振動試驗頻率對激振力及系統(tǒng)流量的影響

李洪文+王凱+姜小玉+李揚眉+賀偉

摘 要：石油管材在實際使用過程中會遇到多種復雜載荷，包括地震等地質(zhì)災(zāi)害，所以管道在出廠前要進行模擬地震的驗證試驗。在該項試驗中，試驗人員需要對管道施加側(cè)向振動載荷，因此選擇合適的試驗設(shè)備是試驗?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵。針對振動量級較大的試驗，設(shè)計人員一般選取液壓缸作為執(zhí)行元件進行施加，液壓缸的輸出力及系統(tǒng)流量需要根據(jù)不同的試驗件特性及試驗頻率確定，尤其激振頻率對振動力、系統(tǒng)流量與試驗設(shè)備的選型影響非常大。

關(guān)鍵詞：振動載荷；試驗頻率；激振力；系統(tǒng)流量

中圖分類號：TP39；TH137 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-00-02

0 引 言

某壓力艙用于模擬深水極端載荷環(huán)境，對輸油管件、閥門、ROV等深海裝備進行力學試驗。需要對管道試件施加模擬9級地震烈度側(cè)向振動載荷，如何選取合適的激振頻率與合適的液壓缸及油源系統(tǒng)，是試驗?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵。

1 試驗件的共振頻率

采用圖1所示的試驗管件簡化力學模型[1]。假設(shè)振動激勵液壓缸作用在管件中部，能夠提供穩(wěn)態(tài)的簡諧荷載，激振力為F，激振頻率為f。

根據(jù)兩端固定梁自由振動頻率工程計算公式可知[2]：

其中，λ1=4.730 040 74，λ2=7.853 204 62，I=π（R4-r4）/4，取99種常見規(guī)格ISO/API石油套管的外徑、壁厚和重量，試驗管件長度L=8 m，鋼材彈性模量E=2.06E11 Pa，利用式（1）計算一彎和二彎固有頻率，見表1所列。

從上表可以看出，常見鋼管的一彎固有頻率約為10～59Hz，二彎頻率約為29～162 Hz。

2 試驗激振頻率

為模擬9級地震烈度，設(shè)計最大振動加速度為a=0.4g[3]，試驗規(guī)定最大振動幅值A(chǔ)不超過4 mm，根據(jù)加速度幅值的計算表達式[4]得：

激振頻率f不應(yīng)小于5 Hz。為避免管道發(fā)生一彎共振并避免激起二彎共振，激振頻率應(yīng)在一彎頻率的1.5倍和二彎頻率的0.7倍之間[5]，所以建議選擇激振頻率為二者和的一半。建議試驗激震頻率見表2所列。

根據(jù)遠離試驗件共振頻率原則選取試驗頻率[6]，由試驗頻率確定激振力與系統(tǒng)流量，進一步選取試驗設(shè)備并校核該頻率是否合適。

3 激振力

由激振力引起的位移為ys，激振力可由下式求得[7]：

式中，ω/λ≈1.715，考慮附連水質(zhì)量給動力響應(yīng)計算結(jié)果帶來的誤差，給出1.3倍的安全系數(shù)，根據(jù)計算可知，不同管徑在建議激振頻率下的激振力值見表3所列。

由上表可知，管件越大，選取的激振力越大。

4 系統(tǒng)流量

系統(tǒng)流量與液壓缸速度、激振力成正比，與系統(tǒng)壓力成反比。管徑越大，對設(shè)備需求越高，所以以630鋼管為例估算不同頻率對應(yīng)的激振力和油源流量，式中系統(tǒng)壓力可以取28 MPa，速度取平均速度，等于行程和頻率乘積。激振頻率、激振力、系統(tǒng)流量對應(yīng)關(guān)系見表4所列。

由計算可知，激振力在共振頻率處迅速變小[8]，然而流量在該處卻依然較大，且隨著頻率增加，流量增大十分明顯。即試驗頻率的選擇是否合適，瓶頸在于油源系統(tǒng)的流量能否滿足。試驗頻率、激振力、系統(tǒng)流量變化曲線如圖2所示。

5 結(jié) 語

選取合適的試驗激振頻率對流量的影響很大。考慮較小的電力負擔及設(shè)備成本，試驗頻率應(yīng)遠離共振頻率且越小越有利。但在實際計算過程中，不僅要考慮動態(tài)情況下壓力變化對油缸輸出力的影響與在高頻運動中不同振動波形所需的實際流量方程，還要考慮液體可壓縮性所需流量對總流量的影響。

參考文獻

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