周佳宇 朱群偉 劉建良

摘? ? 要：船舶潤滑油管路壓力波動(dòng)是引起潤滑油管路及附屬設(shè)備振動(dòng)的主要原因。本文對潤滑油管路壓力波動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，找出管路流體壓力波動(dòng)的根源，針對產(chǎn)生壓力波動(dòng)情況的原因提出相應(yīng)的抑制方法，并對不同抑制方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。該研究對潤滑油管路振動(dòng)治理有一定指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：潤滑油管路;壓力波動(dòng);抑制方法

中圖分類號(hào)：TH137? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Pressure fluctuation of lubricating oil pipeline is the main cause of vibration of lubricating oil pipeline and auxiliary equipment. In this paper， the mechanism of pressure fluctuation in lubricating oil pipeline is analyzed， the source of the pressure fluctuation in the pipeline is found out， the corresponding suppression methods are put forward according to the causes of pressure fluctuation， and the advantages and disadvantages of different suppression methods are compared. This study has guiding effect on vibration control of lubricating oil pipeline.

Key words： Lubricating oil pipeline; Pressure fluctuation; Suppression method

1? ? ?引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，管路被廣泛應(yīng)用于船舶與海洋工程、大型重裝設(shè)備及石油、天然氣等輸送系統(tǒng)。由于管路壓力波動(dòng)誘發(fā)的管路振動(dòng)和噪聲不僅對管路的壽命和安全造成影響，破壞與其相連接的儀表、閥口、機(jī)械等設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐纱罅控?cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。因此，通過分析管路壓力波動(dòng)的機(jī)理，探索抑制壓力波動(dòng)的方法，對減低管路振動(dòng)和噪聲具有廣泛的工程實(shí)用和經(jīng)濟(jì)意義。

在艦船管系中，管路就像人體的血管，把主、輔機(jī)及有關(guān)設(shè)備連接在一起，保證各種機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和艦船的安全航行[1]。對軍艦及潛艇來說，管路振動(dòng)一直是影響艦艇隱身性能的主要因素之一。當(dāng)管路流體壓力波動(dòng)頻率與管路系統(tǒng)的固有頻率一致或接近時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，破壞與其相連接的儀表、閥口、機(jī)械等設(shè)備，導(dǎo)致潤滑油管路系統(tǒng)無法正常工作[2]。

本文首先對引起潤滑油管路壓力波動(dòng)的主要因素進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)際，重點(diǎn)研究管路壓力波動(dòng)產(chǎn)生的原因，并對壓力波動(dòng)計(jì)算方法作簡要的介紹。根據(jù)產(chǎn)生壓力波動(dòng)的不同原因，提出相應(yīng)的抑制方法，為減少管路振動(dòng)、合理的管路布局及動(dòng)力元件的選取提供理論依據(jù)。

2? ? ?引起潤滑油管路壓力波動(dòng)的因素

2.1? ?概述

引起潤滑油管路壓力波動(dòng)的因素有很多種，其中最常見的有以下四種[3-5]：

（1）輸油泵對壓力波動(dòng)的影響;

（2）潤滑油管路中彎管、換向閥及執(zhí)行元件對壓力波動(dòng)的影響;

（3）潤滑油管路中混入空氣或液壓元件磨損對壓力波動(dòng)的影響;

（4）溢流閥和導(dǎo)閥對壓力波動(dòng)的影響。

在實(shí)際工程中，導(dǎo)致潤滑油管路壓力波動(dòng)的最主要因素是以下兩種：輸油泵對壓力波動(dòng)的影響;管路布置及附件對壓力波動(dòng)的影響。下面對這兩個(gè)主要因素進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2? ?輸油泵對壓力波動(dòng)的影響

輸油泵在實(shí)際工作過程中，工作容積會(huì)發(fā)生周期性變化，因此輸油泵泵出的流體壓力p與流量Q并不是絕對穩(wěn)定。由于輸油泵工作容積的變化、元件的缺陷及安裝誤差，泵出的流體呈現(xiàn)一定規(guī)律的波動(dòng)狀態(tài)。

輸油泵泵出流體的流量和壓力隨時(shí)間呈周期性變化，管路內(nèi)壓力波動(dòng)主要是流體壓力的脈動(dòng)所引起，而流量的脈動(dòng)所占的比例很小。管內(nèi)流體的瞬時(shí)壓力可以看成是在平均壓力的基礎(chǔ)上疊加若干脈動(dòng)分量，所以輸油管進(jìn)口壓力可以表達(dá)為：

式中：δ為管內(nèi)壓力波動(dòng)率，按下式計(jì)算：

式中：? 為管路進(jìn)口的平均壓力;f為流體脈動(dòng)頻率;m為脈動(dòng)分量數(shù)目;Pmax為波動(dòng)壓力的最大值;Pmin為波動(dòng)壓力的最小值。

另一方面，輸油泵吸油過程中，潤滑油中混入的空氣會(huì)導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生，不僅影響流體的流動(dòng)性能，而且會(huì)造成管內(nèi)壓力和流量的不穩(wěn)定。當(dāng)氣泡進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)，由于壓力過大導(dǎo)致氣泡迅速破滅，使局部產(chǎn)生非常高的壓力沖擊，管內(nèi)的壓力波動(dòng)加劇。

2.3? ?潤滑油管路布置及附件對壓力波動(dòng)的影響

當(dāng)潤滑油管路上的方向控制閥或其他執(zhí)行元件在關(guān)閉、換向、變速時(shí)，管內(nèi)流體的流速會(huì)發(fā)生改變。由于流體的慣性作用，當(dāng)流體遇到關(guān)閉的執(zhí)行元件時(shí)，部分流體會(huì)沿管路反向流動(dòng)，反射波的頻率不變，當(dāng)反射波與泵輸出的壓力波相位一致時(shí)產(chǎn)生駐波現(xiàn)象，使管路內(nèi)的壓力波動(dòng)增加。

壓力波在潤滑油管路內(nèi)傳播過程，如圖1所示。圖1中，Pi（x，t）是入射波，P（x，t）是反射波，管長為L。壓力波在遇到阻抗時(shí)發(fā)生反射，在一定情況下反射波的相位發(fā)生改變，反射波P（x，t）的頻率與入射波Pi（x，t）的頻率一致。由于相位的改變，可能導(dǎo)致兩個(gè)波形相互疊加，使得流體在管路中的波動(dòng)增強(qiáng)。

對于潤滑油管路系統(tǒng)來說，當(dāng)管路中的流體處于脈動(dòng)狀態(tài)時(shí)，流體會(huì)受到大小、方向、相位各異且隨著時(shí)間變化的作用力，這就是激振力。管路內(nèi)的流體在激振力的作用下，流體波動(dòng)更加劇烈，最終導(dǎo)致潤滑油管路系統(tǒng)振動(dòng)加劇。下面以彎管為例，分析壓力波動(dòng)是潤滑油管路振動(dòng)的主要原因。

如圖2所示：彎管的直徑為D;彎管進(jìn)口和出口的壓力相同都為P;彎管的轉(zhuǎn)角為α。在流體流動(dòng)的過程中，彎管橫截面積上的總作用力為______________________。

彎管在彎頭處所受的總壓力的合力F沿角平分線方向，其大小為：

當(dāng)管路中的流體不存在波動(dòng)時(shí)，管路流體壓力P是定值，管路直徑D和彎管轉(zhuǎn)角α一定，則管路所受壓力F也是定值，故只引起彎管的靜變形和靜應(yīng)力。

其中管內(nèi)流體的平均壓力? ?引起靜載荷力，不引起振動(dòng);而脈動(dòng)圧力引起交變力，它是導(dǎo)致管路振動(dòng)的激振力，用ΔF表示其幅值大小為：

由上可知，設(shè)計(jì)管路時(shí)應(yīng)盡量使用避免急彎管，通過增加彎管的曲率半徑，即減小α的值，進(jìn)而減小激振力降低管路振動(dòng)。

3? ?抑制潤滑油管路壓力波動(dòng)的方法

可以從兩個(gè)方面著手抑制管路壓力波動(dòng)：一是從輸油泵著手，通過優(yōu)化輸油泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)和零部件參數(shù)來減少輸油泵泵出流體流量和壓力脈動(dòng)，從根源上降低輸油系統(tǒng)中的壓力波動(dòng);另一方面是從輸油管路著手，通過在輸油管路中安裝壓力波動(dòng)衰減裝置來吸收或抵消流量及壓力脈動(dòng)，或通過優(yōu)化輸油系統(tǒng)中的油管、閥、濾油器等液壓元件，從而降低管路壓力波動(dòng)。下面具體介紹抑制管路壓力波動(dòng)的方法及優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1? 輸油泵結(jié)構(gòu)方面

由于不同條件下所采用輸液泵的類型不同，可以根據(jù)不同輸液泵的特點(diǎn)，改進(jìn)輸油泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其零部件參數(shù)進(jìn)而降低輸液泵泵出流體的壓力波動(dòng)：

（1）對于齒輪泵來說，通常采用優(yōu)化齒輪齒形和齒數(shù)等方法來降低齒輪泵出口壓力波動(dòng);優(yōu)化齒輪泵的卸荷槽，利用卸荷槽對齒輪泵內(nèi)的壓力波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，減小齒輪泵內(nèi)壓力改變造成的壓力波動(dòng);采用多齒輪泵，齒輪泵的級數(shù)越多，輸出的流量及壓力波動(dòng)越小;

（2）對于葉片泵來說，通過添加分流葉片，提高葉片泵空化性能，降低臨界空化余量，進(jìn)而降低空化所導(dǎo)致的流體壓力波動(dòng);在泵的配油盤上加工圓槽引入壓力油的方法減少葉片泵壓力脈動(dòng);

（3）對于柱塞泵來說，改變配流盤的角度來調(diào)節(jié)流量，采取帶有減振孔的非對稱角度遮蓋配流盤，可以基本消除變工況下由于配流盤壓差沖擊而造成的流體的壓力波動(dòng)。

3.2? ?輸油泵負(fù)載方面

由于現(xiàn)階段輸液泵技術(shù)已趨于完善，通過改變輸液泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)、優(yōu)化零部件來大幅度減少管道壓力波動(dòng)并不現(xiàn)實(shí)，且研究成本高、代價(jià)比較大;減少壓力波動(dòng)則比較容易實(shí)現(xiàn)。因此，在輸液管路中添加壓力波動(dòng)抑制裝置是現(xiàn)階段減少管路壓力波動(dòng)的主要手段[6-7]。

目前最常用的衰減流體波動(dòng)裝置有：蓄能器式波動(dòng)衰減器、阻性波動(dòng)衰減器、抗性波動(dòng)衰減器。這三種衰減器的共同特點(diǎn)就是利用衰減器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)吸收或消耗波動(dòng)的能量，以此來降低管路中流體的流量和壓力波動(dòng)。

3.2.1 蓄能器式壓力波動(dòng)衰減器

潤滑油管路中安裝蓄能器可大量吸收流體的壓力波動(dòng)。蓄能器式壓力波動(dòng)衰減器的工作原理是：輸液管路內(nèi)的流體在壓力波動(dòng)的過程中，當(dāng)瞬時(shí)壓力高于管內(nèi)流體的平均壓力時(shí)，高出的部分會(huì)被蓄能器吸收，并以氣體內(nèi)能、重力勢能或者彈簧勢能存儲(chǔ)在蓄能器中;低于平均壓力的部分由蓄能器補(bǔ)充。

蓄能器式衰減器具有衰減效果好、安裝方便、能量損失小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。該種衰減器對低頻壓力波動(dòng)衰減效果較好，但對高壓高頻系統(tǒng)壓力波動(dòng)消除不佳。

3.2.2抗性壓力波動(dòng)衰減器

抗性衰減器是通過控制阻抗的大小來衰減管道內(nèi)壓力的波動(dòng)。在輸液管道上接入截面突變的容腔或旁接共振腔，當(dāng)波動(dòng)的流體流入時(shí)，由于其特殊結(jié)構(gòu)使得某些特殊頻率的波動(dòng)流體在容腔內(nèi)發(fā)生干涉、反射現(xiàn)象，從而使得管路內(nèi)壓力波動(dòng)降低，達(dá)到衰減管路壓力波動(dòng)的目的。

抗性壓力波動(dòng)衰減器具有結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、壓力損失少且適合于高頻脈動(dòng)的消除等優(yōu)點(diǎn)。該種衰減器的缺點(diǎn)是衰減頻率范圍比較窄，而管路在不同的工況下系統(tǒng)流體波動(dòng)的范圍較廣，因此該種衰減器在實(shí)際應(yīng)用中有很大的局限性。

3.2.3阻性壓力波動(dòng)衰減器

阻性壓力波動(dòng)衰減器通過采用衰減系數(shù)較大的阻尼材料或增加節(jié)流結(jié)構(gòu)，如橡膠、石棉或孔板以形成較大的摩擦，把管路流體壓力或流量波動(dòng)的能量通過摩擦生熱而消耗掉，從而降低壓力和流量脈動(dòng)。但這種衰減器存在壓力損失大、節(jié)流損失大、壽命短、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。

4? ? 結(jié)束語

本文對潤滑油管路壓力波動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究，主要對引起管路壓力波動(dòng)的因素進(jìn)行分析，并提出了對應(yīng)的抑制方法，總結(jié)不同抑制方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用情況。該研究內(nèi)容有助于在工程實(shí)際中更好地進(jìn)行潤滑油系統(tǒng)管路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管線的布局設(shè)計(jì)以及減振裝置的選取，為潤滑油系統(tǒng)減振降噪的實(shí)現(xiàn)提供參考。

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