廣西龍勝興隆電站液壓管道振動分析及減振設計

林時來

（華自科技股份有限公司 湖南長沙 410025）

廣西龍勝興隆電站液壓管道振動分析及減振設計

林時來

（華自科技股份有限公司 湖南長沙 410025）

本文針對液壓管道的振動原因及常用減振方法進行了分析，并以廣西龍勝興隆電站的液壓管道振動現象為例，設計了一套簡單、經濟、實用的減振方案，有限元仿真分析表明，該方案可有效地減小管道的振動。

液壓管道；減振；有限元仿真

引言

液壓油管在電站的液壓控制系統中較常使用，對于立式機組采用外置式接力器的電站，由于電站系統布局空間較大，液壓系統與接力器之間有一段較長的距離，可能長達十幾米到數十米，這時則需要采用液壓油管連接調速器進出油口及接力器，一般采用普通剛性管加液壓軟管即可。但在實際使用過程中，當操作換向閥控制接力器動作時，由于壓力油的沖擊，液壓油管會發生明顯的振動，產生異響。一方面對管道接頭結構的可靠性有影響，易產生疲勞破壞造成滲油漏油，另一方面對環境及操作者也有噪音干擾。以廣西龍勝興隆電站為例，液壓油源的額定工作壓力為14.4～16MPa，接力器與調速器換向閥進出油口之間距離約15m，用剛性管道及液壓軟管連接，未采取減振措施，當控制換向閥操作接力器動作時，管道振幅很大，噪音明顯。

1 液壓管道振動原因及常見減振方法

液壓管道的振動主要是由于液壓油的沖擊造成，液壓油的沖擊則是由于系統啟動、停止、換向等原因造成，液壓油壓力變化與管道振動的數學關系模型涉及到流固耦合問題，這里采用振動控制的理論，對系統作定性分析。一般振動系統可簡化為二階阻尼振動系統，其動力學方程為：

其中m為系統質量，c為系統阻尼，k為系統剛度，x為系統振動位移，f（t）為系統激勵，則系統的無阻尼振動固有頻率為。由振動理論可知，當系統激勵（ft）的頻率接近系統固有頻率Wn時，系統振幅將明顯增大，產生共振現象，而系統激勵（ft）的頻率遠離系統固有頻率Wn時，系統振幅較小。

目前，液壓油管的振動控制控制方法主要分為兩類：①該改變系統固有頻率，比如設置管道支撐、布置管道時改變管道形狀等；②減小振源激勵，比如通過設置相應的控制閥和控制策略，減小液壓系統的壓力變化率，從而減小沖擊。

1.1 設置管道支撐減振

通過在管道外圍設置合理的支撐，可增加管道結構的剛性，改變管道系統的固有頻率，從而達到減振的效果。這種方法在系統沖擊頻率變化較小的場合或管道比較長的場合非常適用。

通過改變支撐結構本身的剛性也可明顯改善減振性能。例如在支撐與管道之間增添橡膠墊片，利用橡膠墊片的彈性承載能力和能量耗散能力，緩沖液壓管道的振動。這種方法簡單有效，不需更改較多的結構設計及占用較多的空間。

1.2 合理布置管道減振

當管道中的液壓沖擊載荷相同時，管道結構的設計及安裝也對振動有較大影響。液壓管道中，發生沖擊載荷最大處為管道彎頭處或異徑管接頭處等截面面積發生變化的位置，因此，設計布置管道時，應盡量避免彎頭或盡量加大管道轉角半徑。

此外，設計管道壁厚及形狀時，在保證強度的前提下，盡量使管道的系統頻率偏離液壓沖擊激勵的頻率。

1.3 液壓減振

液壓減振是指通過一定的控制閥及控制策略，改變液壓系統的壓力變化率、流速等參數，從而減小液壓沖擊，減小管道振動。比如在不影響系統工作的情況下，盡量降低閥口的開關速度，或者在液壓回路中設置合適的穩壓控制閥、流量控制閥及蓄能器等。

2 減振設計

分析現有的液壓管道減振方法及廣西龍勝興隆電站管道布置的實際情況，采用設置管道支撐的方式來減小液壓沖擊帶來的管道振動。由于液壓沖擊在低頻段的能量較大，而廣西龍勝興隆電站使用的液壓管道較長，整體剛度低，也即系統固有頻率較低，控制接力器動作的油量需求大，因此造成了操作接力器時的管道明顯振動，噪音非常明顯。通過增加合理的支撐設置，提高管道的系統固有頻率，從而減小管道的振動。

這里采用有限元軟件計算管道系統的固有頻率，分別考慮無支撐方式時液壓管道的固有頻率、單支撐時液壓管道的固有頻率、三支撐時液壓管道的固有頻率計五支撐時液壓管道的固有頻率。將管道簡化為等截面的直管，在ANSYS中采用PIPE單元對管道進行網格劃分，采用桿單元對支撐進行網格劃分，計算固有頻率如表1所示，對管道振動影響最大的第一階模態如圖1～4所示。

表1 管道計算固有頻率（Hz）

圖1 無支撐時第一階模態

圖2 單支撐時第一階模態

圖3 三支撐時第一階模態

圖4 五支撐時第一階模態

3 總結

由上述計算結果可知，管道支撐越多，剛性越多，系統固有頻率也越高，則與液壓沖擊的頻率偏離越遠，利于系統減振。但系統支撐也不是越多越好：①需要考慮支撐布局所占的空間問題；②管道支撐改變了系統的固有頻率，同時也改變了系統的受力狀態，需要防止產生局部較大應力的問題，在支撐與管道之間增加合適的彈性阻尼元件有利于改善結構的可靠性。

針對管道振動問題，首先應分析振動產生的原因，然后根據振源特性對系統進行相應的設計或改善，達到減小振動及噪音的效果。如果簡單地對結構進行加固或換管處理，則可能達不到減振效果，甚至給系統結構的強度及穩定性帶來不利的影響。

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TQ055.8

A

1004-7344（2016）20-0060-02

2016-7-1

林時來（1985-），助理工程師，本科，主要從事水電行業自動化方面工作。