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用于核电机组复杂管线小支管的动力吸振器设计与试验研究

任志英 任嘉鑫 刘天彦 李振 何明圆 梁盛涛

任志英, 任嘉鑫, 刘天彦, 李振, 何明圆, 梁盛涛. 用于核电机组复杂管线小支管的动力吸振器设计与试验研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(1): 106-114. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.01.0106
引用本文: 任志英, 任嘉鑫, 刘天彦, 李振, 何明圆, 梁盛涛. 用于核电机组复杂管线小支管的动力吸振器设计与试验研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(1): 106-114. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.01.0106
Ren Zhiying, Ren Jiaxin, Liu Tianyan, Li Zhen, He Mingyuan, Liang Shengtao. Design and Experimental Study of Dynamic Vibration Absorber for Small Branch Pipe of Complex Pipeline of Nuclear Power Unit[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(1): 106-114. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.01.0106
Citation: Ren Zhiying, Ren Jiaxin, Liu Tianyan, Li Zhen, He Mingyuan, Liang Shengtao. Design and Experimental Study of Dynamic Vibration Absorber for Small Branch Pipe of Complex Pipeline of Nuclear Power Unit[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(1): 106-114. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.01.0106

用于核电机组复杂管线小支管的动力吸振器设计与试验研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.01.0106
基金项目: NSAF国家自然科学联合重点基金资助项目(U2330202);国家自然科学基金(52175162,51975123);福建省重点技术创新和产业化项目(2023XQ005)
详细信息
    作者简介:

    任志英(1980—),女,博士研究生导师,教授,现主要从事减振降噪方面的研究,E-mail: renzyrose@126.com

    通讯作者:

    刘天彦,E-mail: rexroi@hotmail.com

  • 中图分类号: TH535.1;TL35

Design and Experimental Study of Dynamic Vibration Absorber for Small Branch Pipe of Complex Pipeline of Nuclear Power Unit

  • 摘要: 核电机组复杂管线小支管长期无规律地振动会导致管道疲劳断裂、破损而引发泄漏,甚至发生核电安全事故。目前常采用加固或减振的方式,但效果不佳,某些频率下的振动峰值难以降低。针对上述问题,本论文设计了一种结构简单、安装方便且质量可调的动力吸振器。通过模拟实际振动工况参数,然后对有无动力吸振器的小支管进行动力学建模分析,并以加速度传递率为参考对动力吸振器相关参数进行设计,获得动力吸振器的最优质量、刚度以及阻尼。最后实物制作并进行试验验证,结果表明,本论文所设计的动力吸振器将小支管在共振频率下的三向振动降低了60%以上(大于工程要求的5 dB);通过微调质量块个数扩大了吸振频段的可调节范围,能够满足不同工况的需求;增加金属橡胶材料进一步增强了动力吸振器的吸振效果,相比无阻尼结构可以将减振性能提高10%以上。本研究为核电机组复杂管线小支管的减振提供了有效方法。

     

  • 图  1  主系统无阻尼吸振器动力学模型

    m、k、c、x—质量、刚度、阻尼和位移;F0sinωt—简谐力;下标1—主系统;下标2—动力吸振器

    Figure  1.  Dynamic Model of Main System Undamped Vibration Absorber

    图  2  不同阻尼比条件下主系统的幅频特性曲线

    Figure  2.  Amplitude Frequency Characteristic Curve of Main System under Different Damping Ratios

    图  3  管路2~4阶模态振型

    Figure  3.  Second-fourth Order Modal Shapes of Pipeline

    图  4  动力吸振器结构示意图

    Figure  4.  Structural Diagram of Vibration Absorber

    图  5  无动力吸振器激振的管路结构

    Figure  5.  Vibration Excitation of Pipeline without Vibration Absorber

    图  6  有吸振器激振的管路结构

    Figure  6.  Vibration Excitation of Pipeline with Vibration Absorber       

    图  7  3个方向上有无吸振器的管路吸振效果图

    Figure  7.  Vibration Absorption Effect in Three Directions with or without Vibration Absorber

    图  8  动力吸振器试验件结构

    Figure  8.  Structure of Dynamic Vibration Absorber Test Piece

    图  9  金属橡胶阻尼

    Figure  9.  Metal Rubber Damping

    图  10  不同激振力下无动力吸振器的加速度响应

    Figure  10.  Acceleration Response under Different Excitation Forces without Dynamic Vibration Absorber

    图  11  X方向上试验与仿真结果对比

    Figure  11.  Comparison of Experiment and Simulation Results in the X-direction

    图  12  不同激振力下有无动力吸振器的响应对比曲线

    Figure  12.  Response Curves under Different Excitation Forces with or without Dynamic Vibration Absorber

    表  1  小支管模态结果

    Table  1.   Modal Results of Small Branch Pipes

    模态 频率/Hz 模态 频率/Hz
    1 5.0081 6 40.4570
    2 5.5217 7 43.1480
    3 11.1970 8 84.6370
    4 19.5220 9 118.9400
    5 32.6730 10 173.2800
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    表  2  检测点XYZ方向最大加速度

    Table  2.   Maximum Acceleration of Measuring Points in X, Y and Z Directions

    设备名称 加速度/(m·s−2)
    X方向 Y方向 Z方向
    027YP 174 3 10
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    表  3  不同方向上有无动力吸振器的吸振效果

    Table  3.   Vibration Absorption Effects in Different Directions with or without Dynamic Vibration Absorber

    方向 11.25 Hz处加速度/(m·s−2) η1/% η2/dB
    无动力吸振器 有动力吸振器
    X 187.6500 11.5570 93.8 24.2
    Y 1.8756 0.0285 98.5 36.4
    Z 7.0064 0.1042 98.5 36.6
    方向 99.75 Hz处加速度/(m·s−2) η1/% η2/dB
    无动力吸振器 有动力吸振器
    X 156.4300 0.1390 99.9 61.0
    Y 3.7806 0.0032 99.9 61.4
    Z 8.1623 0.0103 99.9 58.0
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    表  4  33 Hz处有无阻尼管路吸振效果对比

    Table  4.   Comparison of Vibration Absorption Effects at 33 Hz for Pipelines with or without Damping

    方向 加速度/(m·s−2) η1/%
    无阻尼 有阻尼
    X 81.3370 11.5570 85.6
    Y 3.1842 1.3213 58.5
    Z 4.1715 0.5957 85.7
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    表  5  测试仪器型号及参数

    Table  5.   Test Instrument Model and Parameters

    序号 设备名称 设备型号 技术参数
    1 激振器 E-JZK-100 激振力≤1000 N
    2 功率放大器 E5874A AC:220 V/50 Hz/8 A
    3 力传感器 ECL-YD-312A 灵敏度:2.72 pC/N
    4 加速度传感器 1A102E 灵敏度:2 mV/g
    5 数据采集器 DH5922N
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    表  6  不同激振力下有无动力吸振器的吸振效果

    Table  6.   Vibration Absorption Effects under Different Excitation Forces with or without Dynamic Vibration Absorber

    激振力/N 8.7 Hz处加速度/g η1/% η2/dB
    无动力吸振器 有动力吸振器
    5 1.8456 0.6473 64.9 9.1
    10 3.0816 1.0742 65.1 9.2
    15 4.1657 1.4763 64.6 9.0
    20 4.8326 1.8484 61.8 8.3
    激振力/N 115 Hz处加速度/g η1/% η2/dB
    无动力吸振器 有动力吸振器
    5 11.7424 0.0220 99.8 54.5
    10 22.9346 0.0376 99.8 55.7
    15 32.9543 0.0781 99.8 52.5
    20 42.4867 0.2012 99.5 46.5
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    表  7  30 Hz处有无阻尼吸振效果对比

    Table  7.   Comparison of Vibration Absorption Effects at 30 Hz with or without Damping

    激振力/N 无阻尼加速度 有阻尼加速度 η1/%
    5 1.1g 0.9g 18
    10 2.3g 2.0g 13
    15 3.1g 2.7g 13
    20 3.8g 3.4g 11
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-27
  • 修回日期:  2023-10-30
  • 刊出日期:  2024-02-15

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