船用液壓管路系統(tǒng)的振動特性分析

曹澤光

摘 要：管路是船舶、飛機(jī)等工業(yè)中的重要組成部分之一。船用液壓管路系統(tǒng)在輸送物料或傳輸動力時會有振動，從而導(dǎo)致液壓管路共振引起結(jié)構(gòu)疲勞，劇烈振動會造成支架斷開、管路破裂的情況，因此而發(fā)生的事故或污染對人類和環(huán)境是重大的威脅。文章基于液壓管路系統(tǒng)工作原理，對管路系統(tǒng)的振動特性進(jìn)行分析，這對船舶的安全行駛具有理論價值和實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：液壓管路系統(tǒng)；振動特性；回油管路

中圖分類號：U664.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0185-02

前言

管路系統(tǒng)是一種用于傳輸液體、氣體或帶固體顆粒的流體的裝置，即一種傳送裝置。我國工業(yè)的快速發(fā)展，使得管路系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域行業(yè)中，這些管路系統(tǒng)對于人們的日常生活和國民經(jīng)濟(jì)有著非常重要的作用，因此，要保障管路系統(tǒng)的安全是必要的。船舶中重要的組成部分有管路系統(tǒng)，對船舶的正常工作有著直接影響，而管路系統(tǒng)主要是受振動引起的破裂，導(dǎo)致事故的發(fā)生，從而帶來難以預(yù)估的經(jīng)濟(jì)損失。

1 液壓管路系統(tǒng)相關(guān)概述

管路是指某系統(tǒng)中用于完成某種工質(zhì)或者任務(wù)的附件和管子的總稱，比如船艙底水管路、燃油管路等。

船用液壓系統(tǒng)主要應(yīng)用于貨船、打撈船、中小型客船等船只中，通過管路傳輸，為船舶的航行和一些操作，提供液壓動力，便可以實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的工作循環(huán)。

船用液壓管路系統(tǒng)根據(jù)其用途可以劃分為船舶系統(tǒng)和動力管路。其中，船舶系統(tǒng)包括艙底水、壓載水、供水、通風(fēng)、制冷等系統(tǒng)，為船舶和相關(guān)人員的安全提供保障；動力管路中包括冷卻、排氣、燃油、壓縮空氣等管路，為船舶的主機(jī)和輔機(jī)提供服務(wù)。

船用液壓系統(tǒng)中，液壓泵負(fù)責(zé)的主要工作是將電動機(jī)或其它原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液體的壓力能；然后經(jīng)由管路系統(tǒng)的控制元件對液體壓力能的流量進(jìn)行調(diào)控；最后通過液壓馬達(dá)再將壓力能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，進(jìn)而推動船艦的負(fù)載進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。液壓系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示。

2 液壓管路材料分析

在液壓管路材料選取時，應(yīng)優(yōu)先選擇具有耐壓、耐高溫、節(jié)約成本等特點(diǎn)的材料。下面以PB管和PE-RT管為例進(jìn)行對比分析。

PB（Polybutene，聚丁烯）是一種高分子惰性聚合物，是由丁烯（C4H8）聚合而成，也屬于碳水化合物。PB是無毒、無味的化學(xué)物，且具有耐高溫、耐凍裂、抗沖擊、耐腐蝕、抗老化、穩(wěn)定、可塑等性能，其使用溫度范圍在-10°C～+95°C。其優(yōu)良的性能，使之在世界上的船艦管路系統(tǒng)中已被廣泛應(yīng)用。

PE（Polyethylene，聚乙烯）是一種熱塑性樹脂，由乙烯和微量α-烯烴組成的共聚物，具有耐高溫、耐磨、抗腐蝕、等優(yōu)點(diǎn)。PE-RT（Polyethylene Raised Temperature，耐熱聚乙烯）是在保留PE原有的優(yōu)勢性能基礎(chǔ)上，進(jìn)一步強(qiáng)化了其耐高溫、抗沖擊、環(huán)保等特性的新型管路材料。

從上述看出PE管與PE-RT管的性能大體相同，下面進(jìn)行詳細(xì)的比較，如表1所示。

從表中的性能對比中，明顯的發(fā)現(xiàn)，PB管的力學(xué)性能較PE-RT性能優(yōu)越，材質(zhì)軟、易于安裝，發(fā)生泄露的可能性較低。在相同使用條件環(huán)境下，PB管的耐高溫、拉伸斷裂強(qiáng)度較好，且在同系列管路材料中，其安全性也是最高的。因此，在船用液壓管路系統(tǒng)中，以PB管材為最優(yōu)選擇。

3 船用液壓管路系統(tǒng)振動特性分析

系統(tǒng)的振動主要是流體振動和機(jī)械振動，振動產(chǎn)生的根本原因是受液壓泵的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和柱塞往復(fù)的吸油、排油影響，或者是流體的諧振[1]。液壓管路系統(tǒng)的振動情況較為繁復(fù)，液壓泵的脈動流量輸出被動的使管路產(chǎn)生振動。流體本身的諧振頻率與脈動的頻率相近時，就會有自激諧振；流體本身的諧振頻率與管路固有頻率相近時，就會產(chǎn)生耦合共振。

液壓泵的脈動頻率為fm為

fm=nZ/60（1）

式中：n表示液壓泵的轉(zhuǎn)速；Z表示柱塞值。

流體管路的頻率特性如下

式中：PI、QI分別表示回油管路入口的壓力和流量；PO、QO分別表示液壓泵出口的壓力和流量；Γ表示管路的傳遞算子；ZI表示管路系統(tǒng)的特征阻抗。

根據(jù)流體力學(xué)理論，并根據(jù)式（2），可以得到流體管路的頻率和振幅參數(shù)特性。因?yàn)樾枰?，船艦?dǎo)向管呈細(xì)長狀，使得流體對管路頻率影響很小，可以忽略不計(jì)，但是流體壓力對管路頻率有影響，管路最低階的固有頻率估算公式為

式中：λ1表示支承條件的系數(shù)。（一端固支一端簡支時，取15.4；兩端固支時，取22.4；兩端簡支時，取9.87）；L表示兩支承點(diǎn)間的長度；E表示管路材料的彈性模量；H表示管路的截面慣性矩；M表示管路與流體的質(zhì)量。

通過上述的計(jì)算公式，若保證流體管路不發(fā)生自激諧振，最低階固有頻率與脈動頻率關(guān)系是1.5fm

管路流體壓力對最低階固有頻率的影響：最低階固有頻率隨著管路流體壓力的變化是，流體的壓力增加，會導(dǎo)致管路最低階固有頻率下降。

如果流體壓力受擾動，最低階固有頻率隨著流體擾動壓力的變化如圖3所示。從圖中可以看出，固有頻率隨著擾動壓力的增加而增大。

從上述支承長度、流體流速、流體壓力等幾種情況，分析其對最低階固有頻率的影響，可以發(fā)現(xiàn)，縮短支承點(diǎn)間距的長度能夠有效的降低固有頻率，避免振動而引起的一系列事故。

4 結(jié)束語

根據(jù)液壓管路系統(tǒng)的工作原理，以及管路材料的選擇，對液壓系統(tǒng)的振動特性進(jìn)行分析。管路材料的選擇以PB管優(yōu)先，因其性能在同系列中是安全性能最高的，且符合管路各方面的要求。對于液壓管路系統(tǒng)中存在的振動問題，通過縮短支承長度提高其振動特性是一種有效的方法。對于船用液壓管路系統(tǒng)振動特性的研究，能夠?yàn)榻窈蟮墓苈废到y(tǒng)減振研究提供參考。

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