CN117968993A - 管道支撑的疲劳试验方法及装置 - Google Patents

管道支撑的疲劳试验方法及装置 Download PDF

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CN117968993A
CN117968993A CN202311667346.2A CN202311667346A CN117968993A CN 117968993 A CN117968993 A CN 117968993A CN 202311667346 A CN202311667346 A CN 202311667346A CN 117968993 A CN117968993 A CN 117968993A
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stress
fatigue
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CN202311667346.2A
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黄建兵
彭浩毅
周佩泉
张田
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Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co Ltd
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table
    • G01M7/022—Vibration control arrangements, e.g. for generating random vibrations

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

本申请涉及疲劳试验技术领域，公开了一种管道支撑的疲劳试验方法及装置，该管道支撑的疲劳试验方法包括采集数据的步骤、将数据换算为振动频率的步骤以及使用振动频率进行疲劳试验的步骤。除了采集实际工况中的管道支撑的应力之外，还采集实际工况中的管道支撑对应位置的加速度，根据得到的应力数据和加速度数据换算为振动频率，使用所述振动频率定频加载至支撑试验件，以对支撑试验件进行疲劳试验。使用定频振动加载代替现有技术中应力加载的方式，在同样模拟实际工况的情况下，振动加载进行疲劳试验的时间远小于应力加载进行疲劳试验的时间，提高试验效率。

Description

管道支撑的疲劳试验方法及装置
技术领域
本申请属于疲劳试验技术领域，具体地涉及一种管道支撑的疲劳试验方法及装置。
背景技术
带有输送管的臂架结构工程机械中，输送管作为工作介质流动的通道，将工作介质由起始位置输送至目标位置。工作介质在输送管内流动，对输送管产生摩擦、冲击等交变载荷作用，且工作介质粘度越高，所受交变载荷越大。例如混凝土泵车砼管，由于混凝土粘度高，使得砼管所受到的摩擦和冲击载荷尤为巨大，设置在砼管与泵车臂架箱体之间的砼管支撑起到连接砼管与泵车臂架的作用，并承载砼管和管中混凝土的重量，同时，砼管所受到的摩擦和冲击等交变载荷也会传递到砼管支撑上。长期承受交变载荷的作用，导致砼管支撑容易发生疲劳开裂，严重影响泵车的施工稳定性和安全性，砼管支撑的耐久性是混凝土泵车品质的重要体现。
因此，砼管支撑的疲劳试验尤为重要，以在疲劳试验中得到优选的砼管支撑。目前，砼管支撑的疲劳试验方法和装置都是根据实际工况中砼管支撑的应力大小，对支撑试验件施加对应的应力，例如通过液压系统和气动系统施加应力，应力施加的频率低，使得每个支撑试验件的疲劳试验时间长，影响试验效率。
发明内容
本申请的目的是提供一种管道支撑的疲劳试验方法及装置，实现通过振动对管道支撑进行疲劳试验，提高试验效率。
为了实现上述目的，本申请第一方面提供一种管道支撑的疲劳试验方法，包括以下步骤：采集实际工况中的管道支撑的应力和加速度，得到应力数据和加速度数据；将应力数据和加速度数据换算为振动频率；使用振动频率定频加载至支撑试验件，以对支撑试验件进行疲劳试验。
在一些实施方式中，采集实际工况中的管道支撑的应力和加速度的步骤包括：在管道支撑的根部设置应变片，通过应变片采集实际工况中的管道支撑根部的应力，得到应力数据，管道支撑的根部为管道支撑与臂架箱体的连接处；在管道支撑的末端设置加速度传感器，通过加速度传感器采集实际工况中的管道支撑末端的加速度，得到加速度数据，管道支撑的末端为管道支撑的用于管道连接的一端。
在一些实施方式中，将应力数据和加速度数据换算为振动频率的步骤包括：实际工况中产生的载荷为随机载荷，利用应力数据和加速度数据，通过雨流计数法编制出典型载荷块，基于等损伤理论等效为管道支撑对应的疲劳极限载荷P；根据应力数据和加速度数据得到随机载荷下的PSD曲线，若随机载荷的能量为规律的，则将随机载荷转换为简谐载荷，简谐载荷的频率即为振动频率。
在一些实施方式中，将随机载荷转换为简谐载荷的步骤包括：
在随机载荷的作用下，获取随机载荷疲劳寿命：
TDK＝kDKKRMS -m2PRMS -m2，
其中，m2为随机载荷的寿命系数，kDK为常数；
根据随机载荷并结合理论，获取简谐载荷疲劳寿命：
T＝Ck-m1f-1P-m1，
其中，C为寿命常数，f为简谐频率，k为常数，m1为简谐载荷的寿命系数，P为疲劳极限载荷，也作为简谐载荷的幅值；
令随机载荷的寿命系数m2的值与简谐载荷的寿命系数m1的值相同，并令该值为m；
令随机载荷疲劳寿命TDK与简谐载荷疲劳寿命T等效：
得到简谐频率f，简谐频率f即为应力数据和加速度数据换算得到的振动频率。
在一些实施方式中，获取随机载荷疲劳寿命的步骤包括：
利用危险截面的应力频响函数H(f)和随机载荷的PSD函数P(f)，计算得到应力PSD函数：
G(f)＝P(f)H2(f)，
其中，危险截面为支撑试验件的管道支撑试验件与臂架箱体试验件的连接焊缝；
获取应力PSD函数的应力均方根：
获取随机载荷均方根：
获取应力均方根与随机载荷均方根的比例：
KRMS＝σRMS/PRMS，
其中，KRMS为常数，得到σRMS＝KRMSPRMS；
根据Dirlik的宽带随机载荷计算法，将应力均方根σRMS和随机载荷均方根PRMS代入公式，得到随机载荷疲劳寿命：
TDK＝kDKKRMS -m2PRMS -m2。
在一些实施方式中，将应力数据和加速度数据换算为振动频率的步骤后还包括制作支撑试验件的步骤，包括：列出实际工况中管道支撑与臂架箱体的a种不同的连接方式；列出实际工况中管道支撑与臂架箱体之间的连接的b种不同的基座形式；列出实际工况中管道支撑设置在臂架箱体上的c种不同位置；
通过排列组合，制作得到M组支撑试验件，其中，M＝abc。
在一些实施方式中，制作管道支撑的试验件，得到支撑试验件的步骤后还包括从M组支撑试验件中进行优选的步骤，包括：通过正交试验的方式，得到N组支撑试验件，其中，N＜M；对N组支撑试验件进行疲劳试验，根据支撑试验件的破坏时间长短选出优选的支撑试验件；或者，对M组支撑试验件进行疲劳试验，根据支撑试验件的破坏时间长短选出优选的支撑试验件。
在一些实施方式中，支撑试验件包括组合形成的管道支撑试验件和臂架箱体试验件，对N组或者M组支撑试验件进行疲劳试验的步骤包括：在N组或M组的支撑试验件中，对不同类型的支撑试验件的根部施加相同的应力响应，将不同的振动激励与不同类型的支撑试验件的根部的应力响应相对应；其中，不同的支撑试验件对应的应力响应通过采集到的对应类型的管道支撑的应力数据和加速度数据确定，管道支撑试验件的根部为管道支撑试验件与臂架箱体试验件的连接处。
本申请第二方面提供一种管道支撑的疲劳试验装置，包括：自动化机构，自动化机构能够将接收到的应力数据和加速度数据换算为振动频率；固定结构，固定结构设置为能够固定支撑试验件；以及作动机构，作动机构设置为能够与支撑试验件连接，以通过振动频率为支撑试验件提供高频载荷。
在一些实施方式中，作动机构包括振动部，振动部能够为支撑试验件提供高频载荷；和/或，自动化机构与作动机构通信连接，以控制作动机构以振动频率振动。
在一些实施方式中，振动部包括第一偏心振动器和第二偏心振动器，第一偏心振动器和第二偏心振动器沿第一平面对称分布，支撑试验件的轴线位于第一平面内，第一偏心振动器和第二偏心振动器的偏心旋转的方向相反、角速度相同且相位相差180°。
在一些实施方式中，应用于上述的管道支撑的疲劳试验方法。
通过上述技术方案，除了采集实际工况中的管道支撑的应力之外，还采集实际工况中的管道支撑对应位置的加速度，根据得到的应力数据和加速度数据换算为振动频率，使用所述振动频率定频加载至支撑试验件，以对支撑试验件进行疲劳试验。使用定频振动加载代替现有技术中应力加载的方式，在同样模拟实际工况的情况下，振动加载进行疲劳试验的时间远小于应力加载进行疲劳试验的时间，提高试验效率。
本申请实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本申请实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本申请实施方式，但并不构成对本申请实施方式的限制。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明的管道支撑的疲劳试验方法的流程图；
图2为本发明的管道支撑的疲劳试验方法中，采集实际工况数据时应变片和加速度传感器与管道支撑和臂架箱体配合的示意图；
图3为图2中A-A的剖视图；
图4为图2中B-B的剖视图；
图5为支撑试验件的结构示意图；
图6为第一种支撑试验件的平面示意图；
图7为第二种支撑试验件的平面示意图；
图8为第三种支撑试验件的平面示意图；
图9为本发明的管道支撑的疲劳试验装置的结构示意图；
图10为图9的管道支撑的疲劳试验装置的右视图；
图11为图9的管道支撑的疲劳试验装置的俯视图；
图12为图9中的作动机构的结构示意图；
图13为图12的作动机构的主视图；
图14为图12的作动机构的右视图；
图15为图12的作动机构的第一偏心块和第二偏心块动作示意图；
图16为图9中的固定结构的结构示意图；
图17为图9中的连接结构的主视图；
图18为图17的连接结构的右视图；
图19为图9中的自动化机构的原理框图；以及
图20为图19中的自动化机构的安全保护电路图。
附图标记说明
10、自动化机构；11、上位机；12、控制器；121、控制模块；122、通信模块；123、分析模块；124、储存模块；13、变频器；14、电阻应变片；15、动态信号采集器；16、触点断路器；17、触摸屏；18、安全保护电路；181、接近开关；20、固定结构；21、工作台；211、连接孔；22、防护支架；30、作动机构；31、振动部；32、连接板；311、第一偏心振动器；3111、第一偏心块；312、第二偏心振动器；3121、第二偏心块；40、连接结构；41、第一板；42、连接柱；43、第二板；80、支撑试验件；81、管道支撑试验件；82、臂架箱体试验件；91、管道支撑；92、臂架箱体；93、应变片；94、加速度传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本申请的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。
参见图1至图8所示，本发明提供了一种管道支撑的疲劳试验方法，包括以下步骤：
S1、采集实际工况中的管道支撑91的应力和加速度，得到应力数据和加速度数据；
S2、将应力数据和加速度数据换算为振动频率；
S3、制作支撑试验件80；
S4、使用振动频率定频加载至支撑试验件80，以对支撑试验件80进行疲劳试验。
在本实施例中，在采集数据过程中，不仅采集管道支撑91的应力，还采集管道支撑91的加速度，通过应力数据和加速度数据换算得到振动频率，通过振动的方式定频加载至支撑试验件80，以对支撑试验件80进行疲劳试验，振动施加的频率高，在较短的时间内，就能够完成对支撑试验件80的疲劳试验，在同样模拟实际工况的情况下，振动加载疲劳试验的时间远小于应力加载疲劳试验的时间，使得振动加载疲劳试验的试验效率高。
参见图1至图8所示，本发明的一些实施例中，步骤S1包括：
S11、在管道支撑91的根部设置应变片93，通过应变片93采集实际工况中的管道支撑根部的应力，得到应力数据，管道支撑91的根部为管道支撑91与臂架箱体92的连接处；
S12、在管道支撑91的末端设置加速度传感器94，通过加速度传感器94采集实际工况中的管道支撑末端的加速度，得到加速度数据，管道支撑91的末端为管道支撑91的用于与管道连接的一端。
在本实施例中，在管道内部工作介质流动的过程中，会产生应力作用于管道支撑91与臂架箱体92的连接焊缝，该处为危险截面，容易受应力作用影响，因此，将应变片93设置在靠近危险截面的管道支撑91的根部，使得后续的疲劳试验中，能够得到更可靠的试验结果。工作介质在管道内部流动的过程中，会产生冲击加速度作用于管道支撑91与管道的连接焊缝，该处的冲击加速度最大，因此，将加速度传感器94设置在管道支撑91的末端的端部，使得获取到的加速度数据为最大的冲击加速度，进而使得后续的疲劳试验中，能够得到更可靠的试验结果。
具体地，应变片93设置为沿管道支撑91的周向均匀布置的多个，例如应变片93为三个时，每两个相邻的应变片93之间的圆周角为120°；其中一个应变片93的布置位置平行于工作介质的冲击方向，便于计算标定。加速度传感器94设置为沿管道支撑91对称的多个，例如两个，均设置在管道支撑91的末端的背离管道的端面上。
具体地，应变片93检测到的应力数据和加速度传感器94检测到的加速度数据均可以通过计算机等具有数据储存和处理以及显示功能的设备接收，数据可以直接在计算机内部进行储存和处理，也可以通过计算机显示，以供作业人员获取。
具体地，本管道支撑的疲劳试验方法能够应用于泵车上的砼管支撑，泵车包括砼管和砼管支撑，工作介质为混凝土，根据泵车的泵送原理，施加至混凝土的动力为稳定频率，具有周期性。泵车包括五个臂，每个臂上的砼管支撑都设置有应变片93和加速度传感器94，获取五个臂上的砼管支撑的应力数据和加速度数据；每个臂上还设置有倾角传感器，通过倾角传感器获取每个臂的转动角度，以将泵车的五个臂设置为四个典型工况：“L”形、“M”形、水平及拱形，分别采集泵车的五个臂在该四种典型工况下的应力数据和加速度数据，数据采集频率为砼管支撑受到的混凝土泵送频率的5倍～10倍，保证实际采集数据的有效性。
参见图1至图8所示，本发明的一些实施例中，步骤S2包括：
S21、实际工况中产生的载荷为随机载荷，对应力数据和加速度数据进行分析，通过雨流计数法编制出典型载荷块，基于等损伤理论等效为管道支撑91对应的疲劳极限载荷P；
S22、根据应力数据和加速度数据得到随机载荷下的PSD曲线，若随机载荷的能量为规律的，则将随机载荷转换为简谐载荷，简谐载荷的频率即为振动频率。
步骤S22中将随机载荷转换为简谐载荷的步骤包括：
S221、在随机载荷的作用下，获取随机载荷疲劳寿命：
S2211、利用危险截面的应力频响函数H(f)和随机载荷的PSD函数P(f)，计算得到应力PSD函数：
G(f)＝P(f)H2(f)，
其中，危险截面为管道支撑试验件81与臂架箱体试验件82的连接焊缝；
S2212、获取应力PSD函数的应力均方根：
S2213、获取随机载荷均方根：
S2214、获取应力均方根与随机载荷均方根的比例：
KRMS＝σRMS/PRMS，
其中，KRMS为常数，得到σRMS＝KRMSPRMS；
S2215、根据Dirlik的宽带随机载荷计算法，将应力均方根σRMS和随机载荷均方根PRMS代入公式，得到随机载荷疲劳寿命：
TDK＝kDKKRMS -m2PRMS -m2，
其中，m2为随机载荷的寿命系数，kDK为常数；
S222、根据随机载荷并结合理论，获取简谐载荷疲劳寿命：
T＝Ck-m1f-1P-m1，
其中，C为寿命常数，f为简谐频率，k为常数，m1为简谐载荷的寿命系数，P为疲劳极限载荷，也作为简谐载荷的幅值；
S223、令随机载荷的寿命系数m2的值与简谐载荷的寿命系数m1的值相同，并令该值为m；
S224、令随机载荷疲劳寿命TDK与简谐载荷疲劳寿命T相等：
得到简谐频率f，简谐频率f即为应力数据和加速度数据换算得到的振动频率。
在本实施例中，步骤S22中，能够相互转换的随机载荷和疲劳载荷所作用的支撑试验件80的类型、危险截面位置和应力状态均相同，类型相同即为下述步骤S31至步骤S33中的连接方式、基座类型和设置位置均相同。简谐载荷疲劳寿命能够等于随机载荷疲劳寿命的前提是：提供给随机载荷的能量是有规律的，进而得到的PSD曲线是稳定的。例如泵车，泵车泵送混凝土的频率是规律的，每次泵送提供给混凝土的作用力也是相同的，即提供给混凝土使其产生应力作用于砼管支撑的能量是有规律的，而简谐载荷的能量也是有规律的，因此，在对泵车的砼管支撑的疲劳试验中，简谐载荷疲劳寿命能够等于随机载荷疲劳寿命。也就是说，在此前提下，才能够令简谐载荷疲劳寿命等于随机载荷疲劳寿命。
具体地，常数k和常数kDK能够在行业标准中得到。
参见图1至图8所示，本发明的一些实施例中，步骤S3包括：
S31、列出实际工况中管道支撑91与臂架箱体92的a种不同的连接方式；
S32、列出实际工况中管道支撑91与臂架箱体92之间的连接的b种不同的基座形式；
S33、列出实际工况中管道支撑91设置在臂架箱体92上的c种不同位置；
S34、通过排列组合，制作得到M组支撑试验件80，其中，M＝abc；
S35、在N组或M组的支撑试验件中，对不同类型的支撑试验件的根部施加相同的应力响应，不同类型的支撑试验件的刚度不同，使得相同的应力响应对应的振动激励不同，即对不同的支撑试验件进行不同频率的定频振动激励，将不同的振动激励与该类型的支撑试验件的根部的应力响应相对应；
其中，不同的支撑试验件对应的应力响应通过采集到的对应类型的管道支撑的应力数据和加速度数据确定，管道支撑试验件的根部为管道支撑试验件与臂架箱体试验件的连接处。
在本实施例中，a种不同的连接方式可以包括焊接、铆接和螺栓连接等，b种不同的基座形式可以为板式、法兰式和轴套式等，管道支撑91设置在臂架箱体92上的c种不同位置可以为臂架箱体92的根部、中部和端部等。每种类型的试验支撑件被定频加载的对应的振动频率都是根据实际工况中对应的相同类型的管道支撑91检测到的应力数据和加速度数据换算得到的，例如支撑试验件80为法兰式的基座、焊接的连接方式并模拟设置在臂架箱体92的中部位置，那么实际工况中的管道支撑91类型也为法兰式的基座、焊接的连接方式并设置在臂架箱体92的中部位置，保证试验的结果能够可靠的应用于实际工况。
下面以泵车的砼管支撑为例进行说明：
砼管支撑分为焊接型砼管支撑和装配型砼管支撑，主要区别在于砼管支撑与臂架箱体92的连接方式不同，焊接型砼管支撑与臂架箱体92采用焊接的连接方式连接，装配型砼管支撑与臂架箱体92基本采用铆接和螺栓连接的连接方式连接。砼管支撑与臂架箱体92之间的连接基座形式分为板式、法兰式和轴套式，不同的基座影响砼管支撑的刚度，进而影响砼管支撑的受载，因此，在臂架的不同位置会采用不同的基座形式。砼管支撑分布在臂架的不同位置，其中臂架的根部和端部各设置一个、臂架的中部设置多个，臂架中部的所有砼管支撑的支撑形式相同，支撑形式相同即为连接方式和基座形式均相同。步骤S31至步骤S34中，将砼管支撑的基座形式、连接方式和设置位置因素作为典型设计因子，参照实际工况下泵车臂架上砼管支撑的形式设计不同种类的支撑试验件80共27组，覆盖整个臂架上的所有砼管支撑的形式，如下表1所示：
表1支撑试验件类型表
表1中的27组支撑试验件80的类型中的27即为M。
在另一些实施方式中，步骤S35可以替换为：
S351、通过正交试验的方式，得到N组支撑试验件80，其中，N＜M；
S352、对N组支撑试验件80进行疲劳试验，即对N组支撑试验件80施加对应的振动频率，使每个支撑试验件80的管道支撑试验件81的根部的应力响应相同；其中，施加在每个支撑试验件80上的振动频率通过采集到的对应类型的管道支撑91的应力数据和加速度数据换算得到，管道支撑试验件81的根部为管道支撑试验件81与臂架箱体试验件82的连接端，根据支撑试验件80的破坏时间长短选出优选的支撑试验件80。
在本实施例中，将M组支撑试验件80的类型限缩，减少疲劳试验的次数，再次提高试验效率。同样，以泵车的砼管支撑为例进行说明：通过正交试验的方式，将表1中列出的27组支撑试验件80的类型优选为9组，该9种支撑试验件80类型兼顾基座形式、连接方式和设置位置对砼管支撑的影响，能够覆盖实际工况中臂架上的砼管支撑类型，得出较优的试验结果，如下表2所示：
表2支撑试验件类型优选表
表2中的9组支撑试验件80的类型中的9即为N。
具体地，实际工况中位于臂架不同位置的臂架箱体92可能不同，支撑试验件80中的臂架箱体试验件82的钢板厚度与实际工况中对应位置的臂架箱体92的钢板厚度相同；臂架箱体试验件82的截面尺寸与实际工况中对应位置的臂架箱体92的截面尺寸相同。支撑试验件80中的管道支撑试验件81与实际工况中的管道支撑91完全相同，以最大程度还原实际工况，实际工况中位于臂架不同位置的管道支撑试验件81的长度和形态也可能不同，管道支撑试验件81的长度和形态与实际工况中对应位置的管道支撑91的长度和形态相同，例如设置在臂架端部和尾部的管道支撑试验件81的长度应该设计的更长。如图6所示，为第一种类型的支撑试验件80，基座形式为板式、连接方式为螺栓连接，可以设置在臂架的根部、中部和尾部；如图7所示，为第二种类型的支撑试验件80，基座形式为法兰式、连接方式为螺栓连接，可以设置在臂架的根部、中部和尾部；如图8所示，为第三种类型的支撑试验件80，基座形式为轴套式、连接方式为焊接，可以设置在臂架的根部、中部和尾部。
参见图9至图18所示，本申请第二方面提供一种管道支撑的疲劳试验装置，包括：自动化机构10，自动化机构10能够将接收到的应力数据和加速度数据换算为振动频率；固定结构20，固定结构20设置为能够固定支撑试验件80；以及作动机构30，作动机构30设置为能够与支撑试验件80连接，以通过振动频率为支撑试验件80提供高频载荷。
在本实施例中，将支撑试验件80固定在固定结构20上，通过上位机11接收实际工况中采集到应力数据和加速度数据，并通过上位机11内部预存的计算方式将应力数据和加速度数据换算为振动频率，通过作动机构30以该振动频率并使用振动的方式定频加载至支撑试验件80，以对支撑试验件80进行疲劳试验。振动输出的频率大于现有技术中应力输出的频率，减少每个支撑试验件80进行疲劳试验的时间，提高疲劳试验的效率。
具体地，实际工况中采集应力数据和加速度数据的方式即为上述管道支撑的疲劳试验方法中的步骤S1中的全部步骤；自动化机构10内部预存的计算方式即为上述管道支撑的疲劳试验方法中的步骤S2中的全部步骤。支撑试验件80的管道支撑试验件81按照在实际工况中截取的样本进行制作，还原实际工况的管道支撑91的结构，增加试验的可靠性。
参见图9至图18所示，本发明的一些实施例中，作动机构30包括振动部31，振动部31能够为支撑试验件80提供高频载荷。振动部31包括第一偏心振动器311和第二偏心振动器312，第一偏心振动器311和第二偏心振动器312沿第一平面对称分布，支撑试验件80的轴线位于第一平面内，第一偏心振动器311和第二偏心振动器312的偏心旋转的方向相反、角速度相同且相位相差180°。
在本实施例中，第一偏心振动器311内部设置有第一偏心块3111，通过第一偏心块3111高速旋转提供离心力为支撑试验件80提供高频载荷；同样，第二偏心振动器312内部设置有第二偏心块3121，通过第二偏心块3121高速旋转提供离心力为支撑试验件80提供高频载荷。第一偏心块3111和第二偏心块3121的偏心距均为r、质量均为m，第一偏心块3111以角速度ω沿逆时针方向旋转，第二偏心块3121以角速度ω沿顺时针方向旋转，第一偏心块3111和第二偏心块3121产生的离心力均为mrω2，第一偏心振动器311和第二偏心振动器312的相位分别为a和b，在平面内，离心力分解到x轴和y轴上，得到x向离心力Fx与y向离心力Fy：
Fx＝-mrω2 ×(cos(a)–cos(b))
Fy＝mrω2 ×(sin(a)+sin(b))
由上述两个公式可知，使第一偏心振动器311和第二偏心振动器312偏心旋转的相位差为180°，即第一偏心振动器311和第二偏心振动器312的相位分别为ωt与ωt+180°，所产生的离心力在y向上的分力为0、在x方向上的分力为-2mrω2×cos(ωt)，即只产生对x方向的离心力，x方向为工作介质的输送方向，其载荷受力为2mrω2×cos(ωt)，因此，作动机构30的载荷受力能够由角速度ω、偏心块的质量为m、偏心距为r控制改变，即通过改变第一偏心振动器311和第二偏心振动器312的转速、第一偏心块3111和第二偏心块3121的重合度，能够稳定的控制载荷受力，通过改变第一偏心振动器311和第二偏心振动器312之间的相位差，能够改变第一偏心振动器311和第二偏心振动器312载荷输出的方向。载荷受力表达式为余弦函数，能够对管道支撑91试件施加余弦冲击，作动机构30能够按照实际工况模拟工作介质输送对管道的冲击载荷，第一偏心振动器311和第二偏心振动器312的转速最低为2600rpm～3000rpm，相对于液压形式或气动形式的作动机构，第一偏心振动器311和第二偏心振动器312极大的提升了试验效率。
也就是说，作动机构30能够对支撑试验件80施加工作介质输送方向的余弦冲击，模拟实际工况中的管道支撑91所受的载荷，双偏心振动器能够提供的最大加载力为-2mrω2，根据所需受力进行偏心振动器的选型。如果试验加载需要不同方向的受力，则能够通过增加偏心振动器的数量和调节偏心振动器之间的相位差的方式实时控制振动力的施加方向。
具体地，位于支撑试验件80的位置观察振动部31，第一偏心振动器311为左侧的振动器，第二偏心振动器312为右侧的振动器，两者完全相同。
具体地，作动机构30还包括“L”型的连接板32，用于连接振动部31和支撑试验件80，连接板32包括第一弯板、第二弯板和筋板，第一弯板水平设置，第二弯板与第一弯板垂直且两者为一体式结构，筋板固定在第一弯板和第二弯板的折弯处，用于保证第一弯板和第二弯板的强度。第一偏心振动器311和第二偏心振动器312朝向连接板32的一侧均设置底座，且第一偏心振动器311和第二偏心振动器312通过底座螺栓固定在第一弯板上，第一弯板根据振动部31的尺寸加工制作；第二弯板用于与支撑试验件80连接，即振动部31模拟实际工况中管道所在的位置。
在另一些实施例中，振动部31可以包括超过两个的偏心振动器。作动机构30可以采用其他类似的结构装置代替。
参见图9至图18所示，本发明的一些实施例中，固定结构20包括工作台21和防护支架22，工作台21上开设有多组连接孔211，防护支架22通过连接孔211与工作台21可拆卸连接。
在本实施例中，每组连接孔211沿支撑试验件80的管道支撑试验件81的长度方向均匀间隔设置，根据管道支撑试验件81的长度，调节防护支架22的安装位置，每组连接孔211包括两个连接孔211，防护支架22的一端插入一组中的两个连接孔211内，并通过法兰螺栓固定在工作台21上；防护支架22上可以安装锁套工具或柔性吊带连接作动机构30，防止试验过程中支撑试验件80断裂导致作动系统坠落，进而避免因此发生的危险。工作台21用于与支撑试验件80的臂架箱体试验件82连接，工作台21的台面上开设有多组腰孔，每组腰孔包括两个腰孔，支撑试验件80通过腰孔与工作台21螺栓连接，每组腰孔沿支撑试验件80的长度方向均匀间隔设置，支撑试验件80能够通过安装在不同组的腰孔处调节其与防护支架22之间的相对位置，以保证支撑试验件80能够位于防护支架22的保护范围内。
参见图9至图18所示，本发明的一些实施例中，管道支撑的疲劳试验装置还包括连接结构40，连接结构40包括依次连接的第一板41、连接柱42和第二板43。
在本实施例中，第一板41用于与作动机构30的连接板32连接，第一板41上开设有第一安装孔，连接板32通过第一安装孔与第一板41螺栓连接；第二板43用于与支撑试验件80连接，第二板43上开设有第二安装孔，支撑试验件80通过第二安装孔与第二板43螺栓连接；连接柱42用于连接第一板41和第二板43。
具体地，可以根据不同尺寸的支撑试验件80和不同尺寸的作动机构30，选用不同尺寸的连接结构40，也可以根据不同的振动频率，在连接结构40上增加安装块，以保证足够的强度适配振动频率。
参见图9至图20所示，本发明的一些实施例中，自动化机构10与作动机构30通信连接，以控制作动机构30以振动频率振动。
具体地，自动化机构10还包括上位机11、控制器12、变频器13、电阻应变片14、动态信号采集器15和触点断路器16，控制器12包括控制模块121、通信模块122、分析模块123和储存模块124，通信模块122和分析模块123均与控制模块121导电连接。上位机11与控制器12通过通信模块122通信连接；变频器13与控制器12的控制模块121通信连接，变频器13还与作动机构30的振动部31连接，以使控制模块121通过电流控制振动部31的加载频率，对振动激励进行无极调节；电阻应变片14与动态信号采集器15通信连接，以通过动态信号采集器15接收检测到的应力值；动态信号采集器15与控制器12的分析模块123和储存模块124通信连接，以将电阻应变片14检测到的应力值发送至分析模块123和储存模块124；触点断路器16与控制器12的控制模块121通信连接，触点断路器16还与振动部31连接，以通过控制模块121控制振动部31急停。
上位机11获取应力数据和加速度数据，通过内部预存的计算方式换算为振动频率f，同时得到幅值P，将该振动频率和幅值通过通信模块122发送至控制模块121，控制模块121通过变频器13控制振动部31以振动频率和幅值向支撑试验件80输出高频载荷，动态信号采集器15实时接收电阻应变片14检测到的应力值，并将该应力值发送至控制器12的储存模块124和分析模块123，储存模块124实时记录危险截面的应力变化、分析模块123实时判断危险截面的应力变化，危险截面即为管道支撑试验件81与臂架箱体92支撑试验件80的连接焊缝，待达到需要的应力幅值后，分析模块123产生稳定信号并发送至控制模块121，控制模块121接收到稳定信号后通过变频器13稳定振动部31振动加载的频率。在支撑试验件80达到疲劳破坏后，电阻应变片14检测到应力幅值变化异常，该异常被动态信号采集器15接收到并发送至储存模块124和分析模块123，分析模块123产生急停信号并发送至控制模块121，控制模块121接收到急停信号后通过触点断路器16控制振动部31急停。
自动化机构10还包括与上位机11导电连接的触摸屏17，触摸屏17作为输入端和显示端，操作人员将数据通过触摸屏17输入至上位机11，上位机11中的数据通过触摸屏17显示。
具体地，上位机11与通信模块122可以通过以太网或RS485接口连接。控制器12可以为MCU控制器12。储存模块124可以为SD卡。
具体地，自动化机构10还包括与作动机构30的振动部31导电连接的安全保护电路18，安全保护电路18包括接近开关181，接近开关181与电源串联，并与振动部31并联，接近开关181设置在支撑试验件80上，接近开关181与支撑试验件80之间的距离在接近开关181的量程内。当支撑试验件80未断裂时，接近开关181处于导通状态，安全保护电路18导通，振动部31得电并正常工作；当支撑试验件80断裂时，接近开关181与支撑试验件80之间的距离超出接近开关181的量程，接近开关181变为断开状态，振动部31断电并停止工作。安全保护电路18在支撑试验件80断裂后能够及时使振动部31停止工作，防止振动部31继续振动造成危险，例如防止振动部31在防护支架22与振动部31之间连接的柔性吊带上继续振动造成危险，对作动机构30和操作人员起到保护作用。其中，安全保护电路18还包括负载辅助触点，与接近开关181集成为一体。
本发明的一些实施例中，应用于上述的管道支撑的疲劳试验方法。
本管道支撑的疲劳试验装置能够针对各种类型的管道支撑91进行优选试验，利用作动机构30的高频离心力和不同的连接结构40，能够对不同的管道支撑试验件81进行等载荷的高频加载。管道支撑的疲劳试验装置的成本低，能够大幅度节约试验周期，缩短产品优化选择的时间。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种管道支撑的疲劳试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集实际工况中的管道支撑(91)的应力和加速度，得到应力数据和加速度数据；
将所述应力数据和所述加速度数据换算为振动频率；
使用所述振动频率定频加载至支撑试验件(80)，以对所述支撑试验件(80)进行疲劳试验。
2.根据权利要求1所述的管道支撑的疲劳试验方法，其特征在于，所述采集实际工况中的管道支撑(91)受到的应力和加速度的步骤包括：
在所述管道支撑(91)的根部设置应变片(93)，通过所述应变片(93)采集实际工况中的所述管道支撑(91)根部的应力，得到所述应力数据，所述管道支撑(91)的根部为所述管道支撑(91)与臂架箱体(92)的连接处；
在所述管道支撑(91)的末端设置加速度传感器(94)，通过所述加速度传感器(94)采集实际工况中的所述管道支撑(91)末端的加速度，得到所述加速度数据，所述管道支撑(91)的末端为所述管道支撑(91)的用于与管道连接的一端。
3.根据权利要求1所述的管道支撑的疲劳试验方法，其特征在于，所述将所述应力数据和所述加速度数据换算为振动频率的步骤包括：
实际工况中产生的载荷为随机载荷，利用所述应力数据和所述加速度数据，通过雨流计数法编制出典型载荷块，基于等损伤理论等效为所述管道支撑(91)对应的疲劳极限载荷P；
根据所述应力数据和所述加速度数据得到所述随机载荷下的PSD曲线，若所述随机载荷的能量为规律的，则将所述随机载荷转换为简谐载荷，所述简谐载荷的频率即为所述振动频率。
4.根据权利要求3所述的管道支撑的疲劳试验方法，其特征在于，所述将所述随机载荷转换为简谐载荷的步骤包括：
在随机载荷的作用下，获取随机载荷疲劳寿命：
TDK＝kDKKRMS -m2PRMS -m2，
其中，m2为随机载荷的寿命系数，kDK为常数；
根据随机载荷并结合理论，获取所述简谐载荷疲劳寿命：
T＝Ck-m1f-1P-m1，
其中，C为寿命常数，f为简谐频率，k为常数，m1为简谐载荷的寿命系数，P为所述疲劳极限载荷，也作为简谐载荷的幅值；
令所述随机载荷的寿命系数m2的值与所述简谐载荷的寿命系数m1的值相同，并令该值为m；
令所述随机载荷疲劳寿命TDK与所述简谐载荷疲劳寿命T等效：
得到简谐频率f，所述简谐频率f即为所述应力数据和所述加速度数据换算得到的所述振动频率。
5.根据权利要求4所述的管道支撑的疲劳试验方法，其特征在于，所述获取随机载荷疲劳寿命的步骤包括：
利用危险截面的应力频响函数H(f)和随机载荷的PSD函数P(f)，计算得到应力PSD函数：
G(f)＝P(f)H2(f)，
其中，危险截面为所述支撑试验件(80)的管道支撑试验件(81)与臂架箱体试验件(82)的连接焊缝；
获取所述应力PSD函数的应力均方根：
获取随机载荷均方根：
获取所述应力均方根与所述随机载荷均方根的比例：
KRMS＝σRMS/PRMS，
其中，KRMS为常数，得到σRMS＝KRMSPRMS；
根据Dirlik的宽带随机载荷计算法，将所述应力均方根σRMS和所述随机载荷均方根PRMS代入公式，得到所述随机载荷疲劳寿命：
TDK＝kDKKRMS -m2PRMS -m2。
6.根据权利要求1所述的管道支撑的疲劳试验方法，其特征在于，将所述应力数据和所述加速度数据换算为振动频率的步骤后还包括制作支撑试验件的步骤，包括：列出实际工况中所述管道支撑(91)与臂架箱体(92)的a种不同的连接方式；
列出实际工况中所述管道支撑(91)与所述臂架箱体(92)之间的连接的b种不同的基座形式；
列出实际工况中所述管道支撑(91)设置在所述臂架箱体(92)上的c种不同位置；
通过排列组合，制作得到M组支撑试验件(80)，其中，M＝abc。
7.根据权利要求6所述的管道支撑的疲劳试验方法，其特征在于，所述制作管道支撑(91)的试验件，得到支撑试验件(80)的步骤后还包括从M组支撑试验件(80)中进行优选的步骤，包括：
通过正交试验的方式，得到N组所述支撑试验件(80)，其中，N＜M；
对N组所述支撑试验件(80)进行疲劳试验，根据所述支撑试验件(80)的破坏时间长短选出优选的支撑试验件(80)；
或者，
对M组所述支撑试验件(80)进行疲劳试验，根据所述支撑试验件(80)的破坏时间长短选出优选的支撑试验件(80)。
8.根据权利要求7所述的管道支撑的疲劳试验方法，其特征在于，所述支撑试验件(80)包括组合形成的管道支撑试验件(81)和臂架箱体试验件(82)，所述对N组或者M组所述支撑试验件(80)进行疲劳试验的步骤包括：
在N组或M组的所述支撑试验件(80)中，对不同类型的所述支撑试验件(80)的根部施加相同的应力响应，将不同的振动激励与不同类型的所述支撑试验件(80)的根部的应力响应相对应；
其中，不同的所述支撑试验件(80)对应的应力响应通过采集到的对应类型的管道支撑(91)的所述应力数据和所述加速度数据确定，所述管道支撑试验件(81)的根部为所述管道支撑试验件(81)与所述臂架箱体试验件(82)的连接处。
9.一种管道支撑的疲劳试验装置，其特征在于，包括：
自动化机构，所述自动化机构能够将接收到的应力数据和加速度数据换算为振动频率；
固定结构(20)，所述固定结构(20)设置为能够固定支撑试验件(80)；以及
作动机构(30)，所述作动机构(30)设置为能够与所述支撑试验件(80)连接，以通过所述振动频率为所述支撑试验件(80)提供高频载荷。
10.根据权利要求9所述的管道支撑的疲劳试验装置，其特征在于，所述作动机构(30)包括振动部(31)，所述振动部(31)能够为所述支撑试验件(80)提供所述高频载荷；和/或，
所述自动化机构与作动机构(30)通信连接，以控制所述作动机构(30)以所述振动频率振动。
11.根据权利要求10所述的管道支撑的疲劳试验装置，其特征在于，所述振动部(31)包括第一偏心振动器(311)和第二偏心振动器(312)，所述第一偏心振动器(311)和所述第二偏心振动器(312)沿第一平面对称分布，所述支撑试验件(80)的轴线位于所述第一平面内，所述第一偏心振动器(311)和所述第二偏心振动器(312)的偏心旋转的方向相反、角速度相同且相位相差180°。
12.根据权利要求9所述的管道支撑的疲劳试验装置，其特征在于，应用于如权利要求1至8中任一项所述的管道支撑的疲劳试验方法。
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