錳結核泵工作對揚礦管道振動影響的研究

唐達生，李鐘，周知進，陽寧

(1.長沙礦冶研究院有限責任公司深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室，長沙410012; 2.湖南科技大學機電工程學院，湖南湘潭411201)

錳結核泵工作對揚礦管道振動影響的研究

唐達生1，李鐘1，周知進2，陽寧1

(1.長沙礦冶研究院有限責任公司深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室，長沙410012; 2.湖南科技大學機電工程學院，湖南湘潭411201)

為探討錳結核泵工作對揚礦管道的振動影響，在實驗室建立了揚礦管道振動試驗系統，進行了扭轉和彎曲振動分析，測試了管道振動特性。研究結果表明，泵運行過程中，管道系統作為一動力系統，不僅產生靜態力，而且誘發管道振動，動載荷遠高于靜載荷(振幅放大系數M=6.75)。試驗得出的頻率峰值隨泵轉速變化與理論分析基本一致。

泵;揚礦管道;載荷;振動分析;振幅放大系數

在深海采礦揚礦管道系統中，錳結核泵安裝在水深5 000 m揚礦管道的中部并懸掛在水面采礦船上，研究泵工作對揚礦管道系統的振動特性，對揚礦管道系統強度設計，管道兩端作用力分析，輸送參數優化是有實際意義的。

國外在深海采礦揚礦管道輸送過程的振動特性方面曾做過一些工作，如日本公害資源研究所在深度200 m、直徑1.5m的豎井模擬試驗系統中，提升管高度213 m，提升管內徑150 mm，采用了一臺兩級離心泵，泵流量324 m3/h，揚程110 m，轉速1 450 r/min，功率250 kW，試驗物料采用模擬結核，結核粒徑30mm［1］。對管道振動影響進行了初步分析，認為管道振動與泵電機轉速、輸送濃度有關系，但沒有具體說明影響程度到底多大。國內對揚礦管道振動數值仿真和水下管道輸送系統振動實驗研究做過一些工作［2－5］，但是，泵工作對揚礦管道輸送過程的振動影響研究幾乎未見報導。

長沙礦冶研究院有限責任公司在實驗室高度30 m、內徑204 mm，可提供最大管網阻力2.5 MPa的深海采礦揚礦模擬系統中，采用錳結核泵(以下簡稱“泵”)進行模擬結核揚礦試驗［6－7］，初步對揚礦管道系統的振動特性進行了研究，研究結果可作為揚礦管道系統振動控制及輸送工藝參數優化的參考。

1 泵工作參數與裝置

根據深海采礦揚礦管道系統泵礦漿試驗的技術要求，考察泵在工作中管路受力狀態，在實驗室條件下對泵的工作載荷進行了應力測定和振動分析。泵主要工作參數見表1，泵裝置見圖1。

表1 泵的工作參數Tab.1 Operating parameters of pum p

圖1 泵裝置Fig.1 Setup of pump

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

2 管道靜態受力分析

將電機力矩MD簡化為作用于電機長度中點的集中載荷，其力作用簡圖見圖2。

(1)電機作用額定力矩

(2)支承力矩

系統兩端固定形成一次靜不定結構，其支承力矩和支力矩作用點的距離成反比，故上下兩端最大支承力矩分別為:

(3)扭轉變形

單位扭角θ:即每米管長的扭角

(d為管道內徑，d=0.204 m;D為管道外徑，D= 0.219 m)

在測試條件下，測點置于泵下端，作用力矩M= MLmax，管長L測=Ll=3.35 m。

3 管道振動分析

泵管道系統在動載作用下，將產生扭轉和彎曲振動，將其視為單自由度強振系統［8］。管道振動系統見圖3，圖3中M、J為泵等效質量和轉動慣量，K為彈性系數，C為黏性阻尼系數。

3.1 系統的扭轉振動

圖3 管道振動系統Fig.3 Pipeline vibration system

3.2 系統的彎曲振動

當旋轉系統存在不平衡力時，會誘發管路在離心力作用下的彎曲振動，其振動方程:

3.3 系統的幅頻特性

(1)扭振特性，其激振力幅值與頻率ω無關，振幅放大系數:

(2)彎振特性，共激振力幅值與ω2成正比，振幅放大系數:

(3)合成幅頻特性

扭轉和彎曲對管道剪應力產生相近影響的情況，其合成幅頻特性對靜載扭轉剪應力的放大系數可近似表達為Mc=MT+Mb，圖4給出了扭轉、彎曲和合成振幅放大系數隨激振圓頻率f(泵轉速)的變化情況。

(4)振動分析表明:在兩級泵的激振力作用下，場礦管道在工作過程中將誘發扭轉和彎曲振動，形成兩個共振點。在f≈800 rev/min時，出現彎曲共振，在f≈1 200 rev/min時，出現扭轉共振，其合成幅頻特性構成兩個峰值，振幅放大系數Mc=6.75。

圖4 管道振動的幅頻特性Fig.4 Amplitude－frequency characteristics of Pipeline vibration

4 試驗工作

在泵管道的下端測點和軸線成45°(最大應力方向)黏貼4片應變計，對其切向應變進行了動態測定，通過動態應變儀放大，輸入波形記錄分析儀進行采集與分析，計算機進行顯示與記錄。測試系統見圖5。

圖5 動態測試系統Fig.5 Dynamic Test System

測試設備的選擇和設置:

(1)電阻應變計:電阻R=119.9Ω。

(2)應變放大器(DH3846):橋壓U0:10 V，增益Am:200，頻響RF:100 Hz。

(3)瞬態波形記錄分析儀(XGC－E):采樣間隔Δt:1 ms，采樣量N=65 536。

扭矩測試采用全橋連接，圖6為應變計的電阻變化通過惠斯登電橋和放大器轉換為電壓輸出。

運用上述測試系統分別對管路在不同轉速(600～1 450 r/min)和功率條件下的扭轉應力進行了掃頻(從低轉速至高轉速)測定，圖7為對應于900 r/min的時域波形和頻譜分析圖。

由于測試信號的基底噪聲很大(信/噪比較小)，不能直接進行幅頻特性分析，在頻譜圖中可以看出:對應不同轉速的頻譜在電機轉速的頻率處均形成明顯的峰值，說明該頻率處的周期信號強度和電機的輸出狀態顯著相關。

圖6 應變計的連接和電壓輸出Fig.6 Strain gauge connections and voltage output

圖7 試驗波形(900 r/min)Fig.7 Testwaveform(900 r/min)

圖8給出了試驗得出的頻譜峰值Vi隨轉速n(頻率f)的變化情況，并和振動分析得出的幅頻特性進行了比較。數據采用兩次試驗的平均值;當轉速n＜600 r/min時，由于輸出信號過小，在頻譜圖上看不出顯著的峰值。

圖8 管道系統動載應力頻譜峰值隨轉速的變化Fig.8 The strain and stress of pipeline system with the rotation speed changed

從圖8可知，管道動載應力頻譜峰值隨轉速出現明顯的變化，其最大值并不出現于最高轉速處，在800 r/min和1 200 r/min處形成兩個峰值，與振動分析的幅頻特性基本一致。這是由于管道作為一個動力系統在運行中與泵旋轉(輸入激勵)產生扭轉和彎曲諧振的結果。

5 結論

(1)理論分析和應力測定表明，在泵運行過程中，管道系統作為一動力系統，不僅產生靜態力，而且誘發管道的扭轉和彎曲振動，產生動態應變和應力，動態力遠高于靜態力，振幅放大系數Mc=6.75，其動力影響是不可忽略的一個重要因素。

(2)試驗結果表明，管道動載應力的頻譜峰值隨轉速呈現明顯的變化，在800 r/min(彎振諧振點)和1 200 r/min(扭振諧振點)形成兩個峰值，與理論分析的幅頻特性基本一致。

(3)由動力諧振引起的應力峰值，處于低于泵額定轉速的低速區，故從系統受力的角度考慮，應盡量避免泵在低速區長期運行，隨著在深海條件下，管道的加長(管道系統的固有頻率降低)，其諧振區將進一步向低速區遷移，遠離泵的正常工作點，故對系統工作不會構成影響。

(4)考慮動力諧振的影響，泵在運行過程中管道中產生的最大應變εmax=59.54με，最大剪應力τmax= 9.33 MPa。其最大應力小于一般鋼材的剪切許用應力［τ］=80 MPa。

上述結果表明:管道系統的振動，由于最大剪應力遠低于一般鋼材的剪切許用應力，不會直接導致管道系統的強度破壞，但在振動過程中會造成相應的疲勞損傷。值得注意的是，振動過程對應于最大剪應力扭矩Mmax=τmax×Wn=5.903×106×5.091×10－4=3 005 N·m(高于電機額定扭矩1 307 N·m)為一往復施加的作用力矩，會造成聯接件的松動，應保證各連接處的緊固，以防止循環載荷下失效。

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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

國家自然科學基金項目(51174037，51339008)

2014－05－15修改稿收到日期:2014－09－25

唐達生男，教授級高級工程師，1954年生郵箱:Tds54@163.com