CN104634533B - 一种简易圆管甩击装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简易圆管甩击装置，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连接，另一端与加载装置连接，从动管两端通过支承装置固定，并与主动管正交，测量装置设置在主动管、从动管两侧；本发明通过电机提升主动杆一端，通过快速解锁装置释放主动杆，在弹簧装置的作用下，主动杆甩动撞向与其正交的从动管，即可实现圆管甩动撞击圆管并通过测试系统记录相关数据。本发明为两管撞击动力响应的研究提供实验条件，以评估管道甩动对其它管道的影响。

Description

一种简易圆管甩击装置

技术领域

本发明涉及一种简易圆管甩击装置，具体地说，涉及一种圆管甩动撞击圆管的动态试验测试装置，属于动力学实验装置领域。

背景技术

在核电站、石油化工、煤气及民用建筑等重要产业部门，大量输送高能量（高温、高压）液体和气体的压力管网构成这些产业部门的动脉。由于意外事故，物体或爆炸后产生的碎片冲击到圆管上会造成局部破裂和穿透，导致大量有害的液体或气体外泄，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。此外，管道一旦破裂，喷射出的高压流体将产生巨大的反作用力，还会造成管道高速度、大范围的甩动，引发连锁性的灾难事故。因此，压力管道受侧向冲击破坏及其后续动力响应对附近管道和设备冲击威害的研究，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，然而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，目前只发现有一篇相关的实验及简单的分析报道。对于这一问题尽管已有一些简化分析可用，但两个变形体之间的碰撞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方向，因此有必要研制一套圆管甩动撞击圆管的动态测试装置，进一步对管道甩动中可能发生的管与管的相撞问题进行研究，分析两管撞击动力响应的特点，研究撞击过程能量分配情况及其分配规律，以评估管道甩动对其它管道的影响。

发明内容

本发明旨在提供一种简易圆管甩击装置，目的是填补高压管道甩动撞击实验的空白，对高压管道断裂后甩动过程中可能发生的管与管的相撞现象进行实验测试，为两管撞击动力响应的研究提供实验条件，以评估管道甩动对其它管道的影响。

本发明提供了一种简易圆管甩击装置，包括主动管、从动管、加载装置、支承装置和测量装置五部分，其中主动管一端通过铰接方式与支承装置连接，另一端与加载装置连接，加载装置可使主动管以一定速度绕其铰支端转动，从动管两端固定于支承装置，并与主动管正交；高速甩动的主动管撞击从动管，通过分布在周围的测量装置记录撞击结果。

所述支承装置包括槽钢平台、主动管支座、从动管支座、轴承、辊轴、夹具，所述槽钢平台上设有若干条螺栓槽，主动管支座和从动管支座分别通过螺栓固定在槽钢平台上方，主动管通过轴承与主动管支座连接，从动管通过夹具固定在从动管支座上,所述夹具包括两块方形板，方形板底部中间开有半圆形凹槽，与相对应的固定支座上方的半圆形凹槽夹持从动管两端或主动管两端的轴承，夹具两端开有圆孔，通过螺栓固定于支座上；

所述加载装置由提升装置、快速解锁装置、弹簧装置组成，所述提升装置包括电机、定滑轮、导轨、导轨固定支架和拉索，电机和导轨固定支架通过螺栓固定在槽钢平台上，定滑轮固定在导轨顶端，电机通过定滑轮、快速解锁装置连接主动管自由端上部，可将主动管自由端提升一定高度，再通过快速解锁装置进行释放，使主动管自由端掉落。弹簧装置连接主动管自由端下部，可保证快速解锁装置释放后以较高速度绕铰支端甩动。导轨由两根角钢组成，主动管位于两角钢中间，两角钢的间距与主动管外径相同，可保证主动管沿指定路径甩动而不发生偏转，最终撞击从动管指定位置。所述快速解锁装置包括解锁拉绳、弹簧、转轴、锁杆、环形板，快速解锁装置主体为一半圆形孔，孔上方水平段设有内置弹簧，弹簧与锁杆连接，解锁拉绳固定在锁杆端部，孔下方环形板上设有转轴，环形板包括固定段和活动段，环形板的活动段可绕转轴打开或闭合，锁杆在弹簧作用下伸出可将环形板的活动段固定，并保证提升主动管自由端时不发生断裂；锁杆另一端连接解锁拉绳，当提升指定高度时抽动解锁拉绳可以实现迅速解锁，释放主动管自由端，使其在弹簧装置作用下快速绕铰支端甩动。所述弹簧装置由多根强力弹簧组成，通过挂钩形式连接主动管自由端下部与槽钢平台；简易挂钩形式可以实现弹簧安装的快捷方便，同时有利于更换调整弹簧数量，与提升高度相配合来提供不同量级的载荷，从而实现主动管以不同速度甩动。

所述测量装置由高速摄像机、应变片、动态应变仪、示波器、激光测速器组成；可分布于槽钢平台周围，用于记录撞击结果数据。其中激光测速器位于水平主动管两侧，与从动管上表面高度相同，用以记录撞击时主动管的冲击速度。高速摄像机位于从动管外侧，用以记录撞击过程从动管的变形情况。从动管中部上方及侧面均贴有应变片，连接动态应变仪与示波器，可以测量破坏位置周围的应变，从而进一步分析破坏程度。

上述技术方案中，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。固定支座的固定位置可以在螺栓槽孔内任意调节。调节主动管固定支座与从动管固定支座间的距离可以实现主动管不同位置撞击从动管，即实现了不同甩动半径的撞击实验；调节从动管两端固定支座之间的距离可以实现不同长度管道的被撞实验；调节主动管固定支座与从动管固定支座间的横向相对位置可以实现甩动撞击管道跨中或端部附近等不同位置的实验；从动管一端夹支，另一端自由，可实现管道甩动撞击悬臂管的实验。从动管两端通过夹具固定于支座上，主动管一端通过铰接方式与支座连接，从而实现主动管围绕铰接端转动并撞击具有一定跨度的正交从动管。

上述技术方案中，所述主动管为空心圆管，其半径、厚度均与从动管相同，用于模拟压力管道；主动管一端设有孔，辊轴与轴承配套穿过该孔，轴承通过夹具固定于主动管支座上。具体的连接方式为：以两个带孔圆柱作为轴承通过夹具固定于固定支座，主动管端部打孔，以钢筋作为辊轴，其中辊轴直径略小于主动管、轴承的圆孔，将辊轴穿过轴承孔、主动管圆孔，从而实现铰支，确保主动管可以绕其发生转动；主动管靠近自由端1/3处下侧设有挂环，用于和弹簧挂钩连接，以实现弹簧作用下甩动。该设计有利于圆管甩动的实现，同时方便简单，对于任意圆管只需简单的开孔焊接即可作为主动管。

本发明的有益效果：

（1）本发明简化复杂的管道甩击过程，首次实现了管道绕其一端甩动并撞击另一管道的动态过程，填补管道甩击实验的空白，对研究管道甩击现象将有重要意义；

（2）本发明以电机提升圆管，以快速解锁装置实现快速释放，以弹簧施加甩动的原动力，整个装置简单方便，成本低，便于实现，可行性高；

（3）本发明中主动管一端以铰接方式连接，既实现了圆管的甩动，又可快速更换主动管，简单方便；

（4）本发明在简化过程中又提供了足够的功能：甩击过程再现，甩击距离可调，甩击速度可调，从动管跨距可调，管道规格可调，且完整记录了甩击过程，能精确测量破坏程度等。

附图说明

图1为本发明简易圆管甩击装置的结构示意图。

图2为本发明装置的支承装置的结构示意图。

图3为本发明装置的支座的结构示意图。

图4为本发明装置的快速解锁装置示意图。

图中：1-电机；2-主动管支座；3-轴承；4-螺栓；5-主动管；6-激光测速仪；7-导轨；8-拉索；9-定滑轮；10-快速解锁装置；11-导轨固定支架；12-弹簧装置；13示波器；14-动态应变仪；15-从动管；16-从动管支座；17-槽钢平台；18-高速摄像机； 19-辊轴；20-螺栓槽；21-解锁拉绳；22-弹簧；23-孔；24-转轴；25-锁杆；26-环形板；27-夹具。

具体实施方式

下面通过实施例和附图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、图2、图3、图4所示，本发明简易圆管甩击装置包括主动管5、从动管15、支承装置、加载装置和测量装置，主动管一端与支承装置连接，另一端与加载装置连接，从动管两端通过支承装置固定，并与主动管正交，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17、主动管支座2、从动管支座16、轴承3、辊轴19、夹具27，所述槽钢平台17上设有若干条螺栓槽20，主动管支座2和从动管支座16分别通过螺栓4固定在槽钢平台17上方，主动管5通过轴承3与主动管支座2连接，从动管15通过夹具27固定在从动管支座16上；

为了实现固定位置可调节从而达到不同甩动半径撞击和从动管不同长度、不同位置被撞的目的，在槽钢平台17有多条螺栓槽20，且贯通槽钢平台17，使得固定支座的固定位置可以任意调节。

从动管15两端通过夹具27、螺栓4固定于从动管支座16上，主动管5一端通过铰接方式与主动管支座2连接，具体连接方式为：以两个带孔圆柱作为轴承3通过夹具27与螺栓4固定于主动管支座2上，主动管5端部打孔，以钢筋作为辊轴19，其中主动管5的开孔直径略大于辊轴19直径，将辊轴19穿过轴承3、主动管5端部的圆孔，从而实现铰支，确保主动管5可以绕其发生转动，夹具27包括两块方形板，方形板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15或轴承3分别被夹持在相对应的支座上方的半圆形凹槽内，夹具27两端开有圆孔，通过螺栓4分别将从动管15或轴承3固定于支座上。

所述加载装置由提升装置、快速解锁装置10、弹簧装置12组成，所述提升装置包括电机1、定滑轮9、导轨7、导轨固定支架11和拉索8，电机1和导轨固定支架11通过螺栓固定在槽钢平台17上，定滑轮9固定在导轨7的顶端，电机1通过定滑轮9、快速解锁装置10连接主动管5自由端上部；

导轨7由两根角钢组成，其间距与主动管5的外径相同，主动管位于导轨中间，以使主动管5甩动时不发生偏离，最终撞击从动管15的指定位置。定滑轮9固定于导轨7顶端，电机1通过拉索8、定滑轮9、快速解锁装置10连接主动管5的自由端上部，可将主动杆5的自由端提升一定高度，再通过快速解锁装置10进行释放，使主动管5的自由端掉落。弹簧装置12连接主动管5自由端下部，可保证快速解锁装置10释放后以较高速度绕铰支端甩动。

所述快速解锁装置包括解锁拉绳21、弹簧22、转轴24、锁杆25、环形板26，快速解锁装置10主体为一半圆形孔23，孔23上方水平段设有内置弹簧22，弹簧22与锁杆25连接，解锁拉绳21固定在锁杆25端部，孔23下方环形板26上设有转轴24，环形板26包括固定段和活动段，环形板的活动段（即图4中转轴的右端部分）可绕转轴24打开或闭合，锁杆25在弹簧22作用下伸出可将环形板26的活动段固定；锁杆25在弹簧22作用下伸出，将可绕转轴转动的环形板26固定，从而保证提升主动管5自由端时不发生断裂。锁杆25另一端连接解锁拉绳21，当提升主动管5到指定高度时抽动解锁拉绳21可以实现迅速解锁，释放主动管5自由端，使其在弹簧装置12作用下快速绕铰支端甩动。

所述弹簧装置12由多根强力弹簧组成，通过挂钩形式连接主动管5自由端下部与槽钢平台17；简易挂钩形式可以实现强力弹簧安装的快捷方便，同时有利于更换调整强力弹簧的数量，与提升高度相配合来提供不同量级的载荷，从而实现主动管5以不同速度甩动。

所述测量装置由高速摄像机18、应变片、动态应变仪14、示波器13、激光测速器6组成，分布于槽钢平台周围，用于记录撞击结果数据。其中激光测速器6位于水平主动管5两侧，与从动管5上表面高度相同，用以记录撞击时主动管5的冲击速度。高速摄像机18位于从动管15外侧，用以记录撞击过程从动管15的变形情况。从动管15中部上方及侧面均贴有应变片，应变片与动态应变仪14与示波器13连接，可以测量破坏位置周围的应变，从而进一步分析破坏程度。

具体操作过程为：首先根据实验目的固定好主动管、从动管固定支座，固定主动管与从动管并与弹簧装置、提升装置、测量装置连接，其次启动电机提升主动管到指定高度，随后开始实验，拉动快速释放装置拉绳释放主动管，主动管在弹簧作用下甩动并撞击从动管指定位置，测量装置记录撞击过程，多次测量，最后处理数据并进行分析。

Claims (4)

1.一种简易圆管甩击装置，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连接，另一端与加载装置连接，从动管两端通过支承装置固定，并与主动管正交，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、主动管支座、从动管支座、轴承、辊轴、夹具，所述槽钢平台上设有若干条螺栓槽，主动管支座和从动管支座分别通过螺栓固定在槽钢平台上方，主动管通过轴承与主动管支座连接，从动管通过夹具固定在从动管支座上；

所述加载装置由提升装置、快速解锁装置、弹簧装置组成，所述提升装置包括电机、定滑轮、导轨、导轨固定支架和拉索，电机和导轨固定支架通过螺栓固定在槽钢平台上，定滑轮固定在导轨顶端，电机通过定滑轮、快速解锁装置连接主动管自由端上部，导轨由两根角钢组成，主动管位于两角钢中间，角钢的间距与主动管外径相同；所述快速解锁装置包括解锁拉绳、弹簧、转轴、锁杆、环形板，快速解锁装置主体为一半圆形孔，孔上方水平段设有内置弹簧，弹簧与锁杆连接，解锁拉绳固定在锁杆端部，孔下方环形板上设有转轴，环形板包括固定段和活动段，环形板的活动段可绕转轴打开或闭合，锁杆在弹簧作用下伸出可将环形板的活动段固定；所述弹簧装置由多根强力弹簧组成，通过挂钩形式连接主动管自由端下部与槽钢平台；

所述测量装置由高速摄像机、应变片、动态应变仪、示波器、激光测速器组成；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，应变片与动态应变仪与示波器连接。

2.根据权利要求1所述的简易圆管甩击装置，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。

3.根据权利要求1所述的简易圆管甩击装置，其特征在于：所述主动管为空心圆管，其半径、厚度均与从动管相同；主动管一端设有孔，辊轴与轴承配套穿过该孔，轴承通过夹具固定于主动管固定支座上；主动管靠近自由端1/3处下侧设有挂环，与弹簧挂钩连接。

4.根据权利要求1或3所述的简易圆管甩击装置，其特征在于：所述夹具包括两块方形板，方形板底部中间开有半圆形凹槽，与相对应的固定支座上方的半圆形凹槽夹持从动管两端或主动管两端的轴承，夹具两端开有圆孔，通过螺栓固定于支座上。