CN111076891A - 一种实验用立管涡激振动模拟固定装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶与海洋工程领域，涉及一种实验用立管涡激振动模拟固定装置，由两个直线导轨、升降滑块、维稳导杆、横流向丝杠、齿轮组、交流伺服电机组成横流向丝杠滑块系统；由顺流向丝杠、导向滑块、轴承滑块组成的顺流向滑块丝杠系统；防自转鱼眼轴承通过螺栓或多功能装载模块与轴承滑块相连接；防自转鱼眼轴承套圈内侧通过滚珠定位孔和轴承内圈外球面处的滚珠凹槽相互配合，使得滚珠可在滚珠凹槽内自由滚动，避免立管绕防自转鱼眼轴承中心轴自转，立管被防自转鱼眼轴承内圈的硅胶垫圈限制与防自转鱼眼轴承的相对滑动；能够进行单根立管或多根并联、串联、矩阵不同组合形式的立管在铰支约束条件下的涡激振动等方面的实验。

Description

一种实验用立管涡激振动模拟固定装置

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程领域，涉及一种实验用立管涡激振动模拟固定装置，可进行单根立管或多根并联、串联、矩阵不同组合形式立管在铰支约束条件下的涡激振动等方面的实验。

背景技术

随着海洋油气开采工程的发展，针对海洋油气管道性能的相关研究日益增多。海底管道与海洋立管的安全与否，不仅影响经济利益更涉及到生态与国际关系等方面的问题。由于海水流体的本质，带来了难以消除的尾流旋涡，导致立管产生涡激振动现象。这一现象引发立管产生疲劳破坏，甚至导致严重的经济问题和生态问题。目前，海洋立管涡激振动的模拟一般在实验室进行，在实验中通常采用两端固支和两端铰支两种固定方式，两种边界条件下立管的振动情况存在较大差异，工程中海洋立管的固定方式更趋近于两端铰支。

目前，实验室进行立管涡激振动实验时，模拟铰支约束条件的实验装置有十字轴式万向节和鱼眼轴承两种，它们各自存在缺陷：十字轴式万向节使用一段时间后，关节处松动，产生无关晃动，存在位移上的偏差，影响实验数据的精确性；鱼眼轴承在承受流体力特别是涡激泄放情况下的流体力时，会产生绕轴承自身轴线的转动，另一方面立管与轴承内圈之间存在相对滑动，两种情况都会使实验数据产生较大误差，从而影响对实验结果地分析。

传统实验装置，立管上下固定端的位置由直接观测、手动调节进行确定，精度差，易造成上下固定端位置上的偏差，使得立管产生预应力，影响实验结果；在进行多管实验时，精度以幂次级降低，操作更复杂，费时费力且得到的数据可靠性低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有装置存在的缺点，寻求设计提供一种实验用立管涡激振动模拟固定装置，满足实验要求的铰支约束条件，达到对立管空间位置地精准控制，省时省力高质量地完成单根立管或多根并联、串联、矩阵不同组合形式立管的涡激振动实验。

本发明的主体结构包括：直线导轨、升降滑块、维稳导杆、横流向丝杠、齿轮组、交流伺服电机、顺流向丝杠、丝杠滑块、导向滑块、轴承滑块、多功能装载模块、防自转鱼眼轴承、轴承座、轴承内圈、滚珠、滚珠凹槽、轴承套圈、防尘外盖、滚珠定位孔、硅胶垫圈；由两个直线导轨、升降滑块、维稳导杆、横流向丝杠、齿轮组、交流伺服电机组成横流向丝杠滑块系统，两个直线导轨正对垂直放置，每个导轨上下端分别配有一个升降滑块，每个升降滑块上开两个圆孔，对应直径的维稳导杆和横流向丝杠，左右两端分别插入升降滑块对应圆孔内，水平固定在直线导轨之间，一端由升降滑块上的盲孔固定，另一端通过齿轮组与交流伺服电机相连，上部下部顺流向滑块丝杠在交流伺服电机的带动下在横流向丝杠上同步运动，顺流向丝杠、导向滑块、轴承滑块组成顺流向滑块丝杠系统，导向滑块开设通孔和盲孔组成的T形孔，通过通孔套在维稳导杆上，通过盲孔与顺流向丝杠相连接，丝杠滑块开设通孔和盲孔组成的T形孔，通孔上的螺纹与横流向丝杠相配合，通过盲孔与顺流向丝杠相连接，顺流向丝杠上的轴承滑块上右侧预留两个螺孔，可以通过螺栓与防自转鱼眼轴承相连接，轴承滑块上部预留四个螺孔，可通过螺栓与多功能装载模块相连接，多功能装载模块上加装防自转鱼眼轴承，防自转鱼眼轴承由轴承座、轴承内圈、滚珠、滚珠凹槽、轴承套圈、防尘外盖、滚珠定位孔、硅胶垫圈共同组成，轴承套圈内侧开两个滚珠定位孔，安装滚珠，在轴承内圈的外球面处，设置两处与滚珠相同尺寸的沿轴线方向的滚珠凹槽，滚珠可在滚珠凹槽内自由滚动，轴承内圈内侧表面加装硅胶垫圈，立管套在防自转鱼眼轴承里，被轴承内圈的硅胶垫圈限制与防自转鱼眼轴承的相对滑动，轴承套圈上的滚珠与轴承内圈的滚珠凹槽相配合，避免立管绕防自转鱼眼轴承中心轴的自转。

本发明为实现对铰支固定约束条件的模拟，具体方案为：

第一步：在防自转鱼眼轴承的轴承套圈内侧开两个滚珠定位孔，安装滚珠；

第二步：在轴承内圈外球面上，设置两处与滚珠相同尺寸的沿轴线方向的滚珠凹槽，为滚珠提供运动轨道，添加黄油增加润滑性，使得滚珠在滚珠凹槽内自由顺滑滚动，轴承套圈上的滚珠与轴承内圈的滚珠凹槽相配合，避免立管绕轴承中心轴自转；

第三步：轴承内圈内侧表面，加装硅胶垫圈，以摩擦力阻碍立管和防自转鱼眼轴承之间的相对滑动，从而实现立管模型的铰支约束条件。

本发明为实现对立管空间位置的精确控制，消除预应力，具体过程如下：

第一步：将两个直线导轨正对垂直放置，每个直线导轨上下端分别配一个升降滑块，每个升降滑块上开两个圆孔，对应直径的维稳导杆和横流向丝杠，左右两端分别插入升降滑块对应圆孔内，水平固定在直线导轨之间；

第二步：横流向丝杠一端由升降滑块上的盲孔固定，另一端通过齿轮组与交流伺服电机相连，交流伺服电机带动齿轮组运动，并由齿轮组将运动形式传递给升降滑块上的两根横流向丝杠，实现上下两个横流向丝杠的同步运动；

第三步：顺流向丝杠通过丝杠滑块与横流向丝杠相连接，通过导向滑块与维稳丝杠相连接，实现上下两个顺流向丝杠在横流向丝杠的带动下同步移动，从而准确定位立管在横流向的位置；

第四步：调整上下两个轴承滑块在顺流向丝杠上的初始位置，使其初始位置均位于导向滑块一侧，且水平，然后将上下两个轴承滑块旋转相同的圈数，并保持水平状态，从而准确定位上下两个轴承滑块在顺流向的位置；

第五步：将两个防自转鱼眼轴承或两个带有防自转鱼眼轴承且组合形式一致的多功能装载模块分别安装在上下两个轴承滑块上，将立管插入防自转鱼眼轴承内，对立管进行铰支，从而准确定位立管上下两端横流向和顺流向的位置，消除由安装引起的预应力。

本发明为实现单根立管的固定，具体实现过程如下:

第一步：将上下两个轴承滑块旋转相同的圈数至顺流向丝杠中部附近，精确控制上下两个轴承滑块在顺流向空间位置，并保持水平状态；

第二步：通过轴承滑块右侧预留的两个螺孔，通过螺栓将两个防自转鱼眼轴承分别安装在两个轴承滑块上；

第三步：将一根立管的上下两端分别插入上下两个防自转鱼眼轴承内，实现单根立管的固定。

本发明为实现两根或多根并联立管的固定，具体实现过程如下:

第一步：将上下两个轴承滑块旋转相同的圈数至顺流向丝杠中部附近，精确控制上下两个轴承滑块在顺流向空间位置，并保持水平状态；

第二步：通过轴承滑块上端预留的四个螺孔，通过螺栓将两个多功能装载模块分别安装在上下两个轴承滑块上，将多功能滑块有凹槽的一侧沿横流向布置；

第三步：在两个多功能装载模块横流向的同一侧相同位置处，各安装两个及以上防自转鱼眼轴承，对应插入多根立管，实现多根并联立管的固定。

本发明为实现两根或多根串联立管的固定，具体实现过程如下:

第一步：将上下两个轴承滑块旋转相同的圈数至顺流向丝杠中部附近，精确控制上下两个轴承滑块在顺流向空间位置，并保持水平状态；

第二步：通过轴承滑块上端预留的四个螺孔，通过螺栓将两个多功能装载模块分别安装在上下两个轴承滑块上，将多功能滑块有凹槽的一侧沿顺流向布置；

第三步：在两个多功能装载模块顺流向的同一侧相同位置处，各安装两个及以上防自转鱼眼轴承，对应插入多根立管，实现多根串联立管的固定。

本发明为实现多根矩阵组合立管的固定，具体实现过程如下:

第一步：将上下两个轴承滑块旋转相同的圈数至顺流向丝杠中部附近，精确控制上下两个轴承滑块在顺流向空间位置，并保持水平状态；

第二步：通过轴承滑块上端预留的四个螺孔，通过螺栓将两个多功能装载模块分别安装在上下两个轴承滑块上；

第三步：在两个多功能装载模块相对应的两侧相同位置处，安装多个防自转鱼眼轴承，形成所需的排列矩阵，对应插入多根立管，实现多根矩阵组合立管的固定。

相对于现有技术，本发明的优势在于：通过防自转鱼眼轴承控制轴承自身的绕轴自转运动，并增大立管与轴承间的摩擦，抑制其相对运动，而不限制各向转动，达到准确模拟铰支约束条件的目的，能够精确控制立管上下两端的空间位置，消除预应力，能够省时省力地完成单根、并联或串联或矩阵不同组合形式多根立管的安装与固定。

附图说明

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的防自转鱼眼轴承整体结构原理示意图。

图3为本发明涉及的防自转轴承局部结构原理示意图。

图4为本发明涉及的多功能装载模块原理结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图作进一步说明。

实施例：

本发明的主体结构包括：直线导轨1、升降滑块2、维稳导杆3、横流向丝杠4、齿轮组5、交流伺服电机6、顺流向丝杠7、丝杠滑块8、导向滑块9、轴承滑块10、多功能装载模块11、防自转鱼眼轴承12(包括轴承座13、轴承内圈14、滚珠15、滚珠凹槽16、轴承套圈17、防尘外盖18、滚珠定位孔19、硅胶垫圈20)；由两个直线导轨1、升降滑块2、维稳导杆3、横流向丝杠4、齿轮组5、交流伺服电机6组成横流向丝杠滑块系统，两个直线导轨1正对垂直放置，每个导轨上下端分别配有一个升降滑块2，每个升降滑块2上开两个圆孔，对应直径的维稳导杆3和横流向丝杠4，左右两端分别插入升降滑块2对应圆孔内，水平固定在直线导轨1之间，一端由升降滑块2上的盲孔固定，另一端通过齿轮组5与交流伺服电机6相连，上部下部顺流向滑块丝杠18在交流伺服电机6的带动下在横流向丝杠4上同步运动，顺流向丝杠7、导向滑块9、轴承滑块10组成顺流向滑块丝杠系统，导向滑块9开设通孔和盲孔组成的T形孔，通过通孔套在维稳导杆3上，通过盲孔与顺流向丝杠7相连接，丝杠滑块8开设通孔和盲孔组成的T形孔，通孔上的螺纹与横流向丝杠4相配合，通过盲孔与顺流向丝杠7相连接，顺流向丝杠7上的轴承滑块10上右侧预留两个螺孔，可以通过螺栓与防自转鱼眼轴承12相连接，轴承滑块10上部预留四个螺孔，可通过螺栓与多功能装载模块11相连接，多功能装载模块11上加装防自转鱼眼轴承12，防自转鱼眼轴承12由轴承座13、轴承内圈14、滚珠15、滚珠凹槽16、轴承套圈17、防尘外盖18、滚珠定位孔19、硅胶垫圈20共同组成，轴承套圈17内侧开两个滚珠定位孔16，安装滚珠15，在轴承内圈14的外球面处，设置两处与滚珠相同尺寸的沿轴线方向的滚珠凹槽16，滚珠15可在滚珠凹槽16内自由滚动，轴承内圈14内侧表面加装硅胶垫圈17，立管套在防自转鱼眼轴承12里，被轴承内圈14的硅胶垫圈17限制与防自转鱼眼轴承12的相对滑动，轴承套圈17上的滚珠15与轴承内圈14的滚珠凹槽16相配合，避免立管绕防自转鱼眼轴承12的中心轴自转。

本发明为实现对铰支固定约束条件的模拟，具体方案为：

第一步：在防自转鱼眼轴承12的轴承套圈17内侧开两个滚珠定位孔19，安装滚珠15；

第二步：在轴承内圈14外球面上，设置两处与滚珠15相同尺寸的沿轴线方向的滚珠凹槽16，为滚珠15提供运动轨道，添加黄油增加润滑性，使得滚珠15在滚珠凹槽16内自由顺滑滚动，轴承套圈17上的滚珠15与轴承内圈14的滚珠凹槽16相配合，避免立管绕轴承中心轴自转；

第三步：轴承内圈14内侧表面，加装硅胶垫圈20，立管套在防自转鱼眼轴承12里，被轴承内圈14的硅胶垫圈20限制与防自转鱼眼轴承12的相对滑动，从而实现立管模型的铰支约束条件。

本发明为实现对立管空间位置的精确控制，消除预应力，具体过程如下：

第一步：将两个直线导轨1正对垂直放置，每个直线导轨1上下端分别配一个升降滑块2，每个升降滑块2上开两个圆孔，对应直径的维稳导杆3和横流向丝杠4，左右两端分别插入升降滑块2对应圆孔内，水平固定在直线导轨1之间；

第二步：横流向丝杠4一端由升降滑块2上的盲孔固定，另一端通过齿轮组5与交流伺服电机6相连，交流伺服电机6带动齿轮组5运动，并由齿轮组5将运动形式传递给升降滑块2上的两根横流向丝杠4，实现上下两个横流向丝杠4的同步运动；

第三步：顺流向丝杠7通过丝杠滑块8与横流向丝杠4相连接，通过导向滑块9与维稳丝杠3相连接，实现上下两个顺流向丝杠7在横流向丝杠4的带动下同步移动，从而准确定位立管在横流向的位置；

第四步：调整上下两个轴承滑块10在顺流向丝杠7上的初始位置，使其初始位置均位于导向滑块9一侧，且水平，然后将上下两个轴承滑块10旋转相同的圈数，并保持水平状态，从而准确定位上下两个轴承滑块10在顺流向的位置；

第五步：将两个防自转鱼眼轴承12或两个带有防自转鱼眼轴承12且组合形式一致的多功能装载模块11分别安装在上下两个轴承滑块10上，将立管插入防自转鱼眼轴承12内，对立管进行铰支，从而准确定位立管上下两端横流向和顺流向的位置，消除由安装引起的预应力。

本发明为实现单根立管的固定，具体实现过程如下:

第一步：将上下两个轴承滑块10旋转相同的圈数至顺流向丝杠7中部附近，精确控制上下两个轴承滑块10在顺流向空间位置，并保持水平状态；

第二步：通过轴承滑块10右侧预留的两个螺孔，通过螺栓两个防自转鱼眼轴承12分别安装在两个轴承滑块10上；

第三步：将一根立管的上下两端分别插入上下两个防自转鱼眼轴承12内，实现单根立管的固定。

本发明为实现两根或多根并联立管的固定，具体实现过程如下:

第一步：将上下两个轴承滑块10旋转相同的圈数至顺流向丝杠7中部附近，精确控制上下两个轴承滑块10在顺流向空间位置，并保持水平状态；

第二步：通过轴承滑块10上端预留的四个螺孔，通过螺栓将两个多功能装载模块11分别安装在上下两个轴承滑块10上，将多功能滑块11有凹槽的一侧沿横流向布置；

第三步：在两个多功能装载模块11横流向的同一侧相同位置处，各安装两个及以上防自转鱼眼轴承12，对应插入多根立管，实现多根并联立管的固定。

本发明为实现两根或多根串联立管的固定，具体实现过程如下:

第一步：将上下两个轴承滑块10旋转相同的圈数至顺流向丝杠7中部附近，精确控制上下两个轴承滑块10在顺流向空间位置，并保持水平状态；

第二步：通过轴承滑块10上端预留的四个螺孔，通过螺栓将两个多功能装载模块11分别安装在上下两个轴承滑块10上，将多功能滑块11有凹槽的一侧沿顺流向布置；

第三步：在两个多功能装载模块11顺流向的同一侧相同位置处，各安装两个及以上防自转鱼眼轴承12，对应插入多根立管，实现多根串联立管的固定。

本发明为实现多根矩阵组合立管的固定，具体实现过程如下:

第一步：将上下两个轴承滑块10旋转相同的圈数至顺流向丝杠7中部附近，精确控制上下两个轴承滑块10在顺流向空间位置，并保持水平状态；

第二步：通过轴承滑块10上端预留的四个螺孔，通过螺栓将两个多功能装载模块11分别安装在上下两个轴承滑块10上；

第三步：在两个多功能装载模块11相对应的两侧相同位置处，安装多个防自转鱼眼轴承12，形成所需的排列矩阵，对应插入多根立管，实现多根矩阵组合立管的固定。

Claims (2)

1.一种实验用立管涡激振动模拟固定装置，其特征在于主体结构包括：直线导轨、升降滑块、维稳导杆、横流向丝杠、齿轮组、交流伺服电机、顺流向丝杠、丝杠滑块、导向滑块、轴承滑块、多功能装载模块、防自转鱼眼轴承、轴承座、轴承内圈、滚珠、滚珠凹槽、轴承套圈、防尘外盖、滚珠定位孔、硅胶垫圈；由两个直线导轨、升降滑块、维稳导杆、横流向丝杠、齿轮组、交流伺服电机组成横流向丝杠滑块系统，两个直线导轨正对垂直放置，每个导轨上下端分别配有一个升降滑块，每个升降滑块上开两个圆孔，对应直径的维稳导杆和横流向丝杠，左右两端分别插入升降滑块对应圆孔内，水平固定在直线导轨之间，一端由升降滑块上的盲孔固定，另一端通过齿轮组与交流伺服电机相连，上部下部顺流向滑块丝杠在交流伺服电机的带动下在横流向丝杠上同步运动；顺流向丝杠、导向滑块、轴承滑块组成顺流向滑块丝杠系统，导向滑块开设通孔和盲孔组成的T形孔，通过通孔套在维稳导杆上，通过盲孔与顺流向丝杠相连接，丝杠滑块开设通孔和盲孔组成的T形孔，通孔上的螺纹与横流向丝杠相配合，通过盲孔与顺流向丝杠相连接，顺流向丝杠上的轴承滑块上右侧预留两个螺孔，可以通过螺栓与防自转鱼眼轴承相连接，轴承滑块上部预留四个螺孔，可通过螺栓与多功能装载模块相连接，多功能装载模块上加装防自转鱼眼轴承；防自转鱼眼轴承由轴承座、轴承内圈、滚珠、滚珠凹槽、轴承套圈、防尘外盖、滚珠定位孔、硅胶垫圈共同组成，轴承套圈内侧开两个滚珠定位孔，安装滚珠，在轴承内圈的外球面处，设置两处与滚珠相同尺寸的沿轴线方向的滚珠凹槽，滚珠可在滚珠凹槽内自由滚动，轴承内圈内侧表面加装硅胶垫圈，立管套在防自转鱼眼轴承里，被轴承内圈的硅胶垫圈限制与防自转鱼眼轴承的相对滑动，轴承套圈上的滚珠与轴承内圈的滚珠凹槽相配合，避免立管绕防自转鱼眼轴承中心轴自转。

2.根据权利要求书1所述的立管涡激振动实验用固定装置，其特征在于为实现对铰支固定约束条件的模拟，在防自转鱼眼轴承的轴承套圈内侧开两个滚珠定位孔，安装滚珠，在轴承内圈外球面上，设置两处与滚珠相同尺寸的沿轴线方向的滚珠凹槽，为滚珠提供运动轨道，使得滚珠在滚珠凹槽内自由顺滑滚动，轴承套圈上的滚珠与轴承内圈的滚珠凹槽相配合，避免立管绕轴承中心轴自转，轴承内圈内侧表面，加装硅胶垫圈，以摩擦力阻碍立管和防自转鱼眼轴承之间的相对滑动，从而实现立管模型的铰支约束条件。

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