基于異形阻尼結構的甲板吊車油箱設計

陳川龍

(海裝駐武漢地區第八代表室，武漢 430084)

1 概述

在液壓系統中，油箱的作用無可替代，其既能夠實現油液的儲存功能，又能實現對混入油液空氣、雜質等多余物的分離，具有系統散熱功能[1]。實際工程應用中，良好的油箱設計要滿足從滿油到耗盡整個過程中重心穩定的要求，確保油箱在任何狀態下都能正常、連續性供油。

工業領域，液壓油箱可按其中的液體是否具備獨立的驅動源分為開式結構和閉式結構。開式結構中，箱內容納的液體與外界大氣環境連通，液體主要受重力和液面大氣壓影響，呈自由狀態。對外輸油口通常設置于油箱底部低位。而在閉式結構中，整個油箱容器為密封狀態，且內部設置有獨立工作的壓力源，如彈簧或氣囊，使油箱內部保持正壓狀態，對外可不受外界環境氣壓和重力的影響，且對外輸油口可設置于油箱任意位置。

在航空器、潛水設備等特種裝備領域，由于外界環境壓力和運動姿態導致的重力變化范圍大，且相應領域對成本的接受度較高，一般多采用閉式油箱。船舶設備領域受行業利潤限制，其環境氣壓變化范圍較小，故廣泛使用開式油箱。在風浪中航行工況下，以甲板吊車為代表的上層甲板設備不可避免地經受大角度的橫搖和縱傾，這種情況下可能出現油液晃動，引發設備重心偏移及液面位移造成油泵吸空等不利工況。

2 容器油液搖晃的機理分析

油液晃動產生的根本原因是由于貯液容器(即油箱本體)在工作中產生的搖擺和傾斜位移，引發容器內流體的往復移動。此現象源于外部存儲容器的姿態變化導致重力做功引起液體流動，而非液體內部激勵產生的擾動具有往復時變流動特點，被稱為容器內部流體受迫晃動[2-3]。研究表明，對于開式油箱來說，其自由液面的存在使得該現象具有很強的變化性和隨機性。液面晃動現象可按其表現特征劃分為線性(小幅)和非線性(大幅)兩種不同模式。在晃動幅度與容器尺寸相對比較小時，液面的晃動幅度和頻率與容器的搖擺幅度和頻率呈現較強的線性相關特征[4]。根據工程經驗，液體的小幅晃動難以消除，且油箱在設計之初可以針對小幅晃動預留一定的液面變化裕量，因此無需過多考慮。將油箱俯視面近似轉換為其外接圓，則容器內液面的變化幅值超過約0.25R，即可出現非線性(大幅)晃動效應。這種工況下，由于阻尼系數出現非線性態，分解至各階的晃動頻率不再是常數，各階晃動因為內共振效應而產生峰值疊加現象，極端情況下可能出現液體飛濺或破碎等現象[5]。根據CB1102-2008《船用液壓系統通用技術條件》相關條款規定，指標要求最低的民用海船裝備的液壓設備也必須適應至少22°30′的左右搖擺。可以預見，船舶液壓設備特別是甲板設備，如果不進行阻尼結構設計，在風浪中航行時將不可避免地出現油箱液體的非線性晃動，可能引發重心劇烈變化及油泵吸空現象[6]。

液體晃動過程中，由于油箱的固有頻率可通過結構設計提高，擴大其與液體晃動頻率的差距，此時油箱本身的微小振動可視為對液體運動無影響，因此可將油箱視為近似剛體。油液在晃動中受重力影響，在油箱內往復流動，因此抑制液體晃動的解決思路在于將運動的整個液體分割為多個相對獨立運動的更小液塊，將單個波浪產生的較大的勢能變化量分割為多個較小的勢能變化量，從而降低液面整體高度的變化，避免油泵吸空。根據鄒喜聰[3]和陳星、蔣梅榮[7]對油箱晃動模型的仿真分析，容器內液面的高度越低，在相同的被動激勵作用下，流體晃動越劇烈，液面變化的絕對位移幅值越大。

工程實踐中，通常采用在容器內設置阻尼擋板的方式來消弱液體的晃動效應。阻尼擋板將原本處于一個整體態的流體分隔為不同的部分，液體在運動過程中由于阻尼擋板的阻礙而在內部產生層流和湍流，進而在液體內部產生運動效應不同的區塊，各區塊流體力學參數如質量、頻率及晃動阻尼等指標各不相同，從而降低了整個液體對外晃動的劇烈程度[8]。Akyildiz[9]針對同一容器內設置和取消阻尼單板兩種條件下，提供相同的外部激勵，進行了阻尼擋板對流體晃動效應影響的實驗研究。實驗結果證明，流體內設置阻尼擋板能夠有效抑制晃動效應，并顯著降低液面升降變化的幅值。在其他條件不變的前提下，阻尼擋板的數量與液面晃動的抑制程度呈明顯的正相關。液位高度相對容器內尺寸占比越高，阻尼擋板對晃動效應的抑制效果越明顯[10]。

圖1為采用SPH方法模擬的矩形油箱晃動工況。基于容器充液比相同、外部橫搖振幅激勵相同的前提下對比加裝阻尼擋板后液面隨時間的變化現象[11]，圖中(a)模型為無阻尼擋板容器，(b)模型為容器中部設置一塊阻尼擋板容器。由圖中可以看出，(b)模型中的阻尼擋板作用明顯，能夠有效抑制液體晃動的幅度。

圖1 矩形油箱晃動對比Fig.1 Comparison of rectangular tank sloshing

3 阻尼結構的設計思路

抑制油箱內油液晃動產生的負面效果可以重點考慮兩個方面：一是增加阻尼擋板個數，降低液體晃動的幅度。二是將油箱對外輸出油液的吸油口設置于高充液比的位置，以保證液面的變化能夠始終覆蓋吸油口所處的液位。

基于上述思路，設計以方異形阻尼結構模型如圖2所示。容器內空間利用阻尼板分隔為5個開放式儲油區。其中，處于俯視面幾何中心區域設置為油箱對外輸出油液的中心區，中心區域周邊空間分隔為4個獨立的儲油區，且其與中心吸油區之間的隔板上設置補油交通孔以便低層油液流動，在出現傾斜搖擺工況時，始終能保持高液位區域向中心區域補油。分割各個區域的立壁，在不同方向承擔了阻尼擋板的功能，無論容器向哪個方向發生搖擺，在該方向上的隔板都能夠作為阻尼擋板抑制液面晃動幅度，保證中心區域的液面相對穩定。

為進一步抑制中心區油液流失，在中心區與周邊儲油區的流動孔上設置單向活頁擋板，實現在搖晃過程中，液面高于中心區的儲油區可從補油交通孔向中心區補油，而中心區的油液不會通過補油交通孔流失，從而保證中心區的液面無論是在縱傾或是橫搖的條件下都能保持較小的變化幅度，避免出現油泵吸空現象。中心區和儲油區的分隔設計對油箱內油液的流速和攪拌效應同樣有抑制作用，能夠對油液中各種多余物如微小氣泡、固態雜質的分離帶來正面影響。

圖2 防搖晃開式油箱的內部三維結構示意圖Fig.2 Interior 3D structure diagram of anti-sloshing open tank

4 結語

基于液動力學對液體在容器內搖晃的特性進行了分析，提出了油箱防搖晃設計思路，并基于該思路進行了具體的結構設計。采用內置異形阻尼結構方式可以有效抑制液體非線性晃動，但是在油箱內部增設結構抑制晃動的同時也增加了油箱制造的復雜程度。目前，本設計思路將油液視為無黏性且不可壓縮的理想液體進行了等效簡化處理，僅適用于常規船舶裝備領域，如液壓油箱、潤滑油箱、水箱等，如要將其應用于高黏度的液體介質(如極地海域航行的重油油箱)，還有待于從流體內摩擦力和層流的角度對其開展更深一步的研究。