王新海,穆 巖,孟凡明
●(1.海軍駐431廠軍事代表室,遼寧葫蘆島 125004;2.海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)艦船配套軍事代表室,沈陽(yáng) 110168)
液壓系統(tǒng)回油管路的振動(dòng)分析
王新海1,穆 巖2,孟凡明1
●(1.海軍駐431廠軍事代表室,遼寧葫蘆島 125004;2.海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)艦船配套軍事代表室,沈陽(yáng) 110168)
分析了船舶液壓系統(tǒng)回油管路振動(dòng)的發(fā)生原因,對(duì)比和分析不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)管路和元件結(jié)構(gòu)對(duì)此類(lèi)振動(dòng)的影響,分析可知,合理的系統(tǒng)管路布置和閥件的選用、安裝可有效降低振動(dòng)發(fā)生的概率。
液壓系統(tǒng);回油管路;壓力調(diào)節(jié)閥;振動(dòng);頻率
在某些船舶液壓系統(tǒng)中為了使回油管路保持一定的回油壓力,會(huì)根據(jù)需要在液壓系統(tǒng)的回油管路中設(shè)置一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥。一般來(lái)說(shuō),此類(lèi)壓力調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)壓力都比較低,而要求通過(guò)的流量都較大。這一類(lèi)的系統(tǒng)管路及壓力閥在發(fā)生振動(dòng)時(shí)往往表現(xiàn)為低頻率、高振幅的劇烈振動(dòng)。此類(lèi)振動(dòng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)元器件和用戶的使用壽命造成損害。如果管路是用較長(zhǎng)的剛性管路連接,可導(dǎo)致管路固定的馬腳脫落,管路接頭發(fā)生斷裂,從而對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生較大的危害。本文主要通過(guò)直接的分析手段來(lái)驗(yàn)證在此類(lèi)振動(dòng)發(fā)生的主要影響因素。
船舶液壓系統(tǒng)的回油管路組成并不復(fù)雜,但管路走向復(fù)雜、通油能力強(qiáng)、管網(wǎng)容積較大,以發(fā)生振動(dòng)的船用液壓回油管路系統(tǒng)為例(原理如圖1所示),其振動(dòng)的主要發(fā)生在回油管路的壓力調(diào)節(jié)閥附近,表現(xiàn)為頻率約為2Hz~5Hz左右的振動(dòng),振幅較大,壓力調(diào)節(jié)閥及附近管路產(chǎn)生幅度明顯的有節(jié)奏抖動(dòng)。
根據(jù)振動(dòng)發(fā)生的機(jī)理可以基本確定為壓力調(diào)節(jié)閥的固有頻率與液壓系統(tǒng)的振蕩頻率耦合[1],產(chǎn)生振動(dòng)。為此需對(duì)壓力調(diào)節(jié)閥和系統(tǒng)管路進(jìn)行具體分析,來(lái)確定振動(dòng)發(fā)生的主要因素。
圖1 船用液壓回油管路系統(tǒng)原理圖
系統(tǒng)中選用的壓力調(diào)節(jié)閥為直動(dòng)式結(jié)構(gòu),由彈性元件與閥芯構(gòu)成單自由度的彈性-質(zhì)量系統(tǒng)。
通過(guò)理論計(jì)算,可得其固有頻率為3.2Hz;通過(guò)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行掃頻測(cè)試,其實(shí)際固有頻率為3.44Hz(圖2)。這與系統(tǒng)振動(dòng)發(fā)生時(shí)的振動(dòng)頻率較為接近。
圖2 壓力調(diào)節(jié)閥彈性-質(zhì)量系統(tǒng)掃頻圖
用FLUENT軟件對(duì)壓力調(diào)節(jié)閥的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算后,可知:1)當(dāng)系統(tǒng)流量突變時(shí),壓力調(diào)節(jié)閥閥口介質(zhì)處于噴射狀,見(jiàn)圖 3;2)在壓力調(diào)節(jié)閥閥芯出口處有負(fù)壓區(qū)存在,極限負(fù)壓值為-0.5MPa,見(jiàn)圖4。
圖3 壓力調(diào)節(jié)閥流量場(chǎng)仿真
圖4 壓力調(diào)節(jié)閥壓力場(chǎng)仿真
在一般情況下,液壓油中通常溶解有5%左右的空氣,局部負(fù)壓可導(dǎo)致溶解于液壓油中空氣的析出,從而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象[2],可使系統(tǒng)或閥件發(fā)生振動(dòng)。
在實(shí)船解決過(guò)程中,通過(guò)更換壓力調(diào)節(jié)閥不同固有頻率的彈簧,以期避免振動(dòng)的措施基本無(wú)效;而更換了不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的壓力調(diào)節(jié)閥后,振動(dòng)并無(wú)明顯改善。
除了上述原因以外,來(lái)自系統(tǒng)管路內(nèi)空氣及管路走向的影響并不能完全的排除。為了能較為直觀地觀察系統(tǒng)振動(dòng)的情況,按照原理圖(見(jiàn)圖1)搭建試驗(yàn)系統(tǒng),來(lái)直接分析和對(duì)比振動(dòng)原因。
在壓力調(diào)節(jié)閥前管路分別設(shè)置為直管、S形管、h型和倒T型管。按圖5所示,在h型和倒T型管的頭部設(shè)置放氣旋鈕,以保證能釋放管路內(nèi)的空氣。
圖5 壓力調(diào)節(jié)閥前管路形狀
試驗(yàn)結(jié)果表明:用直管和S形管路作為閥前管路時(shí),壓力調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)正常,無(wú)振動(dòng)發(fā)生;而用h型管和倒T形管路作為閥前管路時(shí),壓力調(diào)節(jié)閥發(fā)生振動(dòng)。通過(guò)h型管和倒T形管路頂部的放氣旋鈕進(jìn)行放氣后,振動(dòng)明顯緩解。
在壓力調(diào)節(jié)閥閥腔頂部設(shè)置一放氣旋鈕后,重復(fù)h型管和倒T形管路試驗(yàn),最終試驗(yàn)情況如下:
1)用h型管試驗(yàn)時(shí),系統(tǒng)管路和壓力調(diào)節(jié)閥發(fā)生振動(dòng)。壓力調(diào)節(jié)閥閥前壓力波動(dòng)頻率約為3.02Hz,壓力振幅在0.05MPa~0.06MPa之間。通過(guò)h型管路頂端放氣旋鈕排氣后,壓力調(diào)節(jié)閥閥前壓力波動(dòng)頻率約為6.3Hz,壓力振幅在0.02MPa~0.03MPa之間。繼續(xù)通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥上的放氣旋鈕進(jìn)行排氣后,壓力調(diào)節(jié)閥和系統(tǒng)管路的振動(dòng)基本消除。
2)用倒T型管試驗(yàn)時(shí),系統(tǒng)管路和壓力調(diào)節(jié)閥同樣都發(fā)生振動(dòng)。壓力調(diào)節(jié)閥閥前壓力波動(dòng)頻率約為2.8Hz,壓力振幅在0.046MPa~0.062MPa之間。通過(guò)倒T型管路頂端放氣旋鈕排氣后,壓力調(diào)節(jié)閥閥前壓力波動(dòng)頻率約為6.6Hz,壓力振幅在0.02MPa~0.03MPa之間。繼續(xù)通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥上的放氣旋鈕進(jìn)行排氣后,壓力調(diào)節(jié)閥和系統(tǒng)管路的振動(dòng)基本消除。
通過(guò)對(duì)壓力調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的分析和系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果可知:船舶液壓系統(tǒng)中振動(dòng)發(fā)生的很重要原因是系統(tǒng)或液壓元器件中混入了空氣,管路走向?qū)諝獾姆e聚有重要影響。閥件中存在的一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的死角也阻礙了空氣的排除,增加了系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)的概率。從防振角度來(lái)說(shuō),合理的系統(tǒng)管路布置和閥件的選用、安裝可有效降低振動(dòng)發(fā)生的概率[3]。比如:平緩安裝管路避免管路急彎產(chǎn)生死角;垂直安裝閥件;增強(qiáng)管路密封;選用底進(jìn)側(cè)出閥件或選用二級(jí)壓力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)壓力調(diào)節(jié)閥等。
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[2]朱志堅(jiān), 米特哈特, 陳宏偉, 等. 氣泡對(duì)液壓系統(tǒng)的危害及防范措施[M]. 液壓與氣動(dòng), 2002(1): 36-38.
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Analysis of Hydraulic System Pipeline Vibration
WANG Xin-hai1, MU Yan2, MENG Fan-ming1
(1. Naval Representative Office stationed Bohai shipyard, Liaoning Huludao 125004, China; 2. Naval ship-support Representative Office stationed Shenyang, Shenyang 110168, China)
This paper analyzes the reasons for the vibration of ship hydraulic system. By comparing and analyzing the influence of different hydraulic systems and hydraulic components on this kind of vibration, it is found out that the reasonable arrangement of pipeline system, appropriate selection and installation of valves can effectively reduce the probability of vibration.
hydraulic system; pipeline; pressure control valve; vibration; frequency
TH137
A
王新海(1980-),男,工程師。主要從事船舶系統(tǒng)的研究。