*112809*

Технические науки/5. Энергетика

Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Молдагалиев А.Б., Алтаева Г.

Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова,

г. Шымкент, Казахстан

Результаты испытания модели линейной части трубопровода на вынужденные горизонтальные колебания

Экспериментальное изучение реакции конструкций на динамическое воздействие необходимо, прежде всего, с целью определения напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов и конструкций в целом, уточнения характера колебательных процессов, определения частот, амплитуд и декрементов колебаний. Считается, что значения таких динамических характеристик как частота и декремент колебаний, формы собственных, линейных и угловых перемещений наиболее достоверны по результатам испытаний, а данные испытаний позволяют выявить особенности поведения разрабатываемой конструкций.

Исходя из вышеуказанного перед экспериментальными исследованиями ставилась цель - выявить основные динамические характеристики при вынужденных резонансных колебаниях, а также установить действительную работу конструкций.

Модель фрагмента линейной части трубопровода изготовлена в масштабе 1:5 к натурной конструкции диаметром 1220мм. Моделирование произведено на основе соответствия аффинного подобия между моделью и натурной конструкцией, согласно которого между ними устанавливается постоянство масштабов моделирования [1].

Модель представляет собой фрагмент трубопровода длиной 4000мм состоящего из трех равных пролетов равной 1280 мм и диаметром 245мм, которые изготовлены из стальных листов марки Ст8 толщиной 0,5 мм по ГОСТ 16523-70.

В модели трубопровода смоделированы следующие условия закрепления на опоре: две скользящие свободноподвижные опоры в пролете, жестко закрепленная в одном и продольно подвижная в другом краю трубопровода.

С учетом предполагаемой доминантной собственной частоты и амплитуды колебаний, при которой значения динамических напряжений достаточны для регистрации, в работе в качестве возбудителя вынужденных колебаний использован виброэлектродинамический стенд ВЭДС–10 индуктивного действия с рабочим диапазоном частот вибратора до 5000 Гц.

Исследования напряженно-деформированного состояния и динамических характеристик моделей надземного стального трубопровода проводились при горизонтальных и вертикальных динамических воздействиях, что являются наиболее часто встречающимися и опасными направлениями воздействий.

Размещение рабочего органа вибратора осуществлялось в середине пролета и торце модели, в соответствии с рисунком 1.

Рисунок 1 – Схема приложения динамического воздействия

В работе для изучения пространственных форм колебаний и построения амплитудно-частотных характеристик выбран наиболее оптимальный режим плавно-ступенчатого изменения частоты возмущающей силы. Суть последнего заключается в том, что между принятыми ступенями частота возмущающей силы изменяется плавно с выдержками 2….3 сек до достижения стационарности колебательного процесса на каждой ступени.

Для изучения влияния направления динамического воздействия на поведение моделей трубопровода возбуждение колебаний осуществлялось в середине пролета и в торце модели трубопровода в зоне продольно подвижной опоры .

Анализ амплитудно-частотных характеристик, показывает, что с увеличением уровня заполнения с 0,5Н до 1,0Н частота первой формы колебаний модели трубопровода уменьшается в 1,12 раза, а амплитуда колебаний увеличивается в 1,25 раза. Выявлены резонансные частоты для каждого уровня заполнения модели трубопровода. Так, при увеличении уровня заполнения с 0,5Н до 1,0Н частота второй формы колебаний модели трубопровода при отсутствии внутреннего избыточного давления практически остается неизменной.

При наличии внутреннего избыточного давления равном 0,5МПа первая резонансная частота колебаний составила 9,2 Гц, дальнейшее заполнение трубопровода при наличии внутреннего давления увеличивает значения частот при уровне заполнения 1,0Н – 1,15 раза, а частоты второй формы колебаний при увеличении уровня заполнения с 0,5Н до 1,0Н увеличились в 1,2 раза.

Исследования форм горизонтальных колебаний модели трубопровода показали, что максимальная деформация модели трубопровода достигается в середине пролета при полном ее заполнении и составила для первой формы колебаний – 1,79 мм, а для второй формы колебаний – 1,25 мм.

Замечено, что заполнение трубопровода с 0,5Н до 1,0Н приводит к росту деформации в середине пролета в 1,32 раза по первой, и в 1,39 раза – по второй форме колебаний. Изменение уровня заполнения в модели трубопровода существенного качественного изменения на формы колебаний не оказывает. Формы колебаний модели трубопровода схожи с формами колебаний трехпролетной стержневой системы.

Анализ амплитудно-частотных характеристик модели трубопровода при приложении динамической нагрузки в торце трубопровода, показывает, что при наполнении модели трубопровода с 0,5Н до 1,0Н первая резонансная частота колебаний при отсутствии внутреннего избыточного давления уменьшилась в 1,2раза, а вторая резонансная частота – в 1,16 раз.

При наличии внутреннего избыточного давления в 0,5МПа и увеличении уровня налива с 0,5Н до 1,0Н резонансные частоты по первой форме снизились в 1,22 раза, а по второй форме колебаний увеличились в 1,14 раза.

Амплитуда колебаний модели с увеличением уровня заполнения с 0,5Н до 1,0Н увеличилась в 1,4 раза при отсутствии внутреннего избыточного давления и в 1,2 раза при внутреннем избыточном давлении в 0,5 МПа.

Анализ форм колебаний по длине модели трубопровода показал, что максимальные перемещения модели трубопровода получены при полном его заполнении и отсутствии внутреннего давления по второй резонансной частоте, которая в 1,2 раза выше амплитуд колебаний модели трубопровода по первой, измеренной в первом пролете вблизи приложения динамической нагрузки.

При наличии внутреннего избыточного давления выявлено снижение амплитуд и частот колебаний. Так при частичном заполнении модели трубопровода и наличии избыточного давления в 0,5 МПа перемещения в середине пролета снизились в 1,12 раза, а частота колебания снизилась в 1,2 раза.

Испытания выявили заметное влияние внутреннего избыточного давления при больших уровнях их заполнения на амплитудно-частотные характеристики модели трубопровода.

Литература:

1 Шаповалов Л.А. Моделирование в задачах механики элементов конструкций. - М.: Машиностроение,1990. - 288с.

2 Баранов Д.С., Ренский А.Б. Тензометрирование строительных конструкции и материалов. – М.: Стройиздат, 1977. – 239с.