膠泥阻尼器一種設計方法的試驗驗證

賈九紅，華宏星

(1.華東理工大學 機械與動力工程學院承壓系統(tǒng)安全科學教育部重點實驗室，上海 200237;2.上海交通大學 機械與動力工程學院機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240)

核電廠中旋轉設備和管系的振動是普遍存在的問題，目前主要使用液壓阻尼器和機械阻尼器進行防護。據調查表明［1-2］，阻尼器的故障率較高，液壓阻尼器時有泄漏現(xiàn)象發(fā)生，機械阻尼器的鎖死現(xiàn)象會對管系的安全造成較大的威脅，因此阻尼器在核電廠的使用呈削減的趨勢，阻尼器的改進和替換逐步成為核電站安全防護的主要工作，而對于承受碰撞沖擊載荷過大的阻尼器，目前普遍采用能量吸收器進行替換［3］。由于膠泥阻尼器對沖擊能量的吸收率較高，并且設備受到的沖擊速度很大時，阻尼器的阻抗力很大，當受到沖擊速度很小時，阻尼器的阻抗力很小，從而使結構受力較為合理，因此本文嘗試將膠泥阻尼器引入到核電振動防護中。

但是使用環(huán)境不同，膠泥阻尼器的結構形式必然不同。Jia等［4-5］推導了一種膠泥阻尼器的設計公式，但是該公式的普適性和可靠性還沒有經過全面的試驗驗證，本文針對該問題展開研究。

1 膠泥阻尼器的設計方法

1.1 膠泥阻尼器的工作原理

目前使用較多的膠泥阻尼器結構形式如圖1所示，該結構有缸體、活塞、活塞桿、粘彈性膠泥和密封裝置幾部分組成。其工作原理是:當外界沖擊緩沖器活塞桿時，缸體與活塞產生相對運動，活塞桿帶動活塞運動，使一側膠泥受壓，另一側膠泥空間增加，活塞兩側的壓力不平衡，迫使受壓側的膠泥從活塞的一側流向體積增大的一側。膠泥的剪切流動對活塞產生剪切應力，阻礙活塞運動產生阻尼力，從而消耗沖擊能量，達到緩沖保護設備的目的。

圖1 膠泥阻尼器的結構示意圖Fig.1 The structure profile of the fluid viscous damper

緩沖器工作過程中阻尼力隨沖擊速度的變化和緩沖器的能量耗散能力是緩沖器設計的關鍵。阻尼力隨沖擊速度變化較慢，阻尼力峰值較小則緩沖器的容量就大，能量耗散能力就強。

1.2 膠泥阻尼器的設計方法

粘滯型阻尼器的力學模型和使用的環(huán)境有緊密的關系，用于沖擊環(huán)境的力學模型和使用于振動環(huán)境的力學模型不同［6，7］。美國泰勒公司用速度相關阻尼力表達式建模用于沖擊環(huán)境下的粘滯型阻尼器［8］:

式中，C為阻尼系數;v為活塞與緩沖器缸體之間的相對運動速度;n為速度相關指數，指數的大小決定緩沖器非線性的大小。速度相關指數越小，表明緩沖器的非線性越大。此時當沖擊速度較高時，會有相對較低的阻尼力能夠比較平緩地減小沖擊速度，保護被防護設備。

為了系列化膠泥阻尼器的設計，Jia等在文獻［7］中建立了經典公式與阻尼器結構尺寸和阻尼系數的關系表達式，即公式(1)的阻尼系數是阻尼器結構尺寸和阻尼系數函數，關系如下:

式中，K，?為應力系數，該系數取決于試驗環(huán)境。在試驗中K=789，?=0.28;μ為膠泥材料的動態(tài)粘滯度;d為活塞桿直徑;l為活塞桿長度。

由于根據設備的工作環(huán)境，比較容易確定阻尼器所受的沖擊力和沖擊速度。那么根據公式(2)可以設計滿足需求的膠泥阻尼器。

2 試驗驗證

2.1 試驗原理與試驗裝置

用落錘式沖擊機對膠泥緩沖器的動態(tài)性能進行試驗。試驗時，將緩沖器安裝在沖擊機的砧臺上，把質量為9.8 kg的沖擊錘提升到合適的高度后讓其沿著鋼絲繩形成的無摩擦導軌自由滑下，撞擊緩沖器的活塞桿，利用加速度傳感器B＆K4393和數據采集系統(tǒng)LMS記錄下沖擊過程中加速度隨時間的變化，當落錘停止時，將其抬起。測量設備和緩沖器的安裝示意圖見圖2(a)，實際安裝圖見圖2(b)。

圖2 跌落試驗安裝圖Fig.2 Installation of the drop test

對于沖擊試驗，在跌落錘撞擊緩沖器活塞桿的初期，二者之間的碰撞信號對阻尼加速度信號干擾很大，所以需要濾波處理，濾波處理的加速度信號如圖3所示。將濾波后的加速度與沖擊質量的乘積近似等于阻尼力，阻尼力時間歷程見圖4。濾波后的加速度經過一次積分運算求得速度的時間歷程(圖5)，二次積分運算求得位移的時間歷程(圖6)。

2.2 測量試件

為了驗證膠泥緩沖器的數學模型，制作了一個緩沖器試驗件。該試驗件是從方便加工和試驗的角度設計的，比較容易拆卸，方便更換阻尼材料和緩沖器的活塞。

試驗件的結構示意圖見圖7，零件圖見圖8。活塞和活塞桿加工成一體，便于加工并且同心度好;將活塞和活塞桿放置在缸體5內，裝入膠泥材料，蓋上前端蓋2和后端蓋7。前端蓋和后端蓋由青銅材料加工而成，不但密封膠泥同時起到對活塞桿導向的作用。前端蓋和后端蓋與缸體之間安裝O型密封圈8，防止膠泥從缸體與缸蓋的縫隙滲出;前端蓋和后端蓋內部均有一個小槽安裝UNS16密封圈6，防止膠泥從活塞桿處滲出。前固定法蘭11和后固定法蘭10借助螺釘3將前端蓋、后端蓋和密封圈固定在合適的位置上。用膠水粘在前固定法蘭上的限位橡膠墊1和安裝在活塞桿端的限位法蘭13構成該試驗件的限位裝置，防止活塞撞底，損壞試驗件。后固定法蘭上加工了4個螺栓孔，用螺栓通過后固定法蘭將試驗件安裝在跌落臺的工裝上。壓緊螺帽12起到兩個作用，第一、用壓緊螺帽將限位法蘭固定在活塞桿上;第二、作為跌落試驗時的沖擊帽。壓緊螺帽的頂端是一個很光滑的圓缺，這樣沖擊時是點接觸，減小碰撞干擾。

跌落試驗時選擇四種不同粘度的膠泥，其動力粘度分別為6 萬 cSt、15 萬 cSt、30 萬 cSt和50 萬 cSt。

試驗件的外直徑為80 mm，內直徑60 mm，為了改變阻尼孔間隙和活塞厚度，加工了一系列的活塞，試驗活塞見圖8，試驗時根據需要又進行加工，試驗用的活塞尺寸見表1。

表1 樣機活塞參數Tab.1 Piston parameters of the specimen

3 試驗結果分析

首先根據設計好的活塞直徑和試驗選用的膠泥材料，運用公式(2)計算對應的阻尼系數，然后將膠泥阻尼器安裝在跌落臺上進行沖擊，將試驗所得的阻尼力和沖擊速度運用公式(3)進行計算:

將試驗處理的阻尼系數與理論計算的阻尼系數進行比較。首先選定四種膠泥材料和四種不同直徑的活塞，不斷的改變試驗用膠泥和活塞結構尺寸，考察不同大小間隙時動力粘度對阻尼系數的影響，如圖9所示。然后選定所有膠泥和活塞進行試驗，研究使用不同阻尼材料時，結構間隙對阻尼系數的影響，如圖10所示。根據圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)理論計算值與試驗值吻合的很好，由此公式(2)可以用作膠泥阻尼器的結構設計。

4 結論

針對前期推導的阻尼器設計方法展開沖擊試驗，對幾種阻尼介質和具有不同內部結構的幾種阻尼器進行反復試驗，將設計公式計算得到的阻尼系數與沖擊試驗求得的阻尼系數進行對比，比較結果表明二者吻合很好，從而證明該設計方法能夠準確地描述阻尼器物理參數與其力學特性的關系，可以用于阻尼器的結構設計。

［1］ Ware A G，Nitzil M E，Nuclear power plant hydraulic snubber failure experience and corrective active［J］.PVP，1990，197:201-214.

［2］ Jonczyk J，Gruner P.Loads of piping systems due to malfunctions of snubbers ［J］.Nuclear Engineering Design，1991，107(1-2):205-213.

［3］ Bakre S V，Jangid R S，Reddy G R.Optimum X-plate dampers for seismic response control of piping systems［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2006，83(9):672-685.

［4］Jia J H，Du J Y，Hua H X.Design and mechanical characteristics analysis of a new viscous damper for piping system［J］.Archive of Applied Mechanics，2009，79:279-286.

［5］Jia J H，Du J Y，Hua H X.Design method for fluid viscous dampers［J］.Archive of Applied Mechanics，2008，78(9)，737-746.

［6］ Rittweger A，Albus J，Hornung E，et al.Passive damping devices for aerospace structures ［J］.Acta Astronautica，2002，50(10):597-608.

［7］賈九紅，沈小要，杜儉業(yè)，等.粘彈性阻尼器的力學特性分析［J］.振動與沖擊，2007，26(10):101-103.

［8］ Lee D，Taylor D P.Viscous damper development and future trends［J］.The structural design of rall buildings，2001，10:311-320.