賈九紅，華宏星

(1.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237;2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

核電廠中旋轉(zhuǎn)設(shè)備和管系的振動(dòng)是普遍存在的問(wèn)題，目前主要使用液壓阻尼器和機(jī)械阻尼器進(jìn)行防護(hù)。據(jù)調(diào)查表明［1-2］，阻尼器的故障率較高，液壓阻尼器時(shí)有泄漏現(xiàn)象發(fā)生，機(jī)械阻尼器的鎖死現(xiàn)象會(huì)對(duì)管系的安全造成較大的威脅，因此阻尼器在核電廠的使用呈削減的趨勢(shì)，阻尼器的改進(jìn)和替換逐步成為核電站安全防護(hù)的主要工作，而對(duì)于承受碰撞沖擊載荷過(guò)大的阻尼器，目前普遍采用能量吸收器進(jìn)行替換［3］。由于膠泥阻尼器對(duì)沖擊能量的吸收率較高，并且設(shè)備受到的沖擊速度很大時(shí)，阻尼器的阻抗力很大，當(dāng)受到?jīng)_擊速度很小時(shí)，阻尼器的阻抗力很小，從而使結(jié)構(gòu)受力較為合理，因此本文嘗試將膠泥阻尼器引入到核電振動(dòng)防護(hù)中。

但是使用環(huán)境不同，膠泥阻尼器的結(jié)構(gòu)形式必然不同。Jia等［4-5］推導(dǎo)了一種膠泥阻尼器的設(shè)計(jì)公式，但是該公式的普適性和可靠性還沒(méi)有經(jīng)過(guò)全面的試驗(yàn)驗(yàn)證，本文針對(duì)該問(wèn)題展開(kāi)研究。

1 膠泥阻尼器的設(shè)計(jì)方法

1.1 膠泥阻尼器的工作原理

目前使用較多的膠泥阻尼器結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，該結(jié)構(gòu)有缸體、活塞、活塞桿、粘彈性膠泥和密封裝置幾部分組成。其工作原理是:當(dāng)外界沖擊緩沖器活塞桿時(shí)，缸體與活塞產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，活塞桿帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，使一側(cè)膠泥受壓，另一側(cè)膠泥空間增加，活塞兩側(cè)的壓力不平衡，迫使受壓側(cè)的膠泥從活塞的一側(cè)流向體積增大的一側(cè)。膠泥的剪切流動(dòng)對(duì)活塞產(chǎn)生剪切應(yīng)力，阻礙活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼力，從而消耗沖擊能量，達(dá)到緩沖保護(hù)設(shè)備的目的。

圖1 膠泥阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure profile of the fluid viscous damper

緩沖器工作過(guò)程中阻尼力隨沖擊速度的變化和緩沖器的能量耗散能力是緩沖器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。阻尼力隨沖擊速度變化較慢，阻尼力峰值較小則緩沖器的容量就大，能量耗散能力就強(qiáng)。

1.2 膠泥阻尼器的設(shè)計(jì)方法

粘滯型阻尼器的力學(xué)模型和使用的環(huán)境有緊密的關(guān)系，用于沖擊環(huán)境的力學(xué)模型和使用于振動(dòng)環(huán)境的力學(xué)模型不同［6，7］。美國(guó)泰勒公司用速度相關(guān)阻尼力表達(dá)式建模用于沖擊環(huán)境下的粘滯型阻尼器［8］:

式中，C為阻尼系數(shù);v為活塞與緩沖器缸體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度;n為速度相關(guān)指數(shù)，指數(shù)的大小決定緩沖器非線性的大小。速度相關(guān)指數(shù)越小，表明緩沖器的非線性越大。此時(shí)當(dāng)沖擊速度較高時(shí)，會(huì)有相對(duì)較低的阻尼力能夠比較平緩地減小沖擊速度，保護(hù)被防護(hù)設(shè)備。

為了系列化膠泥阻尼器的設(shè)計(jì)，Jia等在文獻(xiàn)［7］中建立了經(jīng)典公式與阻尼器結(jié)構(gòu)尺寸和阻尼系數(shù)的關(guān)系表達(dá)式，即公式(1)的阻尼系數(shù)是阻尼器結(jié)構(gòu)尺寸和阻尼系數(shù)函數(shù)，關(guān)系如下:

式中，K，?為應(yīng)力系數(shù)，該系數(shù)取決于試驗(yàn)環(huán)境。在試驗(yàn)中K=789，?=0.28;μ為膠泥材料的動(dòng)態(tài)粘滯度;d為活塞桿直徑;l為活塞桿長(zhǎng)度。

由于根據(jù)設(shè)備的工作環(huán)境，比較容易確定阻尼器所受的沖擊力和沖擊速度。那么根據(jù)公式(2)可以設(shè)計(jì)滿(mǎn)足需求的膠泥阻尼器。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)原理與試驗(yàn)裝置

用落錘式?jīng)_擊機(jī)對(duì)膠泥緩沖器的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將緩沖器安裝在沖擊機(jī)的砧臺(tái)上，把質(zhì)量為9.8 kg的沖擊錘提升到合適的高度后讓其沿著鋼絲繩形成的無(wú)摩擦導(dǎo)軌自由滑下，撞擊緩沖器的活塞桿，利用加速度傳感器B＆K4393和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)LMS記錄下沖擊過(guò)程中加速度隨時(shí)間的變化，當(dāng)落錘停止時(shí)，將其抬起。測(cè)量設(shè)備和緩沖器的安裝示意圖見(jiàn)圖2(a)，實(shí)際安裝圖見(jiàn)圖2(b)。

圖2 跌落試驗(yàn)安裝圖Fig.2 Installation of the drop test

對(duì)于沖擊試驗(yàn)，在跌落錘撞擊緩沖器活塞桿的初期，二者之間的碰撞信號(hào)對(duì)阻尼加速度信號(hào)干擾很大，所以需要濾波處理，濾波處理的加速度信號(hào)如圖3所示。將濾波后的加速度與沖擊質(zhì)量的乘積近似等于阻尼力，阻尼力時(shí)間歷程見(jiàn)圖4。濾波后的加速度經(jīng)過(guò)一次積分運(yùn)算求得速度的時(shí)間歷程(圖5)，二次積分運(yùn)算求得位移的時(shí)間歷程(圖6)。

2.2 測(cè)量試件

為了驗(yàn)證膠泥緩沖器的數(shù)學(xué)模型，制作了一個(gè)緩沖器試驗(yàn)件。該試驗(yàn)件是從方便加工和試驗(yàn)的角度設(shè)計(jì)的，比較容易拆卸，方便更換阻尼材料和緩沖器的活塞。

試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖7，零件圖見(jiàn)圖8?；钊突钊麠U加工成一體，便于加工并且同心度好;將活塞和活塞桿放置在缸體5內(nèi)，裝入膠泥材料，蓋上前端蓋2和后端蓋7。前端蓋和后端蓋由青銅材料加工而成，不但密封膠泥同時(shí)起到對(duì)活塞桿導(dǎo)向的作用。前端蓋和后端蓋與缸體之間安裝O型密封圈8，防止膠泥從缸體與缸蓋的縫隙滲出;前端蓋和后端蓋內(nèi)部均有一個(gè)小槽安裝UNS16密封圈6，防止膠泥從活塞桿處滲出。前固定法蘭11和后固定法蘭10借助螺釘3將前端蓋、后端蓋和密封圈固定在合適的位置上。用膠水粘在前固定法蘭上的限位橡膠墊1和安裝在活塞桿端的限位法蘭13構(gòu)成該試驗(yàn)件的限位裝置，防止活塞撞底，損壞試驗(yàn)件。后固定法蘭上加工了4個(gè)螺栓孔，用螺栓通過(guò)后固定法蘭將試驗(yàn)件安裝在跌落臺(tái)的工裝上。壓緊螺帽12起到兩個(gè)作用，第一、用壓緊螺帽將限位法蘭固定在活塞桿上;第二、作為跌落試驗(yàn)時(shí)的沖擊帽。壓緊螺帽的頂端是一個(gè)很光滑的圓缺，這樣沖擊時(shí)是點(diǎn)接觸，減小碰撞干擾。

跌落試驗(yàn)時(shí)選擇四種不同粘度的膠泥，其動(dòng)力粘度分別為6 萬(wàn) cSt、15 萬(wàn) cSt、30 萬(wàn) cSt和50 萬(wàn) cSt。

試驗(yàn)件的外直徑為80 mm，內(nèi)直徑60 mm，為了改變阻尼孔間隙和活塞厚度，加工了一系列的活塞，試驗(yàn)活塞見(jiàn)圖8，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要又進(jìn)行加工，試驗(yàn)用的活塞尺寸見(jiàn)表1。

表1 樣機(jī)活塞參數(shù)Tab.1 Piston parameters of the specimen

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

首先根據(jù)設(shè)計(jì)好的活塞直徑和試驗(yàn)選用的膠泥材料，運(yùn)用公式(2)計(jì)算對(duì)應(yīng)的阻尼系數(shù)，然后將膠泥阻尼器安裝在跌落臺(tái)上進(jìn)行沖擊，將試驗(yàn)所得的阻尼力和沖擊速度運(yùn)用公式(3)進(jìn)行計(jì)算:

將試驗(yàn)處理的阻尼系數(shù)與理論計(jì)算的阻尼系數(shù)進(jìn)行比較。首先選定四種膠泥材料和四種不同直徑的活塞，不斷的改變?cè)囼?yàn)用膠泥和活塞結(jié)構(gòu)尺寸，考察不同大小間隙時(shí)動(dòng)力粘度對(duì)阻尼系數(shù)的影響，如圖9所示。然后選定所有膠泥和活塞進(jìn)行試驗(yàn)，研究使用不同阻尼材料時(shí)，結(jié)構(gòu)間隙對(duì)阻尼系數(shù)的影響，如圖10所示。根據(jù)圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合的很好，由此公式(2)可以用作膠泥阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

針對(duì)前期推導(dǎo)的阻尼器設(shè)計(jì)方法展開(kāi)沖擊試驗(yàn)，對(duì)幾種阻尼介質(zhì)和具有不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾種阻尼器進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，將設(shè)計(jì)公式計(jì)算得到的阻尼系數(shù)與沖擊試驗(yàn)求得的阻尼系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，比較結(jié)果表明二者吻合很好，從而證明該設(shè)計(jì)方法能夠準(zhǔn)確地描述阻尼器物理參數(shù)與其力學(xué)特性的關(guān)系，可以用于阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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