液压冲击耦合振动的特性分析

　　液压系统控制动力大、响应快、精度高,是起重运输机械的重要组成部分。当液压系统中控制阀换向或关闭时,液流流动状态的突变将引起冲击振动。突然变化的压力以压力波的形式沿管道传播,激起管道的强烈振动。由于冲击造成的冲击压力可达到很高的数值,轻者影响系统正常工作,重者使管道及元件损坏,仪表失灵、泄漏,直接威胁系统的稳定和安全运行,当系统压力较高、流速较大时影响更严重,是引起管道破裂[1]和其他问题[2、3]的主要原因,在系统的安全性和稳定性方面,其影响甚至超过腐蚀、设计载荷、焊接技术和缺陷[4]。随着液压技术向高速、高压、大功率的方向发展,液压系统中的冲击振动问题将越来越受到人们的重视。因此,研究液压系统冲击的振动特性,对采取控振对策、预防和减少液压冲击的发生具有重要意义。

　　1　液压冲击振动机理及运动方程

　　1·1　液压冲击振动的耦合机理

　　液压冲击振动产生后,将引起管道的强烈振动,管道振动又反过来影响液体的压力波动及其流动,形成液体的瞬变流动、波动以及管道振动为一体的波流振动系统。3种具有不同特性的运动形式相互作用,称为管道流体结构互动(FSI)或管道流体耦合振动。

　　1·2　FSI基本振动方程

　　冲击过程中,由于流体压能的瞬时变化,必须考虑流体的压缩性和管道的弹性变形,尤其在高压液压系统中。由于管道与液体间存在耦合振动,冲击振动描述模型采用考虑了管道与液体之间耦合作用(FSI)的流固耦合振动模型。

　　建立如图1所示坐标系,设直管道水平放置,管壁材料线性、均匀且各向同性, z轴与管道变形前的轴线重合, x轴和y轴分别表示管道的2个互相垂直的振动方向;输送的流体为可压缩牛顿流体,流体为一维流动,管道在弹性范围内小幅振动,管道与液体之间的阻尼均为比例阻尼,忽略重力的影响,可得如下两端支承非恒定流充液管道的流固耦合振动4-方程模型[5]

　　式中　z———管道轴向方向

　　u_z———管道在z方向的振动位移

　　f_z———管道在z方向的内力

　　c_z———管道在z方向的结构阻尼系数

　　p、U———分别为液体压力和液体截面平均流速

　　E、R、e、ρ_p、A_p、μ———分别为管材弹性模量、管道内半径、管道壁厚、管材密度、管壁截面积、管材泊松比

　　f———液体与管道壁之间的摩擦系数f=75ν/(2R|νr|)

　　ν———液体的运动粘度