帶彈簧活塞式緩沖器的魚雷冷卻水供應系統仿真

馬為峰, 彭 博, 雷云龍, 萬榮華, 梁 躍

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帶彈簧活塞式緩沖器的魚雷冷卻水供應系統仿真

馬為峰, 彭 博, 雷云龍, 萬榮華, 梁 躍

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

為了降低魚雷冷卻水供應分系統壓力脈動, 防止振蕩加劇, 采用集中參數法建立了帶彈簧活塞式緩沖器的魚雷冷卻水供應分系統的壓力振蕩模型, 應用電液模擬方法得出了使用彈簧活塞式緩沖器后冷卻水輸送管路系統的頻率, 通過試驗驗證了彈簧活塞式緩沖器在魚雷能供系統冷卻水輸送中的降幅變頻特性, 獲得了很好的降幅效果, 可為緩沖器在魚雷海水供應中的設計、試驗和使用提供參考。

魚雷; 彈簧活塞式緩沖器; 降幅; 變頻

0 引言

魚雷動力中的冷卻水供應系統負責為燃燒室、發電機、燃料泵和發動機等組件提供冷卻介質, 是魚雷動力推進的重要組成部分。冷卻水供應系統采用水泵抽吸雷外海水, 增壓后冷卻相應組件, 進入排氣槽與發動機廢氣混合, 最后排出雷外。

魚雷工況的變化會引起泵入口的擾動, 加之泵本身會有流量脈動, 因此冷卻水供應分系統所供冷卻水會在一定幅度內以一定頻率連續變化, 在這變化過程中有可能產生系統液路固有頻率與結構固有頻率耦合的條件, 引發低頻振蕩, 使系統振動加劇, 振動噪聲加大, 嚴重時可能導致管路或接頭的斷裂。國內某型產品在進行功率試驗時, 冷卻水供應分系統出現了振蕩現象, 雖未導致管路或接頭斷裂, 但存在特定時間段內振蕩加劇現象。因此結合現有產品, 對冷卻水供應分系統液路固有頻率進行分析, 安裝彈簧活塞式緩沖器, 對降低壓力脈動幅值, 改變能供系統輸送管路固有頻率, 避開冷卻水供應分系統液路固有頻率與結構固有頻率耦合, 防止振蕩加劇具有極其重要的意義。

本文采用集中參數法建立了振蕩情況下冷卻水供應分系統輸送管路的壓力振蕩仿真模型, 采用電液模擬方法得出了使用彈簧活塞式緩沖器后輸送管路的固有頻率, 為動力系統減小壓力振蕩和優化提供了方法和手段。使用彈簧活塞式緩沖器的陸上動力系統功率試驗也表明, 在冷卻水供應分系統安裝緩沖器會降低冷卻水壓力振蕩幅值, 避免冷卻水供應分系統液路固有頻率與結構固有頻率發生耦合。

1 數學模型的建立

緩沖器的作用原理: 利用機械管路與電路的相似性, 在液壓管路中裝上緩沖器, 使其具有相應的“流容”和“流感”, 達到使液壓管路系統穩定的目的。彈簧活塞式緩沖器利用彈簧活塞裝置提供所要求的彈性, 以緩沖來自供應系統的壓力振蕩的沖擊作用。陸上功率試驗時, 冷卻水供應系統可以簡化為由水源到彈簧活塞式緩沖器的管路, 組成示意如圖1所示, 其中, 管路1為彈簧活塞式緩沖器、彈簧活塞式緩沖器到泵入口的管路; 管路2為泵管路, 管路3為泵后管路。負載以節流閥代替。

根據彈簧活塞式緩沖器的工作原理, 并考慮冷卻水的壓縮效應可得如下方程

(2)

(3)

式中:為緩沖器的位移;為緩沖器閥芯系統的質量;F和F分別為緩沖器所受到的冷卻水作用力和彈簧力;和分別為流入和流出緩沖器的流量;和分別為泵的流量因子和轉速;和分別為節流閥流量因子和前后壓降;和分別為燃料的有效容積模量和密度;為阻尼系數;為冷卻水填充的緩沖器和相應管路部分的容積;為泵后節流閥前的管路壓力。

2 仿真結果與分析

本文采用MATLAB的Simulink工具箱建模, 算法采用4階龍格庫塔法, 步長取0.000 1 s。初始條件取各變量的穩態值。為了模擬振蕩, 參考功率試驗數據, 選擇流入緩沖器的流量在特定時刻開始振蕩, 振蕩幅值為穩態值的10%。則在振蕩影響下, 使用緩沖器和不使用緩沖器2種情況下的壓力仿真無量綱曲線如圖2所示。在圖2中, 縱坐標位壓力瞬態值與穩態值的比值, 橫坐標為時間, 細實線為不使用緩沖器情況下的壓力振蕩曲線, 粗實線為使用緩沖器后的壓力振蕩曲線。由圖2可見, 緩沖器對系統壓力振蕩具有較好的降幅作用。

2.1 緩沖器彈簧剛度對壓力振蕩幅值的影響

對于彈簧活塞式緩沖器而言, 彈簧剛度對降低振蕩幅值具有重要作用。泵后節流閥前的管路壓力振蕩的幅值與彈簧剛度的關系如圖3所示。圖3中, 縱坐標為壓力振蕩幅值與穩態值的比值。由圖3可知, 隨著彈簧剛度的增加, 壓力振蕩幅值逐漸變大。彈簧剛度增加到一定程度后, 壓力振蕩幅值基本維持在恒定值。在一定范圍內, 為了更好的削弱振蕩幅值需要減小彈簧剛度。減小的幅度需要結合動力系統的振蕩頻率而定, 以防引起系統共振。

2.2 緩沖器活塞直徑對壓力振蕩幅值的影響

緩沖器的活塞直徑決定了緩沖器的大小, 也決定了振蕩發生時緩沖能力的大小。泵后節流閥前的管路壓力的振蕩幅值與活塞直徑的關系如圖4所示。圖4中, 縱坐標為壓力振蕩幅值與穩態值的比值。由圖4可知, 在一定范圍內, 為了更好地削弱振蕩幅值, 需要加大活塞直徑。增加的幅度需要結合動力系統的空間和重量等約束而定。

2.3 緩沖器對管路頻率的影響

應用電液模擬方法, 將液壓環節或系統轉變為結構和特性類似的電環節或電系統。對于流感和流容串聯線路來說, 其示意如圖5所示。圖中:為流量;D為壓力變化;Dp為由流感引起的壓力變化;D為由流容引起的壓力變化。

由圖5可知

即

(6)

由此可得不裝緩沖器時輸送管路1階固有頻率為

(8)

裝緩沖器的輸送管路的1階固有頻率

裝緩沖器的輸送管路的2階固有頻率

(10)

緩沖器的固有頻率為

由以上公式可以得出:

1) 輸送管路的1階固有頻率和2階固有頻率與緩沖器流容、流感、管路流感有關。適當增加緩沖器的流容可以降低輸送管路的1階固有頻率, 使它與結構1階頻率分離開。選擇較小的緩沖器等效流感、泵到緩沖器之間的管道的等效流感, 可以提高裝緩沖器輸送管路的2階固有頻率, 也可使它與結構2階頻率分離開。

2) 緩沖器流容的改變可以通過改變緩沖器工作參數進行調節。

3 試驗

未裝緩沖器和裝有彈簧活塞式緩沖器在功率試驗中的不同速制情況下的海水壓力振蕩無量綱曲線如圖6所示。試驗結果證明, 不同工況下, 彈簧活塞式緩沖器具有良好的降幅效果。

4 結論

綜合以上仿真分析和試驗結果, 可以得出以下結論。

1) 彈簧活塞式緩沖器可以降低壓力振蕩的幅值(即降幅效果)。減小彈簧剛度和增大活塞直徑, 有助于降低壓力振蕩的幅值。

2) 彈簧活塞式緩沖器可以改變系統頻率, 使其遠離結構共振頻率(即變頻效果), 減少低頻振蕩的發生。

3) 安裝彈簧活塞式緩沖器, 可以改善動力裝置的振動及其噪聲, 保證動力裝置的可靠穩定工作。

4) 所建的魚雷冷卻水供應分系統的壓力振蕩模型與冷卻水輸送管路的固有頻率模型可用于指導試驗驗證, 對魚雷燃料供應系統的優化改進也有借鑒作用。

[1] 馬為峰. 某輕型魚雷動力系統換速過程仿真分析[C]//水中兵器學委會魚雷動力學組學術交流會, 2006: 314- 318.

[2] 蔡廷文. 液壓系統現代建模方法[M]. 北京: 中國標準出版社, 2002.

[3] 劉國球. 液體火箭發動機原理[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2005.

[4] 張育林. 變推力液體火箭發動機及其控制技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2001.

(責任編輯: 陳 曦)

Simulation on Torpedo Water Cooling Support System with a Spring Piston Damper

MA Wei-feng, PENG Bo, LEI Yun-long, WAN Rong-hua, LIANG Yue

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To reduce the pressure oscillation of torpedo water cooling subsystem and avoid oscillation aggravation, a pressure oscillation model for torpedo water cooling support subsystem with a spring piston damper is established byusing centralized parameter method. The frequency of the water cooling system with a spring piston damper is obtained by electro-hydraulic analogy. Experimental results verify that the spring piston damper can reduce pressure oscillation amplitude and change frequency of the water cooling system.

torpedo; spring piston damper; oscillation amplitude reduction; frequency conversion

TJ630.32; TM46

A

1673-1948(2013)03-0202-04

2013-01-06;

2013-02-26.

馬為峰(1977-), 男, 碩士, 高工, 主要研究方向為魚雷熱動力總體技術.