基于錳銅高阻尼合金輸流管路減振設計實驗研究

雷少攀，劉寶會，冀璞光，王清周，殷福星

（1.河北工業大學機械工程學院，天津 300401；2.河北工業大學材料科學與工程學院，天津 300401；3.河北工業大學能源裝備材料技術研究院，天津 300401）

0 引言

對管路結構管路系統振動因素有很多，如液體流動時在彎頭、三通等位置發生的湍流、外部激勵產生的振動、液壓泵工作過程中產生的脈動等都會引起管路的振動。輸流管路的振動不僅會降低管路及液壓管件的壽命，造成嚴重的后果，還會產生噪聲污染，對周圍環境造成很大影響。為此，各國工程技術人員對輸流管路減振設計開展了卓有成效的理論與應用研究工作。在結構減振設計方面，Wang[1]通過結構的支承位置優化實現減振效果，王利亞等[2]通過在管路支撐處增加減震墊，使整個管路系統振動降低，陳果等[3]設計了一種用于管路系統減振的吸振器，能夠將共振頻率降低，蔡標華等[4]運用具有較低頻率的橡膠隔振器，可以明顯衰減管路系統的振動；在結構減振材料方面，肖坤等[5]提出了利用金屬橡膠包覆管路結構，來達到減振效果，肖春新[6]為了管路減振，使用了管路橡膠聯結裝置，保護管路系統正常運行和延長其使用壽命，朱曉軍[7]進行了阻尼材料包覆和管卡振動試驗，可以很好的抑制管路振動。

近些年隨著阻尼合金材料的迅猛發展，阻尼合金材料在結構減振設計及工程應用越來越廣泛[8-9]，錳銅阻尼合金由于其具有高阻尼、強度、高剛度和耐腐蝕等特點，可作為結構減振設計中的關鍵結構部件[10-12]，并取得較好的抑制振動效果。本文首次將錳銅高阻尼合金材料應用于輸流管路減振設計中，制作錳銅阻尼合金三通管件，用于替代原有的三通部件，設計并搭建了輸流管路實驗測試平臺，對工作段進行在簡諧激勵作用的加速度頻響以及工作狀態關鍵點的位移響應進行實驗測試，研究錳銅阻尼合金材料三通管件對輸流管路振動固有頻率、幅頻響應及加速度頻響等振動特性的影響。

1 輸流管路實驗測試平臺搭建

1.1 輸流管路實驗測試平臺

輸流管路實驗平臺由水箱、液壓泵、調節閥、壓力表、流速表、不銹鋼管路、2種材質（不銹鋼、錳銅阻尼合金）三通管件組成，如圖1 所示。圖中虛線部分為測試段，三通管件內徑90 mm，外徑106 mm，長管247 mm，短管88 mm，兩端連接長1 m的直管路，為研究阻尼合金材料對管路振動特性影響，對三通支管路進行密封處理。在簡諧激勵時對管路進行加速度幅頻特性分析，在工作狀態時對管路進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，同時在測試段兩端連接管路的末端加上兩個支撐，為了減弱其他結構對這測試管路系統的影響，在被測管路兩端分別用橡膠軟管連接，以滿足對測試環境的要求，材料參數如表1所示。

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

圖1 管路系統實驗平臺Fig.1 Experimental platform of pipeline system

1.2 實驗測試設備

本文所做實驗，加速度頻響測試設備為江蘇東華有限公司的DHDAS動態采集系統、DH5922信號采集器、DH311E 三相加速度傳感器，DH40100 激振器、DH5872功率放大器、DH1301掃頻信號發生器。振動位移幅頻測試設備為比利時LMS公司的激光振動位移測試分析系統LMS Test.Lab，該系統包括測試分析軟件以及硬件設備LMS SCADAS MOBILE 采集器、SENSOR HEAD 激光位移傳感器和VIBROMETER CONTROLLER振動控制器。

2 三通管路系統簡諧激勵加速度幅頻響應分析

2.1 測試工況

諧響應測試分析能夠預測結構的持續動力學特性，從而實驗驗證其設計能否成功克服共振、疲勞及其他受控振動引起的有害效果。加速度諧響應在大范圍頻率段內均有很高的靈敏性，為獲得2種材料管路加速度幅頻響應特征，利用激振器對測試段施加簡諧激勵。測試中用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性掃頻信號，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節為8 RMS，增益檔位設置為20 dB，掃頻發生器設置為線性掃頻，掃頻速度為2 Hz/s，掃頻電壓為100 mV。

根據振動理論可知，簡支型管路橫向奇數階振型的振動物理量可由管路的中點測量值進行表述，偶數階振型可由三通左右兩側的等分點測量值進行表征，同時為了分析管路液體的流入端與流出端的振動差異。在測試段取3個典型測點，測點及激振點位置如圖2所示。

圖2 管路系統激振點和測點分布示意圖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試段空管路頻率響應測試結果及分析

在空管路狀態下，利用DHDAS動態采集分析系統，分別采集不銹鋼管路和阻尼合金管路的1、2、3號測點時域信號，利用動態采集分析系統進行頻率響應分析，結果如圖3所示。

圖3 空管路各個測點頻響對比Fig.3 Comparison of frequency response of each measuring point of empty pipeline

由圖3可以明顯看出，當管路系統中的三通管材料由不銹鋼換成阻尼合金后，測試段管路橫向（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，高頻段由于振動較為復雜，不容易區分，其各階共振頻率分析結果如表2所示。

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

各個測點X、Y橫向振動加速度響應在低頻部分均有不同程度的降低，一階模態加速度頻率響應時降低明顯；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僅為不銹鋼的1/3，阻尼合金三通管剛度較不銹鋼大為降低，同時高頻段的振動呈現非常復雜趨勢，實驗表明影響加速度響應的因素較多。各個測點一階模態加速度頻率響應峰值對比結果如表3所示。

表3 空管路各個測點X、Y、Z 方向加速度頻率響應峰值對比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個測點在X、Y方向上的加速度頻響曲線降低比較明顯，1 號點X方向降低17%，Y方向降低比例為37%；2 號點X方向降低37%，Y方向降低比例為12%；3 號點X方向降低26%，Y方向降低比例為14%。因此在空管路激振時，阻尼合金在低階會起到減振效果。

2.3 不銹鋼與阻尼合金三通測試段充水管路頻率響應測試結果及分析

在充液管路狀態下，利用DHDAS 動態采集分析系統，分別采集不銹鋼管路和阻尼合金管路3個測點的時域信號，利用動態采集分析系統進行頻率響應分析，結果如圖4所示。

圖4 充液管路3 個測點頻響對比Fig.4 Frequency response comparison of 3 measuring points in liquid-filled pipeline

圖4中充液管路頻響曲線和圖3中空管路頻響曲線還是有一定的區別，說明管路中水的作用還是很大的。從圖4可以看出，充液狀態下應用阻尼合金后管路的模態頻率值也會降低；并且相同材料下，充液管路系統的模態頻率值和空管路的模態頻率值有區別，這是因為流體附加質量的影響，其各階共振頻率分析結果如表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，充液狀態下阻尼合金也是在低階時會起作用，而在中高頻率段作用不明顯。將這3個測點的一階模態加速度頻響峰值進行整理對比，結果如表5所示。

表5 充液管路各個測點X、Y、Z 方向加速度頻率響應峰值對比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號測點即阻尼三通管的位置，阻尼效果最好，在X、Y、Z3 個方向上，最大降低比例為45%。但在1號和3號測點同樣也會起到減振效果，只是減振效果不如2 號測點明顯。并且與空管路相比，在充液狀態下阻尼合金的減振效果更好。

3 三通管路系統工作狀態位移頻譜分析

位移頻譜分析是獲得各個頻率成分的位移幅值分布，從而得到主要振動位移幅度頻率值。為研究阻尼合金材料對管路工作狀態振動位移影響，本文模擬工作狀態下的位移頻譜響應進行試驗測試。測點布局和加速度幅頻響應測試時相同。測試中利用LMS test.Lab 軟件，分別采集2 種材料管路關鍵點不同流速下的X、Y方向的位移振動信號，經過傅里葉變換得到不同三通管材料管路系統的位移頻譜曲線。但在100 Hz 以上時位移頻譜反應不明顯，因此選取的分析頻率范圍為0～100 Hz。其中流速為5 m/s時的曲線如圖5所示。

圖5 工作狀態流速5 m/s 位移頻譜對比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。并且當管路系統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，這也和前面測的空管路和充液管路狀態下，阻尼合金在低階頻率時起作用相一致，工作狀態位移頻響分析結果如表6和表7所示。

表6 工作狀態各測點X 方向位移頻譜對比Tab.6 Displacement spectrum comparison in X direction of each measuring point in working state

表7 工作狀態各測點Y 方向位移頻譜對比Tab.7 Displacement spectrum comparison in Y direction of each measuring point in working state

由表6、表7可以看出，當流速為5 m/s時，共振頻率都在10～40 Hz，并且在2號測點即更換三通管材料的位置，振動幅度有明顯的降低，最大降低比例為86%。因此工作狀態下，將三通管材料換成阻尼合金后，能夠起到減振效果。

4 結論

本文研制的基于錳銅阻尼合金三通結構件，并通過實驗方法研究了該材料三通的輸流管路振動特性，并與工程常用的不銹鋼管路進行了實驗對比?？梢缘玫揭韵陆Y論：在正弦掃頻激振力作用下，阻尼合金材料對結構的固有頻率產生一定的影響，測試段結構各階固有頻率都會比相應不銹鋼材質要??；加速度頻率響應表現為在低階共振頻率點，加速度頻率響應有不同程度的降低，減振效果顯著，而在中高階頻率段的影響較為復雜，規律性不明顯；在輸流管路工作狀態下，當輸流管路中三通管件采用錳銅阻尼合金材料時，在穩態位移振動幅值頻譜曲線會有一定程度的降低，共振頻率點位移振動幅值有明顯降低，抑制振動效果明顯。

本文的實驗研究表明，工程輸流管路的設計中，在某些關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構的振動，達到減振效果。