一种管类箍形并联式宽频颗粒减振器及其设计方法

1.本发明属于管类结构消能减振技术领域，具体涉及一种管类箍形并联式宽频颗粒减振器及其设计方法。


背景技术：

2.管类结构在日常生活和生产中被广泛应用，比如管类结构中的管道作为一种运输方式，相对于公路、铁路、水路等传统运输方式，运输效率高、灵活且经济成本低，因而成为了最主要的气体、流体运输方式，被广泛应用于工业、农业、石油化工的生产及运输等重要环节中。然而，由于管类结构设计不合理、机械振动不平衡与内部气/液体脉冲作用等，管类结构极易发生振动，轻则影响管类结构的正常使用，增加应用成本，重则影响设备和管类结构系统运行的可靠性，甚至可能导致管类结构系统失效而造成恶性安全事故。例如，2013年青岛市中石化因管道振动发生原油泄漏而引起爆炸，导致63人遇难，直接经济损失达7.5亿元。因此，如何抑制管类结构振动，减小其动力响应，恢复正常使用，成为了目前工程领域的研究热点。
3.抑制管类结构振动的措施主要有两类，其一为传统管类结构减振方法，包括改变管类结构方案、增设支撑与开孔隔板等；其二为振动控制技术，在管类结构安装耗能器、吸振器及隔振装置等。传统减振方法需改变管类结构系统结构方案，且大多需要在设备停机状态下完成，影响正常使用状态。而减振控制技术弥补了管类结构传统减振方法的不足，适用范围广泛，减振效果明显。但是现有减振装置存在造价高、使用空间受限及维护困难等缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种管类箍形并联式宽频颗粒减振器及其设计方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种管类箍形并联式宽频颗粒减振器，包括：多段管类结构，多段所述管类结构之间设置有并联式宽频颗粒减振器；所述并联式宽频颗粒减振器由用于轴向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器、用于径向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器组成；其中，用于轴向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器中设置有轴线与所述管类结构的轴线平行的圆柱腔体，轴线与所述管类结构的轴线平行的圆柱腔体中设置有颗粒；用于径向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器中设置有轴线与所述管类结构的轴线垂直的圆柱腔体，轴线与所述管类结构的轴线垂直的圆柱腔体中设置有颗粒。
6.可选实施例中，轴线与所述管类结构的轴线平行的圆柱腔体的一侧开设有长条孔，所述长条孔中安装有滑动板，所述滑动板上连接有限位板，通过连接件穿过所述长条孔与限位板将所述圆柱腔体与所述滑动板连接，将所述颗粒放置在所述圆柱腔体中形成单颗粒阻尼减振器；所述单颗粒阻尼减振器为多个，多个相同的所述单颗粒阻尼减振器的所述
圆柱腔体的两个底面分别连接在法兰盘的两个侧面上，所述法兰盘的另外两个侧面分别与所述管类结构连接。
7.可选实施例中，轴线与所述管类结构的轴线垂直的圆柱腔体的一侧开设有长条孔，所述长条孔中安装有滑动板，所述滑动板上连接有限位板，通过连接件穿过所述长条孔与限位板将所述圆柱腔体与所述滑动板连接，将所述颗粒放置在所述圆柱腔体中，所述圆柱腔体的未开设所述长条孔的一侧与碰撞板连接后形成单颗粒阻尼减振器；所述单颗粒阻尼减振器为多个，多个相同的所述单颗粒阻尼减振器的所述圆柱腔体中设有所述碰撞板的一侧连接在法兰盘的两个侧面上，所述圆柱腔体中设有所述长条孔的一侧露在所述法兰盘的外侧。
8.可选实施例中，所述滑动板可沿所述长条孔滑动以调节所述颗粒的运动间距。
9.可选实施例中，所述颗粒的运动方向与所述管类结构的振动方向应一致。
10.可选实施例中，所述颗粒采用钢、玻璃或铅材料制作。
11.可选实施例中，在所述单颗粒阻尼减振器的碰撞面或者所述颗粒的表面上可粘贴高阻尼材料或者缓冲材料。
12.可选实施例中，在所述圆柱腔体中填充不同的黏滞液体，当所述滑动板沿所述长条孔滑动后在所述圆柱腔体上形成间隙时，采用薄膜将所述间隙封闭。。
13.可选实施例中，所述管类结构为圆形或方形。
14.另一方面，本发明还提供了一种上述管类箍形并联式宽频颗粒减振器的设计方法，包括如下步骤：确定所述管类箍形并联式宽频颗粒减振器中所述颗粒的总质量、个数、半径及运动间距；根据所述颗粒的设计信息，确定两所述圆柱腔体的尺寸及所述长条孔的尺寸。
15.可选实施例中，所述管类结构的振动特性包括质量m、阻尼系数c和刚度k，所述管类结构的位移、速度和加速度分别为x、和所述质量m为管类结构(10)与颗粒减振器中除颗粒(3)外的其它构件的质量之和，所述颗粒质量为m
p
，所述颗粒的位移、速度和加速度分别为x
p
、和d为所述颗粒运动间距，g为重力加速度，α为所述颗粒与所述管类结构在振动方向的夹角，p0为简谐激励强度；ω为简谐激励频率，建立所述管类结构系统在简谐激励下的运动方程为：
[0016][0017]
化简为：
[0018][0019]
其中μ＝m
p
/m。
[0020]
在所述颗粒与所述管类结构未发生碰撞时，其位移响应为
(σ
2-σ1)+σ1σ2[(1+h2)(βωn+θ1)+h1(ζω
n-θ2)]}，)]}，
[0034]
可选实施例中，当τ＝π时所述减振器的性能达到最优，最终可获得颗粒的最优运动间距为：
[0035][0036]
可选实施例中，根据所获得的所述管类箍形并联式宽频颗粒减振器中的所述颗粒的总质量及运动间距，确定所述颗粒的个数n和半径r；根据所述颗粒确定所述圆柱腔体的尺寸为d
op
+2r，所述长条孔的尺寸可依据所述管类结构所受的动力荷载获得的最大d
op
值确定。
[0037]
本发明的有益效果在于：
[0038]
(1)本发明中的管类箍形并联式宽频颗粒减振器，当管类结构振动时，管类箍形并联式宽频颗粒减振器通过颗粒与管类结构发生碰撞时两者间的动量交换和碰撞耗能实现了对管类结构振动的有效控制，恢复了管类结构的正常使用状态，并提高了其适应性、耐久性和安全性，而且颗粒运动间距可以调节，减振频带更宽。
[0039]
(2)本发明中的管类箍形并联式宽频颗粒减振器，减振效果好及频带宽。管类箍形并联式宽频颗粒减振器由多个颗粒组成，但每个颗粒均有独立腔体，且在侧壁约束下只能沿管类结构振动方向运动，减振效果好，并且可以调节颗粒的运动间距，对管类结构在动力荷载下的减振频带更宽，应用更加灵活。
[0040]
(3)本发明中的管类箍形并联式宽频颗粒减振器，管类结构在线工作或正常使用时，只需通过螺栓就可将减振器与管类结构连接，安装方便。管类箍形并联式宽频颗粒减振器可根据管类结构的振动方向进行旋转，保证颗粒的运动方向与管类结构的振动方向一致，使其具有良好的减振效果，适用范围更广。管类箍形并联式宽频颗粒减振器具有可工厂化生产、加工方便、节约空间和可置换等优点，加工成本低，在减振器发生振损后修复速度快，可进行简易置换。
附图说明
[0041]
图1为本发明一种管类箍形并联式宽频颗粒减振器的三维图。
[0042]
图2为本发明适用于管类结构轴向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器的三维图。
[0043]
图3为本发明适用于管类结构轴向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器的细部图。
[0044]
图4为本发明适用于管类结构轴向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器的正视图。
[0045]
图5为本发明适用于管类结构轴向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器的侧视图。
[0046]
图6为本发明适用于管类结构轴向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器的剖面图。
[0047]
图7为本发明适用于管类结构径向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器的三维图。
[0048]
图8为本发明适用于管类结构径向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器的细部图。
[0049]
图9为本发明适用于管类结构径向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器的侧视图。
[0050]
图10为本发明适用于管类结构径向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器的剖面图。
[0051]
图11为本发明圆柱腔体的三维图。
[0052]
图12为本发明法兰盘的三维图。
[0053]
图13为本发明滑动板的三维图。
[0054]
图中，1-圆柱腔体，2-长条孔，3-颗粒，4-滑动板，5-螺栓，6-限位板，7-螺栓孔，8-法兰盘，9-碰撞板，10-管类结构。
具体实施方式
[0055]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0056]
实施例一
[0057]
请参阅附图1-13，本实施例的目的在于提供了一种管类箍形并联式宽频颗粒减振器，包括：多段管类结构10，管类结构10为圆形或方形，以适用于多种横截面类型的管类结构的10减振。多段管类结构10之间设置有并联式宽频颗粒减振器；并联式宽频颗粒减振器由用于轴向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器、用于径向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器组成。
[0058]
其中，用于轴向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器中设置有轴线与管类结构10的轴线平行的圆柱腔体1，轴线与管类结构10的轴线平行的圆柱腔体1中设置有颗粒3；用于径向减振的管类箍形并联式宽频颗粒减振器中设置有轴线与管类结构10的轴线垂直的圆柱腔体1，轴线与管类结构10的轴线垂直的圆柱腔体1中设置有颗粒3。
[0059]
优选地，颗粒3的运动方向与管类结构10的振动方向应一致，颗粒3采用钢、玻璃或铅等硬度大的材料制作。在单颗粒阻尼减振器的碰撞面或者颗粒3的表面上可粘贴高阻尼材料或者缓冲材料，改变颗粒3与管类结构10的接触面属性，可以为橡胶、聚氨酯等，降低颗粒3与管类结构碰撞过程中的产生的噪声，进一步提高耗能，提高其减振效果。在圆柱腔体1中填充不同的黏滞液体，当所述滑动板4沿所述长条孔2滑动后在所述圆柱腔体1上形成间隙时，采用薄膜将所述间隙封闭，防止液体泄漏。
[0060]
具体地，轴线与管类结构10的轴线平行的圆柱腔体1的一侧开设有长条孔2，长条孔2中安装有滑动板4，滑动板4上连接有限位板6，通过连接件5穿过长条孔2与限位板6将圆柱腔体1与滑动板4连接，将颗粒3放置在圆柱腔体1中形成单颗粒阻尼减振器。单颗粒阻尼
减振器为多个，多个相同的单颗粒阻尼减振器的圆柱腔体1的两个底面分别连接在法兰盘8的两个侧面上，法兰盘8的另外两个侧面分别与管类结构10连接。需要指出的是，滑动板4可沿长条孔2滑动以调节颗粒3的运动间距。
[0061]
进一步地，轴线与管类结构10的轴线垂直的圆柱腔体1的一侧开设有长条孔2，长条孔2中安装有滑动板4，滑动板4上连接有限位板6，通过连接件5穿过长条孔2与限位板6将圆柱腔体1与滑动板4连接，将颗粒3放置在圆柱腔体1中，圆柱腔体1的未开设长条孔2的一侧与碰撞板9连接后形成单颗粒阻尼减振器；单颗粒阻尼减振器为多个，多个相同的单颗粒阻尼减振器的圆柱腔体1中设有碰撞板9的一侧连接在法兰盘8的两个侧面上，圆柱腔体1中设有长条孔2的一侧露在法兰盘8的外侧，优选地，连接件5均为螺栓。值得一提的是，滑动板4可沿长条孔2滑动以调节颗粒3的运动间距。可以看出，管类箍形并联式宽频颗粒减振器由多个颗粒3组成，但每个颗粒3均有独立腔体，且在侧壁约束下只能沿管类结构振动方向运动，减振效果好，并且可以调节颗粒3的运动间距，对管类结构10在动力荷载下的减振频带更宽，应用更加灵活。
[0062]
该管类箍形并联式宽频颗粒减振器可预制加工并在现场进行快速装配，管类结构10在线工作时即可通过螺栓与减振器连接，能够充分抑制管类结构10的振动，提高管类结构10的抗振性能和安全性，且减振器在损伤后易于置换。此外，管类箍形并联式宽频颗粒减振器可根据管类结构10的振动方向进行旋转，保证颗粒3的运动方向与管类结构10的振动方向一致，使其具有良好的减振效果，适用范围更广。管类箍形并联式宽频颗粒减振器具有可工厂化生产、加工方便、节约空间和可置换等优点，加工成本低，在减振器发生振损后修复速度快，可进行简易置换。
[0063]
实施例二
[0064]
本实施例的目的在于提供了一种管类箍形并联式宽频颗粒减振器的设计方法，包括如下步骤：确定管类箍形并联式宽频颗粒减振器中颗粒3的总质量、个数、半径及运动间距；根据颗粒3的设计信息，确定两圆柱腔体1的尺寸及长条孔2的尺寸。
[0065]
具体地，管类结构10的振动特性包括质量m、阻尼系数c和刚度k，管类结构10的位移、速度和加速度分别为x、和质量m为管类结构10与颗粒减振器中除颗粒3外的其它构件的质量之和，颗粒3质量为m
p
，颗粒3的位移、速度和加速度分别为x
p
、和d为颗粒3运动间距，g为重力加速度，α为颗粒3与管类结构10在振动方向的夹角，p0为简谐激励强度；ω为简谐激励频率，建立管类结构10系统在简谐激励下的运动方程为：
[0066][0067]
化简为：
[0068][0069]
其中μ＝m
p
/m。
[0070]
在颗粒3与管类结构10未发生碰撞时，其位移响应为
(σ
2-σ1)+σ1σ2[(1+h2)(βωn+θ1)+h1(ζω
n-θ2)]}，)]}，
[0084]
当τ＝π时减振器的性能达到最优，最终可获得颗粒的最优运动间距为：
[0085][0086]
最后，根据所获得的管类箍形并联式宽频颗粒减振器中的颗粒3的总质量及运动间距，确定颗粒3的个数n和半径r；根据颗粒3确定圆柱腔体1的尺寸为d
op
+2r，长条孔2的尺寸可依据管类结构10所受的动力荷载获得的最大d
op
值确定。
[0087]
通过以上方法设计的管类箍形并联式宽频颗粒减振器，当管类结构振动时，管类箍形并联式宽频颗粒减振器通过颗粒3与管类结构10发生碰撞时两者间的动量交换和碰撞耗能实现了对管类结构10振动的有效控制，恢复了管类结构10的正常使用状态，并提高了其适应性、耐久性和安全性，而且颗粒3运动间距可以调节，减振频带更宽。
[0088]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。