金屬波紋管高溫振動試驗系統(tǒng)研制

秦志強，吳乙萬，白鴻柏，丁哲宇，訾 寶

(1.福州大學(xué) 金屬橡膠工程研究中心，福州 350108；2.福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福州 350108)

0 引言

波紋管是帶有一定數(shù)量側(cè)面波紋的軸對稱薄壁殼體，被廣泛用作管道的柔性連接器，可對管道軸向、橫向和角位移進行一定程度的補償，提高管道柔性，可在一定程度上控制管道系統(tǒng)的振動和噪聲[1-2]。針對高溫應(yīng)用工況，金屬波紋管因具有高分子波紋管無法比擬的溫度適應(yīng)性而被廣泛應(yīng)用，研究其在不同溫度條件下的振動特性很有必要，對金屬波紋管制造工藝參數(shù)的改進及實際應(yīng)用有重要意義。

目前，許多學(xué)者已對于常溫環(huán)境下波紋管的力學(xué)性能及阻尼特性進行研究[3-6]。趙培等建立了波紋管有限元模型并對其進行模態(tài)分析，分析了波紋管的波高、波距、直徑、壁厚等對波紋管動態(tài)剛度的影響及其變化規(guī)律，并用脈沖響應(yīng)法進行振動試驗，驗證了有限元分析結(jié)果的正確性[7]。劉永剛等通過ANSYS軟件分析多層波紋管的損耗因子和軸向剛度，建立管路系統(tǒng)模擬平臺，試驗研究波紋管在管路系統(tǒng)的剛度和阻尼性能[8]。陸永超采用APDL編程語言編寫的模態(tài)應(yīng)變能迭代法求解出多層波紋管的損耗因子，討論分析了粘彈性阻尼特性、多層波紋管幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)構(gòu)型對多層波紋管損耗因子的影響及其作用規(guī)律，并進行激振試驗得到實驗?zāi)B(tài)[9]。劉江分別在常溫和高溫工況下對多層U形波紋管進行了內(nèi)壓穩(wěn)定性試驗，并對比有限元仿真與試驗剛度的誤差范圍[10]。Gawande分析了U型金屬波紋管波紋數(shù)的增加對其軸向固有頻率、模態(tài)頻率響應(yīng)和振型等動態(tài)特性的影響[11]。

高溫環(huán)境下波紋管的力學(xué)性能的研究則采用有限元分析手段為主，常溫力學(xué)性能試驗為輔的研究方法。雖然常溫環(huán)境下的力學(xué)試驗結(jié)果可驗證有限元分析方法的正確性，但仍無法真實、準確地模擬高溫環(huán)境下的波紋管的力學(xué)特性。高溫振動試驗技術(shù)雖尚未運用于波紋管上高溫力學(xué)特性的研究，但其在各型減振結(jié)構(gòu)中已有應(yīng)用。肖坤等設(shè)計金屬橡膠包覆管路結(jié)構(gòu)，并在管路中通入高溫蒸汽進行動態(tài)和高溫激勵試驗[12]。吳大方等采用石英燈陣設(shè)計了一系列超高溫氣動熱環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)，試驗溫度最高達到了1 200 ℃以上，并開發(fā)了配套的熱振環(huán)境測試技術(shù)[13]。

針對波紋管特殊的結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)用需求，本文在已有研究的基礎(chǔ)上提出以弧形石英燈陣與電磁激振器為核心構(gòu)建波紋管高溫振動耦合試驗系統(tǒng)的方案，研制一套低成本、溫度連續(xù)可調(diào)的新型金屬波紋管高溫振動試驗系統(tǒng)，以DN108不銹鋼波紋管為測試對象驗證所研制系統(tǒng)的適用性與有效性。

1 高溫振動試驗系統(tǒng)方案及原理

圖1為金屬波紋管高溫振動試驗系統(tǒng)方案示意圖。該系統(tǒng)可分為高溫環(huán)境加載子系統(tǒng)和振動激勵采集子系統(tǒng)。高溫環(huán)境加載子系統(tǒng)由弧形石英燈輻射加熱模塊、溫度傳感器、溫度控制箱、多功能數(shù)據(jù)采集卡(NI-DAQ板卡)、計算機等組成。操作人員通過計算機運行的溫控程序可配置目標溫度，溫控程序?qū)惭b在被測物上溫度傳感器測得的實際溫度與目標溫度進行門限值比較，控制多功能數(shù)據(jù)采集卡(NI-DAQ板卡)輸出輻射加熱模塊作動信號，經(jīng)溫度控制箱的功率放大電路進行進行大功率放大后驅(qū)動弧形石英燈輻射加熱模塊對目標波紋管進行加熱狀態(tài)調(diào)控以產(chǎn)生目標溫度場。振動激勵采集子系統(tǒng)由電磁激振器、動態(tài)力傳感器、陶瓷激振桿、加速度傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集控制器、計算機等組成。操作人員通過數(shù)據(jù)采集控制器配套采集軟件可配置目標激勵信號并監(jiān)視數(shù)據(jù)采集過程，數(shù)據(jù)采集控制器的信號源通道輸出的控制信號經(jīng)功率放大器后驅(qū)動激振器對波紋管施加外部激勵，數(shù)據(jù)采集控制器的輸入通道則實時采集由加速度傳感器與力傳感器檢測的振動響應(yīng)與激勵載荷信號。

高溫環(huán)境加載子系統(tǒng)和振動激勵采集子系統(tǒng)相互獨立又相互協(xié)同，通過控制兩個子系統(tǒng)可實現(xiàn)在不同目標環(huán)境溫度下對金屬波紋管進行高溫動態(tài)力學(xué)性能測試。

2 高溫振動試驗系統(tǒng)硬件設(shè)計

計算機是高溫振動試驗系統(tǒng)的控制核心，其上運行數(shù)據(jù)采集控制器配套的數(shù)據(jù)采集軟件DHDAS和基于LabVIEW開發(fā)的溫度控制程序。操作人員可在兩個軟件程序里設(shè)定試驗工況、監(jiān)測試驗過程、存儲與處理數(shù)據(jù)。

2.1 高溫環(huán)境加載子系統(tǒng)

多功能數(shù)據(jù)采集板卡是實現(xiàn)溫度采集、加熱模塊控制驅(qū)動的核心部件，選用美國NI公司生產(chǎn)的USB-6002采集卡。USB-6002擁有8路模擬輸入、13條I/O線、2條模擬輸出通道，可滿足高溫環(huán)境監(jiān)測與加載的需求，同時具有較優(yōu)的成本優(yōu)勢。

弧形石英燈陣輻射加熱裝置由石英燈陣、固態(tài)繼電器、溫度傳感器、NI采集卡、弧形安裝支架等組成，加熱裝置如圖2所示。為確保能可靠地將波紋管加熱到目標溫度，結(jié)合波紋管的幾何尺寸，選用12根額定功率為1 500 W、長400 mm、管徑15 mm的碳纖維石英燈作為輻射熱源。將石英燈以并聯(lián)的方式，分別安裝在兩個弧形安裝支架上，形成石英燈輻射加熱模塊，為波紋管工裝營造所需的高溫環(huán)境。為提高輻射加熱的熱效率，選用耐1 300 ℃的310S不銹鋼板作為石英燈固定板，進行單側(cè)拋光并加工成弧形安裝支架。在石英燈輻射加熱模塊的保溫隔熱方面，設(shè)計有金屬隔熱板，并在石英燈固定板與金屬隔熱板中間填充有硅酸鋁材料制作的隔熱層，防止強輻射損傷其他試驗設(shè)備及人員。

溫度傳感器是加熱裝置中用來測量金屬波紋管試件實際環(huán)境溫度的部件。為實現(xiàn)金屬波紋管的精確控溫，采用熱電偶進行溫度檢測，通過NI多功能數(shù)據(jù)采集卡(USB-6002)進行實時數(shù)據(jù)采集。溫度傳感器選用鎳鉻-鎳硅K型熱電偶溫度傳感器，測溫范圍為-200～1 300 ℃，其電阻值會隨環(huán)境溫度變化而改變。為使USB-6002能可靠、有效地采集溫度信號，選用HT-010智能溫度變送器對熱電偶的輸出信號進行轉(zhuǎn)換與放大處理后輸入USB-6002的模擬輸入通道(AI)。

因USB-6002的輸出驅(qū)動電壓/電流較小無法直接驅(qū)動固態(tài)繼電器控制石英燈輻射加熱裝置的通電狀態(tài)，設(shè)計的功率驅(qū)動放大電路如圖3所示。

2.2 振動激勵采集子系統(tǒng)

2.2.1 試驗工裝

波紋管通過基架安裝在試驗平臺上，其一端法蘭通過螺栓固定于基架側(cè)面，基架上加工有不同高度的通孔以滿足不同尺寸的波紋管試件。為了測得高溫環(huán)境下傳遞至安裝基架的3個方向加速度響應(yīng)信號，在基架背面裝有陶瓷轉(zhuǎn)接頭以避免加速度傳感器直接受熱超出其正常工作溫度范圍。

當系統(tǒng)需要軸向激勵時，激振器將通過T型螺栓固定在升降臺上，升降臺用專用金屬壓板完全鎖在T型槽平臺上，同時調(diào)節(jié)激振器兩側(cè)螺絲，使激振桿沿軸向放置。在進行試驗之前，需要通過改變升降臺的高度以來調(diào)整激振桿與波紋管之間的預(yù)緊力，保證兩者受迫共振時不會脫開。當系統(tǒng)需要徑向激勵時，激振器通過彈性繩懸置在試驗平臺上方，彈性繩由304長吊耳螺栓與激振器相連，同樣需要調(diào)整位置來獲得合適的預(yù)緊力以滿足試驗要求。

2.2.2 激勵加載模塊

選用杭州億恒科技有限公司生產(chǎn)的EJZK-50型電磁激振器作為外部激勵源，其最大激振力±500 N，最大幅值為±10 mm，頻率范圍在5～2 kHz之間。選用杭州億恒科技有限公司生產(chǎn)的E5978型功率放大器對數(shù)據(jù)采集器信號源通道輸出的振動激勵信號進行功率放大以驅(qū)動激振器對波紋管施加目標外部激勵，其最大功率為1 500 VA、信噪比大于90 dB，具有信號削波和過流保護等功能。

2.2.3 驅(qū)動信號與數(shù)據(jù)采集

為實時采集高溫振動系統(tǒng)各傳感器的信號，選用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH5922N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集控制器。DH5922N包含兩個信號源通道、32個數(shù)據(jù)采集通道，可實現(xiàn)多通道同步輸出與采樣。

2.2.4 傳感模塊

為實時獲取金屬波紋管的振動響應(yīng)，選用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的1A102E型IEPE壓電式加速度傳感器，其靈敏度為10.47 mV/g，測試量程為±500 g，正常工作溫度為-40～120 ℃。為避免弧形石英燈陣輻射加熱過程中加速度傳感器因超過溫度工作區(qū)間而損壞，將加速度傳感器經(jīng)陶瓷轉(zhuǎn)接頭安裝在波紋管安裝基架的背面，一方面可避免直接熱輻射，另一方面可避免波紋管與基架的熱傳導(dǎo)。

動態(tài)力傳感器用來測量激振器輸出的外部激勵力信號，并傳遞至數(shù)據(jù)采集器中，其安裝在激振器與陶瓷激振桿之間。采用揚州一軒電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YD-303壓電式石英力傳感器，其電荷靈敏度為3.00 pC/N，測量范圍為±2 kN，工作溫度為-40～150 ℃。

3 高溫振動試驗系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 LabVIEW溫度控制程序

LabVIEW溫度控制程序是熱環(huán)境精確加載的核心，其控制思路為：通過試驗工裝上布置的溫度傳感器對金屬波紋管溫度進行實時監(jiān)測控制，將實時溫度值與目標溫度、溫度調(diào)節(jié)閾值進行對比，控制石英燈陣處于全功率加熱、半功率加熱、停止加熱等狀態(tài)的切換。為避免石英燈陣工作狀態(tài)在目標溫度點附近頻繁切換，程序中設(shè)置了溫度調(diào)節(jié)閾值。本系統(tǒng)中金屬波紋管半功率加熱為石英燈陣中每間隔一根石英燈管開啟以獲得更緩慢的溫度變化，而全功率加熱則所有石英燈管均開啟。圖4為所研制的弧形石英燈陣溫控系統(tǒng)控制流程圖。

3.2 數(shù)據(jù)采集控制軟件

數(shù)據(jù)采集軟件的基本操作控制流程如圖5所示。此軟件的作用主要是發(fā)出激勵信號，采集波紋管系統(tǒng)的振動響應(yīng)反饋。首先，新建工程文件，選擇采樣頻率、設(shè)置傳感器通道測試類型、輸入方式、不同傳感器測量的物理量均有不同，并對其靈敏度進行設(shè)置；其次，設(shè)置信號源通道，輸入所需的信號類型、幅值、相位角等參數(shù)；最后對激振力、振動加速度等信號進行實時顯示，待信號穩(wěn)定后設(shè)定存儲規(guī)則，并對數(shù)據(jù)做頻譜分析，輸出圖像、文本或Excel工作簿文件。

4 金屬波紋管高溫振動性能試驗

為驗證本文設(shè)計的試驗系統(tǒng)是否能穩(wěn)定地采集金屬波紋管的動態(tài)響應(yīng)信號，采用DN108的U型單層波紋管作為測試樣件進行高溫振動加載試驗，波紋管材質(zhì)為304(06Cr19Ni10)不銹鋼，波紋管段與管端法蘭為縫焊焊接，其實物圖與尺寸如圖6所示。

將被測金屬波紋管試件安裝在工裝上，試驗系統(tǒng)實物如圖7所示，加速度傳感器因隔熱要求安裝在肋板基架背后。測試其在100 ℃、200 ℃、300 ℃的條件下，作用徑向正弦掃頻激勵(掃頻范圍為5～100 Hz，掃頻時間為40 s)時，采集測點的振動加速度響應(yīng)信號。

測試過程中待金屬波紋管的溫度恒定在目標溫度一段時間后才進行振動測試。實際測試過程中金屬波紋管溫度隨時間變化曲線如圖8所示。由圖8可知，所設(shè)計的溫控程序能有效地控制弧形石英燈陣的工作狀態(tài)以產(chǎn)生所需的高溫環(huán)境。

對采集到的各加速度傳感器動態(tài)信號進行處理，通過FFT變換后，按公式(1)獲得加速度級，其頻響曲線如圖9所示。

L=20lga(ω)+120

(1)

其中:L為加速度級，a(ω)為加速度頻率響應(yīng)。

由圖9可以看出，隨著溫度的升高，各個方向的加速度響應(yīng)均有增大，這說明波紋管的薄壁結(jié)構(gòu)對溫度變化較為敏感，波紋段在高溫時有所軟化，故振動響應(yīng)增大。該試驗系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠地采集到波紋管加速度響應(yīng)信號。

5 結(jié)束語

本文對現(xiàn)有的金屬波紋管的振動試驗進行研究分析，研制了一套低成本、環(huán)境溫度可調(diào)的新型金屬波紋管高溫振動試驗系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)可以通過程序控制環(huán)境溫度，在徑向和軸向作用激振力，模擬不同振動環(huán)境，實時采集試件的動態(tài)響應(yīng)信號，并進行頻響分析，填補波紋管熱振試驗部分的空白。以DN108不銹鋼波紋管為例，測試其在不同溫度的振動響應(yīng)。在實際測試使用時，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，各模塊及工作組件均能正常工作，能夠滿足試驗的測試需求，在研究波紋管高溫振動特性方面打下試驗基礎(chǔ)，并為波紋管高溫振動測試系統(tǒng)的研制提供參考。