一種新型動力吸振器的液壓管道減振試驗研究

劉彬彬，陳 果，趙正大，陳雪梅，侯民利，羅 云

(1.南京航空航天大學 民航學院，南京 210016；2.成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司 成都 610092)

一種新型動力吸振器的液壓管道減振試驗研究

劉彬彬1，陳 果1，趙正大2，陳雪梅2，侯民利2，羅 云2

(1.南京航空航天大學 民航學院，南京 210016；2.成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司 成都 610092)

針對文獻[7]設計的一種新型的管道動力吸振器，進行真實液壓管道的減振實驗。該減振器能夠針對難于施加卡箍的管道系統(tǒng)實施有效減振，主要由質量塊、彈簧片組成，通過移動彈簧片上的質量塊位置，可以有效抑制管道強迫振動及多個倍頻激勵下與管道固有頻率發(fā)生的共振。針對某真實液壓動力源一段懸空管道振動劇烈的問題，設計加工兩個新型管道動力吸振器，利用其對不同壓力下的真實液壓管道進行減振試驗，對于由于壓力脈動所導致的脈動頻率分量振動，在X、Y和Z方向均實現(xiàn)了有效地減振。液壓試驗臺的管道減振試驗充分表明所設計的管道動力吸振器具有很強的工程應用價值。

振動與波；液壓管道；振動抑制；動力吸振器；液壓試驗臺；壓力脈動

管道系統(tǒng)是一種重要的工程結構，在航空工業(yè)、海洋工程、石油化工以及排水給水等領域都有廣泛應用。在航空領域，飛機管道系統(tǒng)作為輸送燃油、滑油、空氣和液壓油等介質的設備，在飛機的使用過程中起到重要的作用[1–2]。而管道系統(tǒng)由于與之連接的機械振動和管道內部液體流動等諸多原因產生的受迫振動，由其引發(fā)的一系列安全事故成為困擾航空飛行安全性和可靠性的一大難題。因而如何有效地降低管道振動，得到防止因管道振動而產生危害飛行安全的方法備受工程技術人員關注。

針對管道減振，目前的研究致力于管道消振，主要方法有合理地設計管道、安裝阻尼器、使用減振材料以及裝置壓力脈動衰減器等[3]。而通過附加裝置達到減振目的的動力吸振器因其靈活便于安裝，能夠很好地適應復雜空間管路而備受關注。肖挺楊設計了一種多向管道動力吸振器，將管道的振動能量轉移到附加質量環(huán)上，利用鋼絲繩各股鋼絲之間的摩擦力耗散振動能量[4]；黃金秀設計了一種具有連續(xù)寬頻帶的離散分布式可控型環(huán)形動力吸振器，控制管道系統(tǒng)的強迫振動[5]。程小勇設計了一種以彈簧-質量系統(tǒng)為基礎的單一頻率動力吸振器，利用反共振原理抑制管道振動[6]；周笛在文獻[6]基礎上進行了改進，使動力吸振器的減振頻率可以調節(jié)，增強了該吸振器的減振適應范圍，并進行了管道共振下的減振試驗[7]。

文獻[6]和文獻[7]研究的減振試驗僅僅針對了簡單未加壓管道系統(tǒng)，沒有模擬真實飛機液壓管道系統(tǒng)工況。在真實的液壓管道系統(tǒng)中，高壓的液壓油由于壓力脈動，作用于管道接頭，將引起劇烈的強迫振動，同時由于液壓泵的振動導致管道產生以25 Hz為基頻的多倍頻激勵，容易與管道固有頻率發(fā)生共振，使管道容易發(fā)生疲勞損傷甚至引發(fā)油液泄露等嚴重事故。

有鑒于此，本文利用文獻[7]設計的可調頻式的管道動力吸振器，模擬飛機液壓管道工況，針對某液壓動力源的一段空間懸空管道進行動力吸振器減振試驗，試驗結果充分表明可調頻式的動力吸振器能夠有效地降低由于壓力脈動導致的管道系統(tǒng)強迫振動及管道的共振，具有很強的的工程實用潛力。

1 可調頻式管道動力吸振器設計[7]

動力吸振器（Dynamic Vibration Absorber，DVA），其基本原理是在振動主系統(tǒng)上附加一個單自由度的子系統(tǒng)，當主系統(tǒng)發(fā)生受迫振動時會帶動子系統(tǒng)一起振動。子系統(tǒng)的慣性力會反作用于主系統(tǒng)，使主系統(tǒng)振動減弱。這一作用在主系統(tǒng)和子系統(tǒng)處于相同的固有頻率振動時最為明顯。

本文所提及可調頻式的動力吸振器[7]，結構如圖1(a)、圖1(b)所示實物和三維模型，各零部件材料如表1所示。

圖1 變頻動力吸振器

表1 可調頻式動力吸振器材料參數(shù)

2 液壓動力源管道介紹

本文被試驗管道為液壓動力源的某段振動劇烈且發(fā)生過多次油液泄露事故的管道。液壓動力源的結構和組件介紹如圖2所示。

在長期使用的過程中，液壓動力源外部管道振動強烈，并伴有極大的噪聲。被試驗管道因振動過大緣故多次因接頭處產生管道疲勞裂紋，引發(fā)了液壓油泄漏的事故。圖3為易發(fā)生泄漏事故管道整體三維模型。

圖5為易發(fā)生泄漏事故的管道實物圖?？梢钥闯觯摴艿纼H僅兩端固定，中間為懸空結構，由于空間安裝位置的限制，難以施加卡箍進行管道減振。因此，利用可調頻式的管道動力吸振器來進行該段管道的減振試驗研究。

圖2 液壓動力源

圖3 易發(fā)生泄漏管道模型

3 液壓管道減振試驗研究

3.1 管道減振試驗方案

圖4為管道減振試驗方案，首先要進行管道振動的脈動頻率測試，確定需要減振的頻率；然后利用有限元進行減振器的固有頻率計算，確定質量塊在彈簧片的位置；接下來，利用有限元仿真確定正確的減振器安裝部位；最后，進行不同壓力、不同減振器數(shù)量下的減振試驗研究，并得出減振措施。

圖4 管道減振試驗方案流程圖

3.2 液壓系統(tǒng)壓力脈動頻率測試

首先需要測試管道振動加速度，如圖5所示，在液壓動力源管道上建立空間直角坐標系，在坐標系的三個方向上固定加速度傳感器。在被試驗管道未夾裝動力吸振器的情況下分別測得三個方向上液壓動力源壓力在0MPa、5MPa、10MPa、15MPa和20MPa時管道振動加速度響應。

圖5 被試驗管道

實測得到管道在脈動壓力作用下管道易發(fā)生泄漏點三個方向的振動加速度響應，發(fā)現(xiàn)被測管道的振動表現(xiàn)為以25 Hz為基頻的多個倍頻疊加振動，其中X和Y方向垂直于管道軸線方向，剛度偏低，且均在175 Hz表現(xiàn)由壓力脈動引起的強迫振動。而Z方向由于測點處剛度較大所以振動并不明顯。此外Y方向上頻率100 Hz共振峰是管道固有頻率與基礎激勵發(fā)生共振導致的，管道模態(tài)試驗頻譜如圖6所示。

X方向表現(xiàn)突出的管道固有頻率沒有與基礎頻率相同或相近的，所以X方向表現(xiàn)為單一的受壓力脈動影響的強迫振動。而Y方向頻率350 Hz加速度峰值被認為是175 Hz強迫振動頻率的2倍頻。與泵站連接的管道受基礎激勵作用，當其固有頻率與基礎激勵頻率相近時發(fā)生了共振，同時液壓管道受壓力脈動作用產生強迫振動。試驗發(fā)現(xiàn)動力吸振器在降低管道強迫振動的同時，能夠使管道的固有頻率發(fā)生變化，避免與基礎激勵發(fā)生共振，從而使管道的整體振動狀態(tài)得到抑制。

3.3 吸振器固有頻率仿真與試驗研究

圖6 管道模態(tài)試驗

圖7 壓力15 Mpa液壓管道加速度響應頻譜

把單側彈簧-質量系統(tǒng)看作端部帶有集中質量的懸臂梁，如圖8所示，x是調節(jié)質量塊位置時記錄位移，x0是彈簧-質量系統(tǒng)振動時實際起作用的彈簧片長度，L是質量塊在彈簧片上最大可調位移范圍，通過改變質量塊位置改變彈簧-質量系統(tǒng)的固有頻率實際是改變系統(tǒng)的剛度。

圖8 單側彈簧-質量系統(tǒng)計算模型參數(shù)

將上圖系統(tǒng)簡化為單自由度系統(tǒng)，質量塊質量為m，彈簧片有效剛度為k[8]。

c是與截面形狀有關的常數(shù)。b是L與質量塊邊長之和，為87.4 mm。通過式（4）求得系統(tǒng)固有頻率fc。通過應用Ansys計算出彈簧-質量系統(tǒng)固有頻率隨彈簧片上質量塊位移變化的第1階固有頻率fs。通過敲擊模態(tài)試驗，分析質量塊位移衰減振動信號，可以確定其在質量塊不同位置的固有頻率fe。測試現(xiàn)場如圖9所示，位移衰減振動信號及通過傅里葉快速變換得到的頻譜如圖10所示。

圖9 電渦流位移傳感器測固有頻率

通過調節(jié)質量塊在彈簧片上的位置，運用計算Ansys仿真和試驗手段得到單側彈簧-質量系統(tǒng)隨質量塊在彈簧片上位置變化時其固有頻率變化的擬合曲線，見圖11。從圖可知質量塊在遠離固定端時三種結果相似，隨著質量塊接近固定端計算結果和仿真結果將大于試驗結果。從整體看系統(tǒng)固有頻率隨記錄位移按式（4）變化。

3.4 減振器安裝位置確定

圖10 減振器固有頻率測定

圖11 吸振器固有頻率仿真與試驗數(shù)據(jù)擬合圖

圖12 夾裝動力吸振器的管道模型

為了有效抑制管道振動，綜合管道振動振型和安裝難易程度設計一組對比實驗，驗證管道動力吸振器在被實驗管道上的最優(yōu)安裝方法，圖12為動力吸振器安裝的3種方式。方案1選擇在管道振動最大處安裝動力吸振器；方案2選擇在易于安裝的第二段垂直管道處安裝另一個動力吸振器；方案3選擇在兩個位置同時安裝相同狀態(tài)的動力吸振器進行減振。

3.5 管道減振試驗結果分析

3.5.1 減振前后的管道加速度信號特征分析

針對15 MPa壓力下方案3安裝減振器前后的管道振動試驗對減振前后的管道振動加速度信號特征進行了對比分析。如圖13、圖14、圖15所示分別為管道在X、Y和Z三個方向上減振前后的時域波形對比圖和頻譜對比圖。

從三組時域信號特征對比圖可以明顯看出減振效果非常明顯。將管道減振前后振動信號經傅里葉變換后截取0～500 Hz繪制管道減振前后頻譜對比圖。

從頻譜對比圖13（b）中可以看出，X方向在175 Hz表現(xiàn)明顯的振動峰，經減振后振動降低90%以上。圖14（b）中Y方向的表現(xiàn)明顯的175 Hz振動峰經減振后振動降低80%以上，且在100 Hz和350 Hz頻率表現(xiàn)突出的兩個振動峰的振動均降低95%以上。圖15（b）中Z方向振動較弱，在500 Hz內振動加速度均小于0.5 g，從對數(shù)坐標頻譜看，經減振后的振動加速度同樣得到了降低。

3.5.2 減振效果分析

整個減振試驗依據(jù)減振器的安裝位置不同設計采用三種減振方案。液壓動力源的壓力分別為0 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa及20 MPa，表2列出了X、Y方向減振前后的壓力脈動頻率下的振動幅值。

圖13 X方向減振對比圖

圖14 Y方向減振對比圖

圖15 Z方向減振對比圖

表2 減振前后的壓力脈動頻率振動幅值

圖16、圖17、圖18所示為X、Y、Z三個方向上不同方案的減振對比圖。由圖中可以看出，方案三的減振效果最為明顯，表明在管道多個振動位移最大處施加多個減振器對于有效實施管道減振具有重要意義。

圖16 X方向各方案減振效果圖

圖17 Y方向各方案減振效果圖

4 結語

本文針對文獻[7]所設計的調頻動力吸振器，設計了一系列實施于真實液壓動力源管道上的試驗。

（1）經過實際測量液壓管道工作時振動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)液壓管道振動受泵站基礎激勵和由壓力脈動引起的強迫振動影響較大；

Experimental Study on a New Dynamic VibrationAbsorber with Adjustable Frequency for Vibration Reduction of Hydraulic Pipelines

LIU Bin-Bin1,CHENGuo1,ZHAO Zheng-da2,CHEN Xue-mei2,HOU Min-li2,LUOYun2
(1.College of CivilAviation,Nanjing University ofAeronautics andAstronautics,Nanjing 210016,China; 2.ChengduAircraft Industrial(Group)Co.Ltd.,Chengdu,610092)

A new dynamic vibration absorber composed of mass and spring-leaf is designed to mitigate the hydraulic pipeline vibration.The vibration reduction experiment on a real hydraulic pipeline is carried out.Through adjusting the location of the mass on the spring-leaf,the forced vibration due to the pressure fluctuation and the resonance due to the similarity of the frequency-multiplier excitation to the natural frequency of the pipeline can be effectively suppressed.Aiming at the severe vibration of a suspended pipeline of the hydraulic power source,two dynamic vibration absorbers are designed. The vibration reduction experiments of the two absorbers are carried out in a real hydraulic pipeline system under different fluctuation frequencies and pressures.The results show that the pressure fluctuation frequency components are reduced successfully in all the X、Y and Z directions.The vibration reduction experiments indicate that the new dynamic vibration absorber with adjustable frequency is valuable for engineering applications.

vibration and wave;hydraulic pipeline;vibration reduction;dynamic vibration absorber;hydraulic test stand;pressure fluctuation

TN05

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.033

1006-1355(2017)01-0152-06+187

2016-01-11

國家自然科技資助項目(61179057)；成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司資助項目

劉彬彬(1992－)，男，吉林省長春市人，南京航空航天大學碩士研究生。

陳果(1972－)，男，博士，教授、博士生導師。E-mail:cgzyx@263.net