CN1865887A - 波纹管动态性能试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

一种波纹管动态性能试验装置，通过数据采集器与计算机相连，与数据采集器相连接的加速度传感器(10)安装在波纹管试件(11)下端的法兰盘(3)上；两个波纹管通过法兰盘(3)连接起来，组合后的波纹管两端被固定在上下密封板(5、13)上；在外部通过管子(9)和上下密封板上的管接头(8、14)相连通，使波纹管内部介质能够流动。一种波纹管动态性能试验装置的试验方法，按试验步骤通过对与两波纹管中间自由端相边的横梁(7)施加激励，通过横梁把激励传到波纹管自由端的加速度传感器，经数据采集器、计算机的处理，得到波纹管的动态参数。本发明能够模拟流动介质及压力载荷，获得真实的波纹管动态性能参数。

Description

波纹管动态性能试验装置及其试验方法

技术领域：

本发明涉及波纹管模拟流动介质、压力载荷下的动态性能试验装置及试验方法技术领域，一种波纹管动态性能试验装置及其试验方法。

背景技术：

波纹管动态性能试验是为了获得在一定工况条件下波纹管的动态性能参数。目前，波纹管动态性能试验通常是对单个波纹管在内部没有流动介质和压力载荷下进行的，而实际应用中，波纹管内部充满流动的且有压力载荷的介质。现行的试验方法不能真实地模拟波纹管实际工作状况，不能准确地获得波纹管在实际工作环境下的动态性能参数。

发明内容：

为在波纹管动态性能实验中真实地模拟波纹管的工作环境，本发明专利提供一种波纹管动态性能试验装置及其试验方法，能够模拟流动介质及压力载荷，获得真实的波纹管动态性能参数。

本发明所采用的技术方案是：该波纹管动态性能试验装置，通过数据采集器与计算机相连，所述的数据采集器与加速度传感器相连接，加速度传感器安装在上端的波纹管试件下端法兰盘上；二个波纹管试件的二端各焊接有法兰盘，二个波纹管试件通过法兰盘用螺钉连接在一起，上端的波纹管试件上端法兰盘通过螺钉与上端的密封板连接，下端的波纹管试件下端法兰盘通过螺钉与下端的密封板连接，二个密封板的中间孔上各焊接有管接头，管接头的另一端各与管子的二端相连通；下端的密封板与其二端上的二个支承板均通过螺钉固定在支架上，上端的密封板通过螺钉固定在二个支承板上；横梁二端的支杆与上端的波纹管试件下端法兰盘连接；在上端的密封盖上安装有压力泵接头，压力泵接头与压力泵相连。所述的二个密封板上均设有凹槽，凹槽内装有密封圈。所述的横梁的中部设有凸台。

实施所述的波纹管动态性能试验装置的试验方法，其试验方法步骤如下：

1)、将两个波纹管试件组合好，把组装好的试验装置放置在水平的支架上，两个波纹管试件的公共端自由；

2)、将加速度传感器与数据采集器相连接；

3)、将力锤与数据采集器相连接；

4)、数据采集器与计算机相连；

5)、通过压力泵对波纹管内部输入具有一定压力载荷的介质；

6)、采用锤激法进行振动试验，即用力锤竖直锤击横梁中间的凸起部分，保证激励施加在横梁的中点，激励通过横梁传到装在上端的波纹管试件下端法兰盘，实现自由振动。

7)、装在上端的波纹管试件下端法兰盘上的加速度传感器将接收到的振动信号及力锤的信号经数据采集器传给计算机，通过数据处理软件把信号记录下来，通过对振动信号的处理得到波纹管的动态参数。

本发明的有益效果是：通过本发明的试验装置及其试验方法，能够准确地测得波纹管在流动介质、压力载荷下的动态性能参数，这些参数为波纹管在使用过程中避免由于共振造成的破坏提供了重要的依据。

附图说明：

图1是本发明的试验装置示意图；

图2是本发明的试验装置数学模型；

图3是本发明的试验装置等效力学原理图；

图4是在0MPa压力载荷下的波纹管冲击第一次时的振动曲线图；

图5是在0MPa压力载荷下的波纹管冲击第一次时的传递函数图；

图6是在0.2MPa压力载荷下的波纹管冲击第五次时的振动曲线图；

图7是在0.2MPa压力载荷下的波纹管冲击第五次时的传递函数图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1中所示，本发明的两个同型号波纹管试件2和波纹管试件10的二端各焊接有法兰盘3，在支架1的上端固定有密封板13，密封板13上的二端各通过螺钉固定有支承板4和支承板12，支承板4和支承板12的上端通过螺钉固定有密封板5，密封板13通过螺钉与波纹管试件2一端的法兰盘3连接，波纹管试件2另一端的法兰盘3通过螺钉与波纹管试件11一端的法兰盘3连接，波纹管试件11另一端的法兰盘3通过螺钉与密封板5连接，密封板13和密封板5上设有凹槽，凹槽内装有密封圈；密封板5和密封板13的中间孔上各焊接有管接头8和管接头14，管接头8和管接头14的另一端各与管子9的二端相连通；横梁7二端的支杆与波纹管试件11下端的法兰盘3连接，横梁7的中部设有凸台；加速度传感器10安装在波纹管试件11下端的法兰盘3上，加速度传感器10与数据采集器相连接；在密封盖5上安装有压力泵接头6，压力泵接头6与压力泵相连。

安装本发明的试验装置时要注意：在密封板13和密封板5的凹槽内放入涂有黄油的密封圈，通过螺钉紧固，确保法兰盘3与密封板13和密封板5之间不漏水；横梁7二端的支杆与波纹管试件11下端的法兰盘3连接，要确保横梁7上的激励传到两波纹管中间的法兰盘上；确保波纹管组合体、管接头8、管接头14、管子9之间相连通，从而使波纹管内部的介质能够实现循环流动；为了防止试件承受预应力，上下密封板间用支架固定的高度应合适。

本发明的试验方法具体步骤如下：

1、将两个同型号波纹管试件2和波纹管试件11组合好，把组装好的试验装置放置在水平的支架1上，波纹管试件2和波纹管试件11的公共端自由；

2、将加速度传感器10与数据采集器相连接；

3、将力锤与数据采集器相连接；

4、数据采集器与计算机相连；

5、通过压力泵对波纹管内部输入具有一定压力载荷的介质；

6、采用锤激法进行振动试验，即用力锤竖直锤击横梁7中间的凸起部分，保证激励施加在横梁7的中点，激励通过横梁7传到装在波纹管试件11下端的法兰盘3，实现自由振动。

7、装在波纹管试件11下端法兰盘3上的加速度传感器10将接收到的振动信号及力锤的信号经数据采集器传给计算机，通过数据处理软件把信号记录下来。通过对振动信号的处理得到波纹管的动态参数(动态刚度K、阻尼系数C和阻尼比ξ)。

本试验方法的数学原理如下：

本试验方法其数学模型如图2所示。C₁与C₂、K₁与K₂是并联关系。所以图2所示模型又可以进一步简化为如图3所示力学模型。

K＝K₁+K₂     (1)

C＝C₁+C₂     (2)

由试验可以直接测得共振频率f_r，相临峰值X₀和X₁，依据对数衰减法，可以解算以下参数：

(1)阻尼比ζ：由 $\ln \left(\frac{X_0}{X_1}\right)=\frac{2\mathrm{\π\ξ}}{\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}},$ 得到： $\mathrm{\ξ}=\frac{\ln \left(\frac{X_0}{X_1}\right)}{\sqrt{4{\mathrm{\π}}^2+{\left(\ln \left(\frac{X_0}{X_1}\right)\right)}^2}}$

(2)固有频率： $f_0=\frac{f_r}{\sqrt{1-2{\mathrm{\ζ}}^2}}$

(3)动态刚度K＝4π²Mf₀ ²(M为两个波纹管、两个法兰盘和横梁的总质量)

(4)阻尼系数 $C=2\mathrm{\ζ}\sqrt{{\mathrm{MK}}_{2n}}$

根据以上公式可求得K和C。

由于波纹管1、波纹管2型式相同，K₁＝K₂，C₁＝C₂，通过公式(1)及公式(2)我们可以得到：

$K_1=K_2=\frac{K}{2}$

$C_1=C_2=\frac{C}{2}$

再由K₁及C₁解算出ζ及f₀：

阻尼比ζ： $\mathrm{\ζ}=\frac{C}{2\sqrt{\mathrm{mK}}},$ 固有频率f₀： $f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{m}}$ 其中m是单个法兰盘的质量。

本试验可得到在不同压力载荷下波纹管的模态参数，依次得到波纹管的模态参数在不同压力载荷下的变化情况。以下举例说明：

通过力锤沿轴向对与试件相连的横梁施加冲击激励，激励通过横梁传到组合波纹管的自由端，由加速度传感器—电荷放大器—便携式信号处理仪测定响应数据，最后通过响应曲线采用对数衰减法计算各种波纹管的动态参数，得到波纹管自由响应信号。以下为波纹管在水水介质压力下的实验数据。1#1#表示两个1#波纹管的组合。用力锤分别对每种压力载荷下的1#1#组合波纹管击五次，得到振动曲线图，作振动曲线的传递函数图。表1-表2为1#2#组合波纹管在0MPa-0.2MPa压力载荷下的原始实验数据；表3为1#1#组合波纹管的在0MPa-0.2MPa压力载荷下模态参数；表4为1#波纹管在0MPa-0.2MPa压力载荷下模态参数。图4图5是用力锤对0MPa压力载荷下的1#1#组合波纹管冲击第一次时的振动曲线图和传递函数图，图4中的数值0.2209、0.1824、0.1717、0.1433、0.1175、0.1041及图5中的数值18.0000就是表1中的冲击第一次时的相临峰值X₀和X₁及共振频率f_r，根据上述公式由X₀和X₁及f_r即可算出阻尼比ζ及固有频率f₀，还可求得动态刚度K和阻尼系数C。图6图7是用力锤对0.2MPa压力载荷下的1#1#组合波纹管冲击第五次时的振动曲线图和传递函数图。其余在0MPa-0.2MPa压力载荷下冲击不同次数时的振动曲线图和传递函数图省略，因其原始实验数据均在表1-表2中反映出来了。

                                        表1  0MPa压力载荷下1#1#波纹管组合模态参数

m(Kg)		X0(m/s2)	X1(m/s2)	ζ	平均阻尼比	f0(Hz)	fr(Hz)	K(N/m)	C(N·s/m)
										68.52	第一次	0.2209	0.1824	0.030465	0.023939	18.01	18.0	8.74E+05	371.24
0.1824	0.1717	0.009621
			0.1717	0.1433	0.028765
0.1433	0.1175	0.031577
			0.1175	0.1041	0.019268
第二次	0.2431	0.2059				0.026424	0.022758	18.01	18.0			8.77E+05	352.90
			0.2059	0.1910	0.011954
	0.1910	0.1621				0.026102
			0.1621	0.1333	0.031117
	0.1333	0.1189				0.018192
			第三次	0.2317	0.1845						0.036231			0.023907	18.01	18.0	8.77E+05	370.75
0.1845	0.1712	0.011907
				0.1712	0.1455	0.025879
0.1455	0.1240	0.02544
				0.1240	0.1093	0.020079
第四次	0.2367	0.1932					0.032302	0.024095	18.01		18.0	8.77E+05	373.66
			0.1932	0.1817	0.009767
	0.1817	0.1539				0.026419
			0.1539	0.1259	0.031944
	0.1259	0.1110				0.020043
			第五	0.2374	0.1981		0.028791							0.023594	18.01	18.0	8.77E+05	365.88
0.1981	0.1837	0.01201

	次	0.1837	0.1552	0.026822
										0.1552	0.1285	0.030033
		0.1285	0.1131	0.020313
										模态参数平均值				0.023659	18.0	18.0	8.77E+05	367

                                       表2  0.2MPa压力载荷下1#1#波纹管组合模态参数

m(Kg)		X0(m/s2)	X1(m/s2)	ζ	平均阻尼比	f0(Hz)	fr(Hz)	K(N/m)	C(N·s/m)
										68.52	第一次	0.2653	0.1608	0.079437	0.043589	21.04	21	1.20E+06	789.69
0.1608	0.1198	0.046794
			0.1198	0.0894	0.046535
0.0894	0.0794	0.018876
			0.0794	0.0673	0.026305
第二次	0.3238	0.1942				0.081098	0.046476	20.54	20.5			1.14E+06	822.15
			0.1942	0.1418	0.049987
	0.1418	0.1049				0.047916
			0.1049	0.0878	0.02831
	0.0878	0.0750				0.025071
			第三次	0.2995	0.1847						0.076706			0.04443	20.54	20.5	1.14E+06	785.80
0.1847	0.1337	0.051361
				0.1337	0.0998	0.046491
0.0998	0.0855	0.024606
				0.0855	0.0740	0.022984
第四次	0.2865	0.1711					0.081768	0.044824	20.54		20.5	1.14E+06	792.81
			0.1711	0.1260	0.048638
	0.1260	0.0946				0.04557
			0.0946	0.0819	0.022938
	0.0819	0.0699				0.025208
			第五次	0.2909	0.1696		0.085555							0.045167	20.54	20.5	1.14E+06	798.89
0.1696	0.1235	0.05042
				0.1235	0.0960	0.040058
0.0960	0.0825	0.024113
				0.0825	0.0702	0.025687
模态参数平均值							0.044897	20.6	20.6		1.15E+06	798

               表3  1#1#波纹管模态参数

               表4  1#波纹管模态参数统计

Claims (4)

1、一种波纹管动态性能试验装置，通过数据采集器与计算机相连，其特征在于：所述的数据采集器与加速度传感器(10)相连接，加速度传感器(10)安装在波纹管试件(11)下端的法兰盘(3)上；波纹管试件(2)和波纹管试件(11)的二端各焊接有法兰盘(3)，波纹管试件(2)和波纹管试件(11)通过法兰盘(3)用螺钉连接在一起，波纹管试件(11)上端的法兰盘(3)通过螺钉与密封板(5)连接，波纹管试件(2)下端的法兰盘(3)通过螺钉与密封板(13)连接，密封板(5)和密封板(13)的中间孔上各焊接有管接头(8)和管接头(14)，管接头(8)和管接头(14)的另一端各与管子(9)的二端相连通；密封板(13)与其二端上的支承板(4)和支承板(12)均通过螺钉固定在支架(1)上，密封板(5)通过螺钉固定在支承板(4)和支承板(12)上；横梁(7)二端的支杆与波纹管试件(11)下端的法兰盘(3)连接；在密封盖(5)上安装有压力泵接头(6)，压力泵接头(6)与压力泵相连。

2、根据权利要求1所述的波纹管动态性能试验装置，其特征在于：所述的密封板(13)和密封板(5)上设有凹槽，凹槽内装有密封圈。

3、根据权利要求1所述的波纹管动态性能试验装置，其特征在于：所述的横梁(7)的中部设有凸台。

4、一种实施权利要求1所述的波纹管动态性能试验装置的试验方法，其特征在于：所述的试验方法步骤如下：

1)、将两个波纹管试件(2)和波纹管试件(11)组合好，把组装好的试验装置放置在水平的支架(1)上，波纹管试件(2)和波纹管试件(11)的公共端自由；

2)、将加速度传感器(10)与数据采集器相连接；

3)、将力锤与数据采集器相连接；

4)、数据采集器与计算机相连；

5)、通过压力泵对波纹管内部输入具有一定压力载荷的介质；

6)、采用锤激法进行振动试验，即用力锤竖直锤击横梁(7)中间的凸起部分，保证激励施加在横梁(7)的中点，激励通过横梁(7)传到装在波纹管试件(11)下端的法兰盘(3)，实现自由振动；

7)、装在波纹管试件(11)下端法兰盘(3)上的加速度传感器(10)将接收到的振动信号及力锤的信号经数据采集器传给计算机，通过数据处理软件把信号记录下来，通过对振动信号的处理得到波纹管的动态参数。

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