CN102914426A - 波纹管隔振性能试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波纹管隔振性能试验装置及试验方法，实验装置包括待测试波纹管，波纹管（1）两端分别连接有上法兰（21）和下法兰（31），下法兰（31）固定在地基（30）上，上法兰（21）上固定有一个用于模拟波纹管工作管系中振源振动质量的质量盘（20）；试验装置还包括传感器，度传感器连接数据采集器，数据采集器连接后台计算机。本发明提供的一种波纹管隔振性能试验装置及其试验方法，考虑了波纹管所接入的管道系统，获得更接近真实情况的波纹管隔振性能参数（力传递率）。

Description

波纹管隔振性能试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及波纹管试验领域，特别是一种波纹管隔振性能试验装置及其试验方法。

背景技术

波纹管是具有多个横向波纹的圆柱形薄壁折皱壳体，它串联在管道系统中，主要起补偿位移及减振的作用。波纹管的隔振性能参数是衡量波纹管隔振性能的重要参数。波纹管隔振性能参数与波纹管所接入的管道系统有关，因此对波纹管进行隔振性能试验只有考虑了整个管道系统才有意义。目前，波纹管隔振性能试验通常是对单个独立的波纹管进行的，并没有考虑波纹管所接入的管道系统对波纹管隔振性能参数的影响。现行的试验方法不能真实地模拟波纹管实际工作状况，不能准确地获得波纹管隔振性能参数。

发明内容

为了真实地获得波纹管隔振性能参数（力传递率），本发明提供了一种波纹管隔振性能试验装置及其试验方法，考虑了波纹管所接入的管道系统，能够获得更接近真实情况的波纹管隔振性能参数（力传递率）。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种波纹管隔振性能试验装置，包括待测试波纹管（1），波纹管（1）两端分别连接有上法兰（21）和下法兰（31），下法兰（31）固定在地基（30）上，上法兰（21）上固定有一个用于模拟波纹管工作管系中振源振动质量的质量盘（20）；所述试验装置还包括用于获得和待测波纹管（1）的振动参数的传感器。

所述传感器连接数据采集器，数据采集器连接后台计算机。

所述传感器为速度传感器、位移传感器或者加速度传感器（22、23）。

所述加速度传感器通过电荷放大器连接所述数据采集器。

一种波纹管隔振性能试验方法，步骤如下：

1）将待测波纹管竖直放置，下端固定在地基上；

2）在待测波纹管上端固定一个用于模拟波纹管工作管系中振源振动质量的质量盘（20）；

3）对质量盘（20）施加作用力，使待测波纹管与质量盘系统沿竖直方向自由振动；

4）用传感器测量质量盘（20）与待测波纹管的振动，获得待测波纹管与质量盘系统自由振动的加速度相邻峰值A_i和A_i+1，i=1,2,…,以及共振频率f_r。

步骤4）之后，通过力传递率公式 $T_A=\sqrt{\frac{1+{[2\·\left(\frac{C}{C_C}\right)\·\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)]}^2}{{[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2]}^2+{[2\·\left(\frac{C}{C_c}\right)\·\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)]}^2}}$ 判断波纹管隔振性能；

阻尼比ζ为： $\mathrm{\ζ}=\frac{\ln \left(\frac{A_i}{A_{i+1}}\right)}{\sqrt{4{\mathrm{\π}}^2+{\left(\ln \frac{A_i}{A_{i+1}}\right)}^2}}$

固有频率ω_n： ${\mathrm{\ω}}_n=\frac{f_r}{2\mathrm{\π}\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}$

动态刚度K：K＝4π²Mf₀ ²

阻尼系数C： $C=2\mathrm{\ζ}\sqrt{\mathrm{MK}}$

M为质量盘（20）质量与上法兰（21）质量之和。

步骤3）中，用力锤竖直锤击质量盘中心以施加作用力。

所述传感器为加速度传感器，所述加速度传感器设有两个，安装在质量盘（20）的边缘；所述加速度传感器通过电荷放大器连接所述数据采集器，数据采集器连接后台计算机。

所述步骤4）中，通过加速度传感器获得测波纹管与质量盘系统自由振动的自由振动曲线，通过自由振动曲线获得所述相邻峰值A_i和A_i+1，i=1,2,…。

所述步骤4）中，通过对所述加速度曲线进行频谱分析，得到待测波纹管与质量盘系统的幅频曲线，从而得到待测波纹管与质量盘系统在各个方向上的共振频率，进一步得到波纹管沿轴线方向上的共振频率f_r。

通过本发明的试验装置及其试验方法，能够准确地测得待测波纹管的振动参数，用该振动参数进一步分析能够获得波纹管在真实管道系统中的的隔振性能参数，为隔振波纹管的设计使用提供了重要的依据。

附图说明

图1是本发明的试验装置示意图；

图2是波纹管工作管系示意图；

图3是隔振系统原理图；

图4是管路系统的数学模型图；

图5是图4简化模型图；

图6是试验装置数学模型图；

图7是波纹管的隔振性能参数力传递率曲线；

图8是待测波纹管与质量盘系统自由振动的加速度曲线；

图9是待测波纹管与质量盘系统自由振动的幅频曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

方法实施例

本发明的试验方法具体步骤如下:

1）将待测波纹管竖直放置，下端固定在地基上；

2）在待测波纹管上端固定一个用于模拟波纹管工作管系中振源振动质量的质量盘；

3）采用锤激法进行振动试验，即用力锤竖直锤击质量盘中心，使待测波纹管与质量盘系统自由振动；

4）用安装在质量盘上的加速度传感器测量待测波纹管与质量盘系统的加速度，将测量结果发送给后台计算机进行处理。

加速度传感器将加速度信号经数据采集器传给计算机，通过数据处理软件把信号记录下来。通过对振动信号的处理得到波纹管所在管路系统的动态刚度K、阻尼C和固有频率f₀。把求得的波纹管的动态刚度K、阻尼C和固有频率f₀代入力传递率公式，就可计算出波纹管在不同工作频率下的力传递率，把不同工作频率下的力传递率绘制成曲线，即获得波纹管的力传递率曲线。

作为其他实施方式，也可以采用位移传感器、速度传感器等其他类型的传感器来获得波纹管的共振频率f_r和自由响应相邻峰值A_i和A_i+1。本领域技术人员很容易进行这种替换。

实验装置实施例

本发明的试验装置如图1所示。包括待测试波纹管，波纹管1两端分别连接有上法兰21和下法兰31，下法兰31固定在地基30上，上法兰21上固定有一个用于模拟波纹管工作管系中振源振动质量的质量盘20；质量盘20上还安装有加速度传感器22、23，加速度传感器22、23通过电荷放大器5连接数据采集器6，数据采集器6连接后台计算机7。

本发明的实验原理如下：

在积极隔振中，隔离体m为振源，它受到一个力F，如图3所示，此系统的振动微分方程为：

$m\stackrel{\·\·}{x}+c\stackrel{\·}{x}+\mathrm{kx}=F\sin \mathrm{\ωt}$

对在通常工程实际中遇到得最多的、具有少量阻尼的隔振系统来说，方程的全解为：

$x=e^{-\left(\frac{C}{2m}\right)t}\·\{A\·\cos [\sqrt{\frac{K}{m}-{\left(\frac{C}{2m}\right)}^2}\·t]+B\·\sin [\sqrt{\frac{K}{m}-{\left(\frac{C}{2m}\right)}^2}\·t\left]\right\}+x_0\·\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})$

上式中前两项为通解，即有阻尼的自由振动。其中A、B为任意常数，其值取决于初始条件。由于阻尼的存在，这两项的幅值将随着时间的增大而逐渐趋近于零，因此它是瞬态的，也是无关紧要的。第三项为特解，是有阻尼的强迫振动，它是稳态的，也是研究振动问题时最为关心的，一般的强迫振动都可以由它来描述。所以，一般实际问题中只注意强迫振动部分：

x＝x₀·sin(ωt-θ)

这里x₀为振幅，θ为相角。因为：

$\stackrel{\·}{x}=x_0\mathrm{\ω}\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})$

$\stackrel{\·\·}{x}=-x_0{\mathrm{\ω}}^2\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})$

将此代入微分方程，不难得出振动位移的幅值：

$x_0=\frac{F_0}{\sqrt{{(k-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{C\ω}\right)}^2}}$

其中F₀为力的幅值，令：

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{K}{m}}$ ———系统固有频率

$C_c=2\·\sqrt{\mathrm{Km}}=2m\·{\mathrm{\ω}}_n$ ——临界阻尼系数

在有阻尼的情况下，传到基础的传递力F_T由两部分组成：一部分为弹簧力，其幅值为（K·×0_）；一部分为阻尼力，其幅值为（C·ω·×₀）。因为弹簧力系和位移成正比，而阻尼力则和速度成正比，所以两者之间相差一个90°相角，故其矢量和为：

$F_T=\stackrel{\→}{K}\·x+\stackrel{\→}{C}\·x=F_{T_0}\·\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})$

式中：

$F_{T_0}=\sqrt{{(K\·x_0)}^2+{(C\·\mathrm{\ω}\·x_0)}^2}=x_0\sqrt{K^2+{(C\·\mathrm{\ω})}^2}=F_0\·\sqrt{\frac{1+{[2\·\left(\frac{C}{C_c}\right)\·\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)]}^2}{{[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2]}^2+{\left[2\left(\frac{C}{C_c}\right)\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)\right]}^2}}$

$\frac{F_{T_0}}{F_0}=T_A=\sqrt{\frac{1+{[2\·\left(\frac{C}{C_C}\right)\·\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)]}^2}{{[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2]}^2+{[2\·\left(\frac{C}{C_c}\right)\·\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)]}^2}}$

T_A称为力传递率。其中，

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{K}{m}}$ ——系统固有角频率，弧度；

$C_c=2\·\sqrt{\mathrm{Km}}=2m\·{\mathrm{\ω}}_n$ ——临界阻尼系数。

由力传递率的公式可以看出，波纹管的力传递率与波纹管所接入的管道系统的固有频率和阻尼有关。波纹管工作的管路系统，如图2所示，波纹管1的两端通过上法兰盘21连接上管系2，通过下法兰31连接下管系3，下管系3连接地基30，上管系2上为振源振动质量100。可分为四部分：振源的振动质量，上管系2，波纹管1，下管系3。由于管路系统中的阻尼与波纹管的阻尼相比要小的多，可忽略不计。影响管道系统固有频率的因素主要是系统的刚度和质量。管路系统的数学模型如图4所示，此管路系统的总刚度为K，则有

式中，K——管路系统的总刚度

      K₁——管系1的刚度

      K₂——管系2的刚度

      K_波纹管——波纹管的刚度

在波纹管实际工作的管路中，由于管系1的刚度K₁和管系2的刚度K₂与波纹管的刚度K_波纹管相比要大的多，

远小于

故忽略不计，所以系统刚度K≈K_波纹管。因此在管路系统数学模型中，可以把K₁和K₂忽略，简化后的模型如图5。图5所示的波纹管隔振性能试验装置考虑了管路系统对波纹管隔振性能的影响。波纹管隔振性能试验装置的数学模型如图6所示。只要求出波纹管隔振性能试验装置的动态刚度K、阻尼C和固有频率ω_n就可得到波纹管在不同工作频率（ω）下的力传递率曲线。

根据振动理论，由波纹管的共振频率f_r和自由响应相邻峰值A_i和A_i+1，可以计算波纹管的阻尼比、固有频率、动态刚度和阻尼系数，得到力传递率T_A。阻尼比ζ：

由 $\ln \left(\frac{A_i}{A_{i+1}}\right)=\frac{2\mathrm{\π\ζ}}{\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}},$ 得到：

$\mathrm{\ζ}=\frac{\ln \left(\frac{A_i}{A_{i+1}}\right)}{\sqrt{4{\mathrm{\π}}^2+{\left(\ln \frac{A_i}{A_{i+1}}\right)}^2}}$

固有频率ω_n：

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{f_r}{2\mathrm{\π}\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}$

动态刚度K：

K＝4π²Mf₀ ²

阻尼系数C：

$C=2\mathrm{\ζ}\sqrt{\mathrm{MK}}$

把求得的波纹管模型的动态刚度K、阻尼C和固有频率ω_n代入到力传递率公式中，就可得到波纹管的隔振性能参数力传递率曲线，如图7所示。

所述加速度传感器测量得到整个系统（上述待测波纹管与质量盘系统）的自由振动的加速度曲线，如图8所示，取自由振动曲线上的加速度相邻峰值为A_i和A_i+1（i=1,2,…），本实施例中取六个加速度峰值，这六个峰值尽可能取加速度曲线的中间部分；通过对自由振动的加速度曲线进行频谱分析，得到系统的幅频曲线，如图9所示，从而得到系统在各个方向上的共振频率，从而得到波纹管沿轴线方向上的共振频率f_r，在图9中，f_r=16Hz。

Claims (10)

1.一种波纹管隔振性能试验装置，其特征在于，包括待测试波纹管（1），波纹管（1）两端分别连接有上法兰（21）和下法兰（31），下法兰（31）固定在地基（30）上，上法兰（21）上固定有一个用于模拟波纹管工作管系中振源振动质量的质量盘（20）；所述试验装置还包括用于获得和待测波纹管（1）的振动参数的传感器。

2.根据权利要求1所述的一种波纹管隔振性能试验装置，其特征在于，所述传感器连接数据采集器，数据采集器连接后台计算机。

3.根据权利要求1或2所述的波纹管隔振性能试验装置，所述传感器为速度传感器、位移传感器或者加速度传感器（22、23）。

4.根据权利要求3所述的一种波纹管隔振性能试验装置，其特征在于，所述加速度传感器通过电荷放大器连接所述数据采集器。

5.一种波纹管隔振性能试验方法，其特征在于，步骤如下：

1）将待测波纹管竖直放置，下端固定在地基上；

2）在待测波纹管上端固定一个用于模拟波纹管工作管系中振源振动质量的质量盘（20）；

3）对质量盘（20）施加作用力，使待测波纹管与质量盘系统沿竖直方向自由振动；

4）用传感器测量质量盘（20）与待测波纹管的振动，获得待测波纹管与质量盘系统自由振动的加速度相邻峰值A_i和A_i+1，i=1,2,…,以及共振频率f_r。

6.根据权利要求5所述的波纹管隔振性能试验方法，其特征在于，步骤4）之后，通过力传递率公式 $T_A=\sqrt{\frac{1+{[2\·\left(\frac{C}{C_C}\right)\·\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)]}^2}{{[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2]}^2+{[2\·\left(\frac{C}{C_c}\right)\·\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)]}^2}}$ 判断波纹管隔振性能；

阻尼比ζ为： $\mathrm{\ζ}=\frac{\ln \left(\frac{A_i}{A_{i+1}}\right)}{\sqrt{4{\mathrm{\π}}^2+{\left(\ln \frac{A_i}{A_{i+1}}\right)}^2}}$

固有频率ω_n： ${\mathrm{\ω}}_n=\frac{f_r}{2\mathrm{\π}\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}$

动态刚度K：K＝4π²Mf₀ ²

阻尼系数C： $C=2\mathrm{\ζ}\sqrt{\mathrm{MK}}$

M为质量盘（20）质量与上法兰（21）质量之和。

7.根据权利要求5所述的波纹管隔振性能试验方法，其特征在于，步骤3）中，用力锤竖直锤击质量盘中心以施加作用力。

8.根据权利要求5所述的波纹管隔振性能试验方法，其特征在于，所述传感器为加速度传感器，所述加速度传感器设有两个，安装在质量盘（20）的边缘；所述加速度传感器通过电荷放大器连接所述数据采集器，数据采集器连接后台计算机。

9.根据权利要求5所述的波纹管隔振性能试验方法，其特征在于，所述步骤4）中，通过加速度传感器获得测波纹管与质量盘系统自由振动的自由振动曲线，通过自由振动曲线获得所述相邻峰值A_i和A_i+1，i=1,2,…。

10.根据权利要求9所述的波纹管隔振性能试验方法，其特征在于，所述步骤4）中，通过对所述加速度曲线进行频谱分析，得到待测波纹管与质量盘系统的幅频曲线，从而得到待测波纹管与质量盘系统在各个方向上的共振频率，进一步得到波纹管沿轴线方向上的共振频率f_r。

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