基于AMESim的船用液压系统管道压力波动研究

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引言

船用液压系统中管路流量突然变化，会引发压强的剧烈变化，液压冲击波在管路中的来回传播会直接影响到系统管接头、密封件及相关阀件，影响船舶航行的可靠性。因此需要对液压管路冲击波的产生机理、动态特性进行分析，并提出优化措施，从而提升液压系统可靠性。

王铮等[1]采用理论分析和数值仿真相结合的方法，建立供油系统各部件模型并与实验结果对比，为供油系统优化提供依据。杨斌等[2]建立液压系统有限元模型并进行模态分析，验证设计的管路系统的振动量值和微应变在合理范围。宋玉山等[3]提出一种管路设计分析模型，利用该模型对管路系统进行准定量分析与设计，并通过试验验证相关管路压力损失现象。

安晨亮等[4]利用有限元功率流法对液压管路系统的振动能量传递过程进行研究，辨识振动能量的主要传递路径。桑勇等[5-6]分别基于AMESim与ANSYS对液压管路展开时域、频域对比分析与流固耦合分析，得到管路系统的动态特性。任建辉[7]通过建立带蓄能器的长等径直管液压系统模型，以理论计算和仿真分析得到接入蓄能器前的直接和间接液压冲击特性。上述学者采用多种方法对管道压力波动特性进行建模分析，主要针对孤立的液压管道系统建立分析模型，未充分考虑液压系统中其它元件以及管道布置对管道压力波动的影响。因此，为更好研究船用液压系统中管道压力波动特性，基于管道压力波动数学模型，针对不同管道的特点进行具体建模，并综合考虑系统中其他构件的影响。

1 管道压力波动基本方程

管道内压力波动主要由水击现象引起，是一种特殊的非恒定流。当前主流水击理论主要是基于一维非恒定的基本微分方程组，在处理后得到能解决水击问题的基本方程[8]。

图1 水击连续性方程推导示意图

在管道中选取微小流段如图1所示，假定管道为线性变形且是小变形的材料，液体的密度相对变化量较小，根据质量守恒原理，可得非定常流连续性方程为：

(1)

式中，A—— 1-1截面的面积

v—— 流速

ρ—— 液体密度

由于工程上常使用水头H，将式(1)整理并改写成以水头H表示的方程，为：

(2)

式中，H—— 水头

v—— 流速

c—— 水击波速

α—— 管轴与水平面夹角

(3)

式(2)与式(3)为管道非定常流连续性方程的使用形式，主要考虑了液体的压缩性与管壁的弹性变形。

(4)

(5)

式中,v—— 流速

J—— 水力坡度

图2 水击运动方程推导示意图

考虑压强与水头的关系，用水利坡度关系式代入式(5)，得到水击运动方程：

(6)

式中，λ—— 沿程损失系数

d—— 管道内径

(7)

2 管道系统仿真模型

AMESim软件中根据管道长细比以及黏性系数的大小，提供了23种管道模型，主要涉及到3种流体现象：Compressibility(C容性)，用于计算压力；Friction(R阻性)，用于计算沿程压力损失；Inertia(I惯性)，用于计算波动效应[9-10]。一般来说管道模型越复杂，计算结果越精确。但复杂的管道模型可能与其他模型发生冲突而导致计算速度变慢甚至计算失败，因此应该根据实际结果合理选择管道模型。

在AMESim的管道模型中，需要着重考虑3个参数：

(1) 长细比Aratio=L/d。其中，L为管长，d为管道内径。该参数用来判断管路的几何特征即是短粗管还是长细管[11];

(2) 波动传播时间Twave=L/a。其中，a为音速。Twave通常与计算时间步长Tcount相比较，Tcount表达了关心的频率范围，比较的结果决定是否要考虑波动效应。如果该时间小于仿真设定的通讯时间Communication Interval(所需要的采样时间)，那么没有必要选择考虑波动效应的模型，Tcount的计算公式如下：

(8)

(9)

式中,c—— 波速

β—— 液体体积弹性模量

ρ—— 液体密度

(3) 黏性影响度，其计算公式如下：

(10)

其中，v是液体的动黏度。当Ndiss>1时，其他影响因素与黏性相比不是很重要，具体选择过程如图3所示。

本研究对象为某船舶液压系统，其结构布局简图如图4所示。主要研究的管道为蓄能器出口至控制阀入口的4条钢管。其中管道1、管道2与另一蓄能器出口两根管道对称分布，管道3为进入主阀前一段较长的管道；管道4为直接与控制阀组相连的一段较短的管道。

各管道参数如表1所示。

图3 管道建模依据

图4 液压操动机构结构简图

表1 各管道出口压力波动曲线

通过分析计算，4条主要管道的长细比A均小于6，黏性影响度N都大于1，因此管道均采用集中参数模型建立即可。同时考虑AMESim管道模型的特性与实船管道压力波动特征，最终管道模型选择为：管道1选择模型HL03，管道2、管道4选择模型HL01，管道3选择模型HL07。其中HL01与HL03均为考虑管壁内摩擦力的液压管路集中参数模型，区别在于管道进出口参数，适用于模拟波动效应不显著的模型；HL07为考虑管壁内摩擦力与流体惯性的液压管路集中参数模型，适用于准确模拟波动效应。依据上述理论分析，以液压系统液压缸动作为例，建立的AMESim系统仿真模型如图5所示。

3 计算结果及分析

根据图5所示的AMESim计算模型求解4条主要管道的压力，总时间为0.2 s。最后计算得到所研究的4条管道的压力波动结果如图6所示。

图5 液压操动机构AMESim综合仿真模型

图6 管道出口压力曲线

从图6中可以看出，4根管道内的油液压力均有较大程度的波动现象，且一直持续到动作时间结束。其中管道4的压力波动最为严重，波动峰值最高为21.24 MPa，最低为18.22 MPa。管道4为控制阀组入口处的管道，表明在油液进入控制阀组处的压力波动最大，而该位置为4根管道的最下游，可能直接影响控制阀组动作。

根据液压系统模型，通过对管道长度以及管道内径这2个主要参数进行变参分析来研究结构参数对管道的压力波动的影响。

3.1 管道长度的影响分析

由于设备安装空间固定，因此在保证管道总长不变的情况下，对管道3、管道4进行长度方案设计，如表2所示。

表2 各管道出口压力波动曲线

通过仿真计算得到管道4的压力波动在不同设计方案下的对比结果如图7所示。

图7 改变管道3、4长度压力波动情况对比

从4种设计方案的压力波动对比图中可以看出，方案3的压力波动最大压强值小于原方案，最小压强值大于原方案，压力波动区间小于原方案，并且方案3压力波动的衰减明显快于其他方案，因此方案3对于降低压力波动有较好的效果。4种方案的压力波动峰值对比结果如表3所示。

表3 不同设计方案效果对比

下面在保证管道总长不变的情况下，对管道1、管道2进行长度方案设计，如表4所示。

通过仿真计算得到管道4的压力波动在不同设计方案下的对比结果如图8所示。

从结果对比图8中可以看出，4种方案的压力幅值与原方案相差不大，说明在保证总长不变的情况下改变管道1和管道2的长度对管道4的压力波动影响较小。4种方案的压力波动峰值对比结果如表5所示。

表4 各管道出口压力波动曲线

图8 改变管道1、2长度压力波动情况对比

表5 不同设计方案效果对比

3.2 管道内径的影响分析

对四根管道进行内径方案设计，如表6所示。

表6 改变四条管径的设计方案参数

计算结果如图9所示，可以看出5种设计方案的压力波动均小于原方案，且5种方案压力波动情况相似。说明对管道1、管道2进行内径调整对管道波动情况影响不大，对管道3、管道4的内径进行调整能有效改善压力波动情况。压力峰值的对比如表7所示。

图9 改变管道内径压力波动情况对比

表7 五种方案结果对比

以上结果表明适当的增大管道3、管道4的管径，能有效减小管道的压力波动。由此得出，压力波动严重的管道内径设计得越大，动态压力的最大值越小，波动衰减越明显。

3.3 管道优化方案设计

通过对管道3、管道4的长度、内径进行变参分析，得出一组最优优化方案，为加长管道3长度、缩短管道4长度、并加大2条管道内径。与原方案进行结果对比，压力波动曲线如图10所示。

图10 优化设计方案压力波动曲线对比

从结果中可以看出，优化方案的压力波动幅度为1.65 MPa，相较于原方案的压力波动幅度3.02 MPa，优化方案压力波动幅度降低约45.36%，且压力波动的衰减快于原方案，证明优化效果明显。

4 结论

本研究基于图形化仿真环境AMESim对船用液压系统工作过程中振动较为严重的管道进行了压力波动研究。通过对管道子模型进行科学选取，建立液压系统综合仿真模型，研究了从蓄能器出口到控制阀组的4条管道压力波动的特性。通过对管道结构参数进行分析，得到了管道长度和内径变化对压力波动影响的量化结果。结果表明，压力波动较弱的管道内径、长度对压力波动影响较小，压力波动较强的管道内径、长度对压力波动影响较大。将该系统中压力波动现象较为明显的管道进行长度平均调整、并增大管道内径的优化组合方式有效地降低了压力波动，降低幅度达到45.36%。以液压系统综合建模为基础，得出管长和内径对管道压力波动影响与优化方案，研究成果对理解、使用和设计船用液压管道具有一定的工程实用价值。