本發(fā)明屬于管道工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種試驗(yàn)裝置，尤其是涉及一種用于測試流體振動(dòng)對(duì)管道疲勞損傷的試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

當(dāng)高速高壓的氣體、液體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于管道有彎曲及固定不牢固，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)；氣液兩相流在管道中流動(dòng)時(shí)，最常見的流型為段塞流，段塞流進(jìn)入立管后，不僅會(huì)使管內(nèi)壓力和出口流量呈現(xiàn)周期性劇烈波動(dòng)，還會(huì)誘導(dǎo)管線振動(dòng)，這種振動(dòng)帶來的危害是巨大的，例如，可造成精密儀器(如傳感器、儀表等)容易失效，影響資料的錄取和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；同時(shí)，處于長時(shí)間的振動(dòng)環(huán)境下，管道要承受遠(yuǎn)大于其平穩(wěn)流動(dòng)的負(fù)荷，給其強(qiáng)度帶來極大考驗(yàn)，縮短管道的使用壽命，甚至引發(fā)管道本身、管道附件產(chǎn)生疲勞破壞；此外，長時(shí)間的振動(dòng)還容易使連接部件松脫，影響其工作性能以至于發(fā)生安全事故。

為了減輕和抑制振動(dòng)對(duì)管道造成的損害，需要更深入地了解管內(nèi)流體誘導(dǎo)管道振動(dòng)疲勞損傷的機(jī)理。目前，工程中還缺乏一種裝置簡單、易于操作、測試費(fèi)用低廉并能模擬振動(dòng)沿管道傳播的流體振動(dòng)對(duì)管道疲勞損傷的試驗(yàn)裝置。

申請(qǐng)?zhí)枮?01410681414.5的中國專利公開了一種基于實(shí)時(shí)測量震動(dòng)加速度數(shù)據(jù)的管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力和疲勞監(jiān)控的新系統(tǒng)，包括：1)震動(dòng)傳感記錄器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控在管道結(jié)構(gòu)不同位置采集得到的加速度信息；2)對(duì)采集到的加速度數(shù)據(jù)通過傅里葉變換，把數(shù)據(jù)從時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域下，可以得到所安裝位置受到激發(fā)的頻率以及震動(dòng)的振幅；3)測量得到的激發(fā)頻率和預(yù)先分析得到的解析結(jié)果比較和篩選，由模態(tài)選擇和疊加方法精確得到所在測量位置的曲率和應(yīng)力；4)通過反傅里葉變換后，把在頻域下的應(yīng)力分布轉(zhuǎn)換為在時(shí)域下的應(yīng)力分布，計(jì)算得到任何關(guān)鍵位置疲勞損傷。上述專利一種安裝在已建成管道的上的應(yīng)力和疲勞監(jiān)測系統(tǒng)，主要是通過安裝在管道上不同部位的傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行換算、比較和篩選，進(jìn)而分析管道結(jié)構(gòu)實(shí)際工作時(shí)的應(yīng)力。不同于上述專利，本發(fā)明是在管道安裝前，通過動(dòng)力加載裝置模擬管道即將承受的振動(dòng)荷載對(duì)管道結(jié)構(gòu)的影響，檢測分析管道的質(zhì)量是否符合預(yù)定的質(zhì)量控制要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能模擬振動(dòng)沿管道傳播過程，動(dòng)荷載波形穩(wěn)定、可靠的用于測試流體振動(dòng)對(duì)管道疲勞損傷的試驗(yàn)裝置。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種用于測試流體振動(dòng)對(duì)管道疲勞損傷的試驗(yàn)裝置，該裝置包括試驗(yàn)箱、埋設(shè)在試驗(yàn)箱中的測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)、動(dòng)荷載加壓系統(tǒng)、設(shè)置在動(dòng)荷載加壓系統(tǒng)中并與測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)相連接的加壓氣囊、與測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)配合使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述的動(dòng)荷載加壓系統(tǒng)向加壓氣囊施加簡諧振動(dòng)荷載，加壓氣囊向測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)傳送波動(dòng)氣流，所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)中待測試管道因波動(dòng)氣流而產(chǎn)生的變形及受力情況。

所述的動(dòng)荷載加壓系統(tǒng)包括加壓氣囊固定箱、設(shè)置在加壓氣囊固定箱上部且與加壓氣囊固定箱滑動(dòng)連接的動(dòng)荷載加壓板、設(shè)置在動(dòng)荷載加壓板上的偏心對(duì)轉(zhuǎn)齒輪單元、與偏心對(duì)轉(zhuǎn)齒輪單元傳動(dòng)連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及與驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)稱設(shè)置的配重塊，該配重塊的質(zhì)量與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的質(zhì)量相同。

所述的動(dòng)荷載加壓板與加壓氣囊固定箱之間設(shè)有用于安置加壓氣囊的固定腔，所述的動(dòng)荷載加壓板與加壓氣囊固定箱相連接的部位還設(shè)有滑動(dòng)棒，并通過滑動(dòng)棒可上下往復(fù)移動(dòng)地設(shè)置在加壓氣囊固定箱上。

所述的偏心對(duì)轉(zhuǎn)齒輪單元包括一對(duì)質(zhì)量相同且相互嚙合的轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪、分別位于兩轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪同一位置上且形狀質(zhì)量完全相同的偏心塊、設(shè)置在其中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的傳動(dòng)鏈條。

所述的偏心塊為扇形偏心塊。

所述的測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)包括埋設(shè)在試驗(yàn)箱中的試驗(yàn)管道、設(shè)置在試驗(yàn)管道內(nèi)部的管道內(nèi)氣囊、N個(gè)沿管道內(nèi)氣囊長度方向均勻布設(shè)在管道內(nèi)氣囊中的隔板以及設(shè)置在隔板上的延時(shí)氣壓閥，所述的管道內(nèi)氣囊底部通過氣管與加壓氣囊相連，所述的試驗(yàn)管道底部設(shè)有可拆卸的底板，N個(gè)隔板將管道內(nèi)氣囊分隔成N+1個(gè)隔艙，其中，N≥1，且N為整數(shù)。

所述的延時(shí)氣壓閥設(shè)置在隔板的正中心，且所述的延時(shí)氣壓閥包括插設(shè)在隔板上的氣壓閥閥體、設(shè)置在氣壓閥閥體內(nèi)的通氣孔、套設(shè)在氣壓閥閥體上且將通氣孔覆蓋的橡膠膜以及夾設(shè)在橡膠膜上的彈簧管夾。

所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括沿氣流方向依次設(shè)置在氣管上的閥門、氣體壓力表及氣體流量計(jì)、設(shè)置在試驗(yàn)管道外側(cè)壁上的加速度傳感器、速度傳感器及應(yīng)變片。

所述的試驗(yàn)箱的頂板與試驗(yàn)管道之間設(shè)有試驗(yàn)管道豎向加壓單元，該試驗(yàn)管道豎向加壓單元包括設(shè)置在試驗(yàn)管道頂部且與試驗(yàn)管道貼緊設(shè)置的豎向加壓板、布設(shè)在豎向加壓板上的第一鋼管以及一端與試驗(yàn)箱頂板下表面固定連接，另一端插設(shè)在第一鋼管中的第二鋼管。

所述的第一鋼管上沿軸向開設(shè)有多個(gè)第一螺栓孔，所述的第二鋼管上沿軸向開設(shè)有與多個(gè)第一螺栓孔一一對(duì)應(yīng)的第二螺栓孔，在工作狀態(tài)下，將螺栓依次插入第一螺栓孔及相應(yīng)的第二螺栓孔中，將第一鋼管與第二鋼管固定連接。

本發(fā)明中，所述的加壓氣囊采用彈性纖維制成。

在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)荷載加壓系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過傳動(dòng)鏈條帶動(dòng)兩個(gè)大小、重量都相同的相互嚙合的轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪上的同一位置分別固定有完全相同的偏心塊，由于偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的水平分力相互抵消，而豎向分力相互疊加，通過動(dòng)荷載加壓板向加壓氣囊輸出簡諧振動(dòng)荷載。在與驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)稱的位置處安裝配重塊，該配重塊的質(zhì)量與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相同。為防止動(dòng)荷載加壓板水平晃動(dòng)，在加壓氣囊固定箱與動(dòng)荷載加壓板之間設(shè)置滑動(dòng)棒。在加壓氣囊固定箱的限制下，氣囊受力只能通過氣管向管道內(nèi)氣囊傳送動(dòng)荷載。

所述的測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)中，試驗(yàn)管道加裝底板后，被埋置于試驗(yàn)箱中，通過豎向加壓板限制試驗(yàn)管道和管道內(nèi)氣囊的豎向運(yùn)動(dòng)，而且可以通過一端嵌套在第一鋼管中的第二鋼管以及螺栓來調(diào)節(jié)豎向加壓板深入試驗(yàn)箱中的深度。實(shí)際安裝時(shí)，將管道內(nèi)氣囊塞入試驗(yàn)管道后，安裝試驗(yàn)管道的底板，然后將其埋置于試驗(yàn)箱的地層中，管道內(nèi)氣囊內(nèi)部由剛性樹脂板(即隔板)分割為若干個(gè)隔艙，每個(gè)剛性樹脂板的中心安裝一個(gè)延時(shí)氣壓閥；加壓氣囊內(nèi)的氣體受壓后，首先進(jìn)入管道內(nèi)氣囊中最底部的隔艙，當(dāng)最底部的隔艙與其緊鄰上方的隔艙之間的壓力差超過彈簧管夾的夾合力和橡膠膜的緊固力時(shí)，氣體可從最底部的隔艙進(jìn)入其緊鄰上方的隔艙，以此類推，直至受壓氣體進(jìn)入最上方的隔艙中。

所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，氣體流量計(jì)、氣體壓力表、閥門安裝在氣管上，用以控制氣管的開啟、監(jiān)測氣體流量和壓力；而應(yīng)變片、加速度傳感器、速度傳感器安裝于試驗(yàn)管道的外側(cè)，用于監(jiān)測管道的變形和受力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，模塊化清晰，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性好，可模擬振動(dòng)的傳播過程對(duì)管道的疲勞損傷，并且動(dòng)荷載波形穩(wěn)定、可靠，適用性廣，操作更加簡便快捷，具有很好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中延時(shí)氣壓閥的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中標(biāo)記說明：

1—試驗(yàn)管道、2—管道內(nèi)氣囊、21—隔板、3—延時(shí)氣壓閥、31—通氣孔、32—橡膠膜、33—彈簧管夾、34—?dú)鈮洪y閥體、4—試驗(yàn)箱、41—豎向加壓板、42—第二鋼管、43—第一鋼管、44—螺栓、5—轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪、51—偏心塊、6—驅(qū)動(dòng)電機(jī)、61—傳動(dòng)鏈條、7—配重塊、8—?jiǎng)雍奢d加壓板、81—滑動(dòng)棒、9—加壓氣囊、10—加壓氣囊固定箱、11—底板、12—?dú)夤堋?3—?dú)怏w流量計(jì)、14—?dú)怏w壓力表、15—閥門、16—地層、17—應(yīng)變片、18—加速度傳感器、19—速度傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例：

如圖1所示，一種用于測試流體振動(dòng)對(duì)管道疲勞損傷的試驗(yàn)裝置，該裝置包括試驗(yàn)箱4、埋設(shè)在試驗(yàn)箱4中的測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)、動(dòng)荷載加壓系統(tǒng)、設(shè)置在動(dòng)荷載加壓系統(tǒng)中并與測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)相連接的加壓氣囊9、與測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)配合使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，動(dòng)荷載加壓系統(tǒng)向加壓氣囊9施加簡諧振動(dòng)荷載，加壓氣囊9向測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)傳送波動(dòng)氣流，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)中試驗(yàn)管道1因波動(dòng)氣流而產(chǎn)生的變形及受力情況。

其中，動(dòng)荷載加壓系統(tǒng)包括加壓氣囊固定箱10、設(shè)置在加壓氣囊固定箱10上部且與加壓氣囊固定箱10滑動(dòng)連接的動(dòng)荷載加壓板8、設(shè)置在動(dòng)荷載加壓板8上的偏心對(duì)轉(zhuǎn)齒輪單元、與偏心對(duì)轉(zhuǎn)齒輪單元傳動(dòng)連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)6以及與驅(qū)動(dòng)電機(jī)6對(duì)稱設(shè)置的配重塊7，該配重塊7的質(zhì)量與驅(qū)動(dòng)電機(jī)6的質(zhì)量相同。動(dòng)荷載加壓板8與加壓氣囊固定箱10之間設(shè)有用于安置加壓氣囊9的固定腔，動(dòng)荷載加壓板8與加壓氣囊固定箱10相連接的部位還設(shè)有滑動(dòng)棒81，并通過滑動(dòng)棒81可上下往復(fù)移動(dòng)地設(shè)置在加壓氣囊固定箱10上。偏心對(duì)轉(zhuǎn)齒輪單元包括一對(duì)質(zhì)量相同且相互嚙合的轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪5、分別位于兩轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪5同一位置上且形狀質(zhì)量完全相同的偏心塊51、設(shè)置在其中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪5與驅(qū)動(dòng)電機(jī)6之間的傳動(dòng)鏈條61。偏心塊51為扇形偏心塊。

測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)包括埋設(shè)在試驗(yàn)箱4中的試驗(yàn)管道1、設(shè)置在試驗(yàn)管道1內(nèi)部的管道內(nèi)氣囊2、N個(gè)沿管道內(nèi)氣囊2長度方向均勻布設(shè)在管道內(nèi)氣囊2中的隔板21以及設(shè)置在隔板21上的延時(shí)氣壓閥3，管道內(nèi)氣囊2底部通過氣管12與加壓氣囊9相連，試驗(yàn)管道1底部設(shè)有可拆卸的底板11，N個(gè)隔板21將管道內(nèi)氣囊2分隔成N+1個(gè)隔艙，其中，N≥1，且N為整數(shù)。延時(shí)氣壓閥3設(shè)置在隔板21的正中心，且延時(shí)氣壓閥3包括插設(shè)在隔板21上的氣壓閥閥體34、設(shè)置在氣壓閥閥體34內(nèi)的通氣孔31、套設(shè)在氣壓閥閥體34上且將通氣孔31覆蓋的橡膠膜32以及夾設(shè)在橡膠膜32上的彈簧管夾33，如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括沿氣流方向依次設(shè)置在氣管12上的閥門15、氣體壓力表14及氣體流量計(jì)13、設(shè)置在試驗(yàn)管道1外側(cè)壁上的加速度傳感器18、速度傳感器19及應(yīng)變片17。

本實(shí)施例中，試驗(yàn)箱4的頂板與試驗(yàn)管道1之間設(shè)有試驗(yàn)管道豎向加壓單元，該試驗(yàn)管道豎向加壓單元包括設(shè)置在試驗(yàn)管道1頂部且與試驗(yàn)管道1貼緊設(shè)置的豎向加壓板41、布設(shè)在豎向加壓板41上的第一鋼管43以及一端與試驗(yàn)箱4頂板下表面固定連接，另一端插設(shè)在第一鋼管43中的第二鋼管42。第一鋼管43上沿軸向開設(shè)有多個(gè)第一螺栓孔，第二鋼管42上沿軸向開設(shè)有與多個(gè)第一螺栓孔一一對(duì)應(yīng)的第二螺栓孔，在工作狀態(tài)下，將螺栓44依次插入第一螺栓孔及相應(yīng)的第二螺栓孔中，將第一鋼管43與第二鋼管42固定連接。

在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)荷載加壓系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)6通過傳動(dòng)鏈條61帶動(dòng)兩個(gè)大小、重量都相同的相互嚙合的轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪5上的同一位置分別固定有完全相同的偏心塊51，由于偏心塊51轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的水平分力相互抵消，而豎向分力相互疊加，通過動(dòng)荷載加壓板8向加壓氣囊9輸出簡諧振動(dòng)荷載。在與驅(qū)動(dòng)電機(jī)6對(duì)稱的位置處安裝配重塊7，該配重塊7的質(zhì)量與驅(qū)動(dòng)電機(jī)6相同。為防止動(dòng)荷載加壓板8水平晃動(dòng)，在加壓氣囊固定箱10與動(dòng)荷載加壓板8之間設(shè)置滑動(dòng)棒81。在加壓氣囊固定箱10的限制下，加壓氣囊9受力只能通過氣管12向管道內(nèi)氣囊2傳送動(dòng)荷載。

測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)中，試驗(yàn)管道1加裝底板11后，被埋置于試驗(yàn)箱4中，通過豎向加壓板41限制試驗(yàn)管道1和管道內(nèi)氣囊2的豎向運(yùn)動(dòng)，而且可以通過一端嵌套在第一鋼管43中的第二鋼管42以及螺栓44來調(diào)節(jié)豎向加壓板41深入試驗(yàn)箱4中的深度。實(shí)際安裝時(shí)，將管道內(nèi)氣囊2塞入試驗(yàn)管道1后，安裝試驗(yàn)管道1的底板11，然后將其埋置于試驗(yàn)箱4的地層16中，管道內(nèi)氣囊2內(nèi)部由剛性樹脂板(即隔板21)分割為若干個(gè)隔艙，每個(gè)剛性樹脂板的中心安裝一個(gè)延時(shí)氣壓閥3；加壓氣囊9內(nèi)的氣體受壓后，首先進(jìn)入管道內(nèi)氣囊2中最底部的隔艙，當(dāng)最底部的隔艙與其緊鄰上方的隔艙之間的壓力差超過彈簧管夾33的夾合力和橡膠膜32的緊固力時(shí)，氣體可從最底部的隔艙進(jìn)入其緊鄰上方的隔艙，以此類推，直至受壓氣體進(jìn)入最上方的隔艙中。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，氣體流量計(jì)13、氣體壓力表14、閥門15安裝在氣管12上，用以控制氣管12的開啟、監(jiān)測氣體流量和壓力；而應(yīng)變片17、加速度傳感器18、速度傳感器19安裝于試驗(yàn)管道1的外側(cè)，用于監(jiān)測管道的變形和受力。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。