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        基于有限元模型的煤礦排水管道振動特性分析*

        2022-01-19 10:34:52趙鵬程
        煤礦機(jī)電 2021年6期
        關(guān)鍵詞:排水管道固有頻率煤礦

        趙鵬程

        (1. 中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司, 山西 太原 030006;2. 山西天地煤機(jī)裝備有限公司, 山西 太原 030006)

        0 引言

        在煤礦開采過程中,隨著雨水、附近河流的滲透加上可能發(fā)生的采礦區(qū)與儲水層連通造成的突水現(xiàn)象,大量的積水會聚集在井下,為保障煤礦開采工作的順利進(jìn)行,必須及時將積水排出[1-3]。煤礦排水系統(tǒng)由電動機(jī)、排水水泵、排水管道和井口支撐附件等組成,較常采用的是離心式水泵,在工作過程中,泵源產(chǎn)生的壓力脈動會導(dǎo)致整個管道系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈的振動,而泵源脈動頻率與管道本身的固有頻率接近時發(fā)生的共振現(xiàn)象會導(dǎo)致振動故障的發(fā)生,造成管道破裂、泄漏等問題[4-6]。目前針對排水管道系統(tǒng)的研究主要集中在提高排水效率清洗管道水垢以及排水管道的設(shè)計方面,對管道故障方面的研究較少。張世斌等[7]利用有限元分析進(jìn)行了深井排水系統(tǒng)的疲勞壽命研究,建立了排水管路的三維模型并進(jìn)行了靜載分析和安全性評價。趙福隆等[8]建立了排水管道的有限元模型,基于有限元分析得到了固有頻率和振型,驗證了管道穩(wěn)定性??軓╋w[9]采用水錘防護(hù)理論,建立了波動數(shù)學(xué)模型,研究了礦井排水系統(tǒng)中的管路振動問題?,F(xiàn)有的文獻(xiàn)對排水管道振動問題的研究方向存在欠缺,因此研究煤礦排水管道系統(tǒng)的振動問題,建立準(zhǔn)確的排水管道動力學(xué)模型,對煤礦開采工作具有重要的工程應(yīng)用價值。

        1 排水管道系統(tǒng)有限元建模

        對于泵源激勵下的礦井排水管道系統(tǒng)研究,需要同時考慮管道橫向彎曲和擺動振動,因此首先推導(dǎo)管道的振動微分方程,并引入反映單元位移狀態(tài)的形函數(shù)構(gòu)建振動有限元模型,最后通過單元矩陣組集得出礦井排水管道的整體剛度矩陣。

        1.1 振動微分方程的構(gòu)建

        本文采用Timoshenko梁單元對管道系統(tǒng)進(jìn)行有限元離散,其中第k個梁單元示意圖如圖1所示,梁單元有2個節(jié)點(diǎn)(i和j),每個節(jié)點(diǎn)包含2個自由度,其中wi、θyi、wj和θyj分別表示oxyz局部坐標(biāo)系下兩節(jié)點(diǎn)的橫向位移和轉(zhuǎn)角位移,則單元節(jié)點(diǎn)位移向量qe可以定義為:

        (1)

        圖1 第k個梁單元

        第k個Timoshenko梁單元的勢能U和動能T分別為:

        (2)

        (3)

        式中:ρ、l和A分別為單元的密度、長度和截面面積。Iy代表關(guān)于oy的截面慣性矩;E和G分別代表楊氏模量和剪切模量,κz代表關(guān)于z軸的剪切系數(shù)

        (4)

        (5)

        1.2 引入單元形函數(shù)

        為了求解偏微分方程,引入形函數(shù)[11],具體如下:

        假設(shè)橫向位移w和轉(zhuǎn)角位移θy(x)均采用3次多項式進(jìn)行插值,則有

        (6)

        (7)

        根據(jù)位移邊界條件結(jié)合插值多項式[12],最終可得:

        (8)

        且Nw1(x)、Nw2(x)、Nw3(x)、Nw4(x)、Nθy1(x)、Nθy2(x)、Nθy3(x)和Nθy4(x)的表達(dá)式如下:

        (9)

        1.3 梁單元的剛度和質(zhì)量矩陣

        將形函數(shù)代入到偏微分運(yùn)動方程中得到單元質(zhì)量及剛度矩陣為:

        (10)

        (11)

        利用有限元法對單元矩陣進(jìn)行組集,最終獲得排水管道的質(zhì)量矩陣及剛度矩陣,其動力學(xué)方程可以表示為:

        (12)

        式中:M、C和K分別代表整體質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣,F(xiàn)u是外激勵向量。

        2 管道的固有特性分析

        2.1 管道模態(tài)試驗

        針對煤礦排水系統(tǒng),選取一段管道進(jìn)行研究,試驗臺管道系統(tǒng)的材料是Q345,如圖2所示,管道外徑為32.8 mm,內(nèi)徑為30 mm,具體參數(shù)如表1所示。為獲取管道固有頻率進(jìn)行模態(tài)錘擊試驗,用加速度傳感器采集信號。采用多點(diǎn)激勵、單點(diǎn)拾振的方式來進(jìn)行試驗測試,關(guān)于信號采集系統(tǒng)的設(shè)置具體如下:設(shè)置激勵方向和響應(yīng)方向,建立每個信號通道與試驗測點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系,其中力錘信號為觸發(fā)信號,為了消除噪聲影響,每組采用兩次平均,得到加速度頻響函數(shù)如圖3所示。

        表1 管道材料及幾何參數(shù)

        (a) 實(shí)驗管道

        (b) 仿真管道

        圖3 管道系統(tǒng)試驗頻響函數(shù)

        2.2 管道模態(tài)分析

        基于有限元理論,根據(jù)哈密頓理論和能量原理得到的質(zhì)量和剛度矩陣進(jìn)行仿真計算,建立了管道模型,由于實(shí)際應(yīng)用中的排水管道系統(tǒng)一段與泵連接,所以將該段管的邊界調(diào)節(jié)設(shè)置為一段固支一段自由,計算得到前5階固有頻率和模態(tài)振型,圖4為振型對比圖,與實(shí)驗得到的固有頻率對比如表2所示。

        fn1試驗仿真fn2試驗仿真fn4試驗仿真fn5試驗仿真

        圖4 振型圖對比

        由表中數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗數(shù)據(jù)的固有頻率誤差較小,而且振型圖吻合較好,說明所建模型能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)真實(shí)管道的振動狀態(tài),可以進(jìn)一步為管道振動的研究提供指導(dǎo)性作用;而且發(fā)現(xiàn)煤礦排水管道的固有頻率均處于低階范圍,應(yīng)注意避免與泵源發(fā)生共振,避免管道的疲勞故障、管道泄漏等安全隱患。本文電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,故得泵源頻率fb=n/t=1 500 r/min /60 s=25 Hz。

        3 結(jié)論

        基于鐵木辛柯梁理論建立了礦井排水管道系統(tǒng)的動力學(xué)模型,基于哈密頓變分原理得到了排水管道的振動微分方程,由有限元方法得出了質(zhì)量和剛度矩陣,較全面地考慮了模型的適用性,并通過試驗驗證了模型的有效性。提出了一種煤礦排水管道系統(tǒng)模態(tài)分析的方法,首先對管道進(jìn)行了實(shí)驗,獲得頻響函數(shù),通過辨識峰值得到了實(shí)驗的固有頻率。同時利用有限元方法建立了管道有限元模型,得到仿真的頻率結(jié)果,最后結(jié)合實(shí)驗和仿真驗證了所建模型的正確性,得到了管道系統(tǒng)的固有頻率和振型。本文研究結(jié)果對于煤礦排水管道系統(tǒng)的振動故障研究方面具有指導(dǎo)意義。

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