此，各國工程技術(shù)人員對輸流管路減振設(shè)計開展了卓有成效的理論與應(yīng)用研究工作。在結(jié)構(gòu)減振設(shè)計方面，Wang[1]通過結(jié)構(gòu)的支承位置優(yōu)化實現(xiàn)減振效果，王利亞等[2]通過在管路支撐處增加減震墊，使整個管路系統(tǒng)振動降低，陳果等[3]設(shè)計了一種用于管路系統(tǒng)減振的吸振器，能夠?qū)⒐舱耦l率降低，蔡標華等[4]運用具有較低頻率的橡膠隔振器，可以明顯衰減管路系統(tǒng)的振動；在結(jié)構(gòu)減振材料方面，肖坤等[5]提出了利用金屬橡膠包覆管路結(jié)構(gòu)，來達到減振效果，肖春新[6]為了管路減振，使用了管路橡膠聯(lián)結(jié)裝置，保護管路系統(tǒng)正常運行和延長其使用壽命，朱曉軍[7]進行了阻尼材料包覆和管卡振動試驗，可以很好的抑制管路振動。

近些年隨著阻尼合金材料的迅猛發(fā)展，阻尼合金材料在結(jié)構(gòu)減振設(shè)計及工程應(yīng)用越來越廣泛[8-9]，錳銅阻尼合金由于其具有高阻尼、強度、高剛度和耐腐蝕等特點，可作為結(jié)構(gòu)減振設(shè)計中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件[10-12]，并取得較好的抑制振動效果。本文首次將錳銅高阻尼合金材料應(yīng)用于輸流管路減振設(shè)計中，制作錳銅阻尼合金三通管件，用于替代原有的三通部件，設(shè)計并搭建了輸流管路實驗測試平臺，對工作段進行在簡諧激勵作用的加速度頻響以及工作狀態(tài)關(guān)鍵點的位移響應(yīng)進行實驗測試，研究錳銅阻尼合金材料三通管件對輸流管路振動固有頻率、幅頻響應(yīng)及加速度頻響等振動特性的影響。

1 輸流管路實驗測試平臺搭建

1.1 輸流管路實驗測試平臺

輸流管路實驗平臺由水箱、液壓泵、調(diào)節(jié)閥、壓力表、流速表、不銹鋼管路、2種材質(zhì)（不銹鋼、錳銅阻尼合金）三通管件組成，如圖1 所示。圖中虛線部分為測試段，三通管件內(nèi)徑90 mm，外徑106 mm，長管247 mm，短管88 mm，兩端連接長1 m的直管路，為研究阻尼合金材料對管路振動特性影響，對三通支管路進行密封處理。在簡諧激勵時對管路進行加速度幅頻特性分析，在工作狀態(tài)時對管路進行位移頻譜特性分析。管路連接處為法蘭連接，墊上密封圈確保密閉性，同時在測試段兩端連接管路的末端加上兩個支撐，為了減弱其他結(jié)構(gòu)對這測試管路系統(tǒng)的影響，在被測管路兩端分別用橡膠軟管連接，以滿足對測試環(huán)境的要求，材料參數(shù)如表1所示。

表1 聲子晶體材料參數(shù)Tab.1 Materials’parameters of phononic crystals

圖1 管路系統(tǒng)實驗平臺Fig.1 Experimental platform of pipeline system

1.2 實驗測試設(shè)備

本文所做實驗，加速度頻響測試設(shè)備為江蘇東華有限公司的DHDAS動態(tài)采集系統(tǒng)、DH5922信號采集器、DH311E 三相加速度傳感器，DH40100 激振器、DH5872功率放大器、DH1301掃頻信號發(fā)生器。振動位移幅頻測試設(shè)備為比利時LMS公司的激光振動位移測試分析系統(tǒng)LMS Test.Lab，該系統(tǒng)包括測試分析軟件以及硬件設(shè)備LMS SCADAS MOBILE 采集器、SENSOR HEAD 激光位移傳感器和VIBROMETER CONTROLLER振動控制器。

2 三通管路系統(tǒng)簡諧激勵加速度幅頻響應(yīng)分析

2.1 測試工況

諧響應(yīng)測試分析能夠預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力學特性，從而實驗驗證其設(shè)計能否成功克服共振、疲勞及其他受控振動引起的有害效果。加速度諧響應(yīng)在大范圍頻率段內(nèi)均有很高的靈敏性，為獲得2種材料管路加速度幅頻響應(yīng)特征，利用激振器對測試段施加簡諧激勵。測試中用M5不銹鋼螺桿將力傳感器、激振器與管路連接，激振力沿鉛錘方向施加正弦線性掃頻信號，掃頻范圍為0～1 000 Hz。力傳感器靈敏度為2 mV/N，量程50 N，加速度傳感器靈敏度為5 mV/（m/s2），量程20 m/s2；激振器功率放大器限流調(diào)節(jié)為8 RMS，增益檔位設(shè)置為20 dB，掃頻發(fā)生器設(shè)置為線性掃頻，掃頻速度為2 Hz/s，掃頻電壓為100 mV。

根據(jù)振動理論可知，簡支型管路橫向奇數(shù)階振型的振動物理量可由管路的中點測量值進行表述，偶數(shù)階振型可由三通左右兩側(cè)的等分點測量值進行表征，同時為了分析管路液體的流入端與流出端的振動差異。在測試段取3個典型測點，測點及激振點位置如圖2所示。

圖2 管路系統(tǒng)激振點和測點分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of the distribution of excitation points and measurement points of the pipeline system

2.2 不銹鋼與阻尼合金三通測試段空管路頻率響應(yīng)測試結(jié)果及分析

在空管路狀態(tài)下，利用DHDAS動態(tài)采集分析系統(tǒng)，分別采集不銹鋼管路和阻尼合金管路的1、2、3號測點時域信號，利用動態(tài)采集分析系統(tǒng)進行頻率響應(yīng)分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 空管路各個測點頻響對比Fig.3 Comparison of frequency response of each measuring point of empty pipeline

由圖3可以明顯看出，當管路系統(tǒng)中的三通管材料由不銹鋼換成阻尼合金后，測試段管路橫向（X、Y方向）前五階共振頻率，且阻尼合金材料可使共振頻率降低，高頻段由于振動較為復(fù)雜，不容易區(qū)分，其各階共振頻率分析結(jié)果如表2所示。

表2 2 種材料三通的空管路各階共振頻率對比Tab.2 Comparison of the resonance frequencies of the empty pipes of the two materials three-way

各個測點X、Y橫向振動加速度響應(yīng)在低頻部分均有不同程度的降低，一階模態(tài)加速度頻率響應(yīng)時降低明顯；而在中高頻率段作用不明顯，究其原因阻尼合金的楊氏模量僅為不銹鋼的1/3，阻尼合金三通管剛度較不銹鋼大為降低，同時高頻段的振動呈現(xiàn)非常復(fù)雜趨勢，實驗表明影響加速度響應(yīng)的因素較多。各個測點一階模態(tài)加速度頻率響應(yīng)峰值對比結(jié)果如表3所示。

表3 空管路各個測點X、Y、Z 方向加速度頻率響應(yīng)峰值對比Tab.3 Comparison of acceleration frequency response peak value of each measuring point of empty pipeline in X,Y,Z direction

由表3可以看出，這3個測點在X、Y方向上的加速度頻響曲線降低比較明顯，1 號點X方向降低17%，Y方向降低比例為37%；2 號點X方向降低37%，Y方向降低比例為12%；3 號點X方向降低26%，Y方向降低比例為14%。因此在空管路激振時，阻尼合金在低階會起到減振效果。

2.3 不銹鋼與阻尼合金三通測試段充水管路頻率響應(yīng)測試結(jié)果及分析

在充液管路狀態(tài)下，利用DHDAS 動態(tài)采集分析系統(tǒng)，分別采集不銹鋼管路和阻尼合金管路3個測點的時域信號，利用動態(tài)采集分析系統(tǒng)進行頻率響應(yīng)分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 充液管路3 個測點頻響對比Fig.4 Frequency response comparison of 3 measuring points in liquid-filled pipeline

圖4中充液管路頻響曲線和圖3中空管路頻響曲線還是有一定的區(qū)別，說明管路中水的作用還是很大的。從圖4可以看出，充液狀態(tài)下應(yīng)用阻尼合金后管路的模態(tài)頻率值也會降低；并且相同材料下，充液管路系統(tǒng)的模態(tài)頻率值和空管路的模態(tài)頻率值有區(qū)別，這是因為流體附加質(zhì)量的影響，其各階共振頻率分析結(jié)果如表4所示。

表4 2 種材料三通的充液管路各階共振頻率對比Tab.4 Comparison of the resonance frequencies of the liquid-filled pipes of the two-material tee

和空管路一樣，充液狀態(tài)下阻尼合金也是在低階時會起作用，而在中高頻率段作用不明顯。將這3個測點的一階模態(tài)加速度頻響峰值進行整理對比，結(jié)果如表5所示。

表5 充液管路各個測點X、Y、Z 方向加速度頻率響應(yīng)峰值對比Tab.5 Acceleration frequency response peak value comparison of each measuring point of liquid-filled pipeline in X,Y,and Z directions

由表5可以看出，充液管路中2號測點即阻尼三通管的位置，阻尼效果最好，在X、Y、Z3 個方向上，最大降低比例為45%。但在1號和3號測點同樣也會起到減振效果，只是減振效果不如2 號測點明顯。并且與空管路相比，在充液狀態(tài)下阻尼合金的減振效果更好。

3 三通管路系統(tǒng)工作狀態(tài)位移頻譜分析

位移頻譜分析是獲得各個頻率成分的位移幅值分布，從而得到主要振動位移幅度頻率值。為研究阻尼合金材料對管路工作狀態(tài)振動位移影響，本文模擬工作狀態(tài)下的位移頻譜響應(yīng)進行試驗測試。測點布局和加速度幅頻響應(yīng)測試時相同。測試中利用LMS test.Lab 軟件，分別采集2 種材料管路關(guān)鍵點不同流速下的X、Y方向的位移振動信號，經(jīng)過傅里葉變換得到不同三通管材料管路系統(tǒng)的位移頻譜曲線。但在100 Hz 以上時位移頻譜反應(yīng)不明顯，因此選取的分析頻率范圍為0～100 Hz。其中流速為5 m/s時的曲線如圖5所示。

圖5 工作狀態(tài)流速5 m/s 位移頻譜對比Fig.5 Working state flow rate 5 m/s displacement spectrum comparison

由圖5可以看出，共振頻率與泵的工作頻率基本是接近的。并且當管路系統(tǒng)中的三通管材料由不銹鋼換成阻尼合金后，共振頻率處的位移峰值有明顯的降低，這也和前面測的空管路和充液管路狀態(tài)下，阻尼合金在低階頻率時起作用相一致，工作狀態(tài)位移頻響分析結(jié)果如表6和表7所示。

表6 工作狀態(tài)各測點X 方向位移頻譜對比Tab.6 Displacement spectrum comparison in X direction of each measuring point in working state

表7 工作狀態(tài)各測點Y 方向位移頻譜對比Tab.7 Displacement spectrum comparison in Y direction of each measuring point in working state

由表6、表7可以看出，當流速為5 m/s時，共振頻率都在10～40 Hz，并且在2號測點即更換三通管材料的位置，振動幅度有明顯的降低，最大降低比例為86%。因此工作狀態(tài)下，將三通管材料換成阻尼合金后，能夠起到減振效果。

4 結(jié)論

本文研制的基于錳銅阻尼合金三通結(jié)構(gòu)件，并通過實驗方法研究了該材料三通的輸流管路振動特性，并與工程常用的不銹鋼管路進行了實驗對比?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：在正弦掃頻激振力作用下，阻尼合金材料對結(jié)構(gòu)的固有頻率產(chǎn)生一定的影響，測試段結(jié)構(gòu)各階固有頻率都會比相應(yīng)不銹鋼材質(zhì)要小；加速度頻率響應(yīng)表現(xiàn)為在低階共振頻率點，加速度頻率響應(yīng)有不同程度的降低，減振效果顯著，而在中高階頻率段的影響較為復(fù)雜，規(guī)律性不明顯；在輸流管路工作狀態(tài)下，當輸流管路中三通管件采用錳銅阻尼合金材料時，在穩(wěn)態(tài)位移振動幅值頻譜曲線會有一定程度的降低，共振頻率點位移振動幅值有明顯降低，抑制振動效果明顯。

本文的實驗研究表明，工程輸流管路的設(shè)計中，在某些關(guān)鍵部件合理采用錳銅阻尼合金材料，能夠有效的抑制輸流管路結(jié)構(gòu)的振動，達到減振效果。