船用液压管路系统的振动特性分析

曹泽光

摘 要：管路是船舶、飞机等工业中的重要组成部分之一。船用液压管路系统在输送物料或传输动力时会有振动，从而导致液压管路共振引起结构疲劳，剧烈振动会造成支架断开、管路破裂的情况，因此而发生的事故或污染对人类和环境是重大的威脅。文章基于液压管路系统工作原理，对管路系统的振动特性进行分析，这对船舶的安全行驶具有理论价值和实际意义。

关键词：液压管路系统；振动特性；回油管路

中图分类号：U664.8 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）24-0185-02

前言

管路系统是一种用于传输液体、气体或带固体颗粒的流体的装置，即一种传送装置。我国工业的快速发展，使得管路系统被广泛应用于各领域行业中，这些管路系统对于人们的日常生活和国民经济有着非常重要的作用，因此，要保障管路系统的安全是必要的。船舶中重要的组成部分有管路系统，对船舶的正常工作有着直接影响，而管路系统主要是受振动引起的破裂，导致事故的发生，从而带来难以预估的经济损失。

1 液压管路系统相关概述

管路是指某系统中用于完成某种工质或者任务的附件和管子的总称，比如船舱底水管路、燃油管路等。

船用液压系统主要应用于货船、打捞船、中小型客船等船只中，通过管路传输，为船舶的航行和一些操作，提供液压动力，便可以实现预先设定的工作循环。

船用液压管路系统根据其用途可以划分为船舶系统和动力管路。其中，船舶系统包括舱底水、压载水、供水、通风、制冷等系统，为船舶和相关人员的安全提供保障；动力管路中包括冷却、排气、燃油、压缩空气等管路，为船舶的主机和辅机提供服务。

船用液压系统中，液压泵负责的主要工作是将电动机或其它原动机的机械能转化成液体的压力能；然后经由管路系统的控制元件对液体压力能的流量进行调控；最后通过液压马达再将压力能转化成机械能，进而推动船舰的负载进行运转。液压系统的工作原理图如图1所示。

2 液压管路材料分析

在液压管路材料选取时，应优先选择具有耐压、耐高温、节约成本等特点的材料。下面以PB管和PE-RT管为例进行对比分析。

PB（Polybutene，聚丁烯）是一种高分子惰性聚合物，是由丁烯（C4H8）聚合而成，也属于碳水化合物。PB是无毒、无味的化学物，且具有耐高温、耐冻裂、抗冲击、耐腐蚀、抗老化、稳定、可塑等性能，其使用温度范围在-10°C～+95°C。其优良的性能，使之在世界上的船舰管路系统中已被广泛应用。

PE（Polyethylene，聚乙烯）是一种热塑性树脂，由乙烯和微量α-烯烃组成的共聚物，具有耐高温、耐磨、抗腐蚀、等优点。PE-RT（Polyethylene Raised Temperature，耐热聚乙烯）是在保留PE原有的优势性能基础上，进一步强化了其耐高温、抗冲击、环保等特性的新型管路材料。

从上述看出PE管与PE-RT管的性能大体相同，下面进行详细的比较，如表1所示。

从表中的性能对比中，明显的发现，PB管的力学性能较PE-RT性能优越，材质软、易于安装，发生泄露的可能性较低。在相同使用条件环境下，PB管的耐高温、拉伸断裂强度较好，且在同系列管路材料中，其安全性也是最高的。因此，在船用液压管路系统中，以PB管材为最优选择。

3 船用液压管路系统振动特性分析

系统的振动主要是流体振动和机械振动，振动产生的根本原因是受液压泵的旋转运动和柱塞往复的吸油、排油影响，或者是流体的谐振[1]。液压管路系统的振动情况较为繁复，液压泵的脉动流量输出被动的使管路产生振动。流体本身的谐振频率与脉动的频率相近时，就会有自激谐振；流体本身的谐振频率与管路固有频率相近时，就会产生耦合共振。

液压泵的脉动频率为fm为

fm=nZ/60（1）

式中：n表示液压泵的转速；Z表示柱塞值。

流体管路的频率特性如下

式中：PI、QI分别表示回油管路入口的压力和流量；PO、QO分别表示液压泵出口的压力和流量；Γ表示管路的传递算子；ZI表示管路系统的特征阻抗。

根据流体力学理论，并根据式（2），可以得到流体管路的频率和振幅参数特性。因为需要，船舰导向管呈细长状，使得流体对管路频率影响很小，可以忽略不计，但是流体压力对管路频率有影响，管路最低阶的固有频率估算公式为

式中：λ1表示支承条件的系数。（一端固支一端简支时，取15.4；两端固支时，取22.4；两端简支时，取9.87）；L表示两支承点间的长度；E表示管路材料的弹性模量；H表示管路的截面惯性矩；M表示管路与流体的质量。

通过上述的计算公式，若保证流体管路不发生自激谐振，最低阶固有频率与脉动频率关系是1.5fm

管路流体压力对最低阶固有频率的影响：最低阶固有频率随着管路流体压力的变化是，流体的压力增加，会导致管路最低阶固有频率下降。

如果流体压力受扰动，最低阶固有频率随着流体扰动压力的变化如图3所示。从图中可以看出，固有频率随着扰动压力的增加而增大。

从上述支承长度、流体流速、流体压力等几种情况，分析其对最低阶固有频率的影响，可以发现，缩短支承点间距的长度能够有效的降低固有频率，避免振动而引起的一系列事故。

4 结束语

根据液压管路系统的工作原理，以及管路材料的选择，对液压系统的振动特性进行分析。管路材料的选择以PB管优先，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。对于液压管路系统中存在的振动问题，通过缩短支承长度提高其振动特性是一种有效的方法。对于船用液压管路系统振动特性的研究，能够为今后的管路系统减振研究提供参考。

参考文献：

[1]李哲洙，高培鑫，赵大哲，等.基于希尔伯特-黄转换的变压力下航空发动机液压管路振动特性研究[J].中国科技论文，2015（14）：1721-1724.

[2]付永领，荆慧强.弯管转角对液压管道振动特性影响分析[J].振动与冲击，2013，32（13）：165-169.

[3]李晶，王康景， 耀保，等.周期性脉动流体对飞机液压管路振动特性的影响[J].机床与液压，2014（11）：5-8.