一種解決阻尼延時裝置動態平穩特性的方法

王俊光 ，馬為峰 ，張孝毅，韓小晨

(1.中國船舶集團有限公司 第705研究所，陜西 西安 710076；2.山西平陽重工機械有限責任公司，山西 侯馬 043003)

魚雷熱動力系統的換速過程要求必須平穩且無振蕩沖擊，否則會引起燃燒沖擊，燃燒室壓力必將發生不同程度的超調[1]。為避免這種情況的發生，設計了一種阻尼延時裝置，它主要由阻尼器和延時器組合而成。阻尼器由6個節流孔板組成，孔板直徑為0.5 mm，但孔的分布位置不同，一種在圓中心，另一種在距離圓心1.9 mm處。2種孔板形式示意圖見圖1，二者成對使用，裝于換速管路中。延時器由彈簧、活塞、殼體等組成，阻尼延時裝置整體結構示意圖見圖2。根據經驗和設計計算，換速時，液體通過成對孔板組成的復合節流孔板和延時器，使作用到換速機構的液體流速減緩，同時液體壓力克服延時器彈簧作用力使活塞正常動作，從而起到延時作用。但對換速過程的平穩性未能給出細致的考慮，因此本文從出現的問題入手，采用計算反演的方式，推斷出液體流動的瞬時狀態，并根據分析結論，提出了新的解決方案和試驗方法，試驗結果驗證了該方法可行。

圖1 2種孔板形式示意圖

圖2 阻尼延時裝置整體結構示意圖

1 問題提出

正常情況下，升速時通過換速管路的液體壓力升高，延時器中彈簧受壓縮，活塞上行，該裝置出口壓力應在規定時間內平緩上升。降速時，出口壓力應在規定時間內平緩下降。但在參加系統熱態試驗時，發現升速過程中存在出口壓力回跳現象，壓力回跳曲線如圖3所示，對燃燒組織及整個動力系統的工作造成一定沖擊，極易造成熱動力系統的破壞甚至爆炸。

圖3 壓力回跳曲線

2 試驗設計，問題分析及解決方案

為解決動力系統試驗時出現的問題，現需模擬動力系統的工況，設計一種新的試驗裝置及試驗方法。經過討論分析，試驗系統設計示意圖如圖4所示。正常工作時，電磁閥上電，出口壓力表應平緩上升；電磁閥失電，出口壓力表應平緩下降。

圖4 試驗系統設計示意圖

試驗后對多套該裝置進行分解，發現延時器的彈簧內圈有摩擦痕跡，且分布較為一致，說明活塞上端與彈簧內圈存在卡滯現象。傳統經驗公式計算彈簧強度局限于垂直壓縮工況，并不能計算彈簧的運動軌跡及其布置方案對裝配狀態下的應力影響[2]，彈簧如何變形主要是由受力狀況確定的，若受力稍有偏斜，則彈簧變形彎曲。根據試驗結果，彈簧在活塞初始動作瞬間存在彎曲現象，為避免這種彎曲變形產生的卡滯，對活塞上端進行倒角加大且倒圓處理，活塞改進示意圖如圖5所示。改進后再次進行動作試驗，試驗結果有所好轉，但壓力回跳仍存在。

圖5 活塞改進示意圖

對該裝置進行整體分析，彈簧剛度對其動態特性影響很小[3]。然后從彈簧受力的微變形角度出發，計算活塞開啟瞬間所需要的液體壓力，由于活塞及密封圈的摩擦阻力較彈簧的預緊力小得多，故忽略摩擦阻力，計算如下：

P0=F0/S，

(1)

F0=Kx0，

(2)

x0=h0-(d-h1-d1-δ1-δ2)，

(3)

活塞到達上極限位置瞬間所需的液體壓力P1為：

P1=F1/S，

(4)

F1=Kx2，

(5)

x2=h0-h2，

(6)

式中，F1為活塞到達上極限位置所需的力，N；x2為彈簧總變形量，mm；h2為活塞彈簧座高度，mm。

各物理量參數見表1。

表1 物理量參數

將表1中的數據代入以上公式計算，可得：F0=41.02 N，P0=0.084 MPa，P1=1.02 MPa。

(7)

基于上述的計算分析，活塞動作前液體應均勻充滿其底部，故在活塞底部加工直徑20 mm、深0.5 mm的凹面，使液體填充充分，預計該方案可解決此問題，再次改進后的活塞示意圖如見6。

圖6 再次改進后的活塞示意圖

3 試驗對比

對設計更改后的活塞進行試驗驗證，改進后試驗結果如圖7所示。對所有已經加工的活塞進行返修，并再次進行動作試驗。

圖7 改進后試驗結果

161#、166#、167#、168#、169#、1610#在動作試驗中均上升平緩。1611#在動作試驗中上升一般平緩，稍有振蕩，經分析后對延時裝置的殼體內圓進行研磨，再次試驗，出口壓力上升平緩。169#、1610#、1611#除進行上述動作試驗驗證外，還搭載了系統功率試驗，均通過試驗驗證，結果表明，該方法有效，問題得到了解決。

4 結束語

針對彈簧元件作用下的延時裝置進行分析，通過對液體當量作用面積的反算，根據出現的問題大致推斷出液體流動的瞬時狀態，從而彌補了傳統經驗和設計方法對微觀問題的認識不足之處，進而提出了一種通過計算反演的方法來解決此類問題的新思路，使瞬時流態引起的問題得到了很好的解決。試驗結果證明該方法切實有效可行，為今后相似問題的解決提供了一條新的途徑。