液壓系統回油管路的振動分析

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．海軍駐沈陽地區艦船配套軍事代表室，沈陽 110168）

液壓系統回油管路的振動分析

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．海軍駐沈陽地區艦船配套軍事代表室，沈陽 110168）

分析了船舶液壓系統回油管路振動的發生原因，對比和分析不同結構系統管路和元件結構對此類振動的影響，分析可知，合理的系統管路布置和閥件的選用、安裝可有效降低振動發生的概率。

液壓系統；回油管路；壓力調節閥；振動；頻率

0 引言

在某些船舶液壓系統中為了使回油管路保持一定的回油壓力，會根據需要在液壓系統的回油管路中設置一個壓力調節閥。一般來說，此類壓力調節閥的調節壓力都比較低，而要求通過的流量都較大。這一類的系統管路及壓力閥在發生振動時往往表現為低頻率、高振幅的劇烈振動。此類振動會對系統元器件和用戶的使用壽命造成損害。如果管路是用較長的剛性管路連接，可導致管路固定的馬腳脫落，管路接頭發生斷裂，從而對整個液壓系統產生較大的危害。本文主要通過直接的分析手段來驗證在此類振動發生的主要影響因素。

1 振動分析

船舶液壓系統的回油管路組成并不復雜，但管路走向復雜、通油能力強、管網容積較大，以發生振動的船用液壓回油管路系統為例（原理如圖1所示），其振動的主要發生在回油管路的壓力調節閥附近，表現為頻率約為2Hz～5Hz左右的振動，振幅較大，壓力調節閥及附近管路產生幅度明顯的有節奏抖動。

根據振動發生的機理可以基本確定為壓力調節閥的固有頻率與液壓系統的振蕩頻率耦合[1]，產生振動。為此需對壓力調節閥和系統管路進行具體分析，來確定振動發生的主要因素。

圖1 船用液壓回油管路系統原理圖

2 壓力調節閥的計算分析

系統中選用的壓力調節閥為直動式結構，由彈性元件與閥芯構成單自由度的彈性-質量系統。

通過理論計算，可得其固有頻率為3.2Hz；通過振動臺進行掃頻測試，其實際固有頻率為3.44Hz（圖2）。這與系統振動發生時的振動頻率較為接近。

圖2 壓力調節閥彈性-質量系統掃頻圖

用FLUENT軟件對壓力調節閥的內流場進行計算機仿真計算后，可知：1）當系統流量突變時，壓力調節閥閥口介質處于噴射狀，見圖 3；2）在壓力調節閥閥芯出口處有負壓區存在，極限負壓值為-0.5MPa，見圖4。

圖3 壓力調節閥流量場仿真

圖4 壓力調節閥壓力場仿真

在一般情況下，液壓油中通常溶解有5%左右的空氣，局部負壓可導致溶解于液壓油中空氣的析出，從而導致液壓系統內產生氣穴現象[2]，可使系統或閥件發生振動。

在實船解決過程中，通過更換壓力調節閥不同固有頻率的彈簧，以期避免振動的措施基本無效；而更換了不同內部結構的壓力調節閥后，振動并無明顯改善。

3 系統管路的分析

除了上述原因以外，來自系統管路內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振動的情況，按照原理圖（見圖1）搭建試驗系統，來直接分析和對比振動原因。

在壓力調節閥前管路分別設置為直管、S形管、h型和倒T型管。按圖5所示，在h型和倒T型管的頭部設置放氣旋鈕，以保證能釋放管路內的空氣。

圖5 壓力調節閥前管路形狀

試驗結果表明：用直管和S形管路作為閥前管路時，壓力調節閥的工作狀態正常，無振動發生；而用h型管和倒T形管路作為閥前管路時，壓力調節閥發生振動。通過h型管和倒T形管路頂部的放氣旋鈕進行放氣后，振動明顯緩解。

在壓力調節閥閥腔頂部設置一放氣旋鈕后，重復h型管和倒T形管路試驗，最終試驗情況如下：

1）用h型管試驗時，系統管路和壓力調節閥發生振動。壓力調節閥閥前壓力波動頻率約為3.02Hz，壓力振幅在0.05MPa~0.06MPa之間。通過h型管路頂端放氣旋鈕排氣后，壓力調節閥閥前壓力波動頻率約為6.3Hz，壓力振幅在0.02MPa~0.03MPa之間。繼續通過壓力調節閥上的放氣旋鈕進行排氣后，壓力調節閥和系統管路的振動基本消除。

2）用倒T型管試驗時，系統管路和壓力調節閥同樣都發生振動。壓力調節閥閥前壓力波動頻率約為2.8Hz，壓力振幅在0.046MPa~0.062MPa之間。通過倒T型管路頂端放氣旋鈕排氣后，壓力調節閥閥前壓力波動頻率約為6.6Hz，壓力振幅在0.02MPa~0.03MPa之間。繼續通過壓力調節閥上的放氣旋鈕進行排氣后，壓力調節閥和系統管路的振動基本消除。

4 結論

通過對壓力調節閥結構的分析和系統試驗結果可知：船舶液壓系統中振動發生的很重要原因是系統或液壓元器件中混入了空氣，管路走向對空氣的積聚有重要影響。閥件中存在的一些結構設計上的死角也阻礙了空氣的排除，增加了系統發生振動的概率。從防振角度來說，合理的系統管路布置和閥件的選用、安裝可有效降低振動發生的概率[3]。比如：平緩安裝管路避免管路急彎產生死角；垂直安裝閥件；增強管路密封；選用底進側出閥件或選用二級壓力調節結構壓力調節閥等。

[1]張利平. 液壓氣動系統設計手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 1997.

[2]朱志堅, 米特哈特, 陳宏偉, 等. 氣泡對液壓系統的危害及防范措施[M]. 液壓與氣動, 2002(1): 36-38.

[3]宋俊, 殷慶文, 等. 液壓系統優化[M]. 北京:機械工業出版社, 1996.

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。主要從事船舶系統的研究。