基于锰铜高阻尼合金输流管路减振设计实验研究

雷少攀，刘宝会，冀璞光，王清周，殷福星

（1.河北工业大学机械工程学院，天津 300401；2.河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300401；3.河北工业大学能源装备材料技术研究院，天津 300401）

0 引言

对管路结构管路系统振动因素有很多，如液体流动时在弯头、三通等位置发生的湍流、外部激励产生的振动、液压泵工作过程中产生的脉动等都会引起管路的振动。输流管路的振动不仅会降低管路及液压管件的寿命，造成严重的后果，还会产生噪声污染，对周围环境造成很大影响。为此，各国工程技术人员对输流管路减振设计开展了卓有成效的理论与应用研究工作。在结构减振设计方面，Wang[1]通过结构的支承位置优化实现减振效果，王利亚等[2]通过在管路支撑处增加减震垫，使整个管路系统振动降低，陈果等[3]设计了一种用于管路系统减振的吸振器，能够将共振频率降低，蔡标华等[4]运用具有较低频率的橡胶隔振器，可以明显衰减管路系统的振动；在结构减振材料方面，肖坤等[5]提出了利用金属橡胶包覆管路结构，来达到减振效果，肖春新[6]为了管路减振，使用了管路橡胶联结装置，保护管路系统正常运行和延长其使用寿命，朱晓军[7]进行了阻尼材料包覆和管卡振动试验，可以很好的抑制管路振动。

近些年随着阻尼合金材料的迅猛发展，阻尼合金材料在结构减振设计及工程应用越来越广泛[8-9]，锰铜阻尼合金由于其具有高阻尼、强度、高刚度和耐腐蚀等特点，可作为结构减振设计中的关键结构部件[10-12]，并取得较好的抑制振动效果。本文首次将锰铜高阻尼合金材料应用于输流管路减振设计中，制作锰铜阻尼合金三通管件，用于替代原有的三通部件，设计并搭建了输流管路实验测试平台，对工作段进行在简谐激励作用的加速度频响以及工作状态关键点的位移响应进行实验测试，研究锰铜阻尼合金材料三通管件对输流管路振动固有频率、幅频响应及加速度频响等振动特性的影响。

1 输流管路实验测试平台搭建

1.1 输流管路实验测试平台

输流管路实验平台由水箱、液压泵、调节阀、压力表、流速表、不锈钢管路、2种材质（不锈钢、锰铜阻尼合金）三通管件组成，如图1 所示。图中虚线部分为测试段，三通管件内径90 mm，外径106 mm，长管247 mm，短管88 mm，两端连接长1 m的直管路，为研究阻尼合金材料对管路振动特性影响，对三通支管路进行密封处理。在简谐激励时对管路进行加速度幅频特性分析，在工作状态时对管路进行位移频谱特性分析。管路连接处为法兰连接，垫上密封圈确保密闭性，同时在测试段两端连接管路的末端加上两个支撑，为了减弱其他结构对这测试管路系统的影响，在被测管路两端分别用橡胶软管连接，以满足对测试环境的要求，材料参数如表1所示。

表1 声子晶体材料参数Tab.1 Materials’parameters of phononic crystals

图1 管路系统实验平台Fig.1 Experimental platform of pipeline system

1.2 实验测试设备

本文所做实验，加速度频响测试设备为江苏东华有限公司的DHDAS动态采集系统、DH5922信号采集器、DH311E 三相加速度传感器，DH40100 激振器、DH5872功率放大器、DH1301扫频信号发生器。振动位移幅频测试设备为比利时LMS公司的激光振动位移测试分析系统LMS Test.Lab，该系统包括测试分析软件以及硬件设备LMS SCADAS MOBILE 采集器、SENSOR HEAD 激光位移传感器和VIBROMETER CONTROLLER振动控制器。

2 三通管路系统简谐激励加速度幅频响应分析

2.1 测试工况

谐响应测试分析能够预测结构的持续动力学特性，从而实验验证其设计能否成功克服共振、疲劳及其他受控振动引起的有害效果。加速度谐响应在大范围频率段内均有很高的灵敏性，为获得2种材料管路加速度幅频响应特征，利用激振器对测试段施加简谐激励。测试中用M5不锈钢螺杆将力传感器、激振器与管路连接，激振力沿铅锤方向施加正弦线性扫频信号，扫频范围为0～1 000 Hz。力传感器灵敏度为2 mV/N，量程50 N，加速度传感器灵敏度为5 mV/（m/s2），量程20 m/s2；激振器功率放大器限流调节为8 RMS，增益档位设置为20 dB，扫频发生器设置为线性扫频，扫频速度为2 Hz/s，扫频电压为100 mV。

根据振动理论可知，简支型管路横向奇数阶振型的振动物理量可由管路的中点测量值进行表述，偶数阶振型可由三通左右两侧的等分点测量值进行表征，同时为了分析管路液体的流入端与流出端的振动差异。在测试段取3个典型测点，测点及激振点位置如图2所示。

图2 管路系统激振点和测点分布示意图Fig.2 Schematic diagram of the distribution of excitation points and measurement points of the pipeline system

2.2 不锈钢与阻尼合金三通测试段空管路频率响应测试结果及分析

在空管路状态下，利用DHDAS动态采集分析系统，分别采集不锈钢管路和阻尼合金管路的1、2、3号测点时域信号，利用动态采集分析系统进行频率响应分析，结果如图3所示。

图3 空管路各个测点频响对比Fig.3 Comparison of frequency response of each measuring point of empty pipeline

由图3可以明显看出，当管路系统中的三通管材料由不锈钢换成阻尼合金后，测试段管路横向（X、Y方向）前五阶共振频率，且阻尼合金材料可使共振频率降低，高频段由于振动较为复杂，不容易区分，其各阶共振频率分析结果如表2所示。

表2 2 种材料三通的空管路各阶共振频率对比Tab.2 Comparison of the resonance frequencies of the empty pipes of the two materials three-way

各个测点X、Y横向振动加速度响应在低频部分均有不同程度的降低，一阶模态加速度频率响应时降低明显；而在中高频率段作用不明显，究其原因阻尼合金的杨氏模量仅为不锈钢的1/3，阻尼合金三通管刚度较不锈钢大为降低，同时高频段的振动呈现非常复杂趋势，实验表明影响加速度响应的因素较多。各个测点一阶模态加速度频率响应峰值对比结果如表3所示。

表3 空管路各个测点X、Y、Z 方向加速度频率响应峰值对比Tab.3 Comparison of acceleration frequency response peak value of each measuring point of empty pipeline in X,Y,Z direction

由表3可以看出，这3个测点在X、Y方向上的加速度频响曲线降低比较明显，1 号点X方向降低17%，Y方向降低比例为37%；2 号点X方向降低37%，Y方向降低比例为12%；3 号点X方向降低26%，Y方向降低比例为14%。因此在空管路激振时，阻尼合金在低阶会起到减振效果。

2.3 不锈钢与阻尼合金三通测试段充水管路频率响应测试结果及分析

在充液管路状态下，利用DHDAS 动态采集分析系统，分别采集不锈钢管路和阻尼合金管路3个测点的时域信号，利用动态采集分析系统进行频率响应分析，结果如图4所示。

图4 充液管路3 个测点频响对比Fig.4 Frequency response comparison of 3 measuring points in liquid-filled pipeline

图4中充液管路频响曲线和图3中空管路频响曲线还是有一定的区别，说明管路中水的作用还是很大的。从图4可以看出，充液状态下应用阻尼合金后管路的模态频率值也会降低；并且相同材料下，充液管路系统的模态频率值和空管路的模态频率值有区别，这是因为流体附加质量的影响，其各阶共振频率分析结果如表4所示。

表4 2 种材料三通的充液管路各阶共振频率对比Tab.4 Comparison of the resonance frequencies of the liquid-filled pipes of the two-material tee

和空管路一样，充液状态下阻尼合金也是在低阶时会起作用，而在中高频率段作用不明显。将这3个测点的一阶模态加速度频响峰值进行整理对比，结果如表5所示。

表5 充液管路各个测点X、Y、Z 方向加速度频率响应峰值对比Tab.5 Acceleration frequency response peak value comparison of each measuring point of liquid-filled pipeline in X,Y,and Z directions

由表5可以看出，充液管路中2号测点即阻尼三通管的位置，阻尼效果最好，在X、Y、Z3 个方向上，最大降低比例为45%。但在1号和3号测点同样也会起到减振效果，只是减振效果不如2 号测点明显。并且与空管路相比，在充液状态下阻尼合金的减振效果更好。

3 三通管路系统工作状态位移频谱分析

位移频谱分析是获得各个频率成分的位移幅值分布，从而得到主要振动位移幅度频率值。为研究阻尼合金材料对管路工作状态振动位移影响，本文模拟工作状态下的位移频谱响应进行试验测试。测点布局和加速度幅频响应测试时相同。测试中利用LMS test.Lab 软件，分别采集2 种材料管路关键点不同流速下的X、Y方向的位移振动信号，经过傅里叶变换得到不同三通管材料管路系统的位移频谱曲线。但在100 Hz 以上时位移频谱反应不明显，因此选取的分析频率范围为0～100 Hz。其中流速为5 m/s时的曲线如图5所示。

图5 工作状态流速5 m/s 位移频谱对比Fig.5 Working state flow rate 5 m/s displacement spectrum comparison

由图5可以看出，共振频率与泵的工作频率基本是接近的。并且当管路系统中的三通管材料由不锈钢换成阻尼合金后，共振频率处的位移峰值有明显的降低，这也和前面测的空管路和充液管路状态下，阻尼合金在低阶频率时起作用相一致，工作状态位移频响分析结果如表6和表7所示。

表6 工作状态各测点X 方向位移频谱对比Tab.6 Displacement spectrum comparison in X direction of each measuring point in working state

表7 工作状态各测点Y 方向位移频谱对比Tab.7 Displacement spectrum comparison in Y direction of each measuring point in working state

由表6、表7可以看出，当流速为5 m/s时，共振频率都在10～40 Hz，并且在2号测点即更换三通管材料的位置，振动幅度有明显的降低，最大降低比例为86%。因此工作状态下，将三通管材料换成阻尼合金后，能够起到减振效果。

4 结论

本文研制的基于锰铜阻尼合金三通结构件，并通过实验方法研究了该材料三通的输流管路振动特性，并与工程常用的不锈钢管路进行了实验对比。可以得到以下结论：在正弦扫频激振力作用下，阻尼合金材料对结构的固有频率产生一定的影响，测试段结构各阶固有频率都会比相应不锈钢材质要小；加速度频率响应表现为在低阶共振频率点，加速度频率响应有不同程度的降低，减振效果显著，而在中高阶频率段的影响较为复杂，规律性不明显；在输流管路工作状态下，当输流管路中三通管件采用锰铜阻尼合金材料时，在稳态位移振动幅值频谱曲线会有一定程度的降低，共振频率点位移振动幅值有明显降低，抑制振动效果明显。

本文的实验研究表明，工程输流管路的设计中，在某些关键部件合理采用锰铜阻尼合金材料，能够有效的抑制输流管路结构的振动，达到减振效果。