新型壓縮式橡膠撓性接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王小鋒，周 勇，劉春林，李華峰

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

橡膠撓性接管作為船舶管路系統(tǒng)的重要附件，主要用于實(shí)現(xiàn)以下兩方面功能：一是利用橡膠固有剛度低的特點(diǎn)，可吸收來自管路系統(tǒng)及設(shè)備因沖擊振動(dòng)、壓力溫度變化等引起的位移，防止因變形造成管路系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)力過大，從而保證管路系統(tǒng)的安全性；二是利用橡膠固有的內(nèi)摩擦阻尼特性，吸收來自管路系統(tǒng)的振動(dòng)能量，并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌?，同時(shí)將橡膠元件融入管路系統(tǒng)體系，形成阻抗突變，阻礙振動(dòng)傳遞，從而達(dá)到減振、隔振的目的[1]。

目前我國船舶管路系統(tǒng)使用的橡膠撓性接管，主要有PXG型撓性接管、JYXR型平衡式撓性接管、CKST型撓性接管、GU型撓性接管等[2]。此類接管大多直接將橡膠作為受力元件，或采用橡膠與金屬絲網(wǎng)混合編織工藝，以增加接管的抗拉強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)盲板力的自平衡。然而該方案雖然在一定程度上可增加接管的抗拉強(qiáng)度，但橡膠元件因承受較高的拉伸應(yīng)力，橡膠受力方向與變形方向一致，接管在承受內(nèi)部介質(zhì)壓力時(shí)易在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生爆裂，給管路系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來負(fù)面影響，同時(shí)因金屬絲網(wǎng)編織結(jié)構(gòu)的引入，增加了接管的結(jié)構(gòu)剛度，對系統(tǒng)減振降噪不利[3]。

本文提出的新型壓縮式橡膠撓性接管，立足于滿足接管減振降噪和位移補(bǔ)償?shù)幕竟δ苄枨?，通過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使接管在充壓時(shí)橡膠始終處于受壓狀態(tài)，在一定程度上可以避免因橡膠材料拉伸脆性引起的安全性問題，對于提高船舶管路系統(tǒng)的安全可靠性具有重要意義。

1 壓縮式接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

壓縮式接管結(jié)構(gòu)在充分借鑒和吸收目前國內(nèi)外撓性接管設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對船舶管路系統(tǒng)應(yīng)用需求，按照“組件裝配式”思想制定撓性接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。接管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1示。

圖1 壓縮式接管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of a compressed flexible hose

可以看出，撓性接管主要由進(jìn)口接管1、連接外套管2、出口接管3、橡膠/金屬復(fù)合件4、滑動(dòng)密封組件5等組成。其中，橡膠/金屬復(fù)合件因功能定位不同，又分為工作端組件和平衡端組件。接管具體工作原理如下。

從自平衡角度看，當(dāng)撓性接管在受到內(nèi)部介質(zhì)壓力作用時(shí)，進(jìn)口端介質(zhì)內(nèi)壓推力通過內(nèi)部套管與平衡端組件協(xié)同作用使得內(nèi)壓推力相互抵消，出口端介質(zhì)內(nèi)壓推力則因出口接管與連接外套管為一體化結(jié)構(gòu)，最終卸荷至連接外套管上，從而實(shí)現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)壓推力的自平衡；

從隔振及位移補(bǔ)償角度看，該型撓性接管將隔振和位移補(bǔ)償均集成到兩個(gè)端部肘形連接點(diǎn)上，通過合成橡膠獲得較好的柔韌性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)阻抗失配和雙端部獨(dú)立補(bǔ)償?shù)墓δ埽?/p>

從密封角度看，撓性接管內(nèi)部采用O型圈密封，即便在工作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生周向、徑向位移，也不會(huì)對密封產(chǎn)生影響，能夠較好的保證撓性接管密封結(jié)構(gòu)完整性；

從安全可靠性角度看，撓性接管在充壓狀態(tài)時(shí)，進(jìn)、出口端橡膠/金屬復(fù)合件均處于“壓縮”狀態(tài)，這樣即便橡膠元件發(fā)生破損，也不會(huì)發(fā)生脆性爆裂而引發(fā)災(zāi)難性事故；同時(shí)，O型圈與連接外套管設(shè)計(jì)成動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，在撓性接管變形量較大時(shí)，橡膠/金屬復(fù)合件可不受連接外套管的約束自由移動(dòng)，保證橡膠與金屬連接面緊密貼合，不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致橡膠/金屬連接面的拉應(yīng)力，安全可靠性高。

2 自平衡性能試驗(yàn)

壓縮式接管自平衡性能試驗(yàn)臺(tái)架如圖2所示，通過試壓泵將接管充壓至規(guī)定的試驗(yàn)壓力，另一端法蘭則處于自由狀態(tài)，并通過位移傳感器接受法蘭位移變化信號，試驗(yàn)結(jié)果表明：橡膠接管在1.5倍公稱壓力強(qiáng)度試驗(yàn)、1.25倍公稱壓力密封性試驗(yàn)狀態(tài)下，接管均未發(fā)生變形現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)完整；水平方向上接管法蘭幾乎不產(chǎn)生位移，自平衡性好；各動(dòng)、靜密封處密封完好，未出現(xiàn)滴漏現(xiàn)象。接管強(qiáng)度及密封性試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1示。

圖2 壓縮式接管自平衡性驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)架Fig.2 The test equipment of compressed flexible hose about self-balance performance

表1 接管樣機(jī)強(qiáng)度及密封性試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Tab.1 The note of intensity and pressur test on flexible hose

3 位移補(bǔ)償能力試驗(yàn)

位移補(bǔ)償能力測試在如圖2所示的試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行，通過試壓泵使水壓保持在規(guī)定的試驗(yàn)壓力，然后通過液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使接管法蘭產(chǎn)生一定的位移量，通過壓力傳感器讀取此時(shí)的載荷值，從而得出接管在不同充壓狀態(tài)下的載荷/位移對應(yīng)關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如圖3示。

圖3 壓縮式接管載荷/位移對應(yīng)關(guān)系圖Fig.3 The relationship between load and displacement of flexible hose

從圖3可以看出，接管在不同充壓狀態(tài)下的載荷/位移值成線性對應(yīng)關(guān)系，數(shù)據(jù)一致性較好，隨著橡膠變形量即位移值的不斷增加，載荷亦呈線性增長；載荷/位移值線隨著充壓壓力的增加，其斜率亦不斷增加，即在相同的變形量條件下，隨著充壓壓力的上升，接管達(dá)到變形量所要求的載荷亦不斷上升，這說明充壓壓力對接管樣機(jī)的靜剛度有重要影響，主要原因在于橡膠材料在承受不斷增加的壓應(yīng)力時(shí)，硬度及剛度值將不斷增加，達(dá)到相同變形量所需的載荷也將不斷增加。

對設(shè)計(jì)壓力狀態(tài)下的接管載荷/位移關(guān)系進(jìn)行了線性擬合，載荷/位移存在如下對應(yīng)關(guān)系

其中X代表位移值，Y代表載荷值

根據(jù)以上擬合結(jié)果，當(dāng)接管變形量達(dá)到20 mm時(shí)，以左、右橡膠元件分別拉伸或壓縮10 mm來計(jì)算，即位移值X＝10 mm時(shí)，載荷Y＝66.2 kN，即接管達(dá)到最大變形量20 mm時(shí)所需的載荷為66.2 kN，這與試驗(yàn)測量值基本保持一致。試驗(yàn)過程中接管狀態(tài)正常，無變形、泄漏等現(xiàn)象。

4 插入損失值測量

插入損失值是考核撓性接管隔振性能的重要指標(biāo)。通過比較撓性接管在接入管路系統(tǒng)前后的振級落差變化，測試撓性接管在激振力條件下的插入損失，考核其隔振性能。撓性接管試驗(yàn)臺(tái)架原理圖如圖4。

圖4 壓縮式接管隔振性能試驗(yàn)臺(tái)架Fig.4 The test equipment of compressed flexible hose with damping capacity

試驗(yàn)系統(tǒng)通過減振器固定在剛性平臺(tái)上，進(jìn)口端與試壓泵相連，通過試壓泵向試驗(yàn)管段內(nèi)充一定壓力的水介質(zhì)，并穩(wěn)定壓力至3.0 MPa,利用激振器在進(jìn)口端對壓縮式接管進(jìn)行軸向和徑向激勵(lì)，激勵(lì)頻率為20 Hz～10 kHz的白噪聲，待激振器持續(xù)激勵(lì)3 min后，采集管路和測試對象各測點(diǎn)振動(dòng)加速度響應(yīng)信號。由于本試驗(yàn)主要是測試壓縮式接管的插入損失值，因此重點(diǎn)關(guān)注進(jìn)口端測點(diǎn)（測點(diǎn)6）和出口端測點(diǎn)（測點(diǎn)10）在試驗(yàn)條件下的振動(dòng)加速度，并比較其振級落差變化情況。

試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)壓力始終穩(wěn)定在規(guī)定的壓力值，接管各密封面密封完好，未出現(xiàn)變形、滴漏等現(xiàn)象。

對壓縮式接管在測試條件下的進(jìn)、出口端振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得出橡膠接管在測試條件下的進(jìn)、出口端振動(dòng)加速度級圖譜如圖5及圖6所示。

圖5 壓縮式接管在軸向激勵(lì)下的振動(dòng)加速度級圖譜Fig.5 The map of vibration acceleration about compressed flexible hose in axis excitation

圖6 橡膠接管在徑向激勵(lì)條件下的振動(dòng)加速度級圖譜Fig.6 The map of vibration acceleration about compressed flexible hose in radial excitation

為比較橡膠接管在接入管路系統(tǒng)前后的振級落差變化情況，以剛性彎管代替橡膠接管，測量該狀態(tài)下的剛性彎管振級落差變化，振動(dòng)加速度級圖譜如圖7及圖8所示。

圖7 剛性彎管在軸向激勵(lì)時(shí)的振動(dòng)加速度圖譜Fig.7 The map of vibration acceleration about rigid elbow in axis excitaion

圖8 剛性彎管在徑向激勵(lì)時(shí)的振動(dòng)加速度級圖譜Fig.8 The map of vibration acceleration about rigid elbow in radial excitation

對以上振動(dòng)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得出壓縮式接管及剛性彎管在全頻段范圍內(nèi)的振級落差值如表2所示。

振動(dòng)加速度級基準(zhǔn)：a0=10-6m/s2。

根據(jù)以上振動(dòng)測試數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論：

(1)對于橡膠接管，在軸向及徑向激勵(lì)條件下，低頻段范圍內(nèi)均可獲得3～17 dB的隔振效果，中高頻段范圍可獲得18～23 dB的隔振效果，中高頻段的隔振效果均顯著優(yōu)于低頻段，總頻段范圍內(nèi)可獲得18 dB以上的隔振效果；

(2)對于剛性彎管，低頻段范圍內(nèi)基本無隔振效果，甚至出現(xiàn)振動(dòng)被放大的現(xiàn)象；中高頻段范圍的隔振效果亦有限，全頻段范圍內(nèi)基本不具備隔振能力；

(3)在軸向及徑向激勵(lì)、設(shè)計(jì)壓力充壓狀態(tài)下，橡膠接管的插入損失值可達(dá)到15 dB以上，減振、隔振效果好。

表2 壓縮式接管在測試條件下的隔振效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.2 The note of damping capacity on flexible hose in test environment

5 結(jié)語

(1)壓縮式接管主要由連接外套管、橡膠/金屬固化連接件、法蘭連接件等主要部件組成，基于“組件裝配式”結(jié)構(gòu)，通過螺栓、短管、密封圈等部件實(shí)現(xiàn)總體裝配，裝拆方便，可維修性好；

(2)接管基于壓縮式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使橡膠在承受內(nèi)部介質(zhì)壓力及產(chǎn)生變形時(shí)始終處于壓縮狀態(tài)，固有安全可靠性得到顯著提高；

(3)壓縮式接管通過介質(zhì)內(nèi)壓推力自平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證接管在充壓狀態(tài)下總體結(jié)構(gòu)尺寸基本保持不變，自平衡功能好；1.5倍公稱壓力強(qiáng)度試驗(yàn)及1.25倍公稱壓力密封性試驗(yàn)條件下，接管無變形、泄漏現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)完整；

(4)壓縮式接管在設(shè)計(jì)壓力充壓狀態(tài)下，形變載荷與位移值成近似線性關(guān)系，達(dá)到最大補(bǔ)償量20 mm（拉伸、壓縮分別10 mm）時(shí)的載荷為66.2 kN，接管總體剛度低、柔性好、位移補(bǔ)償能力強(qiáng)；

(5)壓縮式接管在低頻段范圍內(nèi)可獲得3～17 dB的隔振效果，中高頻段范圍可獲得18～23 dB的隔振效果，中高頻段的隔振效果顯著優(yōu)于低頻段，總頻段范圍內(nèi)插入損失在15 dB以上，隔振效果好。

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