液壓阻尼器靜剛度和動(dòng)剛度研究分析

盧小青+王雪暉+賀楓

摘 要：液壓阻尼器靜剛度和動(dòng)剛度是液壓阻尼器的主要的機(jī)械特性參數(shù)。靜剛度指液壓阻尼器在受到持續(xù)載荷激擾時(shí)，抵抗變形的能力。動(dòng)剛度指液壓阻尼器在特定的動(dòng)態(tài)載荷激擾時(shí)，抵抗變形的能力。依據(jù)《核島主設(shè)備支承用液壓阻尼器設(shè)備規(guī)格書》對(duì)剛度理解，對(duì)阻尼器的靜、動(dòng)剛度都提出了測(cè)試方法和要求。液壓阻尼器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，如何相應(yīng)理解靜、動(dòng)剛度，分別調(diào)整靜、動(dòng)剛度滿足規(guī)格書的要求。

關(guān)鍵詞：液壓阻尼器；靜剛度；動(dòng)剛度；載荷；位移

中圖分類號(hào)：TB535.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）10-0076-01

液壓阻尼器用來連接蒸汽發(fā)生器或反應(yīng)堆冷卻劑泵和混凝土，在正常運(yùn)行或擾動(dòng)工況下允許設(shè)備因系統(tǒng)溫度和壓力變化而引起的自由緩慢移動(dòng)；在管道斷裂事故工況下應(yīng)能變成一個(gè)剛性支撐來限制設(shè)備的位移。靜剛度是液壓阻尼器的一個(gè)主要機(jī)械特性參數(shù)。

阻尼器動(dòng)剛度是在在交變載荷（地震工況）作用下應(yīng)能變成一個(gè)剛性支撐來保護(hù)設(shè)備的位移，動(dòng)剛度也是液壓阻尼器的主要值機(jī)械特性參數(shù)。

1 設(shè)備阻尼器剛度定義及要求

1.1 靜剛度的定義

液壓阻尼器靜剛度值K的定義為：設(shè)備液壓阻尼器（包括銷座和銷軸）所承受的載荷（Fn）與其在承載條件下測(cè)得的總變形（S）的比值，計(jì)算公式為：K=Fn/S （1）

由上述公式可以得出：總變形S數(shù)值的大小影響剛度值，并與K成反比關(guān)系。

1.2 動(dòng)剛度的定義

液壓阻尼器在半幅值等于額定動(dòng)態(tài)載荷的正弦波推拉載荷作用下的等值剛度，其值等于二倍額定載荷與由此而引起的位移（S）之比，計(jì)算公式為：K=2Fn/S （2）

由上述公式可以得出：總變形S數(shù)值的大小影響剛度值，并與K成反比關(guān)系。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 靜剛度試驗(yàn)方法

不考慮阻尼器控制閥所帶來的位移，預(yù)先用專用塞子替代阻尼閥組，并消除被測(cè)對(duì)象與試驗(yàn)工裝間的連接間隙。在上述試驗(yàn)條件下對(duì)阻尼器逐漸施加載荷直至達(dá)到極限載荷，分別記錄載荷和位移，根據(jù)公式（1）計(jì)算出阻尼器的靜剛度。

1.3.2 動(dòng)剛度試驗(yàn)方法

模擬實(shí)際安裝方式，對(duì)阻尼器施加動(dòng)態(tài)載荷直至達(dá)到試驗(yàn)載荷，分別記錄載荷和位移，根據(jù)公式（2）計(jì)算出阻尼器的動(dòng)剛度。

2 影響剛度的因素

2.1 影響靜剛度因素

液壓阻尼器在承受靜態(tài)載荷條件下的總變形S經(jīng)分析主要由以下三部分構(gòu)成（S=S1+S2+S3）：

零件的彈性變形量S1：零件本身的彈性變形量與制造材料的彈性模量、零件結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)。

液壓油的壓縮變形量S2：可壓縮性是液壓油的基本物理性能之一，在實(shí)際應(yīng)用中以體積模量來表示液體抵抗壓縮能力的大小。阻尼器的工作壓強(qiáng)為40～60MPa，液壓油在該壓強(qiáng)下會(huì)產(chǎn)生壓縮變形量S2。

連接間隙S3：設(shè)備液壓阻尼器結(jié)構(gòu)中存在螺紋連接間隙，銷軸與銷座的連接間隙，銷軸與關(guān)節(jié)軸承的間隙，關(guān)節(jié)軸承的徑向游隙。

2.2 影響動(dòng)剛度因素

液壓阻尼器在承受動(dòng)態(tài)載荷條件下的總變形S除靜態(tài)剛度分析的三部分變形量之外，還有2個(gè)位移量：阻尼閥組的響應(yīng)位移和阻尼器特有性能的位移（閉鎖速度和閉鎖后速度產(chǎn)生的位移）。動(dòng)態(tài)的位移量要大于靜態(tài)的位移量，即動(dòng)態(tài)剛度要小于靜態(tài)剛度。

3 靜、動(dòng)剛度對(duì)阻尼器的意義

3.1 靜剛度意義

阻尼器靜剛度意義在于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度要求情況之下需考慮阻尼器的靜態(tài)剛度，不能太大也不能太小。太大會(huì)損壞系統(tǒng)周圍部件，特別是安全殼，當(dāng)嚴(yán)重事故到來時(shí)阻尼器能夠起到緩沖甚至自身損壞保護(hù)安全殼安全的作用。太小對(duì)于持續(xù)載荷（例如：水錘、汽錘等持續(xù)載荷）時(shí)又不能起到很好的剛性支撐，無法保護(hù)設(shè)備和管道的安全。因此阻尼器的靜剛度是核電廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，在阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮。

3.2 動(dòng)剛度意義

阻尼器是一種對(duì)速度變化敏感的振動(dòng)控制裝置，特別在偶發(fā)載荷（地震、風(fēng)載、機(jī)械振動(dòng)等交變載荷）下起到起到保護(hù)設(shè)備或管道的作用。動(dòng)剛度意義在于受到外部交變載荷情況之下，阻尼器所表現(xiàn)出來的剛性支撐，真實(shí)反映實(shí)際工作中所表現(xiàn)出來的剛度狀態(tài)。動(dòng)態(tài)載荷的頻率一般設(shè)定在1～33Hz，該頻率段涵蓋了地震頻率，要求在1～33Hz交變載荷（地震）情況下動(dòng)剛度滿足設(shè)計(jì)規(guī)格書的要求，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。

4 靜、動(dòng)剛度分析計(jì)算

4.1 靜剛度（圖1）

靜剛度計(jì)算公式：K=（F2-F1）/（S2-S1）。

4.2 動(dòng)剛度（圖2和圖3）

動(dòng)剛度計(jì)算公式：K=（|F1|+ |F2|）/（|S1|+|S2|）。

綜上所述：靜剛度是在緩慢加載過程中，測(cè)試其剛度。動(dòng)剛度是在交變載荷加載過程中，測(cè)試其剛度。

5 結(jié)語

在阻尼器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮靜剛度能滿足整個(gè)核電廠結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中功能，需重點(diǎn)考慮動(dòng)剛度。

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