林時(shí)來(lái)

（華自科技股份有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410025）

廣西龍勝興隆電站液壓管道振動(dòng)分析及減振設(shè)計(jì)

林時(shí)來(lái)

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本文針對(duì)液壓管道的振動(dòng)原因及常用減振方法進(jìn)行了分析，并以廣西龍勝興隆電站的液壓管道振動(dòng)現(xiàn)象為例，設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)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(dòng)。

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(tǒng)中較常使用，對(duì)于立式機(jī)組采用外置式接力器的電站，由于電站系統(tǒng)布局空間較大，液壓系統(tǒng)與接力器之間有一段較長(zhǎng)的距離，可能長(zhǎng)達(dá)十幾米到數(shù)十米，這時(shí)則需要采用液壓油管連接調(diào)速器進(jìn)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(shí)際使用過(guò)程中，當(dāng)操作換向閥控制接力器動(dòng)作時(shí)，由于壓力油的沖擊，液壓油管會(huì)發(fā)生明顯的振動(dòng)，產(chǎn)生異響。一方面對(duì)管道接頭結(jié)構(gòu)的可靠性有影響，易產(chǎn)生疲勞破壞造成滲油漏油，另一方面對(duì)環(huán)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(diào)速器換向閥進(jìn)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(dāng)控制換向閥操作接力器動(dòng)作時(shí)，管道振幅很大，噪音明顯。

1 液壓管道振動(dòng)原因及常見(jiàn)減振方法

液壓管道的振動(dòng)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(tǒng)啟動(dòng)、停止、換向等原因造成，液壓油壓力變化與管道振動(dòng)的數(shù)學(xué)關(guān)系模型涉及到流固耦合問(wèn)題，這里采用振動(dòng)控制的理論，對(duì)系統(tǒng)作定性分析。一般振動(dòng)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為二階阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程為：

其中m為系統(tǒng)質(zhì)量，c為系統(tǒng)阻尼，k為系統(tǒng)剛度，x為系統(tǒng)振動(dòng)位移，f（t）為系統(tǒng)激勵(lì)，則系統(tǒng)的無(wú)阻尼振動(dòng)固有頻率為。由振動(dòng)理論可知，當(dāng)系統(tǒng)激勵(lì)（ft）的頻率接近系統(tǒng)固有頻率Wn時(shí)，系統(tǒng)振幅將明顯增大，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而系統(tǒng)激勵(lì)（ft）的頻率遠(yuǎn)離系統(tǒng)固有頻率Wn時(shí)，系統(tǒng)振幅較小。

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

1.1 設(shè)置管道支撐減振

通過(guò)在管道外圍設(shè)置合理的支撐，可增加管道結(jié)構(gòu)的剛性，改變管道系統(tǒng)的固有頻率，從而達(dá)到減振的效果。這種方法在系統(tǒng)沖擊頻率變化較小的場(chǎng)合或管道比較長(zhǎng)的場(chǎng)合非常適用。

通過(guò)改變支撐結(jié)構(gòu)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(dòng)。這種方法簡(jiǎn)單有效，不需更改較多的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及占用較多的空間。

1.2 合理布置管道減振

當(dāng)管道中的液壓沖擊載荷相同時(shí)，管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及安裝也對(duì)振動(dòng)有較大影響。液壓管道中，發(fā)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(fā)生變化的位置，因此，設(shè)計(jì)布置管道時(shí)，應(yīng)盡量避免彎頭或盡量加大管道轉(zhuǎn)角半徑。

此外，設(shè)計(jì)管道壁厚及形狀時(shí)，在保證強(qiáng)度的前提下，盡量使管道的系統(tǒng)頻率偏離液壓沖擊激勵(lì)的頻率。

1.3 液壓減振

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

2 減振設(shè)計(jì)

分析現(xiàn)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(shí)際情況，采用設(shè)置管道支撐的方式來(lái)減小液壓沖擊帶來(lái)的管道振動(dòng)。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(zhǎng)，整體剛度低，也即系統(tǒng)固有頻率較低，控制接力器動(dòng)作的油量需求大，因此造成了操作接力器時(shí)的管道明顯振動(dòng)，噪音非常明顯。通過(guò)增加合理的支撐設(shè)置，提高管道的系統(tǒng)固有頻率，從而減小管道的振動(dòng)。

這里采用有限元軟件計(jì)算管道系統(tǒng)的固有頻率，分別考慮無(wú)支撐方式時(shí)液壓管道的固有頻率、單支撐時(shí)液壓管道的固有頻率、三支撐時(shí)液壓管道的固有頻率計(jì)五支撐時(shí)液壓管道的固有頻率。將管道簡(jiǎn)化為等截面的直管，在ANSYS中采用PIPE單元對(duì)管道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用桿單元對(duì)支撐進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算固有頻率如表1所示，對(duì)管道振動(dòng)影響最大的第一階模態(tài)如圖1～4所示。

表1 管道計(jì)算固有頻率（Hz）

圖1 無(wú)支撐時(shí)第一階模態(tài)

圖2 單支撐時(shí)第一階模態(tài)

圖3 三支撐時(shí)第一階模態(tài)

圖4 五支撐時(shí)第一階模態(tài)

3 總結(jié)

由上述計(jì)算結(jié)果可知，管道支撐越多，剛性越多，系統(tǒng)固有頻率也越高，則與液壓沖擊的頻率偏離越遠(yuǎn)，利于系統(tǒng)減振。但系統(tǒng)支撐也不是越多越好：①需要考慮支撐布局所占的空間問(wèn)題；②管道支撐改變了系統(tǒng)的固有頻率，同時(shí)也改變了系統(tǒng)的受力狀態(tài)，需要防止產(chǎn)生局部較大應(yīng)力的問(wèn)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(jié)構(gòu)的可靠性。

針對(duì)管道振動(dòng)問(wèn)題，首先應(yīng)分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因，然后根據(jù)振源特性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)或改善，達(dá)到減小振動(dòng)及噪音的效果。如果簡(jiǎn)單地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固或換管處理，則可能達(dá)不到減振效果，甚至給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性帶來(lái)不利的影響。

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TQ055.8

A

1004-7344（2016）20-0060-02

2016-7-1

林時(shí)來(lái)（1985-），助理工程師，本科，主要從事水電行業(yè)自動(dòng)化方面工作。