活塞蓄能器式管路阻尼器的仿真分析

　　管路阻尼器广泛应用于核电厂、火电厂、化工厂、钢铁厂等管道设备中,以控制冲击性的流体振动(如阀门快速关闭、安全阀排放、水锤、破管等冲击激扰)和地震激扰的管系振动[1-2]。正常工作时,阻尼器对管道的热膨胀引起的位移无阻碍作用;当管道受外来冲击时,阻尼器对管道起刚性支承作用,限制管道位移并吸收冲击能量,防止管道低速阻力过大造成管路破坏。传统管路阻尼器多为黏滞阻尼器,具有较高能量吸收率,能提供较大阻尼,其密封结构多采用软密封和硬密封,其中采用软密封的管路阻尼器易发生密封件老化,而采用间隙密封除了存在漏油外,间隙设计不合理还可能造成管路阻尼器不能满足性能要求[3-7]。

　　结合传统管路阻尼器的优点与不足,设计出一种外加波纹管、内置蓄能器、以及活塞与缸体之间采用间隙密封的新型管路阻尼器,该结构可有效避免软密封带来的磨损和密封泄漏难以补偿的问题。

　　1 数学模型

　　图1为所设计管路阻尼器结构简图,其主要由活塞式蓄能器、活塞、节流阀和外波纹管等组成,活塞与缸体之间采用间隙密封,蓄能器安装于活塞内部。

　　当阻尼器右端受外力冲击时,活塞向左运动,设为正向,阻尼器左腔油液压力急剧增大,迫使左节流阀迅速关闭;同时,外波纹管体积减小,波纹管内液压油通过阻尼器活塞杆内孔进入蓄能器底腔,导致右节流阀开通,油液进入阻尼器右腔。这样,在整个冲击过程中,蓄能器和外波纹管自动补偿阻尼器左右两腔的流量不平衡,且节流阀对活塞提供阻尼,从而减缓外冲击。

　　当阻尼器活塞向左低速运动(如管道受热膨胀)时,阻尼器左腔液压油压力不足以使左节流阀关闭,左腔中油液通过蓄能器内杆通孔进入蓄能器底腔;同时,波纹管内液压油通过阻尼器活塞杆内孔进入蓄能器底腔,右节流阀开通,油液进入阻尼器右腔。此过程中,阻尼器活塞所受阻力较小,对管路几乎无阻碍作用。

　　阻尼器的工作过程比较复杂,为便于数学建模,作者做以下假设:液体黏度为常数;蓄能器内气体为绝热过程;忽略节流阀流体阻力;忽略库仑摩擦力的影响。由上假设此可得如下方程。

　　1.1 阻尼器流量平衡方程

　　式中:d4为外波纹管腔等效外径; d5为活塞杆径; V2为蓄能器底腔体积;Be为液体弹性模量; d1为蓄能器活塞直径; d3为蓄能器活塞导杆直径; x为活塞位移; x1为蓄能器端盖相对活塞位移; p2为活塞内腔压力。

　　式(1)中的q3为左右两腔泄漏量

　　式中:d0为缸体直径; d6为活塞直径; l为间隙密封长度;E为偏心率;设为0;L为动力黏度; p0为阻尼器右腔压力。