CN109027425A - 高阻尼合金超材料管道减振降噪装置 - Google Patents

高阻尼合金超材料管道减振降噪装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高阻尼合金超材料管道减振降噪装置，由输流管道两端穿过的高阻尼合金超材料卡箍和输流管道中间易产生振动段穿过的高阻尼合金超材料环肋组成；高阻尼合金超材料卡箍包括多孔结构卡箍支座，固定在多孔结构卡箍支座上面或下面的用于固定输流管道的高阻尼合金超材料卡箍块，卡箍块的柱状腔体内径与输流管道的外径相适配；高阻尼合金超材料环肋的柱状腔体内径与输流管道的外径相适配；本发明管道减振降噪装置不仅在较宽频带范围内具有优异的减振降噪性能，而且具有耐高温、轻质量、高强度、大阻尼、长寿命的特点。

Description

高阻尼合金超材料管道减振降噪装置
技术领域
本发明属于管道减振降噪技术领域，具体涉及一种高阻尼合金超材料管道减振降噪装置。
背景技术
输流管道系统作为输送流体、能量的重要方式，在电力、化工、航空、舰船等工业领域具有广泛应用。输流管道在工作过程中的振动问题不仅会产生连接设备损坏和管道断裂泄露的危险，而且是系统噪声污染的主要原因之一。因此，减振降噪对输流管道系统的安全性和经济性至关重要。
目前，对于结构形式和运行工况已定的管道，主要通过改变结构刚度和/或增大阻尼的方式对管道进行减振降噪，如增加卡箍支撑、焊接环肋、粘贴约束阻尼层等。
现有的卡箍多采用加橡胶垫圈的金属卡箍，此种结构卡箍具有一定的刚性和阻尼，但同时也存在以下缺陷：(1)金属卡箍所加橡胶垫圈可以耗散部分管道振动，但卡箍金属部分耗能能力很弱，因此金属卡箍减振降噪性能非常有限。(2)对于高温管道，由于橡胶是由高分子材料组成的高聚物，在耐高温性能上具有一定的局限性。另外，长时间的管道振动会导致卡箍支撑存在微动磨损，随着微动磨损的发展，橡胶材料会逐渐老化失效。(3)由于普通卡箍只具有刚度限制功能而耗能能力弱，因而采用该卡箍对管道振动位移进行限制时，还可能会由于管道动应力过大而引起焊缝开裂等问题。
沿管道周向焊接环肋在一定程度上能够改变管道的动力特性，但同时也存在以下问题：(1)目前所采用的环肋材料主要为碳钢等材质，这些材料的阻尼通常较小，不利于管道振动动能的耗散；(2)现有环肋只是单纯增加管道刚度，耗能能力弱，且对整个管道系统的质量影响较大，对管道减振降噪效果具有局限性。而约束阻尼层虽然对高频振动噪声有抑制作用，但在中、低频振动和耐高温性能上具有一定的局限性。因此，如何获得耐高温、轻质量、高强度、大阻尼的环肋对管道减振降噪至关重要。
超材料是一种特殊复合结构或材料，可以通过对材料进行有序结构设计，使其呈现出天然材料所不具备的超常物理性质。在减振降噪领域，根据频带控制范围设计细观具有周期性的人工复合结构，通过局域共振耗能或变形耗能两种形式实现减振降噪，对特定频带范围内的振动和噪声达到显著的消减特性，甚至可以完全阻隔该频带范围内的振动与噪声。高阻尼合金是一种内摩擦大，动能与热能转换能力强的合金。阻尼合金存在多种耗能机制，其在较宽频带范围内均具有良好的减振降噪作用。目前，多种阻尼合金已在军事和民用机电设备上获得应用，如Mn-Cu合金、Zn-Al合金等。由于阻尼合金兼具有常规金属材料的机械性能和阻尼材料的耗能能力，因此在减振降噪领域具有广泛的应用前景。所设计的管道减振降噪装置不仅在较宽频带范围内具有优异的减振降噪性能，而且具有耐高温、轻质量、高强度、大阻尼、长寿命的特点。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高阻尼合金超材料管道减振降噪装置，具体涉及卡箍和环肋，该管道减振降噪装置不仅在较宽频带范围内具有优异的减振降噪性能，而且具有耐高温、轻质量、高强度、大阻尼、长寿命的特点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高阻尼合金超材料管道减振降噪装置，由输流管道两端穿过的高阻尼合金超材料卡箍和输流管道中间易产生振动段穿过的高阻尼合金超材料环肋组成；
所述高阻尼合金超材料卡箍包括多孔结构卡箍支座4，固定在多孔结构卡箍支座4上面或下面的用于固定输流管道的高阻尼合金超材料卡箍块，当高阻尼合金超材料卡箍为支撑卡箍时，高阻尼合金超材料卡箍块设置在多孔结构卡箍支座4上面，当高阻尼合金超材料卡箍为吊架卡箍时，高阻尼合金超材料卡箍块设置在多孔结构卡箍支座4下面；超材料卡箍块包括通过紧固螺栓3固定在一起的高阻尼合金超材料上卡箍块1和高阻尼合金超材料下卡箍块2，高阻尼合金超材料上卡箍块1和高阻尼合金超材料下卡箍块2固定后形成的柱状腔体内径与输流管道的外径相适配；
所述高阻尼合金超材料环肋包括高阻尼合金超材料上环肋块5和高阻尼合金超材料下环肋块6，高阻尼合金超材料上环肋块5和高阻尼合金超材料下环肋块6固定后形成的柱状腔体内径与输流管道的外径相适配。
所述高阻尼合金超材料上卡箍块1和高阻尼合金超材料下卡箍块2以及高阻尼合金超材料上环肋块5和高阻尼合金超材料下环肋块6的结构相同，均包括弹簧-振子超材料结构7，分别焊接在弹簧-振子超材料结构7两边的固定边8和加强筋9；其中固定边8与输流管道壁面相接触，加强筋9则主要用于提高卡箍强度。
所述弹簧-振子超材料结构7采用刚性圆珠作为振子，高阻尼合金直杆或高阻尼合金波纹杆作为弹簧，具体结构包括：a、大小相同的刚性圆珠与高阻尼合金直杆焊接成六面体，并对该六面体周期排布，形成弹簧-振子超材料结构7；b、大小不等的钢性圆珠与高阻尼合金直杆焊接成六面体，并对该六面体周期排布，形成弹簧-振子超材料结构7；c、大小相同的钢性圆珠与高阻尼合金直杆焊接成四面体，并对该四面体周期排布，形成弹簧-振子超材料结构7；d大小相同的刚性圆珠与高阻尼合金波纹杆焊接成六面体，并对该六面体周期排布，形成弹簧-振子超材料结构7。
所述弹簧-振子超材料结构7采用高阻尼合金实体中的打通孔作为振子，其余部分为作为弹簧，具体结构包括：a、高阻尼合金实体四周打圆形通孔，形成弹簧-振子超材料结构7；b、高阻尼合金实体四周打六边形通孔，形成弹簧-振子超材料结构7。
当高阻尼合金超材料卡箍为支撑卡箍时，所述多孔结构卡箍支座4包括密封金属板12和位于密封金属板12下方的铰接头13，密封金属板12内包覆有多孔结构超材料10和金属实体11，多孔结构超材料10布置在距离输流管道近的上方位置实现管道隔振；当高阻尼合金超材料卡箍为吊架卡箍时，所述多孔结构卡箍支座4包括密封金属板12和位于密封金属板12上方的铰接头13，密封金属板12内包覆有多孔结构超材料10和金属实体11，多孔结构超材料10布置在距离输流管道近的下方位置实现管道隔振。
所述多孔结构超材料10的具体结构包括：a、高阻尼合金实体一侧打圆形通孔，通孔大小相同，呈阵列分布，形成多孔结构超材料10；b、高阻尼合金实体一侧打圆形通孔，通孔大小相同，呈交错阵列分布，形成多孔结构超材料10；c、高阻尼合金实体一侧打圆形通孔，通孔大小不等，呈交错阵列分布，形成多孔结构超材料10；d、高阻尼合金实体一侧打圆形通孔，通孔大小不一，呈阵列分布，形成多孔结构超材料10；e、高阻尼合金实体一侧打六边形通孔，通孔大小相同，呈阵列分布，形成多孔结构超材料10；f、高阻尼合金实体一侧打长方形通孔，通孔大小相同，奇数列图形较偶数列旋转90°，呈阵列分布，形成多孔结构超材料10；g、高阻尼合金实体一侧打椭圆形通孔，通孔大小相同，奇数列图形较偶数列旋转90°，呈阵列分布，形成多孔结构超材料10；h、高阻尼合金实体一侧打椭圆形和六边形通孔，同一形状通孔大小相同，呈阵列分布，形成多孔结构超材料10；i、高阻尼合金实体一侧打长方形和圆形通孔，同一形状通孔大小相同，呈阵列分布，形成多孔结构超材料10。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
i.本发明装置采用超材料结构设计组成，合理组合局域共振耗能和变形耗能两种超材料构型，不仅在较宽频带范围内具备优异的减振降噪性能，还具有很好的隔振性能。
ii.所发明装置超材料构型设计为高阻尼合金，把阻尼合金良好的机械性能和阻尼耗能特性与超材料构型设计有效结合一体。当管道受到激振力作用时，所设计的装置不仅能够给管道提供足够的支撑刚度，还可以通过其高阻尼的特性使其耗散特性达到极致。
iii.该装置主要由合金和超材料构型组成，具有耐高温、轻质量、高强度、大阻尼、长寿命的特点。
附图说明
图1为本发明支撑卡箍模型示意图。
图2为本发明吊架卡箍模型示意图。
图3为本发明的环肋模型示意图。
图4(a)为本发明卡箍和环肋方形截面示意图。
图4(b)为本发明卡箍和环肋梯形截面示意图。
图5(a)为本发明支撑卡箍支座模型示意图。
图5(b)为本发明支撑卡箍支座模型局部剖视示意图。
图6(a)为本发明吊架卡箍支座模型示意图。
图6(b)为本发明吊架卡箍支座模型局部剖视示意图。
图7(a)～(f)为本发明若干弹簧-振子结构超材料单元示意图。
图8(a)～(i)为本发明若干多孔结构超材料单元截面示意图。
其中：1.高阻尼合金超材料上卡箍块；2.高阻尼合金超材料下卡箍块；3.紧固螺栓；4.多孔结构卡箍支座；5.高阻尼合金超材料上环肋块；6.高阻尼合金超材料下环肋块；7.弹簧-振子超材料结构；8.固定边；9.加强筋；10.多孔结构超材料；11.金属实体；12.密封金属板；13.铰接头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
本发明一种高阻尼合金超材料管道减振降噪装置，由输流管道两端穿过的高阻尼合金超材料卡箍和输流管道中间易产生振动段穿过的高阻尼合金超材料环肋组成。
参照图1所示，本发明的高阻尼合金超材料卡箍以支撑卡箍为例，该高阻尼合金超材料卡箍主要由高阻尼合金超材料上卡箍块1和高阻尼合金超材料下卡箍块2，紧固螺栓3，多孔结构卡箍支座4组成。输流管道位于高阻尼合金超材料上卡箍块1和高阻尼合金超材料下卡箍块2之间，紧固螺栓3穿过高阻尼合金超材料上卡箍块1和高阻尼合金超材料下卡箍块2对输流管道进行固定。高阻尼合金超材料下卡箍块2与多孔结构卡箍支座4的连接方式为焊接，多孔结构卡箍支座4则通过铰接方式与基础或其他支撑装置相连接。
参照图2所示，本发明的高阻尼合金超材料卡箍以吊架卡箍为例，该高阻尼合金超材料卡箍同样由高阻尼合金超材料上卡箍块1和高阻尼合金超材料下卡箍块2，紧固螺栓3，多孔结构支座4组成，对输流管道固定的方式与支撑卡箍相同。多孔结构支座4通过铰接方式与支撑基础连接，用以实现管道减振降噪及平衡重力对输流管道造成的影响。
参照图3所示，本发明的高阻尼合金超材料环肋主要由高阻尼合金超材料上环肋块5和高阻尼合金超材料下环肋块6构成。输流管道位于高阻尼合金超材料上环肋块5和高阻尼合金超材料下环肋块6之间，然后通过焊接的方式将环肋固定在输流管道易产生振动及振幅比较显著的位置处。
本发明卡箍不同于普通卡箍的特点在于采用了弹簧-振子结构和多孔结构两种超材料分别设计卡箍块和卡箍支座。
参照图4(a)和图4(b)所示的两种高阻尼合金超材料卡箍块截面图，高阻尼合金超材料卡箍块包括弹簧-振子超材料结构7、固定边8和加强筋9。弹簧-振子超材料结构7两边分别与固定边8、加强筋9焊接，其中固定边8与管道壁面相接触，加强筋9则主要用于提高卡箍强度。
本发明高阻尼合金超材料环肋块截面形式和加工工艺与高阻尼合金超材料卡箍块相同，具体参照图4(a)、(b)。
参照图5(a)和图5(b)所示，高阻尼合金超材料卡箍的多孔结构卡箍支座4由多孔结构10、金属实体11、密封金属板12和铰接头13组成，其中密封金属板12包覆多孔结构10和金属实体11。如图5(b)支撑卡箍支座局部剖视图所示，多孔结构10布置在距离输流管道较近的上方位置实现输流管道隔振，而金属实体11布置于多孔结构卡箍支座4下方保证卡箍整体强度，两者连接的方式为焊接。
参照图6(a)和图6(b)所示，管道吊架卡箍的支座与支撑卡箍支座相类似，也主要由多孔结构10、金属实体11、密封金属板12和铰接头13组成。与支撑卡箍支座所不同的是，如图6(b)所示，多孔结构10布置在距离输流管道较近的下方位置实现输流管道隔振，而金属实体11则布置于多孔结构卡箍支座4上方保证卡箍强度。
本发明所采用的两种超材料构型为弹簧-振子超材料结构和多孔结构超材料，其中前者主要通过局域共振耗能，而多孔结构超材料则通过变形对振动动能进行耗散。
参照图7示，本发明列出若干弹簧-振子超材料结构单元构型，如图中(a)～(f)所示，并逐一说明如下：(a)大小相同的刚性圆珠与高阻尼合金直杆焊接成六面体，并对该六面体周期排布；(b)大小不等的钢性圆珠与高阻尼合金直杆焊接成六面体，并对该六面体周期排布；(c)大小相同的钢性圆珠与高阻尼合金直杆焊接成四面体，并对该四面体周期排布；(d)大小相同的刚性圆珠与高阻尼合金波纹杆焊接成六面体，并对该六面体周期排布；(e)高阻尼合金实体四周打圆形通孔；(f)高阻尼合金实体四周打六边形通孔。其中刚性圆珠作为振子，高阻尼合金直杆或高阻尼合金波纹杆作为弹簧；高阻尼合金实体中的通孔作为振子，其余部分为作为弹簧。
参照图8所示，本发明列出若干多孔结构超材料单元构型，如图中(a)～(i)所示，并逐一说明如下：(a)高阻尼合金实体一侧打圆形通孔，通孔大小相同，呈阵列分布；(b)高阻尼合金实体一侧打圆形通孔，通孔大小相同，呈交错阵列分布；(c)高阻尼合金实体一侧打圆形通孔，通孔大小不等，呈交错阵列分布；(d)高阻尼合金实体一侧打圆形通孔，通孔大小不一，呈阵列分布；(e)高阻尼合金实体一侧打六边形通孔，通孔大小相同，呈阵列分布；(f)高阻尼合金实体一侧打长方形通孔，通孔大小相同，奇数列图形较偶数列旋转90°，呈阵列分布；(g)高阻尼合金实体一侧打椭圆形通孔，通孔大小相同，奇数列图形较偶数列旋转90°，呈阵列分布；(h)高阻尼合金实体一侧打椭圆形和六边形通孔，同一形状通孔大小相同，呈阵列分布；(i)高阻尼合金实体一侧打长方形和圆形通孔，同一形状通孔大小相同，呈阵列分布。
需要说明的是，图7和图8列出的若干超材料结构仅为本发明装置模型中举例的几种构型，其他类型超材料构型也同样属于本发明的包护范围。
本发明高阻尼合金超材料卡箍和高阻尼合金超材料环肋可以配合使用，也可以仅采用其中一种对输流管道进行减振降噪。

Claims (6)

1.一种高阻尼合金超材料管道减振降噪装置，其特征在于：由输流管道两端穿过的高阻尼合金超材料卡箍和输流管道中间易产生振动段穿过的高阻尼合金超材料环肋组成；
所述高阻尼合金超材料卡箍包括多孔结构卡箍支座(4)，固定在多孔结构卡箍支座(4)上面或下面的用于固定输流管道的高阻尼合金超材料卡箍块，当高阻尼合金超材料卡箍为支撑卡箍时，高阻尼合金超材料卡箍块设置在多孔结构卡箍支座(4)上面，当高阻尼合金超材料卡箍为吊架卡箍时，高阻尼合金超材料卡箍块设置在多孔结构卡箍支座(4)下面；超材料卡箍块包括通过紧固螺栓(3)固定在一起的高阻尼合金超材料上卡箍块(1)和高阻尼合金超材料下卡箍块(2)，高阻尼合金超材料上卡箍块(1)和高阻尼合金超材料下卡箍块(2)固定后形成的柱状腔体内径与输流管道的外径相适配；
所述高阻尼合金超材料环肋包括高阻尼合金超材料上环肋块(5)和高阻尼合金超材料下环肋块(6)，高阻尼合金超材料上环肋块(5)和高阻尼合金超材料下环肋块(6)固定后形成的柱状腔体内径与输流管道的外径相适配。
2.根据权利要求1所述的一种高阻尼合金超材料管道减振降噪装置，其特征在于：所述高阻尼合金超材料上卡箍块(1)和高阻尼合金超材料下卡箍块(2)以及高阻尼合金超材料上环肋块(5)和高阻尼合金超材料下环肋块(6)的结构相同，均包括弹簧-振子超材料结构(7)，分别焊接在弹簧-振子超材料结构(7)两边的固定边(8)和加强筋(9)；其中固定边(8)与输流管道壁面相接触，加强筋(9)则主要用于提高卡箍强度。
3.根据权利要求2所述的一种高阻尼合金超材料管道减振降噪装置，其特征在于：所述弹簧-振子超材料结构(7)采用刚性圆珠作为振子，高阻尼合金直杆或高阻尼合金波纹杆作为弹簧，具体结构包括：a、大小相同的刚性圆珠与高阻尼合金直杆焊接成六面体，并对该六面体周期排布，形成弹簧-振子超材料结构(7)；b、大小不等的钢性圆珠与高阻尼合金直杆焊接成六面体，并对该六面体周期排布，形成弹簧-振子超材料结构(7)；c、大小相同的钢性圆珠与高阻尼合金直杆焊接成四面体，并对该四面体周期排布，形成弹簧-振子超材料结构(7)；d大小相同的刚性圆珠与高阻尼合金波纹杆焊接成六面体，并对该六面体周期排布，形成弹簧-振子超材料结构(7)。
4.根据权利要求2所述的一种高阻尼合金超材料管道减振降噪装置，其特征在于：所述弹簧-振子超材料结构(7)采用高阻尼合金实体中的打通孔作为振子，其余部分为作为弹簧，具体结构包括：a、高阻尼合金实体四周打圆形通孔，形成弹簧-振子超材料结构(7)；b、高阻尼合金实体四周打六边形通孔，形成弹簧-振子超材料结构(7)。
5.根据权利要求1所述的一种高阻尼合金超材料管道减振降噪装置，其特征在于：当高阻尼合金超材料卡箍为支撑卡箍时，所述多孔结构卡箍支座(4)包括密封金属板(12)和位于密封金属板(12)下方的铰接头(13)，密封金属板(12)内包覆有多孔结构超材料(10)和金属实体(11)，多孔结构超材料(10)布置在距离输流管道近的上方位置实现管道隔振；当高阻尼合金超材料卡箍为吊架卡箍时，所述多孔结构卡箍支座(4)包括密封金属板(12)和位于密封金属板(12)上方的铰接头(13)，密封金属板(12)内包覆有多孔结构超材料(10)和金属实体(11)，多孔结构超材料(10)布置在距离输流管道近的下方位置实现管道隔振。
6.根据权利要求5所述的一种高阻尼合金超材料管道减振降噪装置，其特征在于：所述多孔结构超材料(10)的具体结构包括：a、高阻尼合金实体一侧打圆形通孔，通孔大小相同，呈阵列分布，形成多孔结构超材料(10)；b、高阻尼合金实体一侧打圆形通孔，通孔大小相同，呈交错阵列分布，形成多孔结构超材料(10)；c、高阻尼合金实体一侧打圆形通孔，通孔大小不等，呈交错阵列分布，形成多孔结构超材料(10)；d、高阻尼合金实体一侧打圆形通孔，通孔大小不一，呈阵列分布，形成多孔结构超材料(10)；e、高阻尼合金实体一侧打六边形通孔，通孔大小相同，呈阵列分布，形成多孔结构超材料(10)；f、高阻尼合金实体一侧打长方形通孔，通孔大小相同，奇数列图形较偶数列旋转90°，呈阵列分布，形成多孔结构超材料(10)；g、高阻尼合金实体一侧打椭圆形通孔，通孔大小相同，奇数列图形较偶数列旋转90°，呈阵列分布，形成多孔结构超材料(10)；h、高阻尼合金实体一侧打椭圆形和六边形通孔，同一形状通孔大小相同，呈阵列分布，形成多孔结构超材料(10)；i、高阻尼合金实体一侧打长方形和圆形通孔，同一形状通孔大小相同，呈阵列分布，形成多孔结构超材料(10)。
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