高机动雷达液压系统水锤现象研究

耿少航 李 智 邹玉蓉 刘浩亮 李 博

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

千变万化的现实威胁对现代军事雷达提出了严峻的挑战，高架机动雷达因具有高机动性和低空性能强的优点而得到广泛关注，而液压系统是高架机动雷达的核心部件之一，其不但要实现天线迅速地架设与撤收，还要确保天线工作过程中稳定不晃动。然而某高架机动雷达液压系统在架设与撤收过程中伴有明显的噪声、振动等现象，这不仅会引发不安全因素，也不利于液压系统寿命的延长。

查阅文献可知，在液压系统换向阀的阀门突然开启或关闭时，管道中液体的压力会发生急剧交替升降的现象，从而引发噪声与振动，这一现象被称为水锤现象。因此对水锤现象的研究，不仅能够延长液压系统寿命，排除安全隐患；还能够提高高架机动雷达的机动性和低空性能。

近年来，各个领域的学者对水锤现象及其防护展开了一系列研究。王璐[1]等对飞机燃油系统液压活门关闭过程产生的水锤现象进行分析，提出调低射流传感器响应频率、降低活门匹配压力和缩小管路通径等方法减弱该现象。张一[2]搭建了测试平台，对液压水锤效应的毁伤效果进行了研究，分析了水锤作用与流体入射速度以及压力的关系。

林景松[3]对某型号液体火箭发动机推进剂供应管路进行关机水击过程进行研究，通过计算数据量化说明分支管影响水击压力的规律，为包含非标部件的小管路系统水击评估提供参考，给水击压力测量方案选择提供依据。刘佳兴[4]等建立了具有盲支管的低温管路模型，仿真计算得到了不同阀门关闭时间、盲支管长度和管径下的水击压力变化情况。结果显示：阀门关闭时间越短，造成盲支管内的压力变化越剧烈，形成较大的压力峰值；在整个管路形成封闭腔后,阀门关闭造成系统压力急剧变化影响较大；管径越大，阀门关闭时的水击压力峰值越大。方志成等[5]分析了潜艇操舵系统的液压冲击现象，并且介绍了所采取的改变关闭速度、加装软管、加装消声器、降底管路中的初始流速、改进管路固定方式、加装吸收液压冲击的蓄能器等综合治理技术措施，可以为液压系统设计提供参考。

综上所述，虽然对水锤现象的研究已经取得了丰富的成果，但目前针对车载雷达液压系统内的水锤现象鲜有研究。车载雷达需要通过液压系统迅速实现机构举升、翻转和锁定，其液压系统管路复杂响应快，对流体的流量和压力等参数要求精度高，细微的流量和压力变化会引发不可估量的后果。因此，对车载雷达液压系统水锤现象的研究，不但能够丰富相关理论，还具有明确的现实价值和工程意义。

1 计算模型

如图1所示的某高机动雷达液压系统举升机构原理图，当举升机构工作时，电机带动液压马达转动将液压油从油源供应至液压缸，活塞杆推出将负载举升至工作位置，随后液压锁锁定确保负载稳定在工作位置。当需要从工作位置撤收时，换向阀换向，液压缸活塞杆收回从而负载被撤收，平衡阀为液压系统提供背压保证稳定撤收。

图1 液压系统原理图

然而阀门关闭或开启时水锤现象会引起如图2所示的压力交替升降的现象，从而引发噪声与振动。

图2 水锤现象压力变化

根据阀门关闭或开启的快慢，水锤现象又分为直接冲击和间接冲击，当阀门突然关闭，即t

Pmax=ρva

(1)

其中，t0为临界时间，计算方法为

t0=2L/a

(2)

公式(1)中，ρ为流体的密度；v为流体的平均速度；a为流体中的声速，计算方法为

(3)

公式(3)中K为流体体积弹性模量，取1700MPa；E为管道弹性模量；d为管道内径；δ为壁厚。

当阀门开启时间小于临界时间时，此时为直接冲击，即t

(4)

公式(4)中P0为液压系统管道的工作压力。

当阀门关闭时间大于临界时间时，即t>t0，此时为间接冲击，管道内产生的最大压力Pr为

(5)

公式(5)中P1、P2分别为

(6)

当阀门开启时间大于临界时间时，即t>t0，此时为间接冲击，管道内产生的最大压力Pd为

(7)

结合上述分析本文得到了某高机动雷达液压系统某一回路中阀关闭和开启过程中，压力峰值随关闭和开启时间的变化规律，工况的部分参数如表1所示，工作压力为7MPa，管道弹性模量为210GPa。

表1 液压系统参数

通过分析可知，该系统的临界时间为0.017s。如图3所示，在阀开启或关闭的时间小于临界时间前，压力峰值与时间长短无关，且阀关闭时产生的压力峰值约为6MPa，略大于阀开启时；当阀开启或关闭的时间大于临界时间后，随着时间的增大，压力峰值减小，0.2s后趋于稳定，大约为0.4MPa。

图3 压力峰值随时间变化

2 仿真分析

上节已经分析了得到了高机动雷达液压系统换向阀开启或关闭时，压力峰值随其动作时间的变化规律，本小节将具体探究液压系统管径、管长、工作压力等参数对其临界时间和压力峰值的影响规律。

2.1 临界时间

本小节对液压系统的管径分别为10.7mm、11.7mm、12.7mm、13.7mm和14.7mm，管长分别为10m、11m、12m、13m和14m时，换向阀动作过程进行分析，得到了管径和管长对临界时间的影响规律。

如图4所示，在管长一定时，随着管径的增加，虽然流体速度增大，但液压系统阀动作的临界时间变化不大，当管径从10.7mm增大至14.7mm时，临界时间仅增加了0.1ms；然而当保持的管径一定时，随着管长的增大，液压系统阀动作的临界时间明显增大，而当管道从10m变化至14m时，临界时间从14.6ms增加至20.5ms。

图4 管径和管长对临界时间的影响

2.2 压力峰值

如图5至图7所示的是液压系统的工作压力分别为6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、和10MPa时，直接冲击过程中系统压力峰值的变化。由图5可知，当液压系统的工作压力从6MPa增加至10MPa时，关闭液压阀的过程中系统压力峰值无变化始终为6MPa；而开启液压阀的过程中系统的压力峰值从3.7MPa逐步增加到4.5MPa。因此，在系统工作时，可以通过降低额定压力的方式来削弱液压冲击现象。

图5 工作压力对压力峰值的影响(直接冲击)

如图6和图7所示是液压系统的工作压力分别为6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、和10MPa时，间接冲击过程中，系统压力峰值随阀动作时间的变化规律。由图6和图7可知，在6MPa至10MPa的工作压力范围内，随着开启或关闭阀门时间的增加，系统的压力峰值逐步减小；但在相同的开启或关闭时间内，随着系统工作压力的增加，压力峰值逐渐增加。当系统的工作压力从6MPa增加至10MPa时，假定阀开启或关闭的时间为0.02s，则开启阀门时压力峰值从2.9MPa增大至3.8MPa；关闭阀门时压力峰值从5.1MPa增大至5.3MPa。可见，通过调节工作压力的方式，能够较好地控制阀开启过程中的液压冲击现象，但对阀关闭过程中液压冲击现象调节作用并不明显。

图6 工作压力对压力峰值的影响(间接冲击—开启)

图7 工作压力对压力峰值的影响(间接冲击—关闭)

如图8所示的是，液压系统的管道直径分别为10.7mm、10.7mm、11.7mm、12.7mm、13.7mm和14.7mm时，直接冲击过程中系统压力峰值的变化规律。由图8可知，当系统管道的直径从10.7mm增大至14.7mm时，无论是快速关闭还是开启阀门，系统压力峰值均减小，关闭阀门的过程中，压力峰值从8.5MPa降低至4.5MPa；开启阀门的过程中，压力峰值从4.8MPa降低至3.2MPa。由于液压系统工作过程中保持流量不变，因此随着管道直径的增大，流体流速减小，当管道直径从10.7mm增大至14.7mm时，流体流速从7.05m/s降低至3.73m/s，从而抑制了关闭和开启阀门过程中的液压冲击现象。

图8 管道直径对压力峰值影响(直接冲击)

如图9和图10所示，液压系统的管道直径分别为10.7mm、11.7mm、12.7mm、13.7mm和14.7mm时，间接冲击过程中系统压力峰值随阀动作时间的变化规律。由图9和图10可知，当系统管道的直径从10.7mm增大至14.7mm时，在间接冲击过程中，压力峰值均随着管道直径的增大而减小。但随着动作时间的增大，其压力峰值趋于稳定。

图9 管道直径对压力峰值的影响(间接冲击—关闭)

图10 管道直径对压力峰值的影响(间接冲击—开启)

结合上述分析，将液压系统管径由12.7mm增大至14.7mm；将系统工作压力由7MPa降低至6MPa；将换向阀动作时间设定为30ms，大于临界时间；受整体布局约束不改变系统管路长度。此时，开启和关闭阀门时压力峰值分别从4MPa和6MPa降低至2.1MPa和2.8MPa，在实际应用中，噪声与振动现象也被明显削弱。

3 结论

本文建立了某高机动雷达液压系统计算模型，并对液压系统阀开启和关闭过程中发生的水锤现象进行了分析，得到的主要结论有：

1)通过系统分析，得到了某高机动雷达液压系统水锤效应的快慢开临界时间以及压力峰值随阀动作时间的变化规律，为液压系统设计提供参考。

2)分析了管径、管长对临界时间的影响，结果表明：在本文研究的范围内，临界时间随管长的增大而增大，但临界时间并不随管径的变化而变化。

3)分析了工作压力和管径对压力峰值的影响，结果表明：在本文研究的范围内，工作压力并不影响阀门快关时系统的压力峰值；但阀门快开时系统的压力峰值随工作压力的增大而增大；而对于慢开和慢关阀门，压力峰值均随工作压力的增大而增大。当质量流量一定时，流体流速随管道直径的增大而减小，从而导致压力峰值随管道直径的增大而减小。

4)结合实际约束，优化了管径、系统工作压力和换向阀动作时间三个参数，开启和关闭阀门时压力峰值分别从4MPa和6MPa降低至2.1MPa和2.8MPa。

4 结束语

本文对液压系统阀开启和关闭过程中发生的水锤现象进行了分析，得到了其临界时间和压力峰值；随后探究了管径、管长、工作压力等参数对其临界时间和压力峰值的影响规律；后续可分析支路等对水锤现象的影响，同时还可以考虑环境温度、液压油物性参数等因素的影响。在液压系统管路设计时，还应当考虑增加卸荷阀和蓄能器等装置，从而削弱水锤现象的危害。