CN212432471U - 一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，用于测试水管系统在水锤作用下工况变化的振动特性，所述实验方法采用的实验装置为带快速阀门的水管系统；所述快速阀门为可通过快速关断水管系统的水路来在水管系统中形成直接水锤效应的阀门装置；所述水管系统与流量控制器和传感器系统相连；当进行测试时，先通过流量控制器使水管系统的水路流量达到测试所需值，然后阀门快速关断水路以在水管系统中产生直接水锤效应，所述传感器系统对水管系统的实验管道在水锤激励下工况变化的振动特性进行数据采集；本实用新型能模拟不同影响因素下的水管系统中实验管道的振动，可用于探究不同影响因素下水管系统振动特性的实验。
Description
技术领域
本实用新型涉及管道振动测试技术领域，尤其是一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置。
背景技术
近年来，我国的供水管道工程不断发展，为了解决水资源空间分布不均匀的问题，工程师们在我国各地建设了许多长距离输水工程，其中一种常见的工程措施是通过管道系统来进行输水。但如果供水管道的阀门突然关闭，则供水管道内会产生水锤，在水锤的激励下水管系统振动剧烈，会极易对水管系统造成破坏，因为水锤一旦发生，管道内会产生很大的压力水头，同时产生的压力波会传遍整个管道系统。当水锤的激励频率达到与管道的固有频率相接近时管道发生共振，此时管道易发生疲劳破坏或者失稳破坏，严重威胁管道系统的安全和稳定运行，属于极具破坏性的工况。由于供水管道的振动问题与许多因素有关，如水锤的激励频率的大小、管道支座的类型、管道的材质以及管道的跨长等因素；因此，开展水锤激励下水管振动特性的研究，对防止水锤对供水管道的振动破坏具有重要意义，故实用新型一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，探究不同影响因素对水管系统振动特性的影响规律。
发明内容
本实用新型提出一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，能模拟不同影响因素下的水管系统中实验管道的振动，可用于探究不同影响因素下水管系统振动特性的实验。
本实用新型采用以下技术方案。
一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，用于测试水管系统在水锤作用下工况变化的振动特性，所述实验装置为带快速阀门的水管系统；所述快速阀门为可通过快速关断水管系统的水路来在水管系统中形成直接水锤效应的阀门装置；所述水管系统与流量控制器和传感器系统相连；当进行测试时，先通过流量控制器使水管系统的水路流量达到测试所需值，然后阀门快速关断水路以在水管系统中产生直接水锤效应，所述传感器系统对水管系统的实验管道在水锤激励下工况变化的振动特性进行数据采集。
所述水管系统的输入端与恒压供水装置相连；所述水管系统还经泄压阀与水锤消除装置相通；当水管系统的管道压力超出泄压阀设定压力阈值时，所述泄压阀开启，使水管系统的水进入水锤消除装置以减小管道压力。
所述水管系统包括实验管道和非实验管道；
所述传感器系统包括电磁流量计、振动传感器和压强传感器；所述振动传感器包括加速度传感器和位移传感器；所述恒压供水装置内设有抽水泵；所述抽水泵为可把地下水库的水抽至水管系统的卧式离心泵；
所述恒压供水装置经供水管道与地下水库相通；所述水锤消除装置经竖向的排水管与地下水库相通
所述卧式离心泵设于恒压供水装置处；所述恒压供水装置还包括水泵控制箱和供水阀门；所述水泵控制箱包括可控制卧式离心泵工况的变频器，还包括与中央控制系统相连以接收控制指令的网络适配器；所述卧式离心泵通过供水管路从地下水库抽水，并经供水阀门和电磁流量计向水管系统供水；
所述水锤消除装置包括外壳、弹性内胆及多孔管；
所述中央控制系统包括主控模块，在测试时，所述中央控制系统对实验装置进行自动控制，并对传感器系统的数据进行采集、记录和分析。
所述快速阀门、流量控制器、实验管道的仪器配置根据测试实验所需的水锤激励频率、实验管道支座类型、实验管道材质、实验管道跨长来设置。
所述水管系统内还设有可调整水管系统管道长度的慢速阀门，所述水锤的激励频率可通过调整水管系统的管道长度而改变，或是通过调节实验管道的支撑支座的位置来改变实验管道的支撑跨度，以测试实验管道不同跨长对水管系统振动的影响。
所述实验管道以可更换的支撑支座进行支撑，所述支撑支座的支座类型为简支或固支；所述实验管道以法兰接入水管系统，当需更换不同材质的实验管道时，可通过拆卸法兰来更换实验管道。
所述快速阀门为包括电控液压阀和控制保护装置的快速阀门系统；所述电控液压阀设于水管系统的末端；电控液压阀包括液压系统、油缸和阀门机构；
所述慢速阀门为包括手动阀的慢速阀门系统；所述慢速阀门设于与实验管道相连的非实验管道处；当需调整水管系统的管道长度，实现不同的水锤激励频率时，通过改变手动阀的启闭状态来调整水管系统管道的长度。
所述测试所需值为水路的目标流量，其范围在10m3/h至60m3/h之间；所述水管系统在进行目标流量实验前，以30Hz频率运行卧式离心泵不少于10分钟，抽取地下水库的水使之充满水管系统的实验管道，使实验管道内的空气排尽，保证实验数据的准确性。
所述水管系统的水路中的水来自于地下水库；所述快速阀门的关阀时间小于水击弹性波由阀门到地下水库来回所需的时间。
所述实验方法包括以下步骤；
步骤一：仪器配置，根据不同影响因素进行仪器配置；
步骤二：开启卧式离心泵，抽取地下水库的水使之充满水管系统的实验管道，使实验管道内的空气排尽；
步骤三：通过流量控制器使水管系统的流量达到目标流量；
步骤四：控制快速阀门关闭，产生水锤作用在水管系统；
步骤五：数据采集，传感器系统采集在水锤激励下水管系统的位移、加速度以及压强；
步骤六：重复测试、数据分析，重复测试增加数据的可靠性，对数据进行分析获取水管系统振动特性的影响规律。
与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
本实用新型可用于探究不同影响因素下水管系统振动特性的实验，研究水管系统振动特性影响规律，得到不同的水锤激励频率、管道的支座类型、管道跨长、管道材质对水管系统振动的影响规律；其有益效果是：本专利提供的用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置可用于研究水锤激励频率大小、管道跨长、管道的支座类型以及管道材质对水管系统振动特性的影响规律。通过快速阀门系统的关闭产生水锤直接作用在管道上，在传感器系统和中央控制系统的配合下，获取实验管道的压强、加速度和位移，以探究在水锤激励下水管系统振动特性的影响规律。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：
附图1是本实用新型的流程示意图；
附图2是本实用新型的结构示意图；
附图3是本实用新型的管道固定示意图；
附图4是实验管道处的振动传感器位置示意图；
附图5是实验管道处的压强传感器位置的另一示意图；
附图6是目标流量为40m3/h时，实验管段振动压强数据曲线示意图；
附图7是目标流量为40m3/h时，实验管段振动加速度数据曲线示意图；
附图8是目标流量为40m3/h时，实验管段振动位移数据曲线示意图；
图中：1-地下水库；2-卧式离心泵；3-水泵控制箱；4-供水阀门；5-电磁流量计；6-水锤消除装置；7-泄压阀；8-慢速阀门；9-手动阀；10-法兰；11-压强传感器；12-振动传感器；13-快速阀门；14-中央控制系统；15-非实验管道；16-实验管道；17-工字钢；18-圆环箍。
具体实施方式
如图所示，一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，用于测试水管系统在水锤作用下工况变化的振动特性，所述实验装置为带快速阀门13的水管系统；所述快速阀门为可通过快速关断水管系统的水路来在水管系统中形成直接水锤效应的阀门装置；所述水管系统与流量控制器和传感器系统相连；当进行测试时，先通过流量控制器使水管系统的水路流量达到测试所需值，然后阀门快速关断水路以在水管系统中产生直接水锤效应，所述传感器系统对水管系统的实验管道16在水锤激励下工况变化的振动特性进行数据采集。
所述水管系统的输入端与恒压供水装置相连；所述水管系统还经泄压阀7与水锤消除装置6相通；当水管系统的管道压力超出泄压阀设定压力阈值时，所述泄压阀开启，使水管系统的水进入水锤消除装置以减小管道压力。
所述水管系统包括实验管道和非实验管道；
所述传感器系统包括电磁流量计5、振动传感器12和压强传感器11；所述振动传感器包括加速度传感器和位移传感器；所述恒压供水装置内设有抽水泵；所述抽水泵为可把地下水库的水抽至水管系统的卧式离心泵2；
所述恒压供水装置经供水管道与地下水库相通；所述水锤消除装置经竖向的排水管与地下水库1相通。
所述卧式离心泵设于恒压供水装置处；所述恒压供水装置还包括水泵控制箱3和供水阀门4；所述水泵控制箱包括可控制卧式离心泵工况的变频器，还包括与中央控制系统14相连以接收控制指令的网络适配器；所述卧式离心泵通过供水管路从地下水库抽水，并经供水阀门和电磁流量计向水管系统供水；
所述水锤消除装置包括外壳、弹性内胆及多孔管；
所述中央控制系统包括主控模块，在测试时，所述中央控制系统对实验装置进行自动控制，并对传感器系统的数据进行采集、记录和分析。
所述快速阀门、流量控制器、实验管道的仪器配置根据测试实验所需的水锤激励频率、实验管道支座类型、实验管道材质、实验管道跨长来设置。
所述水管系统内还设有可调整水管系统管道长度的慢速阀门8，所述水锤的激励频率可通过调整水管系统的管道长度而改变，或是通过调节实验管道的支撑支座的位置来改变实验管道的支撑跨度，以测试实验管道不同跨长对水管系统振动的影响。
所述实验管道以可更换的支撑支座进行支撑，所述支撑支座的支座类型为简支或固支；所述实验管道以法兰10接入水管系统，当需更换不同材质的实验管道时，可通过拆卸法兰来更换实验管道。
所述快速阀门为包括电控液压阀和控制保护装置的快速阀门系统；所述电控液压阀设于水管系统的末端；电控液压阀包括液压系统、油缸和阀门机构；
所述慢速阀门为包括手动阀9的慢速阀门系统；所述慢速阀门设于与实验管道相连的非实验管道15处；当需调整水管系统的管道长度，实现不同的水锤激励频率时，通过改变手动阀的启闭状态来调整水管系统管道的长度。
所述测试所需值为水路的目标流量，其范围在10m3/h至60m3/h之间；所述水管系统在进行目标流量实验前，以30Hz频率运行卧式离心泵不少于10分钟，抽取地下水库的水使之充满水管系统的实验管道，使实验管道内的空气排尽，保证实验数据的准确性。
所述水管系统的水路中的水来自于地下水库；所述快速阀门的关阀时间小于水击弹性波由阀门到地下水库来回所需的时间。
所述实验方法包括以下步骤；
步骤一：仪器配置，根据不同影响因素进行仪器配置；
步骤二：开启卧式离心泵，抽取地下水库的水使之充满水管系统的实验管道，使实验管道内的空气排尽；
步骤三：通过流量控制器使水管系统的流量达到目标流量；
步骤四：控制快速阀门关闭，产生水锤作用在水管系统；
步骤五：数据采集，传感器系统采集在水锤激励下水管系统的位移、加速度以及压强；
步骤六：重复测试、数据分析，重复测试增加数据的可靠性，对数据进行分析获取水管系统振动特性的影响规律。
实施例
本例中，实验装置通过地下水库1、恒压供水装置、水锤消除装置、阀门系统、管道系统形成一个流速稳定可控的闭环流体循环结构，提升实验数据的可靠性；通过慢速阀门系统调节管道长度，实现不同水锤激励频率对水管系统振动特性的影响；通过拆卸法兰上的螺丝更换不同材质的实验管道，实现不同材质的实验管道对水管系统振动特性的影响；通过更换实验管道支座的类型，实验不同支座类型的实验管道对水管系统振动特性的影响；通过实验管道的滑轨式支座，实现不同跨长的实验管道对水管系统振动特性的影响。
对在不同影响因素下水管系统振动特性的研究，首先根据不同的水锤激励频率不同影响因素进行仪器配置，将启闭水管系统不同位置处的慢速阀门系统，得到所需的水管系统的长度，即得到所需的水锤激励频率，打开实验装置的开关，使用中控软件建立采集数据的文件，并对各传感器进行网络连接，开启卧式离心泵，以30Hz频率运行水泵10分钟，将管道的空气排尽，设置目标流量为40m3/h，待达到目标流量后，开始采集实验管道的压强、位移以及加速度，关闭快速阀门系统，待水锤消除后，打开快速阀门系统，然后再进行重复试验，最后将得到的位移、压强以及加速度数据，进行数据分析，探究在水锤激励下水管系统振动特性的影响规律。
本例中，实验管道与非试验管道之间以通过法兰以焊接方式相连。
本例中，实验管道16的支座采用滑轨式支座，可调节实验管道的跨长，实现不同跨长的实验管道对水管系统振动特性的影响；实验管道的支座类型采用固支或者简支，实现不同支座类型对水管系统振动特性的影响。
本例中，通过切换手动阀的启闭状态，改变水管系统的长度，实现不同的水锤激励频率对水管系统振动特性的影响规律。
进一步地，非实验管道15固定方式采用工字钢17加圆环箍18。圆环箍18的弧形面与非实验管道15表面相贴合，圆环箍18的竖直底部通过螺丝固定在工字钢17的翼缘上。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本专利的技术方案而非限制，尽管参照实例对本专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，用于测试水管系统在水锤作用下工况变化的振动特性，其特征在于：所述实验装置为带快速阀门的水管系统；所述快速阀门为可通过快速关断水管系统的水路来在水管系统中形成直接水锤效应的阀门装置；所述水管系统与流量控制器和传感器系统相连；当进行测试时，先通过流量控制器使水管系统的水路流量达到测试所需值，然后阀门快速关断水路以在水管系统中产生直接水锤效应，所述传感器系统对水管系统的实验管道在水锤激励下工况变化的振动特性进行数据采集。
2.根据权利要求1所述的一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，其特征在于：所述水管系统的输入端与恒压供水装置相连；所述水管系统还经泄压阀与水锤消除装置相通；当水管系统的管道压力超出泄压阀设定压力阈值时，所述泄压阀开启，使水管系统的水进入水锤消除装置以减小管道压力。
3.根据权利要求2所述的一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，其特征在于：所述水管系统包括实验管道和非实验管道；
所述传感器系统包括电磁流量计、振动传感器和压强传感器；所述振动传感器包括加速度传感器和位移传感器；所述恒压供水装置内设有抽水泵；所述抽水泵为可把地下水库的水抽至水管系统的卧式离心泵；
所述恒压供水装置经供水管道与地下水库相通；所述水锤消除装置经竖向的排水管与地下水库相通
所述卧式离心泵设于恒压供水装置处；所述恒压供水装置还包括水泵控制箱和供水阀门；所述水泵控制箱包括可控制卧式离心泵工况的变频器，还包括与中央控制系统相连以接收控制指令的网络适配器；所述卧式离心泵通过供水管路从地下水库抽水，并经供水阀门和电磁流量计向水管系统供水；
所述水锤消除装置包括外壳、弹性内胆及多孔管；
所述中央控制系统包括主控模块，在测试时，所述中央控制系统对实验装置进行自动控制，并对传感器系统的数据进行采集、记录和分析。
4.根据权利要求1所述的一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，其特征在于：所述快速阀门、流量控制器、实验管道的仪器配置根据测试实验所需的水锤激励频率、实验管道支座类型、实验管道材质、实验管道跨长来设置。
5.根据权利要求4所述的一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，其特征在于：所述水管系统内还设有可调整水管系统管道长度的慢速阀门，所述水锤的激励频率可通过调整水管系统的管道长度而改变，或是通过调节实验管道的支撑支座的位置来改变实验管道的支撑跨度，以测试实验管道不同跨长对水管系统振动的影响。
6.根据权利要求5所述的一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，其特征在于：所述实验管道以可更换的支撑支座进行支撑，所述支撑支座的支座类型为简支或固支；所述实验管道以法兰接入水管系统，当需更换不同材质的实验管道时，可通过拆卸法兰来更换实验管道。
7.根据权利要求5所述的一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，其特征在于：所述快速阀门为包括电控液压阀和控制保护装置的快速阀门系统；所述电控液压阀设于水管系统的末端；电控液压阀包括液压系统、油缸和阀门机构；
所述慢速阀门为包括手动阀的慢速阀门系统；所述慢速阀门设于与实验管道相连的非实验管道处；当需调整水管系统的管道长度，实现不同的水锤激励频率时，通过改变手动阀的启闭状态来调整水管系统管道的长度。
8.根据权利要求5所述的一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，其特征在于：所述测试所需值为水路的目标流量，其范围在10m3/h至60m3/h之间；所述水管系统在进行目标流量实验前，以30Hz频率运行卧式离心泵不少于10分钟，抽取地下水库的水使之充满水管系统的实验管道，使实验管道内的空气排尽，保证实验数据的准确性。
9.根据权利要求8所述的一种用于研究在水锤激励下水管系统振动特性的实验装置，其特征在于：所述水管系统的水路中的水来自于地下水库；所述快速阀门的关阀时间小于水击弹性波由阀门到地下水库来回所需的时间。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112051017A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-12-08 | 福州大学 | 用于探究不同影响因素下水管系统振动特性的实验方法 |
| CN114112454A (zh) * | 2021-09-14 | 2022-03-01 | 中国人民解放军海军潜艇学院 | 一种船舶调水系统水锤综合防护方法 |
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2020
- 2020-09-11 CN CN202021975991.2U patent/CN212432471U/zh active Active
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| CN112051017A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-12-08 | 福州大学 | 用于探究不同影响因素下水管系统振动特性的实验方法 |
| CN114112454A (zh) * | 2021-09-14 | 2022-03-01 | 中国人民解放军海军潜艇学院 | 一种船舶调水系统水锤综合防护方法 |
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Assignee: Gansu Dayu water saving group water conservancy and Hydropower Engineering Co.,Ltd. Assignor: FUZHOU University Contract record no.: X2024350000037 Denomination of utility model: An experimental device for studying the vibration characteristics of water pipe systems under water hammer excitation Granted publication date: 20210129 License type: Common License Record date: 20240402 |
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