雷少攀，劉寶會(huì)，冀璞光，王清周，殷福星

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300401；3.河北工業(yè)大學(xué)能源裝備材料技術(shù)研究院，天津 300401）

0 引言

對(duì)管路結(jié)構(gòu)管路系統(tǒng)振動(dòng)因素有很多，如液體流動(dòng)時(shí)在彎頭、三通等位置發(fā)生的湍流、外部激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)、液壓泵工作過(guò)程中產(chǎn)生的脈動(dòng)等都會(huì)引起管路的振動(dòng)。輸流管路的振動(dòng)不僅會(huì)降低管路及液壓管件的壽命，造成嚴(yán)重的后果，還會(huì)產(chǎn)生噪聲污染，對(duì)周?chē)h(huán)境造成很大影響。為此，各國(guó)工程技術(shù)人員對(duì)輸流管路減振設(shè)計(jì)開(kāi)展了卓有成效的理論與應(yīng)用研究工作。在結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)方面，Wang[1]通過(guò)結(jié)構(gòu)的支承位置優(yōu)化實(shí)現(xiàn)減振效果，王利亞等[2]通過(guò)在管路支撐處增加減震墊，使整個(gè)管路系統(tǒng)振動(dòng)降低，陳果等[3]設(shè)計(jì)了一種用于管路系統(tǒng)減振的吸振器，能夠?qū)⒐舱耦l率降低，蔡標(biāo)華等[4]運(yùn)用具有較低頻率的橡膠隔振器，可以明顯衰減管路系統(tǒng)的振動(dòng)；在結(jié)構(gòu)減振材料方面，肖坤等[5]提出了利用金屬橡膠包覆管路結(jié)構(gòu)，來(lái)達(dá)到減振效果，肖春新[6]為了管路減振，使用了管路橡膠聯(lián)結(jié)裝置，保護(hù)管路系統(tǒng)正常運(yùn)行和延長(zhǎng)其使用壽命，朱曉軍[7]進(jìn)行了阻尼材料包覆和管卡振動(dòng)試驗(yàn)，可以很好的抑制管路振動(dòng)。

近些年隨著阻尼合金材料的迅猛發(fā)展，阻尼合金材料在結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用越來(lái)越廣泛[8-9]，錳銅阻尼合金由于其具有高阻尼、強(qiáng)度、高剛度和耐腐蝕等特點(diǎn)，可作為結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件[10-12]，并取得較好的抑制振動(dòng)效果。本文首次將錳銅高阻尼合金材料應(yīng)用于輸流管路減振設(shè)計(jì)中，制作錳銅阻尼合金三通管件，用于替代原有的三通部件，設(shè)計(jì)并搭建了輸流管路實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)工作段進(jìn)行在簡(jiǎn)諧激勵(lì)作用的加速度頻響以及工作狀態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)的位移響應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究錳銅阻尼合金材料三通管件對(duì)輸流管路振動(dòng)固有頻率、幅頻響應(yīng)及加速度頻響等振動(dòng)特性的影響。

1 輸流管路實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)搭建

1.1 輸流管路實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

輸流管路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由水箱、液壓泵、調(diào)節(jié)閥、壓力表、流速表、不銹鋼管路、2種材質(zhì)（不銹鋼、錳銅阻尼合金）三通管件組成，如圖1 所示。圖中虛線(xiàn)部分為測(cè)試段，三通管件內(nèi)徑90 mm，外徑106 mm，長(zhǎng)管247 mm，短管88 mm，兩端連接長(zhǎng)1 m的直管路，為研究阻尼合金材料對(duì)管路振動(dòng)特性影響，對(duì)三通支管路進(jìn)行密封處理。在簡(jiǎn)諧激勵(lì)時(shí)對(duì)管路進(jìn)行加速度幅頻特性分析，在工作狀態(tài)時(shí)對(duì)管路進(jìn)行位移頻譜特性分析。管路連接處為法蘭連接，墊上密封圈確保密閉性，同時(shí)在測(cè)試段兩端連接管路的末端加上兩個(gè)支撐，為了減弱其他結(jié)構(gòu)對(duì)這測(cè)試管路系統(tǒng)的影響，在被測(cè)管路兩端分別用橡膠軟管連接，以滿(mǎn)足對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求，材料參數(shù)如表1所示。

表1 聲子晶體材料參數(shù)Tab.1 Materials’parameters of phononic crystals

圖1 管路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform of pipeline system

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備

本文所做實(shí)驗(yàn)，加速度頻響測(cè)試設(shè)備為江蘇東華有限公司的DHDAS動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)、DH5922信號(hào)采集器、DH311E 三相加速度傳感器，DH40100 激振器、DH5872功率放大器、DH1301掃頻信號(hào)發(fā)生器。振動(dòng)位移幅頻測(cè)試設(shè)備為比利時(shí)LMS公司的激光振動(dòng)位移測(cè)試分析系統(tǒng)LMS Test.Lab，該系統(tǒng)包括測(cè)試分析軟件以及硬件設(shè)備LMS SCADAS MOBILE 采集器、SENSOR HEAD 激光位移傳感器和VIBROMETER CONTROLLER振動(dòng)控制器。

2 三通管路系統(tǒng)簡(jiǎn)諧激勵(lì)加速度幅頻響應(yīng)分析

2.1 測(cè)試工況

諧響應(yīng)測(cè)試分析能夠預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力學(xué)特性，從而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)能否成功克服共振、疲勞及其他受控振動(dòng)引起的有害效果。加速度諧響應(yīng)在大范圍頻率段內(nèi)均有很高的靈敏性，為獲得2種材料管路加速度幅頻響應(yīng)特征，利用激振器對(duì)測(cè)試段施加簡(jiǎn)諧激勵(lì)。測(cè)試中用M5不銹鋼螺桿將力傳感器、激振器與管路連接，激振力沿鉛錘方向施加正弦線(xiàn)性?huà)哳l信號(hào)，掃頻范圍為0～1 000 Hz。力傳感器靈敏度為2 mV/N，量程50 N，加速度傳感器靈敏度為5 mV/（m/s2），量程20 m/s2；激振器功率放大器限流調(diào)節(jié)為8 RMS，增益檔位設(shè)置為20 dB，掃頻發(fā)生器設(shè)置為線(xiàn)性?huà)哳l，掃頻速度為2 Hz/s，掃頻電壓為100 mV。

根據(jù)振動(dòng)理論可知，簡(jiǎn)支型管路橫向奇數(shù)階振型的振動(dòng)物理量可由管路的中點(diǎn)測(cè)量值進(jìn)行表述，偶數(shù)階振型可由三通左右兩側(cè)的等分點(diǎn)測(cè)量值進(jìn)行表征，同時(shí)為了分析管路液體的流入端與流出端的振動(dòng)差異。在測(cè)試段取3個(gè)典型測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)及激振點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 管路系統(tǒng)激振點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of the distribution of excitation points and measurement points of the pipeline system

2.2 不銹鋼與阻尼合金三通測(cè)試段空管路頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果及分析

在空管路狀態(tài)下，利用DHDAS動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)，分別采集不銹鋼管路和阻尼合金管路的1、2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)域信號(hào)，利用動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 空管路各個(gè)測(cè)點(diǎn)頻響對(duì)比Fig.3 Comparison of frequency response of each measuring point of empty pipeline

由圖3可以明顯看出，當(dāng)管路系統(tǒng)中的三通管材料由不銹鋼換成阻尼合金后，測(cè)試段管路橫向（X、Y方向）前五階共振頻率，且阻尼合金材料可使共振頻率降低，高頻段由于振動(dòng)較為復(fù)雜，不容易區(qū)分，其各階共振頻率分析結(jié)果如表2所示。

表2 2 種材料三通的空管路各階共振頻率對(duì)比Tab.2 Comparison of the resonance frequencies of the empty pipes of the two materials three-way

各個(gè)測(cè)點(diǎn)X、Y橫向振動(dòng)加速度響應(yīng)在低頻部分均有不同程度的降低，一階模態(tài)加速度頻率響應(yīng)時(shí)降低明顯；而在中高頻率段作用不明顯，究其原因阻尼合金的楊氏模量?jī)H為不銹鋼的1/3，阻尼合金三通管剛度較不銹鋼大為降低，同時(shí)高頻段的振動(dòng)呈現(xiàn)非常復(fù)雜趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)表明影響加速度響應(yīng)的因素較多。各個(gè)測(cè)點(diǎn)一階模態(tài)加速度頻率響應(yīng)峰值對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 空管路各個(gè)測(cè)點(diǎn)X、Y、Z 方向加速度頻率響應(yīng)峰值對(duì)比Tab.3 Comparison of acceleration frequency response peak value of each measuring point of empty pipeline in X,Y,Z direction

由表3可以看出，這3個(gè)測(cè)點(diǎn)在X、Y方向上的加速度頻響曲線(xiàn)降低比較明顯，1 號(hào)點(diǎn)X方向降低17%，Y方向降低比例為37%；2 號(hào)點(diǎn)X方向降低37%，Y方向降低比例為12%；3 號(hào)點(diǎn)X方向降低26%，Y方向降低比例為14%。因此在空管路激振時(shí)，阻尼合金在低階會(huì)起到減振效果。

2.3 不銹鋼與阻尼合金三通測(cè)試段充水管路頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果及分析

在充液管路狀態(tài)下，利用DHDAS 動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)，分別采集不銹鋼管路和阻尼合金管路3個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域信號(hào)，利用動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 充液管路3 個(gè)測(cè)點(diǎn)頻響對(duì)比Fig.4 Frequency response comparison of 3 measuring points in liquid-filled pipeline

圖4中充液管路頻響曲線(xiàn)和圖3中空管路頻響曲線(xiàn)還是有一定的區(qū)別，說(shuō)明管路中水的作用還是很大的。從圖4可以看出，充液狀態(tài)下應(yīng)用阻尼合金后管路的模態(tài)頻率值也會(huì)降低；并且相同材料下，充液管路系統(tǒng)的模態(tài)頻率值和空管路的模態(tài)頻率值有區(qū)別，這是因?yàn)榱黧w附加質(zhì)量的影響，其各階共振頻率分析結(jié)果如表4所示。

表4 2 種材料三通的充液管路各階共振頻率對(duì)比Tab.4 Comparison of the resonance frequencies of the liquid-filled pipes of the two-material tee

和空管路一樣，充液狀態(tài)下阻尼合金也是在低階時(shí)會(huì)起作用，而在中高頻率段作用不明顯。將這3個(gè)測(cè)點(diǎn)的一階模態(tài)加速度頻響峰值進(jìn)行整理對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

表5 充液管路各個(gè)測(cè)點(diǎn)X、Y、Z 方向加速度頻率響應(yīng)峰值對(duì)比Tab.5 Acceleration frequency response peak value comparison of each measuring point of liquid-filled pipeline in X,Y,and Z directions

由表5可以看出，充液管路中2號(hào)測(cè)點(diǎn)即阻尼三通管的位置，阻尼效果最好，在X、Y、Z3 個(gè)方向上，最大降低比例為45%。但在1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)同樣也會(huì)起到減振效果，只是減振效果不如2 號(hào)測(cè)點(diǎn)明顯。并且與空管路相比，在充液狀態(tài)下阻尼合金的減振效果更好。

3 三通管路系統(tǒng)工作狀態(tài)位移頻譜分析

位移頻譜分析是獲得各個(gè)頻率成分的位移幅值分布，從而得到主要振動(dòng)位移幅度頻率值。為研究阻尼合金材料對(duì)管路工作狀態(tài)振動(dòng)位移影響，本文模擬工作狀態(tài)下的位移頻譜響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)點(diǎn)布局和加速度幅頻響應(yīng)測(cè)試時(shí)相同。測(cè)試中利用LMS test.Lab 軟件，分別采集2 種材料管路關(guān)鍵點(diǎn)不同流速下的X、Y方向的位移振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到不同三通管材料管路系統(tǒng)的位移頻譜曲線(xiàn)。但在100 Hz 以上時(shí)位移頻譜反應(yīng)不明顯，因此選取的分析頻率范圍為0～100 Hz。其中流速為5 m/s時(shí)的曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 工作狀態(tài)流速5 m/s 位移頻譜對(duì)比Fig.5 Working state flow rate 5 m/s displacement spectrum comparison

由圖5可以看出，共振頻率與泵的工作頻率基本是接近的。并且當(dāng)管路系統(tǒng)中的三通管材料由不銹鋼換成阻尼合金后，共振頻率處的位移峰值有明顯的降低，這也和前面測(cè)的空管路和充液管路狀態(tài)下，阻尼合金在低階頻率時(shí)起作用相一致，工作狀態(tài)位移頻響分析結(jié)果如表6和表7所示。

表6 工作狀態(tài)各測(cè)點(diǎn)X 方向位移頻譜對(duì)比Tab.6 Displacement spectrum comparison in X direction of each measuring point in working state

表7 工作狀態(tài)各測(cè)點(diǎn)Y 方向位移頻譜對(duì)比Tab.7 Displacement spectrum comparison in Y direction of each measuring point in working state

由表6、表7可以看出，當(dāng)流速為5 m/s時(shí)，共振頻率都在10～40 Hz，并且在2號(hào)測(cè)點(diǎn)即更換三通管材料的位置，振動(dòng)幅度有明顯的降低，最大降低比例為86%。因此工作狀態(tài)下，將三通管材料換成阻尼合金后，能夠起到減振效果。

4 結(jié)論

本文研制的基于錳銅阻尼合金三通結(jié)構(gòu)件，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了該材料三通的輸流管路振動(dòng)特性，并與工程常用的不銹鋼管路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：在正弦掃頻激振力作用下，阻尼合金材料對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率產(chǎn)生一定的影響，測(cè)試段結(jié)構(gòu)各階固有頻率都會(huì)比相應(yīng)不銹鋼材質(zhì)要?。患铀俣阮l率響應(yīng)表現(xiàn)為在低階共振頻率點(diǎn)，加速度頻率響應(yīng)有不同程度的降低，減振效果顯著，而在中高階頻率段的影響較為復(fù)雜，規(guī)律性不明顯；在輸流管路工作狀態(tài)下，當(dāng)輸流管路中三通管件采用錳銅阻尼合金材料時(shí)，在穩(wěn)態(tài)位移振動(dòng)幅值頻譜曲線(xiàn)會(huì)有一定程度的降低，共振頻率點(diǎn)位移振動(dòng)幅值有明顯降低，抑制振動(dòng)效果明顯。

本文的實(shí)驗(yàn)研究表明，工程輸流管路的設(shè)計(jì)中，在某些關(guān)鍵部件合理采用錳銅阻尼合金材料，能夠有效的抑制輸流管路結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，達(dá)到減振效果。