潤滑油管路壓力波動機理分析及抑制方法

周佳宇 朱群偉 劉建良

摘? ? 要：船舶潤滑油管路壓力波動是引起潤滑油管路及附屬設備振動的主要原因。本文對潤滑油管路壓力波動產生的機理進行分析，找出管路流體壓力波動的根源，針對產生壓力波動情況的原因提出相應的抑制方法，并對不同抑制方法的優缺點進行比較。該研究對潤滑油管路振動治理有一定指導作用。

關鍵詞：潤滑油管路;壓力波動;抑制方法

中圖分類號：TH137? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Pressure fluctuation of lubricating oil pipeline is the main cause of vibration of lubricating oil pipeline and auxiliary equipment. In this paper， the mechanism of pressure fluctuation in lubricating oil pipeline is analyzed， the source of the pressure fluctuation in the pipeline is found out， the corresponding suppression methods are put forward according to the causes of pressure fluctuation， and the advantages and disadvantages of different suppression methods are compared. This study has guiding effect on vibration control of lubricating oil pipeline.

Key words： Lubricating oil pipeline; Pressure fluctuation; Suppression method

1? ? ?引言

隨著現代工業的高速發展，管路被廣泛應用于船舶與海洋工程、大型重裝設備及石油、天然氣等輸送系統。由于管路壓力波動誘發的管路振動和噪聲不僅對管路的壽命和安全造成影響，破壞與其相連接的儀表、閥口、機械等設備，嚴重時甚至會造成大量財產損失和人員傷亡。因此，通過分析管路壓力波動的機理，探索抑制壓力波動的方法，對減低管路振動和噪聲具有廣泛的工程實用和經濟意義。

在艦船管系中，管路就像人體的血管，把主、輔機及有關設備連接在一起，保證各種機械的正常運轉和艦船的安全航行[1]。對軍艦及潛艇來說，管路振動一直是影響艦艇隱身性能的主要因素之一。當管路流體壓力波動頻率與管路系統的固有頻率一致或接近時，將會出現共振現象，破壞與其相連接的儀表、閥口、機械等設備，導致潤滑油管路系統無法正常工作[2]。

本文首先對引起潤滑油管路壓力波動的主要因素進行分析，結合工程實際，重點研究管路壓力波動產生的原因，并對壓力波動計算方法作簡要的介紹。根據產生壓力波動的不同原因，提出相應的抑制方法，為減少管路振動、合理的管路布局及動力元件的選取提供理論依據。

2? ? ?引起潤滑油管路壓力波動的因素

2.1? ?概述

引起潤滑油管路壓力波動的因素有很多種，其中最常見的有以下四種[3-5]：

（1）輸油泵對壓力波動的影響;

（2）潤滑油管路中彎管、換向閥及執行元件對壓力波動的影響;

（3）潤滑油管路中混入空氣或液壓元件磨損對壓力波動的影響;

（4）溢流閥和導閥對壓力波動的影響。

在實際工程中，導致潤滑油管路壓力波動的最主要因素是以下兩種：輸油泵對壓力波動的影響;管路布置及附件對壓力波動的影響。下面對這兩個主要因素進行詳細分析。

2.2? ?輸油泵對壓力波動的影響

輸油泵在實際工作過程中，工作容積會發生周期性變化，因此輸油泵泵出的流體壓力p與流量Q并不是絕對穩定。由于輸油泵工作容積的變化、元件的缺陷及安裝誤差，泵出的流體呈現一定規律的波動狀態。

輸油泵泵出流體的流量和壓力隨時間呈周期性變化，管路內壓力波動主要是流體壓力的脈動所引起，而流量的脈動所占的比例很小。管內流體的瞬時壓力可以看成是在平均壓力的基礎上疊加若干脈動分量，所以輸油管進口壓力可以表達為：

式中：δ為管內壓力波動率，按下式計算：

式中：? 為管路進口的平均壓力;f為流體脈動頻率;m為脈動分量數目;Pmax為波動壓力的最大值;Pmin為波動壓力的最小值。

另一方面，輸油泵吸油過程中，潤滑油中混入的空氣會導致氣泡的產生，不僅影響流體的流動性能，而且會造成管內壓力和流量的不穩定。當氣泡進入高壓區時，由于壓力過大導致氣泡迅速破滅，使局部產生非常高的壓力沖擊，管內的壓力波動加劇。

2.3? ?潤滑油管路布置及附件對壓力波動的影響

當潤滑油管路上的方向控制閥或其他執行元件在關閉、換向、變速時，管內流體的流速會發生改變。由于流體的慣性作用，當流體遇到關閉的執行元件時，部分流體會沿管路反向流動，反射波的頻率不變，當反射波與泵輸出的壓力波相位一致時產生駐波現象，使管路內的壓力波動增加。

壓力波在潤滑油管路內傳播過程，如圖1所示。圖1中，Pi（x，t）是入射波，P（x，t）是反射波，管長為L。壓力波在遇到阻抗時發生反射，在一定情況下反射波的相位發生改變，反射波P（x，t）的頻率與入射波Pi（x，t）的頻率一致。由于相位的改變，可能導致兩個波形相互疊加，使得流體在管路中的波動增強。

對于潤滑油管路系統來說，當管路中的流體處于脈動狀態時，流體會受到大小、方向、相位各異且隨著時間變化的作用力，這就是激振力。管路內的流體在激振力的作用下，流體波動更加劇烈，最終導致潤滑油管路系統振動加劇。下面以彎管為例，分析壓力波動是潤滑油管路振動的主要原因。

如圖2所示：彎管的直徑為D;彎管進口和出口的壓力相同都為P;彎管的轉角為α。在流體流動的過程中，彎管橫截面積上的總作用力為______________________。

彎管在彎頭處所受的總壓力的合力F沿角平分線方向，其大小為：

當管路中的流體不存在波動時，管路流體壓力P是定值，管路直徑D和彎管轉角α一定，則管路所受壓力F也是定值，故只引起彎管的靜變形和靜應力。

其中管內流體的平均壓力? ?引起靜載荷力，不引起振動;而脈動圧力引起交變力，它是導致管路振動的激振力，用ΔF表示其幅值大小為：

由上可知，設計管路時應盡量使用避免急彎管，通過增加彎管的曲率半徑，即減小α的值，進而減小激振力降低管路振動。

3? ?抑制潤滑油管路壓力波動的方法

可以從兩個方面著手抑制管路壓力波動：一是從輸油泵著手，通過優化輸油泵內部結構和零部件參數來減少輸油泵泵出流體流量和壓力脈動，從根源上降低輸油系統中的壓力波動;另一方面是從輸油管路著手，通過在輸油管路中安裝壓力波動衰減裝置來吸收或抵消流量及壓力脈動，或通過優化輸油系統中的油管、閥、濾油器等液壓元件，從而降低管路壓力波動。下面具體介紹抑制管路壓力波動的方法及優缺點。

3.1? 輸油泵結構方面

由于不同條件下所采用輸液泵的類型不同，可以根據不同輸液泵的特點，改進輸油泵的內部結構，優化其零部件參數進而降低輸液泵泵出流體的壓力波動：

（1）對于齒輪泵來說，通常采用優化齒輪齒形和齒數等方法來降低齒輪泵出口壓力波動;優化齒輪泵的卸荷槽，利用卸荷槽對齒輪泵內的壓力波動進行補償，減小齒輪泵內壓力改變造成的壓力波動;采用多齒輪泵，齒輪泵的級數越多，輸出的流量及壓力波動越小;

（2）對于葉片泵來說，通過添加分流葉片，提高葉片泵空化性能，降低臨界空化余量，進而降低空化所導致的流體壓力波動;在泵的配油盤上加工圓槽引入壓力油的方法減少葉片泵壓力脈動;

（3）對于柱塞泵來說，改變配流盤的角度來調節流量，采取帶有減振孔的非對稱角度遮蓋配流盤，可以基本消除變工況下由于配流盤壓差沖擊而造成的流體的壓力波動。

3.2? ?輸油泵負載方面

由于現階段輸液泵技術已趨于完善，通過改變輸液泵內部結構、優化零部件來大幅度減少管道壓力波動并不現實，且研究成本高、代價比較大;減少壓力波動則比較容易實現。因此，在輸液管路中添加壓力波動抑制裝置是現階段減少管路壓力波動的主要手段[6-7]。

目前最常用的衰減流體波動裝置有：蓄能器式波動衰減器、阻性波動衰減器、抗性波動衰減器。這三種衰減器的共同特點就是利用衰減器自身的結構特點吸收或消耗波動的能量，以此來降低管路中流體的流量和壓力波動。

3.2.1 蓄能器式壓力波動衰減器

潤滑油管路中安裝蓄能器可大量吸收流體的壓力波動。蓄能器式壓力波動衰減器的工作原理是：輸液管路內的流體在壓力波動的過程中，當瞬時壓力高于管內流體的平均壓力時，高出的部分會被蓄能器吸收，并以氣體內能、重力勢能或者彈簧勢能存儲在蓄能器中;低于平均壓力的部分由蓄能器補充。

蓄能器式衰減器具有衰減效果好、安裝方便、能量損失小等優點，被廣泛應用。該種衰減器對低頻壓力波動衰減效果較好，但對高壓高頻系統壓力波動消除不佳。

3.2.2抗性壓力波動衰減器

抗性衰減器是通過控制阻抗的大小來衰減管道內壓力的波動。在輸液管道上接入截面突變的容腔或旁接共振腔，當波動的流體流入時，由于其特殊結構使得某些特殊頻率的波動流體在容腔內發生干涉、反射現象，從而使得管路內壓力波動降低，達到衰減管路壓力波動的目的。

抗性壓力波動衰減器具有結構簡單、壽命長、壓力損失少且適合于高頻脈動的消除等優點。該種衰減器的缺點是衰減頻率范圍比較窄，而管路在不同的工況下系統流體波動的范圍較廣，因此該種衰減器在實際應用中有很大的局限性。

3.2.3阻性壓力波動衰減器

阻性壓力波動衰減器通過采用衰減系數較大的阻尼材料或增加節流結構，如橡膠、石棉或孔板以形成較大的摩擦，把管路流體壓力或流量波動的能量通過摩擦生熱而消耗掉，從而降低壓力和流量脈動。但這種衰減器存在壓力損失大、節流損失大、壽命短、結構復雜等缺點。

4? ? 結束語

本文對潤滑油管路壓力波動機理進行研究，主要對引起管路壓力波動的因素進行分析，并提出了對應的抑制方法，總結不同抑制方法的優缺點及適用情況。該研究內容有助于在工程實際中更好地進行潤滑油系統管路的結構設計、管線的布局設計以及減振裝置的選取，為潤滑油系統減振降噪的實現提供參考。

參考文獻

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[2]李耿標.綜合傳動液壓供油系統壓力脈動特性研究[D].北京理工大學，2016.

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