CN104866663A - 一种管道支撑的金属橡胶减振器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种管道支撑的金属橡胶减振器的设计方法，该方法沿管路周向的不同位置的减振块采用不同的成型密度，利用金属橡胶成型密度越小，支撑刚度越小，减振性能越好的基本规律，在压力较大处采用成型密度较大的金属橡胶减振块以提高支撑刚度，在压力较小处采用成型密度较小的金属橡胶减振块以提高减振性能，从而在保证整个减振器安全服役的情况下实现更为理想的减振效果。本发明采用多种不同密度的近长方体的减振块按一定原则镶嵌于管卡中的多个限位板之间。减振块内部相互勾联的空间网状结构使其具有良好的弹性和阻尼性能。不同位置的减振块随自重影响下的压力分布变化采用不同密度，以此获得更佳的减振效果。

Description

一种管道支撑的金属橡胶减振器的设计方法

技术领域：

本发明涉及一种减振器，尤其涉及管道支撑的金属橡胶减振器的设计方法。

背景技术：

目前普通减振器所用普通减振材料无法在高温、低温和腐蚀气氛、辐照等恶劣苛刻的工作环境下长期服役，在恶劣环境下材料脆化，硬化，腐蚀后材料性能骤降甚至失效等不仅影响减振效果，甚至影响人员工作设备安全。另一方面，现有的一般管道减振器设计多为圆环形状，形状尺寸大，制作成本高，不易装配，拆卸维修困难，同时减振效果不理想，减振材料的整体化设计没有考虑到管道对减振器压力的不均匀性，为满足最大载荷，通常整体选择较大刚度材料，从而导致减振性能的不足。

发明内容：

为了克服现有普通的减振器无法在高温、低温和腐蚀气氛、辐照等恶劣苛刻的工作环境下长期服役，且减振效果不理想的缺陷，提供一种耐高温、耐低温、大阻尼特性不随温度而改变，耐腐蚀、抗辐照，苛刻环境中寿命长，稳定性高的具有优良减振性能的金属橡胶减振器的设计方法。

本发明通过如下技术方案予以实现：减振块、管卡和管路：减振块是一种均匀的多孔物质，由螺旋的金属细丝编制压制而成，其内部金属丝之间相互勾联、嵌合，呈空间网状结构，多种不同密度的近长 方体状的减振块按一定原则镶嵌于管卡中的多个限位板之间。减振块是一种兼具金属与橡胶双重特性的优秀减振材料，其可以和橡胶一样能承受交变应力而不易出现疲劳，同时损耗大量能量，本发明固定在管路的外表面，使得管路的振动大幅降低。减振块又是以金属为原料制造，使得本发明在极为苛刻的环境中展现较高的振动吸收性能，耐腐蚀、耐辐照、耐高温、耐低温、寿命长、稳定性好等优点。

为了使得减振器的减振性能尽可能的发挥，本发明通过如下技术方案予以实现：沿管路周向的不同位置的减振块采用不同的成型密度，利用金属橡胶成型密度越小，支撑刚度越小，减振性能越好的基本规律，在压力较大处采用成型密度较大的金属橡胶减振块以提高支撑刚度，在压力较小处采用成型密度较小的金属橡胶减振块以提高减振性能，从而在保证整个减振器安全服役的情况下实现更为理想的减振效果。本发明考虑了管道自重对于管道下表面的减振块的压力分布随着位置的不同差别很大这一特点，运用数值仿真与相关金属橡胶力学模型进行设计，具体设计方法如下：

步骤一：在模拟软件中建立减振器-管道模型和金属橡胶材料模型，获得管道下表面与减振器下半部分金属橡胶材料接触面间的压力分布(如图4所示)；提取压力接触面上节点的表面压强，结合该点所处角度，拟合出表面压强与角度关系式：

P＝X₀+X₁|θ|+X₂|θ|²+X₃|θ|³，

其中，式中P为金属橡胶与管道接触面间压强；θ为接触点所处角度，θ的取值范围为±90°，|θ|为接触点所处角度绝对值；X₀、X₁、 X₂、X₃为压强P与角度θ拟合系数；

步骤二：确定减振器中布置金属橡胶块数：

2.1)以减振器下半部顶点处放置金属橡胶块，定义为第0块，其余金属橡胶块依次沿两侧排布，排布序号为±i，i的取值为1≤i≤(n-1)/2，i为整数，n为金属橡胶块数，且n≥3，n为奇数，

2.2)分别计算每一块金属橡胶块所占角度Δθ，式中n为金属橡胶块数，n≥3，n为奇数，

2.3)通过以下公式确定第0块金属橡胶块角度在管道中所占范围为：

2.4)通过以下公式确定按照序号排布的每块金属橡胶块在管道中角度范围为：

2.5)根据以下公式求出每一块金属橡胶块与管道接触面积S：

式中：Δθ为每一块金属橡胶块所占角度，r为金属管的半径，1为金属橡胶块沿管道轴向厚度；

2.6)第0块金属橡胶块与管道接触表面正压力为

其中，式中P为金属橡胶与管道接触面间压强；θ为接触点所处角度，S为金属橡胶块与管道接触面积，n为金属橡胶块数，n≥3，n为奇数，

2.7)按照序号排布的每块金属橡胶块与管道接触表面正压力为

其中，式中P为金属橡胶与管道接触面间压强；θ为接触点所处角度，S为金属橡胶块与管道接触面积，n为金属橡胶块数，n≥3，n为奇数，

2.8)计算管道的振动加速度a，a＝2πf²A，

式中，f为管道振动频率，A为管道振动振幅；

2.9)根据以下公式求出分别按照序号排布的每块金属橡胶块最大压力F_imax：

$F_{i\max }=F_{P_i}+F_{P_{\max }}*\frac{a}{g},$ 1≤i≤(n-1)/2，i为整数，

其中，为按照序号排布的每块金属橡胶块与管道接触表面正压力，a为管道的振动加速度，g为重力加速度，为管道接触表面正压力中的的最大值；

步骤三：计算金属橡胶块的密度：

3.1)结合工况要求位移限制比例α，

α＝Δh/h₀；，

式中，Δh为工况下允许金属橡胶的最大变形；h₀为金属橡胶块沿管道径向厚度；

3.2)根据以下公式求出分别按照序号排布的每块金属橡胶块与 管道接触面间的最大压强P_imax：

P_imax＝F_imax/S，1≤i≤(n-1)/2，i为整数，

其中，式中F_imax为第i块金属橡胶块最大压力，S为金属橡胶块与管道接触面积；

3.3)确定该工况要求位移限制比例α下的压强密度模型并分别求出按照序号排布的每块金属橡胶块最大金属橡胶密度ρ_iα：

ρ_iα＝(P_imax+3.463α-0.265/(2.978α-0.261)；

其中，α为工况要求位移限制比例，P_imax为按照序号排布的每块金属橡胶块与管道接触面间的最大压强

步骤四，布置金属橡胶：

由于管道上半部对于金属橡胶减振器无管道自重影响，仅存在振动时的压力冲击，因此，与管道上表面接触的金属橡胶块密度取上述计算中金属橡胶块中最小密度ρ_min的布置，以减振器下半部顶点处第0块放置金属橡胶块中密度最大的，第0块金属橡胶块为中心，两边的按照序号对称布置的金属橡胶块的密度依次减小。

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明采用多种不同密度的近长方体的减振块按一定原则镶嵌于管卡中的多个限位板之间。减振块内部相互勾联的空间网状结构使其具有良好的弹性和阻尼性能。不同位置的减振块随自重影响下的压力分布变化采用不同密度，以此获得更佳的减振效果。本发明固定在管道的外表面上，使管路的振动得到大幅降低。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图，

图2是本发明实施方式一的结构示意图，

图3是本发明实施方式二的结构示意图。

图4为本发明的金属橡胶块的布置方式示意图。

图中：1金属橡胶块，2管卡，3限位板，4、第一螺母，5、第一螺栓，6管道，7、第二螺栓，8、第二螺母，9螺杆接头。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明一种管道支撑的金属橡胶减振器的设计方法，具体设计方法如下：

步骤一：在模拟软件中建立减振器-管道模型和金属橡胶材料模型，获得管道下表面与减振器下半部分金属橡胶材料接触面间的压力分布；提取压力接触面上节点的表面压强，结合该点所处角度，拟合出表面压强与角度关系式：

P＝X₀+X₁|θ|+X₂|θ|²+X₃|θ|³，

其中，式中P为金属橡胶与管道接触面间压强；θ为接触点所处角度，θ的取值范围为±90°，|θ|为接触点所处角度绝对值；X₀、X₁、X₂、X₃为压强P与角度θ拟合系数；

步骤二：确定减振器中布置金属橡胶块数：

2.1)以减振器下半部顶点处放置金属橡胶块，定义为第0块，其余金属橡胶块依次沿两侧排布，排布序号为±i，i的取值为1≤i ≤(n-1)/2，i为整数，n为金属橡胶块数，且n≥3，n为奇数，

2.2)分别计算每一块金属橡胶块所占角度Δθ，式中n为金属橡胶块数，n≥3，n为奇数，

2.3)通过以下公式确定第0块金属橡胶块角度在管道中所占范围为：

2.4)通过以下公式确定按照序号排布的每块金属橡胶块在管道中角度范围为：

2.5)根据以下公式求出每一块金属橡胶块与管道接触面积S：

式中：Δθ为每一块金属橡胶块所占角度，r为金属管的半径，1为金属橡胶块沿管道轴向厚度；

2.6)第0块金属橡胶块与管道接触表面正压力为

其中，式中P为金属橡胶与管道接触面间压强；θ为接触点所处角度，S为金属橡胶块与管道接触面积，n为金属橡胶块数，n≥3，n为奇数，

2.7)按照序号排布的每块金属橡胶块与管道接触表面正压力为

其中，式中P为金属橡胶与管道接触面间压强；θ为接触点所处角度，S为金属橡胶块与管道接触面积，n为金属橡胶块数，n≥3，n为奇数，

2.8)计算管道的振动加速度a，a＝2πf²A，

式中，f为管道振动频率，A为管道振动振幅；

2.9)根据以下公式求出分别按照序号排布的每块金属橡胶块最大压力F_imax：

$F_{i\max }=F_{P_i}+F_{P_{\max }}*\frac{a}{g},$ 1≤i≤(n-1)/2，i为整数，

其中，为按照序号排布的每块金属橡胶块与管道接触表面正压力，a为管道的振动加速度，g为重力加速度，为管道接触表面正压力中的的最大值；

步骤三：计算金属橡胶块的密度：

3.1)结合工况要求位移限制比例α，

α＝Δh/h₀；，

式中，Δh为工况下允许金属橡胶的最大变形；h₀为金属橡胶块沿管道径向厚度；

3.2)根据以下公式求出分别按照序号排布的每块金属橡胶块与管道接触面间的最大压强P_imax：

P_imax＝F_imax/S，1≤i≤(n-1)/2，i为整数，

其中，式中F_imax为第i块金属橡胶块最大压力，S为金属橡胶块与管道接触面积；

3.3)确定该工况要求位移限制比例α下的压强密度模型并分别求出按照序号排布的每块金属橡胶块最大金属橡胶密度ρ_iα：

ρ_iα＝(P_imax+3.463α-0.265)/(2.978α-0.261)；

其中，α为工况要求位移限制比例，P_imax为按照序号排布的每块金属橡胶块与管道接触面间的最大压强

步骤四，布置金属橡胶：

由于管道上半部对于金属橡胶减振器无管道自重影响，仅存在振动时的压力冲击，因此，与管道上表面接触的金属橡胶块密度取上述计算中金属橡胶块中最小密度ρ_min的布置，以减振器下半部顶点处第0块放置金属橡胶块中密度最大的，第0块金属橡胶块为中心，两边的按照序号对称布置的金属橡胶块的密度依次减小。

实施例：

管道自重200KG为例，实际计算表面压力与角度关系式为：

P＝0.45154+9.21383e^-4θ-2.05334e^-4θ²+1.54798e^-6θ³；

减振器下半部分布置块数为9块，则1＜＜i＜＜4；

则每一块金属橡胶块所占角度：Δθ＝20°；

第0块金属橡胶块角度范围为：-10°～10°；

第±i块金属橡胶块角度范围为：±{[10°+(i-1)*20°]～[10°+i*20°]}；

每一块金属橡胶块与管道接触面积：

第0及±i块金属橡胶块与管道接触表面正压力为下表：

管道振动加速度为：a＝2πf²A＝(2π*50Hz)²*6e^-5m≈6m/s²；

第±i块金属橡胶块最大压力为：最大压强为：P_imax＝F_imax/S

列如下表：

块数	θ	Fimax/N	Pimax/MPa
				0	-10°～10°	741.888	0.64
±1	±(10°～30°)	687.012	0.59
				±2	±(30°～50°)	544.522	0.47
±3	±(50°～70°)	385.884	0.33
				±4	±(70°～90°)	287.713	0.25

工况下允许金属橡胶的最大变形为3mm；金属橡胶块沿管道径向厚度12mm；则工况要求位移限制比例α为0.25。

代入压强密度模型求出对应金属橡胶密度：

ρ_iα＝(P_imax+3.463α-0.265)/(2.978α-0.261)；

所得对应金属橡胶密度如下表：

块数	θ	Pimax/MPa	ρiα/g*cm3
				0	-10°～10°	0.64	2.57
±1	±(10°～30°)	0.59	2.46

±2	±(30°～50°)	0.47	2.21
				±3	±(50°～70°)	0.33	1.93
±4	±(70°～90°)	0.25	1.76

布置金属橡胶块：

按照计算所得各位置金属橡胶密度进行布置：从管道下表面中心线第0块开始布置，居于中心线上的第0块放置密度为2.57/g*cm³的金属橡胶块；紧靠第0块左侧的第1块和紧靠第0块右侧的第-1块放置密度为2.46/g*cm³的金属橡胶块；紧靠第1块左侧的第2块和紧靠第-1块右侧的第-2块放置密度为2.21/g*cm³的金属橡胶块；紧靠第2块左侧的第3块和紧靠第-2块右侧的第-3块放置密度为2.1.93/g*cm³的金属橡胶块；紧靠第3块左侧的第4块和紧靠第-3块右侧的第-4块放置密度为2.46/g*cm³的金属橡胶块；至此与管道下表面接触的各位置金属橡胶块布置完成。如前所述，与管道上表面接触的金属橡胶块密度取上述计算中金属橡胶块中最小密度ρ_min的布置，则与管道上表面接触各位置金属橡胶块，共计9块，均放置密度为1.76/g*cm³的金属橡胶块，完成对与管道上表面接触各位置金属橡胶块的布置，至此，对于与管道接触的所有金属橡胶块均布置完成。

参见附图1，本发明所述适用于舰船回路管道支撑的金属橡胶减振器，其多个金属橡胶块1为主要的减振构件，多种不同密度的近长方体状的金属橡胶块1按一定原则镶嵌于管卡2中的多个限位板3之间，管卡2由上管卡2-1，下管卡2-2和多个限位板3组成，两侧通过第一螺栓4、第二螺栓8、第一螺母5、第二螺母7紧固，上管卡顶部螺杆接头9以配合具体安装时连接通丝吊杆使用。

工作原理：管道6在其径向平面内沿某方向随机振动时，压迫该方向的金属橡胶块1，起到减振的效果。当振幅过大时，该方向的限位板起到限制管路位移的作用，因而该方向的金属橡胶块不会因形变过大而遭到破坏，对该方向的金属橡胶块1起到保护作用。

具体实施方式一：如附图2所示，当所述管道公称通径较小时，采用单吊杆形式进行安装，即通丝吊杆通过上管卡顶部螺杆接头将本发明与舱顶基板相连接，形成吊架。

具体实施方式二：如附图3所示，当所述管道公称通径较大时，采用双吊杆形式进行安装，即通丝吊杆通过上管卡两侧螺杆接头将本发明与舱顶基板相连接，形成吊架。

Claims (2)

1.一种管道支撑的金属橡胶减振器的设计方法，其特征在于，该方法沿管路(6)周向的不同位置的减振块(1)采用不同的成型密度，利用金属橡胶成型密度越小，支撑刚度越小，减振性能越好的基本规律，在压力较大处采用成型密度较大的金属橡胶减振块以提高支撑刚度，在压力较小处采用成型密度较小的金属橡胶减振块以提高减振性能，从而在保证整个减振器安全服役的情况下实现更为理想的减振效果。本发明考虑了管道自重对于管道下表面的减振块的压力分布随着位置的不同差别很大这一特点，运用数值仿真与相关金属橡胶力学模型进行设计。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：在模拟软件中建立减振器-管道模型和金属橡胶材料模型，获得管道下表面与减振器下半部分金属橡胶材料接触面间的压力分布；提取压力接触面上节点的表面压强，结合该点所处角度，拟合出表面压强与角度关系式：

P＝X₀+X₁|θ|+X₂|θ|²+X₃|θ|³，

其中，式中P为金属橡胶与管道接触面间压强；θ为接触点所处角度，θ的取值范围为±90°，|θ|为接触点所处角度绝对值；X₀、X₁、X₂、X₃为压强P与角度θ拟合系数；

步骤二：确定减振器中布置金属橡胶块数：

2.1)以减振器下半部顶点处放置金属橡胶块，定义为第0块，其余金属橡胶块依次沿两侧排布，排布序号为±i，i的取值为1≤i≤(n-1)/2，i为整数，n为金属橡胶块数，且n≥3，n为奇数，

2.2)分别计算每一块金属橡胶块所占角度△θ，式中n为金属橡胶块数，n≥3，n为奇数，

2.3)通过以下公式确定第0块金属橡胶块角度在管道中所占范围为： 

2.4)通过以下公式确定按照序号排布的每块金属橡胶块在管道中角度范围为：

2.5)根据以下公式求出每一块金属橡胶块与管道接触面积S：

式中：△θ为每一块金属橡胶块所占角度，r为金属管的半径，l为金属橡胶块沿管道轴向厚度；

2.6)第0块金属橡胶块与管道接触表面正压力为

其中，式中P为金属橡胶与管道接触面间压强；θ为接触点所处角度，S为金属橡胶块与管道接触面积，n为金属橡胶块数，n≥3，n为奇数，

2.7)按照序号排布的每块金属橡胶块与管道接触表面正压力为

其中，式中P为金属橡胶与管道接触面间压强；θ为接触点所处 角度，S为金属橡胶块与管道接触面积，n为金属橡胶块数，n≥3，n为奇数，

2.8)计算管道的振动加速度a，a＝2πf²A，

式中，f为管道振动频率，A为管道振动振幅；

2.9)根据以下公式求出分别按照序号排布的每块金属橡胶块最大压力F_imax：

1≤i≤(n-1)/2，i为整数，

其中，为按照序号排布的每块金属橡胶块与管道接触表面正压力，a为管道的振动加速度，g为重力加速度，为管道接触表面正压力中的的最大值；

步骤三：计算金属橡胶块的密度：

3.1)结合工况要求位移限制比例α，

α＝Δh/h₀；，

式中，Δh为工况下允许金属橡胶的最大变形；h₀为金属橡胶块沿管道径向厚度；

3.2)根据以下公式求出分别按照序号排布的每块金属橡胶块与管道接触面间的最大压强P_imax：

P_imax＝F_imax/S，1≤i≤(n-1)/2，i为整数，

其中，式中F_imax为第i块金属橡胶块最大压力，S为金属橡胶块与管道接触面积；

3.3)确定该工况要求位移限制比例α下的压强密度模型并分别求 出按照序号排布的每块金属橡胶块最大金属橡胶密度ρ_iα：

ρ_iα＝(P_imax+3.463α-0.265)/(2.978α-0.261)；

其中，α为工况要求位移限制比例，P_imax为按照序号排布的每块金属橡胶块与管道接触面间的最大压强

步骤四，布置金属橡胶：

由于管道上半部对于金属橡胶减振器无管道自重影响，仅存在振动时的压力冲击，因此，与管道上表面接触的金属橡胶块密度取上述计算中金属橡胶块中最小密度ρ_min的布置，以减振器下半部顶点处第0块放置金属橡胶块中密度最大的，第0块金属橡胶块为中心，两边的按照序号对称布置的金属橡胶块的密度依次减小。