船用液壓管路系統的振動特性分析

曹澤光

摘 要：管路是船舶、飛機等工業中的重要組成部分之一。船用液壓管路系統在輸送物料或傳輸動力時會有振動，從而導致液壓管路共振引起結構疲勞，劇烈振動會造成支架斷開、管路破裂的情況，因此而發生的事故或污染對人類和環境是重大的威脅。文章基于液壓管路系統工作原理，對管路系統的振動特性進行分析，這對船舶的安全行駛具有理論價值和實際意義。

關鍵詞：液壓管路系統；振動特性；回油管路

中圖分類號：U664.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0185-02

前言

管路系統是一種用于傳輸液體、氣體或帶固體顆粒的流體的裝置，即一種傳送裝置。我國工業的快速發展，使得管路系統被廣泛應用于各領域行業中，這些管路系統對于人們的日常生活和國民經濟有著非常重要的作用，因此，要保障管路系統的安全是必要的。船舶中重要的組成部分有管路系統，對船舶的正常工作有著直接影響，而管路系統主要是受振動引起的破裂，導致事故的發生，從而帶來難以預估的經濟損失。

1 液壓管路系統相關概述

管路是指某系統中用于完成某種工質或者任務的附件和管子的總稱，比如船艙底水管路、燃油管路等。

船用液壓系統主要應用于貨船、打撈船、中小型客船等船只中，通過管路傳輸，為船舶的航行和一些操作，提供液壓動力，便可以實現預先設定的工作循環。

船用液壓管路系統根據其用途可以劃分為船舶系統和動力管路。其中，船舶系統包括艙底水、壓載水、供水、通風、制冷等系統，為船舶和相關人員的安全提供保障；動力管路中包括冷卻、排氣、燃油、壓縮空氣等管路，為船舶的主機和輔機提供服務。

船用液壓系統中，液壓泵負責的主要工作是將電動機或其它原動機的機械能轉化成液體的壓力能；然后經由管路系統的控制元件對液體壓力能的流量進行調控；最后通過液壓馬達再將壓力能轉化成機械能，進而推動船艦的負載進行運轉。液壓系統的工作原理圖如圖1所示。

2 液壓管路材料分析

在液壓管路材料選取時，應優先選擇具有耐壓、耐高溫、節約成本等特點的材料。下面以PB管和PE-RT管為例進行對比分析。

PB（Polybutene，聚丁烯）是一種高分子惰性聚合物，是由丁烯（C4H8）聚合而成，也屬于碳水化合物。PB是無毒、無味的化學物，且具有耐高溫、耐凍裂、抗沖擊、耐腐蝕、抗老化、穩定、可塑等性能，其使用溫度范圍在-10°C～+95°C。其優良的性能，使之在世界上的船艦管路系統中已被廣泛應用。

PE（Polyethylene，聚乙烯）是一種熱塑性樹脂，由乙烯和微量α-烯烴組成的共聚物，具有耐高溫、耐磨、抗腐蝕、等優點。PE-RT（Polyethylene Raised Temperature，耐熱聚乙烯）是在保留PE原有的優勢性能基礎上，進一步強化了其耐高溫、抗沖擊、環保等特性的新型管路材料。

從上述看出PE管與PE-RT管的性能大體相同，下面進行詳細的比較，如表1所示。

從表中的性能對比中，明顯的發現，PB管的力學性能較PE-RT性能優越，材質軟、易于安裝，發生泄露的可能性較低。在相同使用條件環境下，PB管的耐高溫、拉伸斷裂強度較好，且在同系列管路材料中，其安全性也是最高的。因此，在船用液壓管路系統中，以PB管材為最優選擇。

3 船用液壓管路系統振動特性分析

系統的振動主要是流體振動和機械振動，振動產生的根本原因是受液壓泵的旋轉運動和柱塞往復的吸油、排油影響，或者是流體的諧振[1]。液壓管路系統的振動情況較為繁復，液壓泵的脈動流量輸出被動的使管路產生振動。流體本身的諧振頻率與脈動的頻率相近時，就會有自激諧振；流體本身的諧振頻率與管路固有頻率相近時，就會產生耦合共振。

液壓泵的脈動頻率為fm為

fm=nZ/60（1）

式中：n表示液壓泵的轉速；Z表示柱塞值。

流體管路的頻率特性如下

式中：PI、QI分別表示回油管路入口的壓力和流量；PO、QO分別表示液壓泵出口的壓力和流量；Γ表示管路的傳遞算子；ZI表示管路系統的特征阻抗。

根據流體力學理論，并根據式（2），可以得到流體管路的頻率和振幅參數特性。因為需要，船艦導向管呈細長狀，使得流體對管路頻率影響很小，可以忽略不計，但是流體壓力對管路頻率有影響，管路最低階的固有頻率估算公式為

式中：λ1表示支承條件的系數。（一端固支一端簡支時，取15.4；兩端固支時，取22.4；兩端簡支時，取9.87）；L表示兩支承點間的長度；E表示管路材料的彈性模量；H表示管路的截面慣性矩；M表示管路與流體的質量。

通過上述的計算公式，若保證流體管路不發生自激諧振，最低階固有頻率與脈動頻率關系是1.5fm

管路流體壓力對最低階固有頻率的影響：最低階固有頻率隨著管路流體壓力的變化是，流體的壓力增加，會導致管路最低階固有頻率下降。

如果流體壓力受擾動，最低階固有頻率隨著流體擾動壓力的變化如圖3所示。從圖中可以看出，固有頻率隨著擾動壓力的增加而增大。

從上述支承長度、流體流速、流體壓力等幾種情況，分析其對最低階固有頻率的影響，可以發現，縮短支承點間距的長度能夠有效的降低固有頻率，避免振動而引起的一系列事故。

4 結束語

根據液壓管路系統的工作原理，以及管路材料的選擇，對液壓系統的振動特性進行分析。管路材料的選擇以PB管優先，因其性能在同系列中是安全性能最高的，且符合管路各方面的要求。對于液壓管路系統中存在的振動問題，通過縮短支承長度提高其振動特性是一種有效的方法。對于船用液壓管路系統振動特性的研究，能夠為今后的管路系統減振研究提供參考。

參考文獻：

[1]李哲洙，高培鑫，趙大哲，等.基于希爾伯特-黃轉換的變壓力下航空發動機液壓管路振動特性研究[J].中國科技論文，2015（14）：1721-1724.

[2]付永領，荊慧強.彎管轉角對液壓管道振動特性影響分析[J].振動與沖擊，2013，32（13）：165-169.

[3]李晶，王康景， 耀保，等.周期性脈動流體對飛機液壓管路振動特性的影響[J].機床與液壓，2014（11）：5-8.