胶泥阻尼器一种设计方法的试验验证

贾九红，华宏星

(1.华东理工大学 机械与动力工程学院承压系统安全科学教育部重点实验室，上海 200237;2.上海交通大学 机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240)

核电厂中旋转设备和管系的振动是普遍存在的问题，目前主要使用液压阻尼器和机械阻尼器进行防护。据调查表明［1-2］，阻尼器的故障率较高，液压阻尼器时有泄漏现象发生，机械阻尼器的锁死现象会对管系的安全造成较大的威胁，因此阻尼器在核电厂的使用呈削减的趋势，阻尼器的改进和替换逐步成为核电站安全防护的主要工作，而对于承受碰撞冲击载荷过大的阻尼器，目前普遍采用能量吸收器进行替换［3］。由于胶泥阻尼器对冲击能量的吸收率较高，并且设备受到的冲击速度很大时，阻尼器的阻抗力很大，当受到冲击速度很小时，阻尼器的阻抗力很小，从而使结构受力较为合理，因此本文尝试将胶泥阻尼器引入到核电振动防护中。

但是使用环境不同，胶泥阻尼器的结构形式必然不同。Jia等［4-5］推导了一种胶泥阻尼器的设计公式，但是该公式的普适性和可靠性还没有经过全面的试验验证，本文针对该问题展开研究。

1 胶泥阻尼器的设计方法

1.1 胶泥阻尼器的工作原理

目前使用较多的胶泥阻尼器结构形式如图1所示，该结构有缸体、活塞、活塞杆、粘弹性胶泥和密封装置几部分组成。其工作原理是:当外界冲击缓冲器活塞杆时，缸体与活塞产生相对运动，活塞杆带动活塞运动，使一侧胶泥受压，另一侧胶泥空间增加，活塞两侧的压力不平衡，迫使受压侧的胶泥从活塞的一侧流向体积增大的一侧。胶泥的剪切流动对活塞产生剪切应力，阻碍活塞运动产生阻尼力，从而消耗冲击能量，达到缓冲保护设备的目的。

图1 胶泥阻尼器的结构示意图Fig.1 The structure profile of the fluid viscous damper

缓冲器工作过程中阻尼力随冲击速度的变化和缓冲器的能量耗散能力是缓冲器设计的关键。阻尼力随冲击速度变化较慢，阻尼力峰值较小则缓冲器的容量就大，能量耗散能力就强。

1.2 胶泥阻尼器的设计方法

粘滞型阻尼器的力学模型和使用的环境有紧密的关系，用于冲击环境的力学模型和使用于振动环境的力学模型不同［6，7］。美国泰勒公司用速度相关阻尼力表达式建模用于冲击环境下的粘滞型阻尼器［8］:

式中，C为阻尼系数;v为活塞与缓冲器缸体之间的相对运动速度;n为速度相关指数，指数的大小决定缓冲器非线性的大小。速度相关指数越小，表明缓冲器的非线性越大。此时当冲击速度较高时，会有相对较低的阻尼力能够比较平缓地减小冲击速度，保护被防护设备。

为了系列化胶泥阻尼器的设计，Jia等在文献［7］中建立了经典公式与阻尼器结构尺寸和阻尼系数的关系表达式，即公式(1)的阻尼系数是阻尼器结构尺寸和阻尼系数函数，关系如下:

式中，K，ϑ为应力系数，该系数取决于试验环境。在试验中K=789，ϑ=0.28;μ为胶泥材料的动态粘滞度;d为活塞杆直径;l为活塞杆长度。

由于根据设备的工作环境，比较容易确定阻尼器所受的冲击力和冲击速度。那么根据公式(2)可以设计满足需求的胶泥阻尼器。

2 试验验证

2.1 试验原理与试验装置

用落锤式冲击机对胶泥缓冲器的动态性能进行试验。试验时，将缓冲器安装在冲击机的砧台上，把质量为9.8 kg的冲击锤提升到合适的高度后让其沿着钢丝绳形成的无摩擦导轨自由滑下，撞击缓冲器的活塞杆，利用加速度传感器B＆K4393和数据采集系统LMS记录下冲击过程中加速度随时间的变化，当落锤停止时，将其抬起。测量设备和缓冲器的安装示意图见图2(a)，实际安装图见图2(b)。

图2 跌落试验安装图Fig.2 Installation of the drop test

对于冲击试验，在跌落锤撞击缓冲器活塞杆的初期，二者之间的碰撞信号对阻尼加速度信号干扰很大，所以需要滤波处理，滤波处理的加速度信号如图3所示。将滤波后的加速度与冲击质量的乘积近似等于阻尼力，阻尼力时间历程见图4。滤波后的加速度经过一次积分运算求得速度的时间历程(图5)，二次积分运算求得位移的时间历程(图6)。

2.2 测量试件

为了验证胶泥缓冲器的数学模型，制作了一个缓冲器试验件。该试验件是从方便加工和试验的角度设计的，比较容易拆卸，方便更换阻尼材料和缓冲器的活塞。

试验件的结构示意图见图7，零件图见图8。活塞和活塞杆加工成一体，便于加工并且同心度好;将活塞和活塞杆放置在缸体5内，装入胶泥材料，盖上前端盖2和后端盖7。前端盖和后端盖由青铜材料加工而成，不但密封胶泥同时起到对活塞杆导向的作用。前端盖和后端盖与缸体之间安装O型密封圈8，防止胶泥从缸体与缸盖的缝隙渗出;前端盖和后端盖内部均有一个小槽安装UNS16密封圈6，防止胶泥从活塞杆处渗出。前固定法兰11和后固定法兰10借助螺钉3将前端盖、后端盖和密封圈固定在合适的位置上。用胶水粘在前固定法兰上的限位橡胶垫1和安装在活塞杆端的限位法兰13构成该试验件的限位装置，防止活塞撞底，损坏试验件。后固定法兰上加工了4个螺栓孔，用螺栓通过后固定法兰将试验件安装在跌落台的工装上。压紧螺帽12起到两个作用，第一、用压紧螺帽将限位法兰固定在活塞杆上;第二、作为跌落试验时的冲击帽。压紧螺帽的顶端是一个很光滑的圆缺，这样冲击时是点接触，减小碰撞干扰。

跌落试验时选择四种不同粘度的胶泥，其动力粘度分别为6 万 cSt、15 万 cSt、30 万 cSt和50 万 cSt。

试验件的外直径为80 mm，内直径60 mm，为了改变阻尼孔间隙和活塞厚度，加工了一系列的活塞，试验活塞见图8，试验时根据需要又进行加工，试验用的活塞尺寸见表1。

表1 样机活塞参数Tab.1 Piston parameters of the specimen

3 试验结果分析

首先根据设计好的活塞直径和试验选用的胶泥材料，运用公式(2)计算对应的阻尼系数，然后将胶泥阻尼器安装在跌落台上进行冲击，将试验所得的阻尼力和冲击速度运用公式(3)进行计算:

将试验处理的阻尼系数与理论计算的阻尼系数进行比较。首先选定四种胶泥材料和四种不同直径的活塞，不断的改变试验用胶泥和活塞结构尺寸，考察不同大小间隙时动力粘度对阻尼系数的影响，如图9所示。然后选定所有胶泥和活塞进行试验，研究使用不同阻尼材料时，结构间隙对阻尼系数的影响，如图10所示。根据图9和图10可以发现理论计算值与试验值吻合的很好，由此公式(2)可以用作胶泥阻尼器的结构设计。

4 结论

针对前期推导的阻尼器设计方法展开冲击试验，对几种阻尼介质和具有不同内部结构的几种阻尼器进行反复试验，将设计公式计算得到的阻尼系数与冲击试验求得的阻尼系数进行对比，比较结果表明二者吻合很好，从而证明该设计方法能够准确地描述阻尼器物理参数与其力学特性的关系，可以用于阻尼器的结构设计。

［1］ Ware A G，Nitzil M E，Nuclear power plant hydraulic snubber failure experience and corrective active［J］.PVP，1990，197:201-214.

［2］ Jonczyk J，Gruner P.Loads of piping systems due to malfunctions of snubbers ［J］.Nuclear Engineering Design，1991，107(1-2):205-213.

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［4］Jia J H，Du J Y，Hua H X.Design and mechanical characteristics analysis of a new viscous damper for piping system［J］.Archive of Applied Mechanics，2009，79:279-286.

［5］Jia J H，Du J Y，Hua H X.Design method for fluid viscous dampers［J］.Archive of Applied Mechanics，2008，78(9)，737-746.

［6］ Rittweger A，Albus J，Hornung E，et al.Passive damping devices for aerospace structures ［J］.Acta Astronautica，2002，50(10):597-608.

［7］贾九红，沈小要，杜俭业，等.粘弹性阻尼器的力学特性分析［J］.振动与冲击，2007，26(10):101-103.

［8］ Lee D，Taylor D P.Viscous damper development and future trends［J］.The structural design of rall buildings，2001，10:311-320.