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1、大型泵站压力管道流激振动分析与损伤识别研究项目研究报告承担单位：甘肃省景泰川电力提灌管理局参加单位：华北水利水电大学 兰州理工大学二O一三年六月前 言为满足人们的生存需要以及经济发展和农业需求，自新中国成立以来，建成了很多提灌工程，产生了巨大的综合效益，为当地老百姓带来了巨大的实惠。长期以来，为保证这些提灌工程的正常运行和人们的正常生活，国家对提灌工程（尤其是大型提灌工程）在政策与资金等各方面都给予了大力的支持。甘肃省景泰川电力提灌工程（以下称“景电工程”）长期以来一直享受0.04元/Kwh的远低于成本价的电价保证提灌用电，正是这一系列的扶助与支持，使得景电提灌工程自建成以来，产生了巨大的综合
2、效益，为当地老百姓带来了巨大的实惠，同时对区域生态环境的改善也做出了巨大的贡献。景电工程就其扬程、流量、装机容量、多梯级综合评价，被誉为“中华之最”。经过40多年的运行管理，工程产生了显著的社会效益、经济效益和生态效益。但同时由于长时间负荷运行，景电工程大部分泵站在实际运行中均存在严重的管道振动问题，特别是在同一泵站中多台机组共用一支管路的情况下，其运行过程中的管道振动问题尤为突出。这些振动主要表现为高频率、大振幅、噪声大，对泵站的安全运行形成了明显的威胁。在实地测试中，景电工程各泵站压力管道在水泵开、停机瞬间和流量变化时的振动尤为突出。若管道长期振动，会产生疲劳破坏，严重情况下就有可能造成结
3、构损伤，对设备的安全和寿命有影响，甚至结构功能会失效。另外，针对景电工程大型泵站内的压力管道的激振测试和振动模态监测研究，由于资金、观念、技术等方面的原因，一直没有开展，对泵站压力管道振动级别亦没有清楚的认识和深入的研究。为有效解决大型泵站压力管道的振动问题，防止由此引发的事故影响工程效益的发挥，对景电灌区各级泵站的压力管道流激振动分析与损伤识别做出科学的评价，景电管理局委托华北水利水电大学和兰州理工大学开展了本项目的研究。本课题是针对我国大型梯级泵站工程压力管道系统普遍存在的振动问题、噪音问题、输水能耗过高、水泵提水效率偏低等问题开展的应用型研究，是以研究影响大型梯级泵站压力管道振动的主要因
4、素和探求压力管道系统结构损伤机理的关键技术为主要任务的。研究的主要目的：（1）通过对大型泵站压力管道实际运行数据的监测分析和现场实验，客观地评价大型梯级泵站的压力管道实际振动状态，为大型梯级泵站压力管道的振动识辨提供必要的支持和参考；（2）通过泵站压力管道振动识辨分析，探寻泵站压力管道的振动激励源，为泵站压力管道的振动原因分析提供理论依据和技术参考；（3）基于泵站压力管道振动识辨的分析，建立激励源与响应之间的内在关系，可为避免管道、水流产生共振提供重要的理论分析基础，同时也能为泵站更新改造设计和安全运行提供必要地理论依据和技术支撑；（4）通过压力管道振动的辨识，探究压力管道损伤机理，提出管道结
5、构的减振与避振措施，对泵站管道结构的优化设计和延长结构的使用寿命提供技术支持；（5）通过对泵站压力管道的振动模态和流固耦合有限元的分析，探究高扬程泵站压力管道的振动特点，为管道结构安全级别的判定提供技术支撑；（6）结合景电工程代表性泵站压力管道的振动实例监测，探究高扬程泵站压力管道结构损伤识别的方法和关键技术，为泵站管道结构的安全预防提供技术支撑，并可为我国同类工程的建设和安全运行提供可供参考的理论依据及技术手段。研究的主要内容：（1）采用DASP（Data Acquisition & Signal Processing）测试系统对泵站压力管道的振动特性开展原位测试试验，主要内容包括测试对象选
6、定、试验系统设置、测点布置，现场试验数据信息的采集与分析；（2）针对DASP振动测试数据利用数学分析软件MATLAB进行小波降噪分析，然后采用时域分析和频谱分析方法对不同工况下压力管道振动的信号数据进行管道振动激励源辨识，探寻管道振动振源的主频，判定激励源对管道振动模态的影响程度；（3）采用功率谱方法，分析管道振动的主要振源，研究相应的管道减振与避振措施，对泵站管道的优化设计和安全运行提供理论基础和技术支持；（4）建立了基于附加水体质量的简化流固耦合有限元模型，研究不同流态下压力管道的振动特征，为管道的损伤识别提供技术支持；（5）建立统计模式的损伤识别模型，采用均值控制图的分析方法，诊断压力管
7、道的激振损伤程度，为压力管道的优化设计提供理论依据。以下几方面确保了本课题的可行性：（1）国内外的现有研究资料可以为本课题的理论分析提供理论基础；（2）甘肃省景电工程43座泵站压力管道振动现状和多年泵站运行管理经验可以为本课题的深入研究提供大量的现场资料和实际经验；（3）DASP虚拟测试、分析振动仪器与FLUENT软件相结合运用于压力管道振动测试及管道内水流流态分析，为本课题提供了技术支持。本课题研究工作始于2010年9月。课题组在研究过程中，深入分析研究了泵站压力管道流激振动和损伤识辨的方法，通过对近年来运行数据的整理分析以及DASP对泵站压力管道的振动测试，研究发现：泵站管道的管网敷设不合
8、理、进水流道内流态不稳定、实际过水量与设计输水量工况不匹配，管道安装初应力过大等原因，是造成压力管道等过流部件的高频振动和损伤破坏的主要原因。项目从大型泵站压力管道的激振源识别、振动模态和损伤机理等方面入手开展研究、提出了改善管道布置型式、优化镇墩约束、优选管径和材质等管道的减振技术措施。通过采用DASP原位振动测试和信号分析，探究了泵站压力管道的振动机理，提出了消除管道系统的激振力、提高结构的刚度、减小结构的振幅，增加系统的结构阻尼等一系列科学、有效、合理的降噪减振技术措施。实际应用表明，本项目所提出的泵站压力管道减振措施能够有效解决泵站压力管道在运行中的高频大幅度振动问题，提高泵站运行的安
9、全可靠性，延长压力管道的使用寿命，减少维护费用，提高工程效益。本课题的研究具有较强的针对性和前瞻性。课题的研究结论一方面对于保障大型泵站压力管道结构的安全运行具有重大的现实意义，另一方面可为大型泵站压力管道系统的优化设计提供重要的理论依据和技术支撑；也可为现有同类工程的更新改造提供科学实用的新技术。因此，大型泵站压力管道振动识辨与损伤机理研究既有服务于正在运行工程高效使用的现实意义，又有指导待建工程进行合理设计的理论意义。项目在执行过程中，得到了甘肃省水利厅和各参研单位的大力支持。两年多来，经课题组全体同志的努力，研究任务已全部完成，并于2012年11月10日通过委托单位验收，部分成果已直接应
10、用到工程设计和改造中，达到了科研服务于工程建设的目的。 大型泵站压力管道流激振动分析与损伤识别研究 课题组 二O一二年十二月目 录1研究背景和意义12国内外的研究现状52.1输水管道振动研究发展历史52.2 流激振动国内外研究现状62.3国内外模态参数辨识与损伤诊断的研究现状82.3.1国外模态参数辨识与安全控制的研究现状82.3.2国内模态参数辨识与安全控制的研究现状93研究内容、主要研究方法和技术路线123.1研究目的123.2主要研究内容123.3主要研究方法143.4技术路线153.5关键技术及创新点164泵站压力管道现场试验174.1压力管道振动试验测试系统设计174.1.1 传统振
11、动测试方法174.1.2 DASP软件介绍184.1.2实验对象194.1.3 系统组成与工作流程224.2拾振器测点布置234.2.1 拾振器的选型234.2.2 拾振器的布置原则244.2.3 测点布置254.3 试验工况284.4数据采集及参数设定284.4.1 基本操作284.4.2 数据采集295波形输出与信号去噪335.1 所需工况335.2时域波形输出345.2.1 编辑滤波355.2.2 时域波形图导出355.3 小波应用375.3.1 小波去噪原理375.3.2噪声信号的小波分析特性385.3.3一维离散信号降噪405.4 MATLAB小波信号去噪405.5小结426激励源分
12、析436.1振源分析436.1.1 水流激励引起的振动436.1.2 离心泵等机械原因引起的振动446.1.3 电磁干扰引起的振动456.2 激励源分析456.2.1 4#机开机过程456.2.2进水瞬间476.2.3 4#机稳定运行486.2.4 8#机稳定运行496.2.5 工况四4#机停机过程506.3 主频分析516.3.1低频516.3.2中频526.3.3高频及倍频536.4 主要振源分析536.4.1 分析方法536.4.2 功率谱分析计算566.5减振方案596.5.1机械振动的减振措施596.5.2水流激励的减振措施606.6小结617模态参数辨识分析627.1时域波形输出6
13、27.1.1 试验工况627.1.2 波形输出627.2模态参数辨识分析667.2.1 模态拟合667.2.2 模态频率与阻尼比697.2.3 振型及激振特点分析697.2.4 振型相关矩阵校验727.3 小结728 泵站压力管道流固耦合的有限元仿真分析748.1 ANSYS软件在模态分析中的应用748.1.1 ANSYS模态分析方法748.1.2 流固耦合控制方程758.2 建立有限元模型788.2.1 问题描述788.2.2 边界约束条件798.2.3 计算工况808.2.4 附加水体质量818.3 模态仿真分析838.3.1 开停机工况838.3.2 正常运行工况928.4 激振特点分析
14、1008.5 小结1019 基于统计模式识别的管道损伤检测1039.1 统计模式损伤识别的基本原理1039.2 基本方法与步骤1069.2.1 数据采集与预处理1079.2.2 建立统计模型1079.2.3 特征提取和选择1119.2.4 分类判别1129.3 均值控制图检验1129.3.1 均值控制图的原理1129.3.2 均值控制图的优点1139.3.3 均值控制图指标构造1149.4 数值模拟验证1149.4.1 建立识别模型1159.4.2 识别结果1169.5小结11810研究结论及成果应用11910.1研究结论11910.2成果应用12011存在的主要问题和建议1231研究背景和意
15、义为满足人们的生存需要以及经济发展和农业需求，自新中国成立以来，建成了很多提灌工程，产生了巨大的综合效益，为当地老百姓带来了巨大的实惠。据统计，沿黄河有大中型抽黄水泵11万台套，总容量约340万kw，这些泵站和提水设备大多为上世纪六十至七十年代兴建。从1980年开始，黄河上的灌溉用泵以每年2万台，装机容量4050万kw的速度增加。这些工程总扬程可高达400800m，单级泵的扬程达80182m。长期以来，为保证这些提灌工程的正常运行和人们的正常生活，国家对提灌工程（尤其是大型提灌工程）在政策与资金等各方面都给予了大力的支持。随着我国电力提水设备和引水灌溉技术的发展，在我国西北地区建成了许多高扬程
16、输水泵站及扬水灌区，例如甘肃省景泰川电力提灌工程，白草塬高扬程灌区工程和东雷抽黄高扬程多级抽水灌区工程等。这些高扬程输水泵站和灌区的出现和发展，创造了巨大的经济效益、生态效益和社会效益，所以保证高扬程输水泵站的安全稳定运行也是我国现代化建设和水利事业长足发展的重要任务。然而建国以来，经过几十年来的生产运行，这些高扬程泵站都存在着不同程度的安全隐患，甚至有些泵站发生了事故。据不完全统计，全世界每年因管道振动而造成的经济损失高达数百亿美元。在国内，这类事故也造成了人员生命和经济财产的巨大损失。因此，开展高扬程输水泵站压力管道流激振动的机理与损伤识别研究，正是泵站管道振动响应的水工结构损伤诊断与健康
17、监测研究的重要内容，本课题的研究对于保障大型泵站压力管道结构的安全运行具有重大的现实意义，同时可为大型泵站压力管道系统的优化设计提供重要的理论依据和技术支撑。高扬程输水泵站是我国现代化建设的基础性设施。泵站扬程可达几百米，管道压力较大，管道结构的动态特性对整个泵站工作安全起着至关重要的作用，而结构的安全可靠性与结构特性参数密切相关，特别是在振动设计及损伤检测方面，对系统参数的识别是相当重要的。目前，国内外对高扬程泵站压力管道的振动特性研究文献并不多见，其研究内容主要集中在普通输流管道和泵站输油管道振动的模态分析。因此，开展高扬程泵站压力管道的振动特性研究就显得相当重要，其研究理论和技术手段都可
18、以为今后高扬程泵站压力管道的设计工作和安全运行提供有益的参考和借鉴。尤其对于输水压力管道，除外界因素产生的振动外，研究管道系统内部引发的振动是当今的研究热门。随着科学技术的发展，在一些高端科技领域，减振降噪已成为关键问题。因此，开展管道振动识辨和结构损伤识别的研究具有很高的理论研究价值，也具有重要的现实意义和广阔的应用前景，同时也面临着诸多很有挑战性的问题。本研究课题是以甘肃省景泰川电力提灌工程大型泵站更新改造新技术研发项目为依托，以景泰川电力提灌工程（以下简称“景电工程” ）一期、二期泵站代表性的压力管道为研究对象，通过现场管道实地测试、数据信号采集，展开对景电提灌工程泵站压力管道振动识辨、
19、管道结构安全判别和结构损伤识别的研究，以此来判定流激振动对管道振动的影响程度，提出相应的减振措施。甘肃省景泰川电力提灌工程是一项跨省区、跨流域、高扬程、高耗能、多梯级、大流量的大型水利电力提灌工程，有泵站43座，总装机25.97万kw，控制灌溉面积66667hm2， 灌区横跨甘肃景泰、古浪两县，北倚腾格里沙漠，东临黄河，南靠长岭山。景电工程运行40多年来，产生了显著的经济效益、社会效益和生态效益，已成为甘肃省农业科技示范、发展“两高一优”农业、全面建设小康社会的示范基地，成为甘肃省扶贫开发的典范、水利建设史上的一面旗帜。但是，由于工程长期负载运行，很多泵站的混凝土预应力管道运行中常存在着窜动、
20、噪音大和振动幅度超标的等问题。这些振动不仅对水流的流态和管内的压力分布产生影响，当水流运动受到管道振动影响后，其流态和压力分布的变化又会反作用于管道，形成振动的相互作用。因此，压力管道的振动不仅会直接影响整个泵站输水管路的安全运行，而且由于振动原因造成的管道流速和压力分布不均匀会增加阻力损失，从而改变水泵的工作特点，使管路效率和装置效率下降，增加能量损耗。本课题以景电工程代表性的泵站的压力管道作为研究对象，针对管道运行过程中噪声大，振动幅度大，对工程的安全运行存在严重威胁的问题，于2010年10月至2011年11月间，先后分别两次对景电工程一期二泵站、二期三泵站、二期六泵站及南干三泵站的提水压
21、力管道的振动模态进行了实地测试。针对目前高扬程泵站压力管道结构振动特性的研究还不够完善，没有形成完整的理论体系等现状，本课题的研究可解决泵站压力管道与水流耦合作用所产生的振动特点以及对泵站压力管道结构安全判定等问题，并能提出泵站压力管道振动分析的流固耦合的建模思想，以及高扬程泵站压力管道工作模态分析的新方法和基于统计模式信息的压力管道结构安全判定等新的方法。同时，本课题的研究也有助于解决诸如景电工程这样的大型泵站普遍存在的严重的管道振动对结构影响的安全隐患，为泵站工程的更新改造设计和安全运行提供必要的理论依据和技术支撑，为同类高扬程泵站压力管道的建设、维护、安全运行提供重要的理论和技术参考，做
22、出有益探究。因此，课题的研究对推进这一理论体系和技术手段的完整性具有很强的针对性和前瞻性，具有重大的理论意义和服务于实际生产的现实意义。2国内外的研究现状国内外学者的长期研究表明，大型泵站的压力管道中振动源可能是多方面的，管道系统被激励时，发生水流流速或压力脉动，引起结构振动，并通过阀门、弯管等连接件，使整个管道中存在多种振动波，振动机理非常复杂。2.1输水管道振动研究发展历史对于管道的振动研究，至今已有一百多年的历史，国内外许多学者对管道的振动问题进行了长期的研究。由于这一系统为耦合系统，其振动引发因素复杂，很难用一个单一的定理去解决各种管道系统出现的振动问题。管道振动研究的内容广泛，包括：
23、管道振动特性分析；管道系统中不同组件如弯管、阀、支承等对管系的影响；管道系统建模等。作为更深入的问题，还包含由管内流体的影响而存在的流固耦合现象等，其研究经历了几个典型的阶段，见图2-1所示。输水直管管道振动非耦合线性运动耦合非线性运动不考虑流固耦合考虑流固耦合管道系统建模混沌数值分析管道振动测试工程实际应用管道振动模态组件对管系的影响方法图2-1 输水管道振动研究进程近年来，为满足城市供排水、水利电力、航天航空等领域的发展需要，国内外均展开了对管道振动特性和振动机理的大量研究，但这些研究目前只限于理论方面，尚无法满足实际应用的需求。最初的研究是来自横跨阿拉伯输油管道振动的分析，此后由于应用领
24、域的扩展和亟待解决的问题的突出性引起众多的国内外学者对此研究作出了不懈努力。对管道振动的研究大致经历了无流固耦合的振动、线性流固耦合的振动、非线性流固耦合的振动和混沌几个发展阶段。2.2 流激振动国内外研究现状（1）国外研究现状：20世纪70年代，关于管道振动的研究取得了大的进展，并应用计算机，使管道振动的研究进入实用性阶段。在输流管道非线性振动的研究中，Jin等发现当流速较大、弹性支承刚度很小时，悬臂直流管道有可能发生颤振而动态失稳，且混沌运动也有可能发生。在气液两相流管道系统中，激振力常出现在流体转向处，如弯头、肘管、三通处。Hara研究了两相流动引起的管道振动问题，推导了两相流管道自由振
25、动的运动方程，并且指出管道振动主要由离心力和振动系统质量改变而引起。Wood和Williams等对管道振动进行了理论和实验的双重性研究，确定管道运动对水击压力有着非常大的影响。（2）国内研究现状：国内对管道振动的研究起步较晚，在20世纪70年代中期，由于管道振动问题受到有关工业和研究单位的密切注视，才开始投入大量精力开展管道振动机理的理论和实验研究。国内管道振动的研究主要集中在各大高校，针对各自的工作领域做了大量的工作。西安交通大学较早在气流脉动及气流管道振动问题方面作了富有成效的研究。浙江大学的蔡亦刚等教授在管道运输流体动力学方面做了比较系统的研究。哈尔滨工业大学的赵定克等教授主要研究了输水
26、管路中用于衰减或吸收水流压力脉动的各种设备和装置。上海交通大学的沈荣瀛等教授对管道的振动特性及传输特性、能量流等方面进行了研究。天津大学闰祥安等用有限元法建立了往复泵输液管网系统结构振动分析模型，求得了固有频率和振型分布。但是，上述的研究多为专题性、理论性和室内实验的研究。针对管道振动的原位测试和振动模态的分析尚不多见。在解决实际工程问题时，需要综合考虑各种因素的影响，借鉴其成果，才能达到解决生产实际问题的目的。针对我国大中型高扬程泵站压力管道振动问题的研究尚处于起步阶段，各项技术还不够完善，没有形成完整的理论体系等现状，本课题应用DASP测试系统开展大型泵站压力管道的原位测试研究，通过对同类
27、管道的振动性能的测试和数值模拟分析，以期实现压力管道振动模态的识别，建立损伤识别模型，探究损伤机理，提出管道的减振措施。所以本研究具有非常强的针对性和前瞻性。2.3国内外模态参数辨识与损伤诊断的研究现状2.3.1国外模态参数辨识与安全控制的研究现状国外结构工作模态的研究起始于上世纪60年代。由于没有相应的计算工具，其起步相对较晚。模态分析是以结构的物理数学模型、参数模型和非参数模型为研究对象的，以振动理论分析为基本原理，分析结构振动模态参数的一种方法。现在，计算机的巨大进步为这一方法的迅速和发展普及提供了先进的技术支撑。理论模态分析实际上是一种理论建模过程，它以线性振动理论为基础，研究激励、系
28、统、响应三者的关系。主要方法是运用有限元法建立振动结构的数学模型，运用数值方法求解系统的模态参数。实验模态分析是通过测得激励和响应的时间历程，经过数字信号处理技术得到系统的非参数模型和采用参数识别方法求得系统模态参数。近些年来，研究人员提出了很多种环境激励下模态参数识别的方法。如时域识别法、频域识别法、联合时频域识别方法；平稳随机激励、非平稳随机激励；单输入多输出、多输入多输出；时间序列法、随机减量法、随机子空间法、模态函数分解法、峰值拾取法、频域分解法等。时间序列法的基本原理是对采集的数据进行有序排列，然后依据数学模型进行自动处理，辨识结构的模态参数。随着其理论的不断发展和完善，其模型有MA
29、滑动均值模型、ARMA自回归滑动均值模型、AR自回归模型等。管道结构安全控制的研究主要是基于结构的损伤识别技术。结构损伤识别技术的水平决定了健康监测系统的性能的高低。结构损伤识别技术可分为局部无损检测技术和基于结构振动的整体损伤识别两大类。其中的结构振动的整体损伤识别研究成就较为突出。依据损伤识别所使用的数学方法将其划分为基于模型的方法和无模型的方法以及基于统计模式信息的方法三大类。通过有限元模型仿真计算的方法来辨识结构的模态参数、刚度、质量等，也是一种有效的损伤识别方法。但是有限元模型往往简化了实际结构，和实际结构存在着一定的差别，因此必需依据现场试验的模态分析结果修正模型，这样才能准确的模
30、拟分析结构损伤的位置及程度。Ricles提出了残余力向量的概念，并对损伤前后的有限单元节点的自由度残余力向量的变化进行比较分析，识别出损伤位置。1988年，Chen提出通过计算结构损伤前后的模态应变能实现损伤单元的识别。随着计算机技术的的迅速发展，各种计算智能技术，如神经网络、遗传算法、模糊技术等得到了突飞猛进的发展，被广泛应用到各个领域。2.3.2国内模态参数辨识与安全控制的研究现状国内对于工作模态的研究较之于国外起步晚，而且研究水平也较低。近年来，国内有关专家学者对结构工作模态参数识别和损伤识别进行了大量有实际意义的研究工作，并提出了不少对管道振动进行控制的方法。南京航空航天大学史东锋等人
31、研究了工程结构在环境激励下的模态参数的辨识问题；上海交通大学的李中付、宋汉文等人提出了一种白噪声环境激励下模态参数识别的方法；同济大学淡丹辉、孙利民等采用各测点加速度响应互功率谱的频域多参考点模态识别方法来实现结构模态参数的提取，并利用频域的平均法使识别参数的拟合曲线平滑，发现参数的变化趋势，应用于在线监测环境下桥梁等土木结构的模态识别。该方法适用于更广范围的激励条件，大大开阔了未知激励下模态识别的视野。2004年北京东方振动和噪声技术研究所研发了一种基于时域分析振动模态的DASP系统，不需要施加已知激振作用力，即能同时对多阶密集模态进行辨识，相对于频域模态分析，效率、精度都有明显的优势。同时
32、，国内学者对结构损伤识别方法的研究也较为广泛，取得了很大进步。尤其在应变模态损伤识别的研究上较为成熟。周先雁等人针对混凝土结构的应变模态的研究表明，应变模态损伤识别的方法可以用于识别混凝土结构的损伤，以动应变相对变化量识别结构的损伤位置以及损伤程度。冯新运用柔度的变化进一步识别了结构的损伤位置和损伤程度，提出了损伤定位的柔度投影法，数字模拟分析表明，该方法对于数据不完整以及数据含有噪声的情况也具有一定的识别效果。综上所述，针对管道的模态参数识别和安全诊断问题的研究，国外、国内学者百十年来进行了大量的研究和不懈的努力，涉及方面广泛。尽管如此，仍有相当的工作需要进一步研究。国内外学者的研究主要侧重
33、于振动与模态识别的基本理论和数值方法的研究探索，对每种结构及输运介质与管道作用的影响和性质特点的研究相对欠缺。特别是针对泵站压力管道特有的工作状况引起的流体振动影响研究比较匮乏；另外对压力管道激振引起的损伤判别和减振措施的研究明显不足。3研究内容、主要研究方法和技术路线3.1研究目的本项目作为对大型泵站压力管道振动识辨和损伤机理的应用研究，以振动模态分析、激励源辨识和振动损伤机理的研究为主要内容，通过现场的原位测试和数值模拟，提出科学可靠的降噪减振技术。研究目的如下：（1）通过应用先进的原位测试技术，对景电工程代表性泵站压力管道进行振动测试和模态分析，客观地评价高扬程泵站压力管道振动状态和危害
34、程度，为高扬程泵站压力管道的优化设计和安全稳定运行提供科学的方法和必要的理论依据；（2）通过泵站压力管道振动识辨的方法研究，探寻泵站压力管道的振动激励源，为泵站压力管道的振动原因提供理论依据和参考；（3）通过压力管道振动的辨识，探究压力管道振动损伤机理，提出管道结构的减振与避振措施，对泵站管道结构的优化设计和延长结构的使用寿命提供技术支持；（4）通过对泵站压力管道的振动模态和流固耦合有限元的分析，探究高扬程泵站压力管道的振动特点，为管道结构安全级别的判定提供技术支撑；3.2主要研究内容本课题以大型泵站压力管道的振动识辨和损伤机理为主要研究目的，以甘肃省景电工程一期、二期代表性泵站压力管道为研究
35、对象，针对管道结构振动识别和损伤机理等问题进行研究，振动信号数据采集选用DASP-V10测试系统。DASP-V10是一款智能数据采集和信号处理系统，被称为“可移动的实验室”，该系统包含了时域波形分析、频率分析、小波分析和阻尼分析等多种数值分析方法，与传统的数值分析方法相比方法更加简便，可操作性强，可大大减轻研究流激振动的难度。在实际的工程项目中，利用DASP V10可快速取得实验数据，在相对较短的时间内可解决工程结构问题，尤其对以后的实际工程结构优化起到很重要的指导作用和实践作用。本课题选定三种最具代表性的工况进行实验，一是在水泵开机瞬间状态下，二是在水泵正常运行状态下，三是在水泵关机瞬间状态
36、下。根据实地调查，开停机的瞬间压力管道流激振动最显著，为保证泵站的安全运行，需要测得振动信号数据，选定这种工况进行研究。在水泵正常运行状态下，压力管道产生的振动虽没有开停机状态下那样严重，但振动持续时间较长，有几百个甚至达到上千个小时。所以选择这三种工况，不仅具有代表性和典型性，还可以通过计算分析，找出激励源，为后续研究成果的推广做好铺垫。本课题的主要研究内容如下：（1）采用DASP（Data Acquisition & Signal Processing）系统对泵站压力管道的振动特性进行原位测试，现场设计测点布置、试验工况、实验参数，进行现场试验数据信息采集与分析；（2）利用数学分析软件MA
37、TLAB对DASP采集的数据进行小波降噪处理；采用时域分析和频谱分析方法，对不同工况下压力管道振动的信号数据进行振动激励源辨识，寻找每个工况的振源主频；（3）采用功率谱方法计算分析不同工况的主要振源，探寻相应的管道减振与避振措施，为泵站压力管道的结构优化和延长工程使用寿命提供理论基础和技术支持；（4）有限元法分析：建立了基于附加水体质量的简化流固耦合有限元模型，进行不同工况下的有限元仿真计算分析，辨识出系统的模态参数，分析不同泵机开启状态下压力管道的振动特征，为试验工作模态参数辨识结果提供验证依据。（5）建立统计模式的损伤识别模型，采用均值控制图的分析方法，诊断结构损伤异常；应用基于统计模式识
38、别的诊断方法对管道结构的安全性做出判定，为压力管道的优化设计提供理论依据。3.3主要研究方法按照主要的研究目的和研究内容，课题组确定的研究路线是：在分析国内外研究理论和具体技术措施的基础上，对甘肃景电灌区的大型泵站进行现场调查；对代表性泵站的压力管道进行DASP现场实验，对测试的信号进行分析；利用小波降噪分析对信号数据进行降噪处理；利用时域分析和频谱分析方法辨识管道振动激励源，分析主要的振动部位，判定激励源对管道振动模态的影响程度；针对损伤机理及振动工况提出先进、实用的工程减振方案。具体的研究方法是：理论分析、数值模拟、现场实验、室内实验相结合的综合研究方法。在研究过程中：（1）国内外的大量研
39、究资料可以为本课题的研究提供理论基础。（2）景电一期和景电二期的大型泵站运行现状可以为本课题的深入研究提供大量的资料和实际经验。3.4技术路线主要的技术路线是：通过现场调查和理论分析 对泵站的压力管道进行原位测试 时频分析和模态分析 管道振动激励源辨识和损伤识别 分析泵站压力管道激振的损伤机理 提出大型泵站降噪减振的关键技术。具体技术路线见图3-1：现场试验信号分析信号降噪分析时频分析激励源辨识建立模型结构减振设计泵站安全运行泵站能耗影响模态分析损伤识别振动识辨与损伤机理图3-1 技术路线图3.5关键技术及创新点本课题的关键技术是压力管道的激励源辨识、流固耦合有限元模型的建立及模态参数识别。这
40、一关键技术是对现场试验分析结果的验证。因此，激励源辨识的选择方法、有限元模型的准确与否、边界约束条件的选取都对管道结构损伤机理和安全判定产生直接的影响。本课题主要的创新点有：（1）本课题首次将智能数据采集和信号处理系统DASP V10，应用于大型泵站压力管道的原位振动测试与分析，不仅实现了其动静态的测试，还实现了对采集数据的数值分析，实践证明具有广阔的应用前景。（2）建立基于泵站压力管道振动的流固耦合模型，并运用模态分析的理论知识进行模态分析及参数识别，为大型泵站压力管道的振动分析和结构的优化设计提供理论支持和技术参考。（3）将统计模式信息的理论引入泵站压力管道运行模态的损伤识别与运行安全性的
41、判定分析，为大型泵站压力管道的振动及结构安全判定提供一个新的思路和评判方法。4泵站压力管道现场试验高扬程提水泵站在解决干旱少雨地区的水资源匮乏问题有着重要作用。本课题以甘肃景电工程一期二泵站的4#压力管道为研究对象，分别在2010年10月和2011年11月对其上水、停水的不同工况进行现场测试，采用时域分析和频谱分析方法进行压力管道流激振动辨识，分析不同工况下压力管道的振动状态，为工程的安全运行及管理提供可靠的理论依据和技术参考。4.1压力管道振动试验测试系统设计4.1.1 传统振动测试方法常用的压力管道振动测试方法有电测法、机械法和光学法等，但这些方法大多适用于管道的腐蚀磨损、焊接缺陷、裂缝位
42、置、松弛或失稳等自身及管路设备问题开展的检测。而对于正在运行的泵站压力管道的振动测试，在国内外的研究内容还比较少，远没有对设备振动的测试与分析开展的深入和广泛，也没有关于压力管道振动评价的标准，同时测试系统相对也较少。传统的振动测试系统大多采用电子测量仪器，其特点是功能专用、灵活性差，大大的制约了振动测试的范围。传统的振动测试装置主要依靠各种硬件仪器来完成，除了需要放大器、传感器外，还需要专门的分析设备，比如信号分析仪、频谱分析仪、示波器等，从而使得整个测试系统的结构复杂，成本高，功能单一而且可重配置性弱。它们的基本功能是以FFT为基础的数据处理和频谱分析，其构成基本上是传感器、放大器、记录器
43、、信号处理等硬件为基础组成的专用信号处理与分析仪器。其缺点是：（1）传统的振动测试系统其记录过程与分析过程分开进行，不能进行实时检测记录结果，所以很难保证测试记录结果的准确性。（2）传统的振动测试系统一般不能存储记录信号，而能用于存储记录信号的仪器只有光线记录示波器、瞬态记录仪和磁带记录器，其中光线示波记录器很难用信号处理仪处理。（3）仪器昂贵，体积大，带到现场很不方便，有时没有磁带记录器，实验工作就无法开展。因此，本课题摒弃传统的振动测试方法，选用虚拟测试仪器DASP（Data acquisition & signal processing）系统进行大型泵站压力管道的振动测试，可以对泵站提水
44、系统在不同工况下的管道振动进行测试。4.1.2 DASP软件介绍北京东方振动和噪声技术研究所（简称东方所）成立于1985年10月11日，是一座高新技术研究所，其前身是1983年成立的中国科协咨询中心振动技术咨询部。二十多年来一直专注于振动、冲击、噪声、动态测试、信号处理、模态分析、试验技术、教学实验、虚拟仪器和测控技术等领域的软、硬件开发。DASP V10 是东方所研发的一套运行在Windows95/98/Me/NT/2000/Xp平台上的多通道信号采集和实时分析软件，具有多类型视窗的多模块功能高度集成特性，有具有操作便捷特点。基于东方所在各种工程应用领域的长期经验，DASP V10对各种功能
45、模块重新进行整合，成为一套功能更加全面、操作更加便捷、界面更加美观、性能继续保持领先的动静态信号测试分析系统。DASP V10 软件的所有测试分析结果都可以多种方式输出，包括图形的复制、存盘、打印，数据导出为TXT、CSV、Excel电子表格和Access数据库格式，并可轻松输出图文并茂的Word格式或者Html格式的分析报告。在基于DASP V10 的平台上，还可以运行专业模态和动力学分析系统、虚拟仪器库、信号发生器以及针对声学、旋转机械、路桥土木、计量检定等行业的多种软件系统，满足各方面各层次的测试和分析需求。本实验采用DASP V10软件对泵站压力管道的振动数据进行采集和模态分析、识别。
46、4.1.2实验对象景电工程包括一期和二期工程，通过实地调研，对景电一期总干二泵站、二期总干三泵站和南干三泵站等泵站管道进行现场观测与振动测试，发现这些泵站的压力管道在机组开机和停机的瞬间都存在着不同的振动，同时伴随着强烈的噪音，在泵站机组长时间的运行情况下不仅对泵站建筑物结构造成危害，而且会对工作人员造成身体伤害，见照片4-14-3所示。照片4-1 二期总干三泵站照片4-2 一期总干二泵站照片4-3 南干六泵站本课题以景电一期总干二泵站压力管道为例，阐述了基于DASP的泵站压力管道振动测试实验的设计和实现过程，景电一期总干二泵站的压力管道布置示意图如图4-1所示。图4-1 一期二泵站压力管道布
47、置示意图由图4-1可以看出，一期总干二泵站压力管道是多机单管的布置模式，1#4#总管结构形式相同，都是分叉管形式，2#4#总管分别由直径为1000mm的出水管和直径为800mm的出水管汇总成直径为1400mm出水总管，而1#总管是两个直径1000mm的出水管组成的。支墩的布置与个数随管道的长度而不同。泵站共有8台泵成一字排队列，为并联运行模式。1#4#泵为离心式清水泵，主机型号为32SH9，额定扬程80m，额定流量为7200m3/h，额定转速750n/min，额定效率90%，输出功率1744kW，允许气蚀余量8m。5#8#泵为双吸离心泵，额定转速为980 n/min。1#和5#机组安装为1#总管供水，2#和6#机组安装为2#总管供水，3#和7#机组安装为3#总管供水，4#和8#机组安装为4#总管供水。压力管道的振动状态随不同的机组相互开、停机工况变化而不同。4.1.3 系
