一種解決阻尼延時(shí)裝置動(dòng)態(tài)平穩(wěn)特性的方法

王俊光 ，馬為峰 ，張孝毅，韓小晨

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所，陜西 西安 710076；2.山西平陽重工機(jī)械有限責(zé)任公司，山西 侯馬 043003)

魚雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的換速過程要求必須平穩(wěn)且無振蕩沖擊，否則會(huì)引起燃燒沖擊，燃燒室壓力必將發(fā)生不同程度的超調(diào)[1]。為避免這種情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)了一種阻尼延時(shí)裝置，它主要由阻尼器和延時(shí)器組合而成。阻尼器由6個(gè)節(jié)流孔板組成，孔板直徑為0.5 mm，但孔的分布位置不同，一種在圓中心，另一種在距離圓心1.9 mm處。2種孔板形式示意圖見圖1，二者成對(duì)使用，裝于換速管路中。延時(shí)器由彈簧、活塞、殼體等組成，阻尼延時(shí)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)計(jì)算，換速時(shí)，液體通過成對(duì)孔板組成的復(fù)合節(jié)流孔板和延時(shí)器，使作用到換速機(jī)構(gòu)的液體流速減緩，同時(shí)液體壓力克服延時(shí)器彈簧作用力使活塞正常動(dòng)作，從而起到延時(shí)作用。但對(duì)換速過程的平穩(wěn)性未能給出細(xì)致的考慮，因此本文從出現(xiàn)的問題入手，采用計(jì)算反演的方式，推斷出液體流動(dòng)的瞬時(shí)狀態(tài)，并根據(jù)分析結(jié)論，提出了新的解決方案和試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法可行。

圖1 2種孔板形式示意圖

圖2 阻尼延時(shí)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

1 問題提出

正常情況下，升速時(shí)通過換速管路的液體壓力升高，延時(shí)器中彈簧受壓縮，活塞上行，該裝置出口壓力應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)平緩上升。降速時(shí)，出口壓力應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)平緩下降。但在參加系統(tǒng)熱態(tài)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)升速過程中存在出口壓力回跳現(xiàn)象，壓力回跳曲線如圖3所示，對(duì)燃燒組織及整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的工作造成一定沖擊，極易造成熱動(dòng)力系統(tǒng)的破壞甚至爆炸。

圖3 壓力回跳曲線

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)，問題分析及解決方案

為解決動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的問題，現(xiàn)需模擬動(dòng)力系統(tǒng)的工況，設(shè)計(jì)一種新的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。經(jīng)過討論分析，試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示。正常工作時(shí)，電磁閥上電，出口壓力表應(yīng)平緩上升；電磁閥失電，出口壓力表應(yīng)平緩下降。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

試驗(yàn)后對(duì)多套該裝置進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)延時(shí)器的彈簧內(nèi)圈有摩擦痕跡，且分布較為一致，說明活塞上端與彈簧內(nèi)圈存在卡滯現(xiàn)象。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算彈簧強(qiáng)度局限于垂直壓縮工況，并不能計(jì)算彈簧的運(yùn)動(dòng)軌跡及其布置方案對(duì)裝配狀態(tài)下的應(yīng)力影響[2]，彈簧如何變形主要是由受力狀況確定的，若受力稍有偏斜，則彈簧變形彎曲。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，彈簧在活塞初始動(dòng)作瞬間存在彎曲現(xiàn)象，為避免這種彎曲變形產(chǎn)生的卡滯，對(duì)活塞上端進(jìn)行倒角加大且倒圓處理，活塞改進(jìn)示意圖如圖5所示。改進(jìn)后再次進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果有所好轉(zhuǎn)，但壓力回跳仍存在。

圖5 活塞改進(jìn)示意圖

對(duì)該裝置進(jìn)行整體分析，彈簧剛度對(duì)其動(dòng)態(tài)特性影響很小[3]。然后從彈簧受力的微變形角度出發(fā)，計(jì)算活塞開啟瞬間所需要的液體壓力，由于活塞及密封圈的摩擦阻力較彈簧的預(yù)緊力小得多，故忽略摩擦阻力，計(jì)算如下：

P0=F0/S，

(1)

F0=Kx0，

(2)

x0=h0-(d-h1-d1-δ1-δ2)，

(3)

活塞到達(dá)上極限位置瞬間所需的液體壓力P1為：

P1=F1/S，

(4)

F1=Kx2，

(5)

x2=h0-h2，

(6)

式中，F(xiàn)1為活塞到達(dá)上極限位置所需的力，N；x2為彈簧總變形量，mm；h2為活塞彈簧座高度，mm。

各物理量參數(shù)見表1。

表1 物理量參數(shù)

將表1中的數(shù)據(jù)代入以上公式計(jì)算，可得：F0=41.02 N，P0=0.084 MPa，P1=1.02 MPa。

(7)

基于上述的計(jì)算分析，活塞動(dòng)作前液體應(yīng)均勻充滿其底部，故在活塞底部加工直徑20 mm、深0.5 mm的凹面，使液體填充充分，預(yù)計(jì)該方案可解決此問題，再次改進(jìn)后的活塞示意圖如見6。

圖6 再次改進(jìn)后的活塞示意圖

3 試驗(yàn)對(duì)比

對(duì)設(shè)計(jì)更改后的活塞進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。對(duì)所有已經(jīng)加工的活塞進(jìn)行返修，并再次進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)。

圖7 改進(jìn)后試驗(yàn)結(jié)果

161#、166#、167#、168#、169#、1610#在動(dòng)作試驗(yàn)中均上升平緩。1611#在動(dòng)作試驗(yàn)中上升一般平緩，稍有振蕩，經(jīng)分析后對(duì)延時(shí)裝置的殼體內(nèi)圓進(jìn)行研磨，再次試驗(yàn)，出口壓力上升平緩。169#、1610#、1611#除進(jìn)行上述動(dòng)作試驗(yàn)驗(yàn)證外，還搭載了系統(tǒng)功率試驗(yàn)，均通過試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法有效，問題得到了解決。

4 結(jié)束語

針對(duì)彈簧元件作用下的延時(shí)裝置進(jìn)行分析，通過對(duì)液體當(dāng)量作用面積的反算，根據(jù)出現(xiàn)的問題大致推斷出液體流動(dòng)的瞬時(shí)狀態(tài)，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方法對(duì)微觀問題的認(rèn)識(shí)不足之處，進(jìn)而提出了一種通過計(jì)算反演的方法來解決此類問題的新思路，使瞬時(shí)流態(tài)引起的問題得到了很好的解決。試驗(yàn)結(jié)果證明該方法切實(shí)有效可行，為今后相似問題的解決提供了一條新的途徑。