广西龙胜兴隆电站液压管道振动分析及减振设计

林时来

（华自科技股份有限公司 湖南长沙 410025）

广西龙胜兴隆电站液压管道振动分析及减振设计

林时来

（华自科技股份有限公司 湖南长沙 410025）

本文针对液压管道的振动原因及常用减振方法进行了分析，并以广西龙胜兴隆电站的液压管道振动现象为例，设计了一套简单、经济、实用的减振方案，有限元仿真分析表明，该方案可有效地减小管道的振动。

液压管道；减振；有限元仿真

引言

液压油管在电站的液压控制系统中较常使用，对于立式机组采用外置式接力器的电站，由于电站系统布局空间较大，液压系统与接力器之间有一段较长的距离，可能长达十几米到数十米，这时则需要采用液压油管连接调速器进出油口及接力器，一般采用普通刚性管加液压软管即可。但在实际使用过程中，当操作换向阀控制接力器动作时，由于压力油的冲击，液压油管会发生明显的振动，产生异响。一方面对管道接头结构的可靠性有影响，易产生疲劳破坏造成渗油漏油，另一方面对环境及操作者也有噪音干扰。以广西龙胜兴隆电站为例，液压油源的额定工作压力为14.4～16MPa，接力器与调速器换向阀进出油口之间距离约15m，用刚性管道及液压软管连接，未采取减振措施，当控制换向阀操作接力器动作时，管道振幅很大，噪音明显。

1 液压管道振动原因及常见减振方法

液压管道的振动主要是由于液压油的冲击造成，液压油的冲击则是由于系统启动、停止、换向等原因造成，液压油压力变化与管道振动的数学关系模型涉及到流固耦合问题，这里采用振动控制的理论，对系统作定性分析。一般振动系统可简化为二阶阻尼振动系统，其动力学方程为：

其中m为系统质量，c为系统阻尼，k为系统刚度，x为系统振动位移，f（t）为系统激励，则系统的无阻尼振动固有频率为。由振动理论可知，当系统激励（ft）的频率接近系统固有频率Wn时，系统振幅将明显增大，产生共振现象，而系统激励（ft）的频率远离系统固有频率Wn时，系统振幅较小。

目前，液压油管的振动控制控制方法主要分为两类：①该改变系统固有频率，比如设置管道支撑、布置管道时改变管道形状等；②减小振源激励，比如通过设置相应的控制阀和控制策略，减小液压系统的压力变化率，从而减小冲击。

1.1 设置管道支撑减振

通过在管道外围设置合理的支撑，可增加管道结构的刚性，改变管道系统的固有频率，从而达到减振的效果。这种方法在系统冲击频率变化较小的场合或管道比较长的场合非常适用。

通过改变支撑结构本身的刚性也可明显改善减振性能。例如在支撑与管道之间增添橡胶垫片，利用橡胶垫片的弹性承载能力和能量耗散能力，缓冲液压管道的振动。这种方法简单有效，不需更改较多的结构设计及占用较多的空间。

1.2 合理布置管道减振

当管道中的液压冲击载荷相同时，管道结构的设计及安装也对振动有较大影响。液压管道中，发生冲击载荷最大处为管道弯头处或异径管接头处等截面面积发生变化的位置，因此，设计布置管道时，应尽量避免弯头或尽量加大管道转角半径。

此外，设计管道壁厚及形状时，在保证强度的前提下，尽量使管道的系统频率偏离液压冲击激励的频率。

1.3 液压减振

液压减振是指通过一定的控制阀及控制策略，改变液压系统的压力变化率、流速等参数，从而减小液压冲击，减小管道振动。比如在不影响系统工作的情况下，尽量降低阀口的开关速度，或者在液压回路中设置合适的稳压控制阀、流量控制阀及蓄能器等。

2 减振设计

分析现有的液压管道减振方法及广西龙胜兴隆电站管道布置的实际情况，采用设置管道支撑的方式来减小液压冲击带来的管道振动。由于液压冲击在低频段的能量较大，而广西龙胜兴隆电站使用的液压管道较长，整体刚度低，也即系统固有频率较低，控制接力器动作的油量需求大，因此造成了操作接力器时的管道明显振动，噪音非常明显。通过增加合理的支撑设置，提高管道的系统固有频率，从而减小管道的振动。

这里采用有限元软件计算管道系统的固有频率，分别考虑无支撑方式时液压管道的固有频率、单支撑时液压管道的固有频率、三支撑时液压管道的固有频率计五支撑时液压管道的固有频率。将管道简化为等截面的直管，在ANSYS中采用PIPE单元对管道进行网格划分，采用杆单元对支撑进行网格划分，计算固有频率如表1所示，对管道振动影响最大的第一阶模态如图1～4所示。

表1 管道计算固有频率（Hz）

图1 无支撑时第一阶模态

图2 单支撑时第一阶模态

图3 三支撑时第一阶模态

图4 五支撑时第一阶模态

3 总结

由上述计算结果可知，管道支撑越多，刚性越多，系统固有频率也越高，则与液压冲击的频率偏离越远，利于系统减振。但系统支撑也不是越多越好：①需要考虑支撑布局所占的空间问题；②管道支撑改变了系统的固有频率，同时也改变了系统的受力状态，需要防止产生局部较大应力的问题，在支撑与管道之间增加合适的弹性阻尼元件有利于改善结构的可靠性。

针对管道振动问题，首先应分析振动产生的原因，然后根据振源特性对系统进行相应的设计或改善，达到减小振动及噪音的效果。如果简单地对结构进行加固或换管处理，则可能达不到减振效果，甚至给系统结构的强度及稳定性带来不利的影响。

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TQ055.8

A

1004-7344（2016）20-0060-02

2016-7-1

林时来（1985-），助理工程师，本科，主要从事水电行业自动化方面工作。