振動(dòng)試驗(yàn)頻率對激振力及系統(tǒng)流量的影響

李洪文+王凱+姜小玉+李揚(yáng)眉+賀偉

摘 要：石油管材在實(shí)際使用過程中會(huì)遇到多種復(fù)雜載荷，包括地震等地質(zhì)災(zāi)害，所以管道在出廠前要進(jìn)行模擬地震的驗(yàn)證試驗(yàn)。在該項(xiàng)試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員需要對管道施加側(cè)向振動(dòng)載荷，因此選擇合適的試驗(yàn)設(shè)備是試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵。針對振動(dòng)量級較大的試驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員一般選取液壓缸作為執(zhí)行元件進(jìn)行施加，液壓缸的輸出力及系統(tǒng)流量需要根據(jù)不同的試驗(yàn)件特性及試驗(yàn)頻率確定，尤其激振頻率對振動(dòng)力、系統(tǒng)流量與試驗(yàn)設(shè)備的選型影響非常大。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)載荷；試驗(yàn)頻率；激振力；系統(tǒng)流量

中圖分類號：TP39；TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-00-02

0 引 言

某壓力艙用于模擬深水極端載荷環(huán)境，對輸油管件、閥門、ROV等深海裝備進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。需要對管道試件施加模擬9級地震烈度側(cè)向振動(dòng)載荷，如何選取合適的激振頻率與合適的液壓缸及油源系統(tǒng)，是試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵。

1 試驗(yàn)件的共振頻率

采用圖1所示的試驗(yàn)管件簡化力學(xué)模型[1]。假設(shè)振動(dòng)激勵(lì)液壓缸作用在管件中部，能夠提供穩(wěn)態(tài)的簡諧荷載，激振力為F，激振頻率為f。

根據(jù)兩端固定梁自由振動(dòng)頻率工程計(jì)算公式可知[2]：

其中，λ1=4.730 040 74，λ2=7.853 204 62，I=π（R4-r4）/4，取99種常見規(guī)格ISO/API石油套管的外徑、壁厚和重量，試驗(yàn)管件長度L=8 m，鋼材彈性模量E=2.06E11 Pa，利用式（1）計(jì)算一彎和二彎固有頻率，見表1所列。

從上表可以看出，常見鋼管的一彎固有頻率約為10～59Hz，二彎頻率約為29～162 Hz。

2 試驗(yàn)激振頻率

為模擬9級地震烈度，設(shè)計(jì)最大振動(dòng)加速度為a=0.4g[3]，試驗(yàn)規(guī)定最大振動(dòng)幅值A(chǔ)不超過4 mm，根據(jù)加速度幅值的計(jì)算表達(dá)式[4]得：

激振頻率f不應(yīng)小于5 Hz。為避免管道發(fā)生一彎共振并避免激起二彎共振，激振頻率應(yīng)在一彎頻率的1.5倍和二彎頻率的0.7倍之間[5]，所以建議選擇激振頻率為二者和的一半。建議試驗(yàn)激震頻率見表2所列。

根據(jù)遠(yuǎn)離試驗(yàn)件共振頻率原則選取試驗(yàn)頻率[6]，由試驗(yàn)頻率確定激振力與系統(tǒng)流量，進(jìn)一步選取試驗(yàn)設(shè)備并校核該頻率是否合適。

3 激振力

由激振力引起的位移為ys，激振力可由下式求得[7]：

式中，ω/λ≈1.715，考慮附連水質(zhì)量給動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果帶來的誤差，給出1.3倍的安全系數(shù)，根據(jù)計(jì)算可知，不同管徑在建議激振頻率下的激振力值見表3所列。

由上表可知，管件越大，選取的激振力越大。

4 系統(tǒng)流量

系統(tǒng)流量與液壓缸速度、激振力成正比，與系統(tǒng)壓力成反比。管徑越大，對設(shè)備需求越高，所以以630鋼管為例估算不同頻率對應(yīng)的激振力和油源流量，式中系統(tǒng)壓力可以取28 MPa，速度取平均速度，等于行程和頻率乘積。激振頻率、激振力、系統(tǒng)流量對應(yīng)關(guān)系見表4所列。

由計(jì)算可知，激振力在共振頻率處迅速變小[8]，然而流量在該處卻依然較大，且隨著頻率增加，流量增大十分明顯。即試驗(yàn)頻率的選擇是否合適，瓶頸在于油源系統(tǒng)的流量能否滿足。試驗(yàn)頻率、激振力、系統(tǒng)流量變化曲線如圖2所示。

5 結(jié) 語

選取合適的試驗(yàn)激振頻率對流量的影響很大?？紤]較小的電力負(fù)擔(dān)及設(shè)備成本，試驗(yàn)頻率應(yīng)遠(yuǎn)離共振頻率且越小越有利。但在實(shí)際計(jì)算過程中，不僅要考慮動(dòng)態(tài)情況下壓力變化對油缸輸出力的影響與在高頻運(yùn)動(dòng)中不同振動(dòng)波形所需的實(shí)際流量方程，還要考慮液體可壓縮性所需流量對總流量的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[2]秦大同，謝里陽.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3]高健，李穎，張廉，等.工程力學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[4]董林福，趙艷春.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[5]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[6]張思.振動(dòng)測試與分析技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992.

[7]胡志強(qiáng).隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國計(jì)量出版社，1996.

[8]邢天虎.力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.