锰结核泵工作对扬矿管道振动影响的研究

唐达生，李钟，周知进，阳宁

(1.长沙矿冶研究院有限责任公司深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，长沙410012; 2.湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭411201)

锰结核泵工作对扬矿管道振动影响的研究

唐达生1，李钟1，周知进2，阳宁1

(1.长沙矿冶研究院有限责任公司深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，长沙410012; 2.湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭411201)

为探讨锰结核泵工作对扬矿管道的振动影响，在实验室建立了扬矿管道振动试验系统，进行了扭转和弯曲振动分析，测试了管道振动特性。研究结果表明，泵运行过程中，管道系统作为一动力系统，不仅产生静态力，而且诱发管道振动，动载荷远高于静载荷(振幅放大系数M=6.75)。试验得出的频率峰值随泵转速变化与理论分析基本一致。

泵;扬矿管道;载荷;振动分析;振幅放大系数

在深海采矿扬矿管道系统中，锰结核泵安装在水深5 000 m扬矿管道的中部并悬挂在水面采矿船上，研究泵工作对扬矿管道系统的振动特性，对扬矿管道系统强度设计，管道两端作用力分析，输送参数优化是有实际意义的。

国外在深海采矿扬矿管道输送过程的振动特性方面曾做过一些工作，如日本公害资源研究所在深度200 m、直径1.5m的竖井模拟试验系统中，提升管高度213 m，提升管内径150 mm，采用了一台两级离心泵，泵流量324 m3/h，扬程110 m，转速1 450 r/min，功率250 kW，试验物料采用模拟结核，结核粒径30mm［1］。对管道振动影响进行了初步分析，认为管道振动与泵电机转速、输送浓度有关系，但没有具体说明影响程度到底多大。国内对扬矿管道振动数值仿真和水下管道输送系统振动实验研究做过一些工作［2－5］，但是，泵工作对扬矿管道输送过程的振动影响研究几乎未见报导。

长沙矿冶研究院有限责任公司在实验室高度30 m、内径204 mm，可提供最大管网阻力2.5 MPa的深海采矿扬矿模拟系统中，采用锰结核泵(以下简称“泵”)进行模拟结核扬矿试验［6－7］，初步对扬矿管道系统的振动特性进行了研究，研究结果可作为扬矿管道系统振动控制及输送工艺参数优化的参考。

1 泵工作参数与装置

根据深海采矿扬矿管道系统泵矿浆试验的技术要求，考察泵在工作中管路受力状态，在实验室条件下对泵的工作载荷进行了应力测定和振动分析。泵主要工作参数见表1，泵装置见图1。

表1 泵的工作参数Tab.1 Operating parameters of pum p

图1 泵装置Fig.1 Setup of pump

图2 管道受力分析Fig.2 Pipeline force analysis

2 管道静态受力分析

将电机力矩MD简化为作用于电机长度中点的集中载荷，其力作用简图见图2。

(1)电机作用额定力矩

(2)支承力矩

系统两端固定形成一次静不定结构，其支承力矩和支力矩作用点的距离成反比，故上下两端最大支承力矩分别为:

(3)扭转变形

单位扭角θ:即每米管长的扭角

(d为管道内径，d=0.204 m;D为管道外径，D= 0.219 m)

在测试条件下，测点置于泵下端，作用力矩M= MLmax，管长L测=Ll=3.35 m。

3 管道振动分析

泵管道系统在动载作用下，将产生扭转和弯曲振动，将其视为单自由度强振系统［8］。管道振动系统见图3，图3中M、J为泵等效质量和转动惯量，K为弹性系数，C为黏性阻尼系数。

3.1 系统的扭转振动

图3 管道振动系统Fig.3 Pipeline vibration system

3.2 系统的弯曲振动

当旋转系统存在不平衡力时，会诱发管路在离心力作用下的弯曲振动，其振动方程:

3.3 系统的幅频特性

(1)扭振特性，其激振力幅值与频率ω无关，振幅放大系数:

(2)弯振特性，共激振力幅值与ω2成正比，振幅放大系数:

(3)合成幅频特性

扭转和弯曲对管道剪应力产生相近影响的情况，其合成幅频特性对静载扭转剪应力的放大系数可近似表达为Mc=MT+Mb，图4给出了扭转、弯曲和合成振幅放大系数随激振圆频率f(泵转速)的变化情况。

(4)振动分析表明:在两级泵的激振力作用下，场矿管道在工作过程中将诱发扭转和弯曲振动，形成两个共振点。在f≈800 rev/min时，出现弯曲共振，在f≈1 200 rev/min时，出现扭转共振，其合成幅频特性构成两个峰值，振幅放大系数Mc=6.75。

图4 管道振动的幅频特性Fig.4 Amplitude－frequency characteristics of Pipeline vibration

4 试验工作

在泵管道的下端测点和轴线成45°(最大应力方向)黏贴4片应变计，对其切向应变进行了动态测定，通过动态应变仪放大，输入波形记录分析仪进行采集与分析，计算机进行显示与记录。测试系统见图5。

图5 动态测试系统Fig.5 Dynamic Test System

测试设备的选择和设置:

(1)电阻应变计:电阻R=119.9Ω。

(2)应变放大器(DH3846):桥压U0:10 V，增益Am:200，频响RF:100 Hz。

(3)瞬态波形记录分析仪(XGC－E):采样间隔Δt:1 ms，采样量N=65 536。

扭矩测试采用全桥连接，图6为应变计的电阻变化通过惠斯登电桥和放大器转换为电压输出。

运用上述测试系统分别对管路在不同转速(600～1 450 r/min)和功率条件下的扭转应力进行了扫频(从低转速至高转速)测定，图7为对应于900 r/min的时域波形和频谱分析图。

由于测试信号的基底噪声很大(信/噪比较小)，不能直接进行幅频特性分析，在频谱图中可以看出:对应不同转速的频谱在电机转速的频率处均形成明显的峰值，说明该频率处的周期信号强度和电机的输出状态显著相关。

图6 应变计的连接和电压输出Fig.6 Strain gauge connections and voltage output

图7 试验波形(900 r/min)Fig.7 Testwaveform(900 r/min)

图8给出了试验得出的频谱峰值Vi随转速n(频率f)的变化情况，并和振动分析得出的幅频特性进行了比较。数据采用两次试验的平均值;当转速n＜600 r/min时，由于输出信号过小，在频谱图上看不出显著的峰值。

图8 管道系统动载应力频谱峰值随转速的变化Fig.8 The strain and stress of pipeline system with the rotation speed changed

从图8可知，管道动载应力频谱峰值随转速出现明显的变化，其最大值并不出现于最高转速处，在800 r/min和1 200 r/min处形成两个峰值，与振动分析的幅频特性基本一致。这是由于管道作为一个动力系统在运行中与泵旋转(输入激励)产生扭转和弯曲谐振的结果。

5 结论

(1)理论分析和应力测定表明，在泵运行过程中，管道系统作为一动力系统，不仅产生静态力，而且诱发管道的扭转和弯曲振动，产生动态应变和应力，动态力远高于静态力，振幅放大系数Mc=6.75，其动力影响是不可忽略的一个重要因素。

(2)试验结果表明，管道动载应力的频谱峰值随转速呈现明显的变化，在800 r/min(弯振谐振点)和1 200 r/min(扭振谐振点)形成两个峰值，与理论分析的幅频特性基本一致。

(3)由动力谐振引起的应力峰值，处于低于泵额定转速的低速区，故从系统受力的角度考虑，应尽量避免泵在低速区长期运行，随着在深海条件下，管道的加长(管道系统的固有频率降低)，其谐振区将进一步向低速区迁移，远离泵的正常工作点，故对系统工作不会构成影响。

(4)考虑动力谐振的影响，泵在运行过程中管道中产生的最大应变εmax=59.54με，最大剪应力τmax= 9.33 MPa。其最大应力小于一般钢材的剪切许用应力［τ］=80 MPa。

上述结果表明:管道系统的振动，由于最大剪应力远低于一般钢材的剪切许用应力，不会直接导致管道系统的强度破坏，但在振动过程中会造成相应的疲劳损伤。值得注意的是，振动过程对应于最大剪应力扭矩Mmax=τmax×Wn=5.903×106×5.091×10－4=3 005 N·m(高于电机额定扭矩1 307 N·m)为一往复施加的作用力矩，会造成联接件的松动，应保证各连接处的紧固，以防止循环载荷下失效。

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Effects ofmanganese nodules pump operation on lifting pipe vibration

TANG Da－sheng1，LIZhong1，ZHOU Zhi－jin2，YANG Ning1
(1.State Key Laboratory of Exploration and Utilization of Deep－sea Mineral Resources，Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co.Ltd.，Changsha 410012，China;
2.College of Electromechanical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China)

In order to investigate the influences ofmanganese nodules pump operation on lifting pipe vibration，the vibration test system of a lifting pipe with amanganese nodules pump was set up in lab，the pipe's torsion vibration and flexural one were analysed，the vibration characteristics of the pipe weremeasured.The study results showed that during pump operation，the pipe system as a dynamic system not only has static forces，but also its vibration is excited，the dynamic load is much higher than static load(the amplitude magnification coefficient M=6.75).The tested peak frequency curve with change of the pump rotating speed agreeswell with that of the theoretical analysis.

pump;lifting pipe;load;vibration analysis;amplitudemagnification coefficient

TH311

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.23.026

国家自然科学基金项目(51174037，51339008)

2014－05－15修改稿收到日期:2014－09－25

唐达生男，教授级高级工程师，1954年生邮箱:Tds54@163.com