一种圆管侧向甩击装置及其试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种圆管侧向甩击装置及其试验方法，具体地说，是一种甩动的圆管以不同角度撞击圆管的动态试验测试系统，属于动力学实验装置领域。
【背景技术】
[0002]压力管道广泛应用于核电站、石油化工、煤气及民用建筑等重要产业部门，主要用来输送各种高能量(高温、高压)液体或气体。由于意外事故的发生，压力管道上可能会出现一些局部裂纹和破坏，导致大量有害的液体或气体外泄，一方面形成了环境污染甚至产生爆炸和火灾，造成生命财产的巨大损失，另一方面管道一旦破裂，喷射出的高压流体将产生巨大的反作用力，会造成管道高速度、大范围的甩动，引起二次破坏，从而引发连锁性的灾难事故。因此，压力管道发生断裂破坏后的甩动以及与相邻管道间发生的不同角度的撞击的研宄，对于安全生产有着十分重要的工程背景，受到了工程界和应用力学界的高度重视。
[0003]关于圆管甩动的塑性动力响应的研宄已经取得了一些进展，太原理工大学的张善元教授与路国运教授对圆管包括充液管道受子弹、落锤冲击作用下的动态响应做了大量研宄，已取得很多有意义的成果，也有其他学者对圆管的动态冲击问题进行了大量研宄，对工业生产设计以及事故破坏程度评估有重大意义。然而目前大部分研宄都局限于子弹及落锤对圆管轴向或横向地撞击，很少有人研宄管道与管道之间的相撞问题，尤其是管道相撞的实验研宄还未有人报道过，相关的实验设备也未有人设计提出过。
[0004]由于管道撞击中仍有很多问题值得探讨，如圆管甩动时局部凹陷的发展及其影响，不同撞击角度对被撞管的破坏程度的影响等，而对于甩动的圆管与圆管结构及其与其它结构和设备的撞击问题将带来更多的耦合效应，使得分析更加复杂并可能出现一些特殊现象。另一方面，管道与管道之间的撞击问题又是一个非常有实际应用前景的研宄课题，因此有必要研制一套圆管甩动撞击圆管的动态测试系统。由于实际生产事故中管道发生破裂的位置不确定，且在其甩动过程中会受到墙壁等的影响而改变其甩动方向，管道对其他管道的撞击可能是任意角度的，其撞击情况多样，撞击结果不唯一，破坏程度不确定，给分析研宄带来了很大困难。为了进一步对管道甩动中可能发生的管与管之间的侧向撞击问题进行研宄，分析两管撞击动力响应的特点，研宄不同情况下管道被撞的破坏程度，以评估管道甩动对其它管道的影响，有必要设计一套可实现不同撞击条件的管道撞击系统，为管道甩击现象的研宄分析提供有效的实验数据。
【发明内容】
[0005]本发明旨在提供一种圆管侧向甩击装置及其试验方法，实现了管道侧向甩动撞击管道的试验过程，对高压管道断裂后甩动过程中可能发生的管与管的非正交撞击现象进行实验测试，为两管非正交撞击的动力响应研宄提供实验条件，以评估管道甩动对其它管道的影响。
[0006]本发明是通过以下技术解决方案实现的: 本发明提供了一种圆管侧向甩击装置，包括主动管、从动管、支承装置、加载装置和测量装置，主动管一端与支承装置铰接，从动管与主动管正交，从动管两端通过支承装置固定，加载装置位于主动管的端部，测量装置设置在主动管、从动管两侧；
所述支承装置包括槽钢平台、主动管旋转底座、主动管旋转台、从动管固定支座、辊轴与套筒，槽钢平台上设有螺栓槽，主动管旋转底座和从动管固定支座通过螺栓固定在槽钢平台上，主动管旋转底座由垂直相交的两块板组成，水平板通过螺栓固定在槽钢平台上，竖直板中心设有孔，主动管旋转底座中心孔的两端等距离处分别设有弧形导槽，上端导槽上方设有刻度盘，主动管旋转台与主动管旋转底座的竖直板平行设置，主动管旋转台中心设有凸起的轴，该轴插入主动管旋转底座的竖直板中心孔内，二者配合连接，且主动管旋转台能沿中心轴相对于主动管旋转底座旋转，主动管旋转台上下端分别设有螺栓，螺栓位置与主动管旋转底座上的弧形导槽对应设置，螺栓能沿弧形导槽左右转动，旋转台上端设有指针，指针与主动管旋转底座上方的刻度线接触；旋转台上垂直设置三块立板，三块立板平行设置，三块立板包括两块中心立板和一块外侧立板；套筒为相互垂直的圆管，水平段套筒与主动管连接，垂直段套筒内有一条凸棱，同时辊轴表面对应设置一条贯通卡槽，辊轴穿过中心立板与垂直段套筒，齿轮与套筒通过辊轴卡槽与辊轴固定；
所述加载装置包括两个扭簧、齿轮装置、电机、弹簧、滚珠、高度角旋转盘，电机位于旋转台两中心立板中间并通过螺栓固定在旋转台上，电机与辊轴通过齿轮装置连接，齿轮位于中心立板和外侧立板之间，扭簧分别位于垂直段套筒两侧，弹簧设置在齿轮内侧与中心立板接触，辊轴依次穿过中心立板、垂直段套筒、另一块中心立板、弹簧、齿轮，端部与外侧立板上的高度角旋转盘相抵，滚珠位于齿轮外侧与旋转台的外侧立板之间，高度角旋转盘嵌入旋转台的外侧立板内侧，滚珠与高度角旋转盘接触，高度角旋转盘径向两端设有两个槽孔与滚珠对应，在旋转台的外侧立板对应设置有两个弧形导槽，高度角旋转盘中心设有转轴嵌入外侧立板中心，高度角旋转盘的槽孔旁边设有螺栓柱穿过外侧立板弧形导槽固定高度角旋转盘；
所述测量装置包括高速摄像机、动态应变仪、示波器、激光测速器和应变片，所述激光测速器位于水平主动管两侧，高速摄像机位于从动管外侧，从动管中部上方及侧面均贴有应变片，应变片连接动态应变仪与示波器。
[0007]上述方案中，所述螺栓槽平行设置在槽钢平台上，且贯通槽钢平台，相邻螺栓槽之间的距离相等，能在任意位置处通过螺栓固定主动管旋转底座与从动管固定支座。由于槽钢平台开有多条螺栓槽，从动管固定位置可任意调整，从而实现从动管跨距可调，主动管甩动半径可调。
[0008]上述方案中，所述主动管与套筒连接的一端设有两个正交圆孔，通过两个正交的螺栓固定于套筒内，以方便主动管更换。
[0009]上述方案中，所述主动管旋转台发生旋转时，通过指针在主动管旋转底座的刻度线上的指示读出旋转角度根据旋转底座的刻度盘可读出旋转角度，即撞击角度，因此可控制旋转台的转动角度，从而实现不同角度的管道甩击实验。
[0010]上述方案中，所述旋转台沿主动管旋转底座旋转角度的范围为-60° -60°，之后通过螺栓固定，其旋转中心为主动管水平时的轴线，因此旋转台角度不同时都可以使主动管撞击从动管时的落点相同，从而实现不同角度撞击的同时更有利于记录撞击过程。
[0011]上述方案中，所述高度角旋转盘沿旋转台外侧立板旋转角度0.的范围为0° -60°，之后通过螺栓固定，通过刻度指示读出旋转角度，因此通过控制高度角旋转盘的转动角度，从而实现主动管提升不同高度时自动释放主动管，即主动管以不同速度甩动。
[0012]上述方案中，所述高度角旋转盘有两个槽孔，齿轮盘外侧设有两个滚珠与高度角旋转盘开设的槽孔位置一致，高度角旋转盘通过螺栓柱固定在外侧立板上。实验开始前通过螺栓柱旋转高度角旋转盘至一定角度，用螺栓固定，齿轮的两滚珠水平。电机起动旋转齿轮带动辊轴上的齿轮转动，从而提升主动管，当辊轴上的齿轮转至一定角度使其滚珠与高度角旋转盘上的槽孔一致时，在弹簧作用下齿轮与辊轴之间产生相对滑动，滚珠陷入高度角旋转盘的槽孔内，电机的齿轮与辊轴上的齿轮错位，扭矩失去，主动管在扭簧作用下发生甩动，撞击从动管。调整高度角旋转盘的角度可以控制主动管的提升角度，从而达到不同冲击速度的撞击效果。
[0013]本发明提供了一种上述装置的试验方法，包括以下步骤:
(1)安装支承装置、加载装置、主动管以及从动管:根据实验目的，先将主动管旋转底座和从动管固定支座固定于槽钢平台，将从动管两端通过夹具固定于从动管固定支座，再将主动管旋转台的凸轴插入旋转底座，之后将加载装置及主动管安装至旋转台，并保证主动管与两滚珠水平，加载装置中两个扭簧分别位于水平段套筒两侧并套在垂直段套筒上，辊轴依次穿过中心立板、垂直段套筒、另一块中心立板、