CN104614142B - 一种圆管侧向甩击装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆管侧向甩击装置及其试验方法，具体地说，是一种甩动的圆管以不同角度撞击圆管的动态试验测试系统，属于动力学实验装置领域。包括主动管、从动管、支承装置、加载装置和测量装置五部分，通过控制支座的固定位置调节管道甩动距离和从动管跨距，通过旋转台控制甩动方向，通过电机带动齿轮装置提升主动管，通过高度角旋转盘调节提升角度并释放主动管，并通过测量装置记录撞击结果，实现对管道侧向甩击的实验观察。

Description

一种圆管侧向甩击装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种圆管侧向甩击装置及其试验方法，具体地说，是一种甩动的圆管以不同角度撞击圆管的动态试验测试系统，属于动力学实验装置领域。

背景技术

压力管道广泛应用于核电站、石油化工、煤气及民用建筑等重要产业部门，主要用来输送各种高能量（高温、高压）液体或气体。由于意外事故的发生，压力管道上可能会出现一些局部裂纹和破坏，导致大量有害的液体或气体外泄，一方面形成了环境污染甚至产生爆炸和火灾，造成生命财产的巨大损失，另一方面管道一旦破裂，喷射出的高压流体将产生巨大的反作用力，会造成管道高速度、大范围的甩动，引起二次破坏，从而引发连锁性的灾难事故。因此，压力管道发生断裂破坏后的甩动以及与相邻管道间发生的不同角度的撞击的研究，对于安全生产有着十分重要的工程背景，受到了工程界和应用力学界的高度重视。

关于圆管甩动的塑性动力响应的研究已经取得了一些进展，太原理工大学的张善元教授与路国运教授对圆管包括充液管道受子弹、落锤冲击作用下的动态响应做了大量研究，已取得很多有意义的成果，也有其他学者对圆管的动态冲击问题进行了大量研究，对工业生产设计以及事故破坏程度评估有重大意义。然而目前大部分研究都局限于子弹及落锤对圆管轴向或横向地撞击，很少有人研究管道与管道之间的相撞问题，尤其是管道相撞的实验研究还未有人报道过，相关的实验设备也未有人设计提出过。

由于管道撞击中仍有很多问题值得探讨，如圆管甩动时局部凹陷的发展及其影响，不同撞击角度对被撞管的破坏程度的影响等，而对于甩动的圆管与圆管结构及其与其它结构和设备的撞击问题将带来更多的耦合效应，使得分析更加复杂并可能出现一些特殊现象。另一方面，管道与管道之间的撞击问题又是一个非常有实际应用前景的研究课题，因此有必要研制一套圆管甩动撞击圆管的动态测试系统。由于实际生产事故中管道发生破裂的位置不确定，且在其甩动过程中会受到墙壁等的影响而改变其甩动方向，管道对其他管道的撞击可能是任意角度的，其撞击情况多样，撞击结果不唯一，破坏程度不确定，给分析研究带来了很大困难。为了进一步对管道甩动中可能发生的管与管之间的侧向撞击问题进行研究，分析两管撞击动力响应的特点，研究不同情况下管道被撞的破坏程度，以评估管道甩动对其它管道的影响，有必要设计一套可实现不同撞击条件的管道撞击系统，为管道甩击现象的研究分析提供有效的实验数据。

发明内容

本发明旨在提供一种圆管侧向甩击装置及其试验方法，实现了管道侧向甩动撞击管道的试验过程，对高压管道断裂后甩动过程中可能发生的管与管的非正交撞击现象进行实验测试，为两管非正交撞击的动力响应研究提供实验条件，以评估管道甩动对其它管道的影响。

本发明是通过以下技术解决方案实现的：

本发明提供了一种圆管侧向甩击装置，包括主动管、从动管、支承装置、加载装置和测量装置，主动管一端与支承装置铰接，从动管与主动管正交，从动管两端通过支承装置固定，加载装置位于主动管的端部，测量装置设置在主动管、从动管两侧；

所述支承装置包括槽钢平台、主动管旋转底座、主动管旋转台、从动管固定支座、辊轴与套筒，槽钢平台上设有螺栓槽，主动管旋转底座和从动管固定支座通过螺栓固定在槽钢平台上，主动管旋转底座由垂直相交的两块板组成，水平板通过螺栓固定在槽钢平台上，竖直板中心设有孔，主动管旋转底座中心孔的两端等距离处分别设有弧形导槽，上端导槽上方设有刻度盘，主动管旋转台与主动管旋转底座的竖直板平行设置，主动管旋转台中心设有凸起的轴，该轴插入主动管旋转底座的竖直板中心孔内，二者配合连接，且主动管旋转台能沿中心轴相对于主动管旋转底座旋转，主动管旋转台上下端分别设有螺栓，螺栓位置与主动管旋转底座上的弧形导槽对应设置，螺栓能沿弧形导槽左右转动，旋转台上端设有指针，指针与主动管旋转底座上方的刻度线接触；旋转台上垂直设置三块立板，三块立板平行设置，三块立板包括两块中心立板和一块外侧立板；套筒为相互垂直的圆管，水平段套筒与主动管连接，垂直段套筒内有一条凸棱，同时辊轴表面对应设置一条贯通卡槽，辊轴穿过中心立板与垂直段套筒，齿轮与套筒通过辊轴卡槽与辊轴固定；

所述加载装置包括两个扭簧、齿轮装置、电机、弹簧、滚珠、高度角旋转盘，电机位于旋转台两中心立板中间并通过螺栓固定在旋转台上，电机与辊轴通过齿轮装置连接，齿轮位于中心立板和外侧立板之间，扭簧分别位于垂直段套筒两侧，弹簧设置在齿轮内侧与中心立板接触，辊轴依次穿过中心立板、垂直段套筒、另一块中心立板、弹簧、齿轮，端部与外侧立板上的高度角旋转盘相抵，滚珠位于齿轮外侧与旋转台的外侧立板之间，高度角旋转盘嵌入旋转台的外侧立板内侧，滚珠与高度角旋转盘接触，高度角旋转盘径向两端设有两个槽孔与滚珠对应，在旋转台的外侧立板对应设置有两个弧形导槽，高度角旋转盘中心设有转轴嵌入外侧立板中心，高度角旋转盘的槽孔旁边设有螺栓柱穿过外侧立板弧形导槽固定高度角旋转盘；

所述测量装置包括高速摄像机、动态应变仪、示波器、激光测速器和应变片，所述激光测速器位于水平主动管两侧，高速摄像机位于从动管外侧，从动管中部上方及侧面均贴有应变片，应变片连接动态应变仪与示波器。

上述方案中，所述螺栓槽平行设置在槽钢平台上，且贯通槽钢平台，相邻螺栓槽之间的距离相等，能在任意位置处通过螺栓固定主动管旋转底座与从动管固定支座。由于槽钢平台开有多条螺栓槽，从动管固定位置可任意调整，从而实现从动管跨距可调，主动管甩动半径可调。

上述方案中，所述主动管与套筒连接的一端设有两个正交圆孔，通过两个正交的螺栓固定于套筒内，以方便主动管更换。

上述方案中，所述主动管旋转台发生旋转时，通过指针在主动管旋转底座的刻度线上的指示读出旋转角度β。根据旋转底座的刻度盘可读出旋转角度，即撞击角度，因此可控制旋转台的转动角度，从而实现不同角度的管道甩击实验。

上述方案中，所述旋转台沿主动管旋转底座旋转角度β的范围为-60°~60°，之后通过螺栓固定，其旋转中心为主动管水平时的轴线，因此旋转台角度不同时都可以使主动管撞击从动管时的落点相同，从而实现不同角度撞击的同时更有利于记录撞击过程。

上述方案中，所述高度角旋转盘沿旋转台外侧立板旋转角度α的范围为0°~60°，之后通过螺栓固定，通过刻度指示读出旋转角度，因此通过控制高度角旋转盘的转动角度，从而实现主动管提升不同高度时自动释放主动管，即主动管以不同速度甩动。

上述方案中，所述高度角旋转盘有两个槽孔，齿轮盘外侧设有两个滚珠与高度角旋转盘开设的槽孔位置一致，高度角旋转盘通过螺栓柱固定在外侧立板上。实验开始前通过螺栓柱旋转高度角旋转盘至一定角度，用螺栓固定，齿轮的两滚珠水平。电机起动旋转齿轮带动辊轴上的齿轮转动，从而提升主动管，当辊轴上的齿轮转至一定角度使其滚珠与高度角旋转盘上的槽孔一致时，在弹簧作用下齿轮与辊轴之间产生相对滑动，滚珠陷入高度角旋转盘的槽孔内，电机的齿轮与辊轴上的齿轮错位，扭矩失去，主动管在扭簧作用下发生甩动，撞击从动管。调整高度角旋转盘的角度可以控制主动管的提升角度，从而达到不同冲击速度的撞击效果。

本发明提供了一种上述装置的试验方法，包括以下步骤：

（1）安装支承装置、加载装置、主动管以及从动管：根据实验目的，先将主动管旋转底座和从动管固定支座固定于槽钢平台，将从动管两端通过夹具固定于从动管固定支座，再将主动管旋转台的凸轴插入旋转底座，之后将加载装置及主动管安装至旋转台，并保证主动管与两滚珠水平，加载装置中两个扭簧分别位于水平段套筒两侧并套在垂直段套筒上，辊轴依次穿过中心立板、垂直段套筒、另一块中心立板、弹簧、齿轮，最后粘贴应变片并安装测量装置；

（2）调整甩击方向与高度角实现不同的功能：调整高度角旋转盘角度α至测量角度并固定，控制主动管高度，同时将旋转台角度β转至测量角度并固定，控制主动管甩动方向；

（3）开始实验：启动电机提升主动管，当主动管转至高度角旋转盘指定角度自动释放，扭簧施加扭矩使释放后的主动管绕其铰支端快速转动并按旋转台指定方向撞击从动管；撞击过程中测量装置记录撞击结果，从应变数据与图像两方面对从动管的变形情况进行记录，从而分析侧向甩击现象的破坏程度。

进一步地，通过以下方法能实现不同的功能：

（1）不同甩击方向的撞击：主动管旋转台可沿旋转底座轴心转动，同时轴心与主动管共轴，调整主动管旋转台的倾斜角度β（-60°~ 60°），实现主动管以不同方向甩动撞击从动管；

（2）不同甩击速度的撞击：高度角旋转盘可沿其中心轴相对于主动管旋转台外侧立板转动，调整高度角旋转盘角度α（0°~ 60°），使主动管在不同高度角时释放，从而实现不同冲击速度下的撞击情况；

（3）甩动半径R不同的主动管撞击：槽钢平台设有很长的贯通螺栓槽，更改主动管旋转底座与从动管固定支座位于槽钢平台长度方向上的相对位置，通过调整二者之间的距离，同时更换相应长度的主动管，实现不同甩动半径R的主动管撞击情况；

（4）跨距L不同的从动管被撞：槽钢平台设有多条平行螺栓槽，更改从动管的两个固定支座的固定位置，通过调整主动管跨距L，从而实现跨距L不同的从动管被撞情况；

（5）固定方式不同的从动管被撞：若从动管固定支座分别位于从动管两端，即从动管两端固支，实现两端固支的管道被撞情况；若从动管固定支座均位于从动管一端，另一端自由，则从动管属于悬臂管道，即实现悬臂管道的被撞情况；

（6）撞击点位置可调撞击：槽钢平台设有多条平行螺栓槽，更改主动管旋转底座与从动管固定支座位于槽钢平台宽度方向上的相对位置，可以调整主动管对从动管的撞击位置：具体可分为以下三种：①两端固支管道撞击，若主动管与从动管较近固定端沿宽度方向的相对距离H=L/2，则撞击点位于从动管跨中，即跨中撞击；②两端固支管道撞击，若L/2>H>0，则撞击点位于从动管靠近固定管一侧，即偏置撞击；③悬臂管道撞击，两从动管固定支座均固定从动管一端，调整主动管与从动管固定端沿槽钢平台宽度方向的相对距离H，实现不同撞击点的撞击情况；

（7）不同厚度的管道撞击：更换不同厚度的主动管、从动管，实现不同厚度的管道撞击。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过主动管旋转台可旋转，完美实现了主动管以不同角度撞击从动管的过程，且撞击角度可调可控；

（2）本发明中提升装置及释放装置均固定于旋转台上，实现了主动管不同角度甩击时的提升与释放过程；

（3）本发明中释放装置通过可调高度角旋转盘实现，可以控制主动管提升角度并快速释放主动管，从而实现不同冲击速度的撞击情况；

（4）本发明槽钢平台含有多条螺栓槽，能在任意位置固定主动管及从动管底座，从而实现甩击半径可调，甩击速度可调，从动管跨距可调，管道规格可调等功能；

（5）本发明中主动管通过套筒连接旋转台，甩击管道更换方便。

附图说明

图1为本发明总装置的结构示意图。

图2为本发明支承装置示意图（图1俯视方向）。

图3为本发明主动管旋转底座示意图（图2右视方向）。

图4为本发明主动管旋转台示意图（图2右视方向）。

图5为本发明夹具示意图。

图6为本发明加载装置示意图。

图7为图6中沿A-A截面的示意图。

图8为图6的仰视图（局部）。

图9为本发明高度角旋转盘示意图。

图10为主动管与从动管正交撞击示意图（图2右视方向）。

图11为主动管与从动管呈60°夹角（主动管倾斜30°）撞击示意图（图2右视方向）。

图中：

1支承装置；2加载装置；3主动管；4从动管；5测量装置；6槽钢平台；7螺栓槽；8螺栓；9主动管旋转底座；10主动管旋转台；11电机螺栓；12辊轴；13套筒螺栓；14套筒；15从动管固定支座；16夹具；17刻度盘；18弧形导槽；19旋转底座中心孔；20中心立板；21外侧立板;22凸轴; 23指针; 24电机；25扭簧；26齿轮装置；27高度角旋转盘；28弹簧；29滚珠; 30辊轴卡槽; 31外侧立板中心孔; 32外侧立板弧形导槽；33外侧立板刻度盘；34槽孔；35高度角旋转盘中心凸轴；36螺栓柱；37示波器；38动态应变仪；39高速摄像机；40应变片。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

如图1所示，圆管侧向甩击装置包括支承装置1、加载装置2、主动管3、从动管4和测量装置5五部分。通过支承装置1可实现主动管3与从动管4的固定，加载装置2提供甩动力矩，将主动管3提升一定高度并释放，测量装置5记录撞击结果。

所述的支承装置1包括槽钢平台6、螺栓8、主动管旋转底座9、主动管旋转台10、辊轴12、套筒14和从动管固定支座15，如图2所示，其连接方式为：主动管3一端开孔，通过两个正交的套筒螺栓13固定于套筒14内，套筒14分为水平段和垂直段，水平段与主动管3连接，垂直段套在辊轴12上，内部通过辊轴卡槽30固定，辊轴12两端穿过两中心立板20的圆孔；主动管旋转台10旋转一定角度并与主动管旋转底座9通过螺栓8连接，主动管旋转底座9通过螺栓8与槽钢螺栓槽7固定于槽钢平台6上。另一方面从动管4通过夹具16固定于从动管固定支座15上，从动管固定支座15通过螺栓8与螺栓槽7固定于槽钢平台6上。槽钢平台6上平行设置有若干条螺栓槽7，且贯通槽钢平台6，从动管固定支座15在槽钢平台6上的位置是可调的，从而可以实现不同甩动距离、不同固定管跨距的撞击。

所述的主动管旋转底座9如图3所示，主动管旋转底座9由垂直相交的两块板组成，水平板通过螺栓8固定在槽钢平台6上，竖直板中心设有孔，主动管旋转底座中心孔19的上下两端等距离处分别设有弧形导槽18，上端导槽上方设有刻度盘17。

主动管旋转台10如图4所示，主动管旋转台10与主动管旋转底座9的竖直板平行设置，主动管旋转台10中心设有凸起的轴，该凸轴22插入旋转底座中心孔19内，二者配合连接，且主动管旋转台10能沿中心轴相对于主动管旋转底座9旋转，主动管旋转台10上下端分别设有螺栓8，螺栓8位置与主动管固定底座9上的弧形导槽18对应设置，螺栓8能沿弧形导槽18左右转动，主动管旋转台10上端设有指针23，指针23与主动管旋转底座上方的刻度盘17接触；旋转台上垂直设置三块立板，三块立板平行设置，三块立板包括两块中心立板20和一块外侧立板21，加载装置2固定在主动管旋转台10上的立板上。根据刻度盘17的读数将主动管旋转台10旋转至一定角度后通过螺栓8与弧形导槽18固定。根据主动管旋转底座9与主动管旋转台10控制主动管3的甩动方向，可以实现主动管3以不同角度撞击从动管4，如图10、11所示。

所述的夹具16如图5所示，夹具16底部中间开有半圆形凹槽，相对应的支座上方有半径相同的半圆形凹槽，从动管4可被夹持在半圆形凹槽内，夹具16两端开有圆孔，通过螺栓8将从动管4固定于从动管固定支座15上。

所述的加载装置2包括两个扭簧25、辊轴12、套筒14、齿轮装置26、电机24、弹簧28、滚珠29、高度角旋转盘27，如图6所示。具体连接方式为：电机24位于主动管旋转台10的两中心立板20中间，通过电机螺栓11固定于主动管旋转台10上，辊轴12位于电机24外侧，二者通过齿轮装置26连接，齿轮装置26位于中心立板20和外侧立板21之间，扭簧25以垂直段套筒为轴，位于水平段套筒两侧，其两端分别嵌入主动管旋转台10与套筒14侧壁内，弹簧28设置在齿轮装置26内侧与中心立板20接触，辊轴12依次穿过中心立板20、垂直段套筒14、另一块中心立板20、弹簧28、齿轮装置26，端部与外侧立板21上的高度角旋转盘27相抵，套筒14水平段通过两个正交的套筒螺栓13与主动管3连接。齿轮装置26与辊轴12通过可滑动的齿相连，且辊轴12上与齿对应的辊轴卡槽30与套筒14水平段平行，如图7所示。当电机24启动，通过齿轮装置26带动辊轴12及套筒14转动，同时扭簧25对套筒14施加一定扭矩，实现主动管3的加载过程。齿轮装置26内侧有一弹簧28，外侧有两个滚珠29与主动管旋转台10外侧立板21上的高度角旋转盘27相抵，高度角旋转盘中心凸轴35嵌入旋转台外侧立板中心孔31以实现转动，靠近边缘处开有两个槽孔34与滚珠29位置对应，其中一个槽孔34旁有一螺栓柱36，用来转动并固定高度角旋转盘27，如图8、图9所示。调整高度角旋转盘27的角度，如图7所示，当齿轮装置26转动相同角度时，在弹簧28作用下齿轮装置26与辊轴12之间产生相对滑动，滚珠29嵌于槽孔34内，电机24直连的齿轮与辊轴12上的齿轮错位，扭矩失去，主动管3在扭簧25作用下发生甩动，撞击从动管4。调整旋转盘27的角度可以控制主动管3的提升角度，从而达到不同冲击速度的撞击效果。

所述的测量装置5由动态应变仪38、示波器37、高速摄像机39和应变片40组成，如图1所示。可在从动管4任意位置布置应变片40，通过动态应变仪38并结合示波器37得到从动管4在甩击过程中不同位置的应变时程曲线，高速摄像仪39则记录完整撞击过程，从数据与图像两方面详细分析甩击过程。

下面结合实施例对具体实验方法进行进一步说明：

（1）安装支承装置1、加载装置2、主动管3以及从动管4：根据实验目的，选择主动管3甩动半径、从动管4固定方式以及跨距，按照所选尺寸将主动管旋转底座9和从动管固定支座15固定于槽钢平台6上，将从动管4端部通过夹具16固定于从动管固定支座15，再将主动管旋转台10的凸轴22插入主动管旋转底座9，之后将加载装置2及主动管3安装至主动管旋转台10，并保证主动管3与两滚珠29水平，最后粘贴应变片40并安装测量装置5；

（2）调整甩击方向与高度角：调整高度角旋转盘27的角度α至测量角度并固定，控制主动管3的提升角度，并将主动管旋转台10的角度β转至测量角度，并且固定，控制主动管3的甩动方向；

（3）开始实验：启动电机24提升主动管3，由于主动管3与滚珠29初始为水平状态，当二者转至高度角旋转盘27指定角度自动释放，扭簧25施加扭矩使释放后的主动管3绕其铰支端快速转动并按主动管旋转台10指定方向撞击从动管4；撞击过程中测量装置5记录撞击结果，从应变数据与图像两方面对从动管4的变形情况进行记录，从而分析侧向甩击现象的破坏程度。

下面结合实施例对本发明实现不同功能的方法分别进行说明：

（1）不同甩击方向的撞击：如图9、10所示，主动管旋转台10可沿其中心轴相对于主动管旋转底座9转动，同时该中心轴也是主动管3的中心轴，所以主动管3提升后位于不同位置，而撞击时保持初始水平位置不变，即撞击点固定，因此可以调整主动管旋转台10的倾斜角度β（-60°~ 60°），实现主动管3以不同方向甩动撞击从动管4，可以分析管道以不同角度撞击周围管道的动态响应，其中从动管轴线与甩动平面所成夹角θ为撞击角度，且撞击角与旋转台角度β的关系为：θ=90°-β；

（2）不同甩击速度的撞击：如图7、8所示，高度角旋转盘27可沿其中心轴相对于主动管旋转台外侧立板21转动，而与其槽孔34对应的滚珠29初始位置水平，更改高度角旋转盘27角度α（0°~ 60°），当主动管3提升过程中达到α，则滚珠29陷入槽孔34，齿轮装置26脱离，主动管3在扭簧25作用下甩动并撞向从动管4，提升角度越大，扭簧25施加力矩越大，主动管3撞击速度也越大，因此更改高度角旋转盘角度可使主动管3以不同冲击速度撞击从动管，可以分析不同冲击速度下的管道撞击问题；

（3）甩动半径R不同的主动管撞击：槽钢平台6设有很长的贯通螺栓槽7，固定支座的位置可任意调整，更改主动管旋转底座9与从动管固定支座15位于槽钢平台6长度方向上的相对位置，可调整二者之间的距离R，同时更换相应长度的主动管3，即可实现不同甩动半径R的主动管3撞击情况，可以分析不同甩动半径的管道甩动撞击问题；

（4）跨距L不同的从动管被撞：槽钢平台6设有多条平行螺栓槽7，从动管固定支座15可以固定在不同螺栓槽7内，更改从动管4的两个固定支座15的固定位置，可以调整从动管4跨距L，从而实现跨距L不同的从动管4被撞情况，以此可以分析管道撞击不同长度管道的冲击问题；

（5）固定方式不同的从动管4被撞：若从动管固定支座15分别位于从动管4两端，即从动管4两端固支，可实现两端固支的管道被撞情况；若从动管固定支座15均位于从动管4一端，另一端自由，则从动管4属于悬臂管道，即实现悬臂管道的被撞情况；

（6）撞击点位置可调：槽钢平台6设有多条平行螺栓槽，更改主动管旋转底座9与从动管固定支座15位于槽钢平台6宽度方向上的相对位置，可以调整主动管3对从动管4的撞击位置。对于两端固支管道撞击，可分为跨中撞击，偏置撞击，若主动管3与从动管4较近固定端沿宽度方向的相对距离H=L/2，则撞击点位于从动管4跨中，即跨中撞击；若L/2>H>0，则撞击点位于从动管4靠近固定管一侧，即偏置撞击。对于悬臂管道撞击，两从动管固定支座15均固定从动管4一端，调整主动管3与从动管4固定端沿槽钢平台6宽度方向的相对距离H，也可实现不同撞击点的撞击情况；

（7）不同厚度的管道撞击：本发明主动管3、从动管4更换方便，在确保外径相同的情况下，可更换不同厚度的主动管3、从动管4，实现不同厚度的管道撞击；

下面通过两个具体的实施例来进一步说明本发明不同方向甩击以及提升角度控制的实现方法：

实施例1：

如图10所示，将主动管旋转台10旋转至0°，主动管3的甩击平面垂直于从动管4，即主动管3与从动管4正交撞击。在该情况下，主动管3撞击从动管4后不发生偏转，而是以原路径反向弹回。

由于初始时刻主动管3与辊轴卡槽30平行，且辊轴卡槽30位于两滚珠29连线上，即初始时刻主动管3与滚珠29均处于水平位置。在提升主动管3过程中滚珠29与高度角旋转盘27相抵，电机24可以施加扭矩提升主动管3，当主动管3提升至60°时，滚珠29位置正好位于高度角旋转盘槽孔34位置，在弹簧28作用下齿轮装置26与辊轴12之间产生相对滑动，滚珠29嵌于槽孔34内，电机24的齿轮与辊轴12上的齿轮错位，扭矩失去，主动管3在扭簧25作用下发生甩动，撞击从动管4。若调整高度角旋转盘27至60°，即两槽孔34连线与水平面呈60°，则当主动管3提升至60°时滚珠29嵌入高度角旋转盘27，主动管3释放并甩动撞向从动管4。而对于不同的提升角度，提升角度越大，扭簧25对主动管3施加的扭矩也越大，主动管3撞击从动管4时的冲击速度也越大。因此调整旋转盘27的角度可以控制主动管3的提升角度，从而达到不同冲击速度的正交撞击效果。

实施例2：

如图11所示，将主动管旋转台10旋转至30°，主动管3的甩击平面与从动管4呈60°，即主动管3与从动管4呈60°撞击。在该情况下，主动管3撞击从动管4后发生偏转，向另一侧弹出。

由于加载装置2位于主动管旋转台10上，当主动管旋转台10发生转动时，加载装置2同样发生转动，其作用原理不发生变化，高度角旋转盘27显示的角度为主动管3在其60°甩动平面内的转动角度，控制的是扭簧25转动的角度。因此改变高度角旋转盘27，同样可以实现不同速度下的斜撞击效果。

Claims (9)

1.一种圆管侧向甩击装置，包括主动管、从动管、支承装置、加载装置和测量装置，其特征在于：主动管一端与支承装置铰接，从动管与主动管正交，从动管两端通过支承装置固定，加载装置位于主动管的端部，测量装置设置在主动管、从动管两侧；

所述支承装置包括槽钢平台、主动管旋转底座、主动管旋转台、从动管固定支座、辊轴与套筒，槽钢平台上设有螺栓槽，主动管旋转底座和从动管固定支座通过螺栓固定在槽钢平台上，主动管旋转底座由垂直相交的两块板组成，水平板通过螺栓固定在槽钢平台上，竖直板中心设有孔，主动管旋转底座中心孔的两端等距离处分别设有弧形导槽，上端导槽上方设有刻度盘，主动管旋转台与主动管旋转底座的竖直板平行设置，主动管旋转台中心设有凸起的轴，该凸轴插入主动管旋转底座的竖直板中心孔内，二者配合连接，且主动管旋转台能沿凸轴相对于主动管旋转底座旋转，主动管旋转台上下端分别设有螺栓，螺栓位置与主动管旋转底座上的弧形导槽对应设置，螺栓能沿弧形导槽左右转动，主动管旋转台上端设有指针，指针与主动管旋转底座上方的刻度线接触；主动管旋转台上垂直设置三块立板，三块立板平行设置，三块立板包括两块中心立板和一块外侧立板；套筒为相互垂直的圆管，水平段套筒与主动管连接，垂直段套筒内有一条凸棱，同时辊轴表面对应设置一条贯通卡槽，辊轴穿过中心立板与垂直段套筒，齿轮与套筒通过辊轴卡槽与辊轴固定；

所述加载装置包括两个扭簧、齿轮装置、电机、弹簧、滚珠、高度角旋转盘，电机位于主动管旋转台两中心立板中间并通过螺栓固定在主动管旋转台上，电机与辊轴通过齿轮装置连接，齿轮位于中心立板和外侧立板之间，扭簧分别位于辊轴上垂直段套筒两侧，弹簧设置在齿轮内侧与中心立板接触，滚珠位于齿轮外侧与主动管旋转台的外侧立板之间，高度角旋转盘嵌入主动管旋转台的外侧立板内侧，滚珠与高度角旋转盘接触，高度角旋转盘径向两端设有两个槽孔与滚珠对应，在主动管旋转台的外侧立板对应设置有两个弧形导槽，高度角旋转盘中心设有转轴嵌入外侧立板中心，高度角旋转盘的槽孔旁边设有螺栓柱穿过外侧立板弧形导槽固定高度角旋转盘；

所述测量装置包括高速摄像机、动态应变仪、示波器、激光测速器和应变片，所述激光测速器位于水平主动管两侧，高速摄像机位于从动管外侧，从动管中部上方及侧面均贴有应变片，应变片连接动态应变仪与示波器。

2.根据权利要求1所述的圆管侧向甩击装置，其特征在于：所述螺栓槽平行设置在槽钢平台上，且贯通槽钢平台，相邻螺栓槽之间的距离相等，能在任意位置处通过螺栓固定主动管旋转底座与从动管固定支座。

3.根据权利要求1所述的圆管侧向甩击装置，其特征在于：所述主动管与套筒连接的一端设有两个正交圆孔，通过两个正交的螺栓固定于套筒内。

4.根据权利要求1所述的圆管侧向甩击装置，其特征在于：所述主动管旋转台发生旋转时，通过指针在主动管旋转底座的刻度线上的指示读出旋转角度β。

5.根据权利要求4所述的圆管侧向甩击装置，其特征在于：所述主动管旋转台沿主动管旋转底座旋转角度β，其中β的范围为：-60°~60°。

6.根据权利要求1所述的圆管侧向甩击装置，其特征在于：所述高度角旋转盘沿主动管旋转台外侧立板中心旋转角度α，其中α的范围为：0°~60°。

7.一种权利要求1~6任一项所述的圆管侧向甩击装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）安装支承装置、加载装置、主动管以及从动管：根据实验目的，先将主动管旋转底座和从动管固定支座固定于槽钢平台，将从动管两端通过夹具固定于从动管固定支座，再将主动管旋转台的凸轴插入旋转底座，之后将加载装置及主动管安装至主动管旋转台，并保证主动管与两滚珠水平，加载装置中两个扭簧分别位于水平段套筒两侧并套在垂直段套筒上，辊轴依次穿过中心立板、垂直段套筒、另一块中心立板、弹簧、齿轮，最后粘贴应变片并安装测量装置；

（2）调整甩击方向与高度角实现不同的功能：调整高度角旋转盘角度α至测量角度并固定，控制主动管高度，同时将主动管旋转台角度β转至测量角度并固定，控制主动管甩动方向；

（3）开始实验：启动电机提升主动管，当主动管转至高度角旋转盘指定角度自动释放，扭簧施加扭矩使释放后的主动管绕其铰支端快速转动并按主动管旋转台指定方向撞击从动管；撞击过程中测量装置记录撞击结果，从应变数据与图像两方面对从动管的变形情况进行记录，从而分析侧向甩击现象的破坏程度。

8.根据权利要求7所述的圆管侧向甩击装置的试验方法，其特征在于：通过以下方法实现不同的功能：

（1）不同甩击方向的撞击：主动管旋转台能沿中心轴相对于主动管旋转底座旋转，同时该中心轴也是主动管的中心轴，调整主动管旋转台的倾斜角度β为-60°~ 60°，实现主动管以不同方向甩动撞击从动管；

（2）不同甩击速度的撞击：高度角旋转盘能沿其中心轴相对于主动管旋转台外侧立板转动，调整高度角旋转盘角度α为0°~ 60°，使主动管在不同高度角时释放，从而实现不同冲击速度下的撞击情况;

（3）甩动半径R不同的主动管撞击：槽钢平台设有很长的贯通螺栓槽，更改主动管旋转底座与从动管固定支座位于槽钢平台长度方向上的相对位置，通过调整二者之间的距离，同时更换相应长度的主动管，实现不同甩动半径R的主动管撞击情况；

（4）跨距L不同的从动管被撞：槽钢平台设有多条平行螺栓槽，能够更改从动管的两个固定支座的固定位置，通过调整从动管跨距L，从而实现跨距L不同的从动管被撞情况；

（5）固定方式不同的从动管被撞：若从动管固定支座分别位于从动管两端，即从动管两端固支，实现两端固支的管道被撞情况；若从动管固定支座均位于从动管一端，另一端自由，则从动管属于悬臂管道，即实现悬臂管道的被撞情况；

（6）撞击点位置可调撞击：槽钢平台设有多条平行螺栓槽，更改主动管旋转底座与从动管固定支座位于槽钢平台宽度方向上的相对位置，调整主动管对从动管的撞击位置；

（7）不同厚度的管道撞击：更换不同厚度的主动管、从动管，实现不同厚度的管道撞击。

9.根据权利要求8所述的圆管侧向甩击装置的试验方法，其特征在于：所述（6）撞击点位置可调撞击具体分为以下三种：①两端固支管道撞击，若主动管与从动管较近固定端沿宽度方向的相对距离H=L/2，则撞击点位于从动管跨中，即跨中撞击；②两端固支管道撞击，若L/2>H>0，则撞击点位于从动管靠近固定管一侧，即偏置撞击；③悬臂管道撞击，两从动管固定支座均固定从动管一端，调整主动管与从动管固定端沿槽钢平台宽度方向的相对距离H，实现不同撞击点的撞击情况。