高機動雷達液壓系統水錘現象研究

耿少航 李 智 鄒玉蓉 劉浩亮 李 博

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

千變萬化的現實威脅對現代軍事雷達提出了嚴峻的挑戰，高架機動雷達因具有高機動性和低空性能強的優點而得到廣泛關注，而液壓系統是高架機動雷達的核心部件之一，其不但要實現天線迅速地架設與撤收，還要確保天線工作過程中穩定不晃動。然而某高架機動雷達液壓系統在架設與撤收過程中伴有明顯的噪聲、振動等現象，這不僅會引發不安全因素，也不利于液壓系統壽命的延長。

查閱文獻可知，在液壓系統換向閥的閥門突然開啟或關閉時，管道中液體的壓力會發生急劇交替升降的現象，從而引發噪聲與振動，這一現象被稱為水錘現象。因此對水錘現象的研究，不僅能夠延長液壓系統壽命，排除安全隱患；還能夠提高高架機動雷達的機動性和低空性能。

近年來，各個領域的學者對水錘現象及其防護展開了一系列研究。王璐[1]等對飛機燃油系統液壓活門關閉過程產生的水錘現象進行分析，提出調低射流傳感器響應頻率、降低活門匹配壓力和縮小管路通徑等方法減弱該現象。張一[2]搭建了測試平臺，對液壓水錘效應的毀傷效果進行了研究，分析了水錘作用與流體入射速度以及壓力的關系。

林景松[3]對某型號液體火箭發動機推進劑供應管路進行關機水擊過程進行研究，通過計算數據量化說明分支管影響水擊壓力的規律，為包含非標部件的小管路系統水擊評估提供參考，給水擊壓力測量方案選擇提供依據。劉佳興[4]等建立了具有盲支管的低溫管路模型，仿真計算得到了不同閥門關閉時間、盲支管長度和管徑下的水擊壓力變化情況。結果顯示：閥門關閉時間越短，造成盲支管內的壓力變化越劇烈，形成較大的壓力峰值；在整個管路形成封閉腔后,閥門關閉造成系統壓力急劇變化影響較大；管徑越大，閥門關閉時的水擊壓力峰值越大。方志成等[5]分析了潛艇操舵系統的液壓沖擊現象，并且介紹了所采取的改變關閉速度、加裝軟管、加裝消聲器、降底管路中的初始流速、改進管路固定方式、加裝吸收液壓沖擊的蓄能器等綜合治理技術措施，可以為液壓系統設計提供參考。

綜上所述，雖然對水錘現象的研究已經取得了豐富的成果，但目前針對車載雷達液壓系統內的水錘現象鮮有研究。車載雷達需要通過液壓系統迅速實現機構舉升、翻轉和鎖定，其液壓系統管路復雜響應快，對流體的流量和壓力等參數要求精度高，細微的流量和壓力變化會引發不可估量的后果。因此，對車載雷達液壓系統水錘現象的研究，不但能夠豐富相關理論，還具有明確的現實價值和工程意義。

1 計算模型

如圖1所示的某高機動雷達液壓系統舉升機構原理圖，當舉升機構工作時，電機帶動液壓馬達轉動將液壓油從油源供應至液壓缸，活塞桿推出將負載舉升至工作位置，隨后液壓鎖鎖定確保負載穩定在工作位置。當需要從工作位置撤收時，換向閥換向，液壓缸活塞桿收回從而負載被撤收，平衡閥為液壓系統提供背壓保證穩定撤收。

圖1 液壓系統原理圖

然而閥門關閉或開啟時水錘現象會引起如圖2所示的壓力交替升降的現象，從而引發噪聲與振動。

圖2 水錘現象壓力變化

根據閥門關閉或開啟的快慢，水錘現象又分為直接沖擊和間接沖擊，當閥門突然關閉，即t

Pmax=ρva

(1)

其中，t0為臨界時間，計算方法為

t0=2L/a

(2)

公式(1)中，ρ為流體的密度；v為流體的平均速度；a為流體中的聲速，計算方法為

(3)

公式(3)中K為流體體積彈性模量，取1700MPa；E為管道彈性模量；d為管道內徑；δ為壁厚。

當閥門開啟時間小于臨界時間時，此時為直接沖擊，即t

(4)

公式(4)中P0為液壓系統管道的工作壓力。

當閥門關閉時間大于臨界時間時，即t>t0，此時為間接沖擊，管道內產生的最大壓力Pr為

(5)

公式(5)中P1、P2分別為

(6)

當閥門開啟時間大于臨界時間時，即t>t0，此時為間接沖擊，管道內產生的最大壓力Pd為

(7)

結合上述分析本文得到了某高機動雷達液壓系統某一回路中閥關閉和開啟過程中，壓力峰值隨關閉和開啟時間的變化規律，工況的部分參數如表1所示，工作壓力為7MPa，管道彈性模量為210GPa。

表1 液壓系統參數

通過分析可知，該系統的臨界時間為0.017s。如圖3所示，在閥開啟或關閉的時間小于臨界時間前，壓力峰值與時間長短無關，且閥關閉時產生的壓力峰值約為6MPa，略大于閥開啟時；當閥開啟或關閉的時間大于臨界時間后，隨著時間的增大，壓力峰值減小，0.2s后趨于穩定，大約為0.4MPa。

圖3 壓力峰值隨時間變化

2 仿真分析

上節已經分析了得到了高機動雷達液壓系統換向閥開啟或關閉時，壓力峰值隨其動作時間的變化規律，本小節將具體探究液壓系統管徑、管長、工作壓力等參數對其臨界時間和壓力峰值的影響規律。

2.1 臨界時間

本小節對液壓系統的管徑分別為10.7mm、11.7mm、12.7mm、13.7mm和14.7mm，管長分別為10m、11m、12m、13m和14m時，換向閥動作過程進行分析，得到了管徑和管長對臨界時間的影響規律。

如圖4所示，在管長一定時，隨著管徑的增加，雖然流體速度增大，但液壓系統閥動作的臨界時間變化不大，當管徑從10.7mm增大至14.7mm時，臨界時間僅增加了0.1ms；然而當保持的管徑一定時，隨著管長的增大，液壓系統閥動作的臨界時間明顯增大，而當管道從10m變化至14m時，臨界時間從14.6ms增加至20.5ms。

圖4 管徑和管長對臨界時間的影響

2.2 壓力峰值

如圖5至圖7所示的是液壓系統的工作壓力分別為6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、和10MPa時，直接沖擊過程中系統壓力峰值的變化。由圖5可知，當液壓系統的工作壓力從6MPa增加至10MPa時，關閉液壓閥的過程中系統壓力峰值無變化始終為6MPa；而開啟液壓閥的過程中系統的壓力峰值從3.7MPa逐步增加到4.5MPa。因此，在系統工作時，可以通過降低額定壓力的方式來削弱液壓沖擊現象。

圖5 工作壓力對壓力峰值的影響(直接沖擊)

如圖6和圖7所示是液壓系統的工作壓力分別為6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、和10MPa時，間接沖擊過程中，系統壓力峰值隨閥動作時間的變化規律。由圖6和圖7可知，在6MPa至10MPa的工作壓力范圍內，隨著開啟或關閉閥門時間的增加，系統的壓力峰值逐步減小；但在相同的開啟或關閉時間內，隨著系統工作壓力的增加，壓力峰值逐漸增加。當系統的工作壓力從6MPa增加至10MPa時，假定閥開啟或關閉的時間為0.02s，則開啟閥門時壓力峰值從2.9MPa增大至3.8MPa；關閉閥門時壓力峰值從5.1MPa增大至5.3MPa。可見，通過調節工作壓力的方式，能夠較好地控制閥開啟過程中的液壓沖擊現象，但對閥關閉過程中液壓沖擊現象調節作用并不明顯。

圖6 工作壓力對壓力峰值的影響(間接沖擊—開啟)

圖7 工作壓力對壓力峰值的影響(間接沖擊—關閉)

如圖8所示的是，液壓系統的管道直徑分別為10.7mm、10.7mm、11.7mm、12.7mm、13.7mm和14.7mm時，直接沖擊過程中系統壓力峰值的變化規律。由圖8可知，當系統管道的直徑從10.7mm增大至14.7mm時，無論是快速關閉還是開啟閥門，系統壓力峰值均減小，關閉閥門的過程中，壓力峰值從8.5MPa降低至4.5MPa；開啟閥門的過程中，壓力峰值從4.8MPa降低至3.2MPa。由于液壓系統工作過程中保持流量不變，因此隨著管道直徑的增大，流體流速減小，當管道直徑從10.7mm增大至14.7mm時，流體流速從7.05m/s降低至3.73m/s，從而抑制了關閉和開啟閥門過程中的液壓沖擊現象。

圖8 管道直徑對壓力峰值影響(直接沖擊)

如圖9和圖10所示，液壓系統的管道直徑分別為10.7mm、11.7mm、12.7mm、13.7mm和14.7mm時，間接沖擊過程中系統壓力峰值隨閥動作時間的變化規律。由圖9和圖10可知，當系統管道的直徑從10.7mm增大至14.7mm時，在間接沖擊過程中，壓力峰值均隨著管道直徑的增大而減小。但隨著動作時間的增大，其壓力峰值趨于穩定。

圖9 管道直徑對壓力峰值的影響(間接沖擊—關閉)

圖10 管道直徑對壓力峰值的影響(間接沖擊—開啟)

結合上述分析，將液壓系統管徑由12.7mm增大至14.7mm；將系統工作壓力由7MPa降低至6MPa；將換向閥動作時間設定為30ms，大于臨界時間；受整體布局約束不改變系統管路長度。此時，開啟和關閉閥門時壓力峰值分別從4MPa和6MPa降低至2.1MPa和2.8MPa，在實際應用中，噪聲與振動現象也被明顯削弱。

3 結論

本文建立了某高機動雷達液壓系統計算模型，并對液壓系統閥開啟和關閉過程中發生的水錘現象進行了分析，得到的主要結論有：

1)通過系統分析，得到了某高機動雷達液壓系統水錘效應的快慢開臨界時間以及壓力峰值隨閥動作時間的變化規律，為液壓系統設計提供參考。

2)分析了管徑、管長對臨界時間的影響，結果表明：在本文研究的范圍內，臨界時間隨管長的增大而增大，但臨界時間并不隨管徑的變化而變化。

3)分析了工作壓力和管徑對壓力峰值的影響，結果表明：在本文研究的范圍內，工作壓力并不影響閥門快關時系統的壓力峰值；但閥門快開時系統的壓力峰值隨工作壓力的增大而增大；而對于慢開和慢關閥門，壓力峰值均隨工作壓力的增大而增大。當質量流量一定時，流體流速隨管道直徑的增大而減小，從而導致壓力峰值隨管道直徑的增大而減小。

4)結合實際約束，優化了管徑、系統工作壓力和換向閥動作時間三個參數，開啟和關閉閥門時壓力峰值分別從4MPa和6MPa降低至2.1MPa和2.8MPa。

4 結束語

本文對液壓系統閥開啟和關閉過程中發生的水錘現象進行了分析，得到了其臨界時間和壓力峰值；隨后探究了管徑、管長、工作壓力等參數對其臨界時間和壓力峰值的影響規律；后續可分析支路等對水錘現象的影響，同時還可以考慮環境溫度、液壓油物性參數等因素的影響。在液壓系統管路設計時，還應當考慮增加卸荷閥和蓄能器等裝置，從而削弱水錘現象的危害。