耿少航 李 智 鄒玉蓉 劉浩亮 李 博

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

千變?nèi)f化的現(xiàn)實(shí)威脅對(duì)現(xiàn)代軍事雷達(dá)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)因具有高機(jī)動(dòng)性和低空性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛關(guān)注，而液壓系統(tǒng)是高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)的核心部件之一，其不但要實(shí)現(xiàn)天線迅速地架設(shè)與撤收，還要確保天線工作過(guò)程中穩(wěn)定不晃動(dòng)。然而某高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)液壓系統(tǒng)在架設(shè)與撤收過(guò)程中伴有明顯的噪聲、振動(dòng)等現(xiàn)象，這不僅會(huì)引發(fā)不安全因素，也不利于液壓系統(tǒng)壽命的延長(zhǎng)。

查閱文獻(xiàn)可知，在液壓系統(tǒng)換向閥的閥門(mén)突然開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，管道中液體的壓力會(huì)發(fā)生急劇交替升降的現(xiàn)象，從而引發(fā)噪聲與振動(dòng)，這一現(xiàn)象被稱為水錘現(xiàn)象。因此對(duì)水錘現(xiàn)象的研究，不僅能夠延長(zhǎng)液壓系統(tǒng)壽命，排除安全隱患；還能夠提高高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性和低空性能。

近年來(lái)，各個(gè)領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)水錘現(xiàn)象及其防護(hù)展開(kāi)了一系列研究。王璐[1]等對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)液壓活門(mén)關(guān)閉過(guò)程產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出調(diào)低射流傳感器響應(yīng)頻率、降低活門(mén)匹配壓力和縮小管路通徑等方法減弱該現(xiàn)象。張一[2]搭建了測(cè)試平臺(tái)，對(duì)液壓水錘效應(yīng)的毀傷效果進(jìn)行了研究，分析了水錘作用與流體入射速度以及壓力的關(guān)系。

林景松[3]對(duì)某型號(hào)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑供應(yīng)管路進(jìn)行關(guān)機(jī)水擊過(guò)程進(jìn)行研究，通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)量化說(shuō)明分支管影響水擊壓力的規(guī)律，為包含非標(biāo)部件的小管路系統(tǒng)水擊評(píng)估提供參考，給水擊壓力測(cè)量方案選擇提供依據(jù)。劉佳興[4]等建立了具有盲支管的低溫管路模型，仿真計(jì)算得到了不同閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間、盲支管長(zhǎng)度和管徑下的水擊壓力變化情況。結(jié)果顯示：閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間越短，造成盲支管內(nèi)的壓力變化越劇烈，形成較大的壓力峰值；在整個(gè)管路形成封閉腔后,閥門(mén)關(guān)閉造成系統(tǒng)壓力急劇變化影響較大；管徑越大，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)的水擊壓力峰值越大。方志成等[5]分析了潛艇操舵系統(tǒng)的液壓沖擊現(xiàn)象，并且介紹了所采取的改變關(guān)閉速度、加裝軟管、加裝消聲器、降底管路中的初始流速、改進(jìn)管路固定方式、加裝吸收液壓沖擊的蓄能器等綜合治理技術(shù)措施，可以為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

綜上所述，雖然對(duì)水錘現(xiàn)象的研究已經(jīng)取得了豐富的成果，但目前針對(duì)車(chē)載雷達(dá)液壓系統(tǒng)內(nèi)的水錘現(xiàn)象鮮有研究。車(chē)載雷達(dá)需要通過(guò)液壓系統(tǒng)迅速實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)舉升、翻轉(zhuǎn)和鎖定，其液壓系統(tǒng)管路復(fù)雜響應(yīng)快，對(duì)流體的流量和壓力等參數(shù)要求精度高，細(xì)微的流量和壓力變化會(huì)引發(fā)不可估量的后果。因此，對(duì)車(chē)載雷達(dá)液壓系統(tǒng)水錘現(xiàn)象的研究，不但能夠豐富相關(guān)理論，還具有明確的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和工程意義。

1 計(jì)算模型

如圖1所示的某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)液壓系統(tǒng)舉升機(jī)構(gòu)原理圖，當(dāng)舉升機(jī)構(gòu)工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)將液壓油從油源供應(yīng)至液壓缸，活塞桿推出將負(fù)載舉升至工作位置，隨后液壓鎖鎖定確保負(fù)載穩(wěn)定在工作位置。當(dāng)需要從工作位置撤收時(shí)，換向閥換向，液壓缸活塞桿收回從而負(fù)載被撤收，平衡閥為液壓系統(tǒng)提供背壓保證穩(wěn)定撤收。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

然而閥門(mén)關(guān)閉或開(kāi)啟時(shí)水錘現(xiàn)象會(huì)引起如圖2所示的壓力交替升降的現(xiàn)象，從而引發(fā)噪聲與振動(dòng)。

圖2 水錘現(xiàn)象壓力變化

根據(jù)閥門(mén)關(guān)閉或開(kāi)啟的快慢，水錘現(xiàn)象又分為直接沖擊和間接沖擊，當(dāng)閥門(mén)突然關(guān)閉，即t

Pmax=ρva

(1)

其中，t0為臨界時(shí)間，計(jì)算方法為

t0=2L/a

(2)

公式(1)中，ρ為流體的密度；v為流體的平均速度；a為流體中的聲速，計(jì)算方法為

(3)

公式(3)中K為流體體積彈性模量，取1700MPa；E為管道彈性模量；d為管道內(nèi)徑；δ為壁厚。

當(dāng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間小于臨界時(shí)間時(shí)，此時(shí)為直接沖擊，即t

(4)

公式(4)中P0為液壓系統(tǒng)管道的工作壓力。

當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間大于臨界時(shí)間時(shí)，即t>t0，此時(shí)為間接沖擊，管道內(nèi)產(chǎn)生的最大壓力Pr為

(5)

公式(5)中P1、P2分別為

(6)

當(dāng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間大于臨界時(shí)間時(shí)，即t>t0，此時(shí)為間接沖擊，管道內(nèi)產(chǎn)生的最大壓力Pd為

(7)

結(jié)合上述分析本文得到了某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)液壓系統(tǒng)某一回路中閥關(guān)閉和開(kāi)啟過(guò)程中，壓力峰值隨關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)間的變化規(guī)律，工況的部分參數(shù)如表1所示，工作壓力為7MPa，管道彈性模量為210GPa。

表1 液壓系統(tǒng)參數(shù)

通過(guò)分析可知，該系統(tǒng)的臨界時(shí)間為0.017s。如圖3所示，在閥開(kāi)啟或關(guān)閉的時(shí)間小于臨界時(shí)間前，壓力峰值與時(shí)間長(zhǎng)短無(wú)關(guān)，且閥關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的壓力峰值約為6MPa，略大于閥開(kāi)啟時(shí)；當(dāng)閥開(kāi)啟或關(guān)閉的時(shí)間大于臨界時(shí)間后，隨著時(shí)間的增大，壓力峰值減小，0.2s后趨于穩(wěn)定，大約為0.4MPa。

圖3 壓力峰值隨時(shí)間變化

2 仿真分析

上節(jié)已經(jīng)分析了得到了高機(jī)動(dòng)雷達(dá)液壓系統(tǒng)換向閥開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，壓力峰值隨其動(dòng)作時(shí)間的變化規(guī)律，本小節(jié)將具體探究液壓系統(tǒng)管徑、管長(zhǎng)、工作壓力等參數(shù)對(duì)其臨界時(shí)間和壓力峰值的影響規(guī)律。

2.1 臨界時(shí)間

本小節(jié)對(duì)液壓系統(tǒng)的管徑分別為10.7mm、11.7mm、12.7mm、13.7mm和14.7mm，管長(zhǎng)分別為10m、11m、12m、13m和14m時(shí)，換向閥動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行分析，得到了管徑和管長(zhǎng)對(duì)臨界時(shí)間的影響規(guī)律。

如圖4所示，在管長(zhǎng)一定時(shí)，隨著管徑的增加，雖然流體速度增大，但液壓系統(tǒng)閥動(dòng)作的臨界時(shí)間變化不大，當(dāng)管徑從10.7mm增大至14.7mm時(shí)，臨界時(shí)間僅增加了0.1ms；然而當(dāng)保持的管徑一定時(shí)，隨著管長(zhǎng)的增大，液壓系統(tǒng)閥動(dòng)作的臨界時(shí)間明顯增大，而當(dāng)管道從10m變化至14m時(shí)，臨界時(shí)間從14.6ms增加至20.5ms。

圖4 管徑和管長(zhǎng)對(duì)臨界時(shí)間的影響

2.2 壓力峰值

如圖5至圖7所示的是液壓系統(tǒng)的工作壓力分別為6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、和10MPa時(shí)，直接沖擊過(guò)程中系統(tǒng)壓力峰值的變化。由圖5可知，當(dāng)液壓系統(tǒng)的工作壓力從6MPa增加至10MPa時(shí)，關(guān)閉液壓閥的過(guò)程中系統(tǒng)壓力峰值無(wú)變化始終為6MPa；而開(kāi)啟液壓閥的過(guò)程中系統(tǒng)的壓力峰值從3.7MPa逐步增加到4.5MPa。因此，在系統(tǒng)工作時(shí)，可以通過(guò)降低額定壓力的方式來(lái)削弱液壓沖擊現(xiàn)象。

圖5 工作壓力對(duì)壓力峰值的影響(直接沖擊)

如圖6和圖7所示是液壓系統(tǒng)的工作壓力分別為6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、和10MPa時(shí)，間接沖擊過(guò)程中，系統(tǒng)壓力峰值隨閥動(dòng)作時(shí)間的變化規(guī)律。由圖6和圖7可知，在6MPa至10MPa的工作壓力范圍內(nèi)，隨著開(kāi)啟或關(guān)閉閥門(mén)時(shí)間的增加，系統(tǒng)的壓力峰值逐步減小；但在相同的開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)間內(nèi)，隨著系統(tǒng)工作壓力的增加，壓力峰值逐漸增加。當(dāng)系統(tǒng)的工作壓力從6MPa增加至10MPa時(shí)，假定閥開(kāi)啟或關(guān)閉的時(shí)間為0.02s，則開(kāi)啟閥門(mén)時(shí)壓力峰值從2.9MPa增大至3.8MPa；關(guān)閉閥門(mén)時(shí)壓力峰值從5.1MPa增大至5.3MPa?？梢?jiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)工作壓力的方式，能夠較好地控制閥開(kāi)啟過(guò)程中的液壓沖擊現(xiàn)象，但對(duì)閥關(guān)閉過(guò)程中液壓沖擊現(xiàn)象調(diào)節(jié)作用并不明顯。

圖6 工作壓力對(duì)壓力峰值的影響(間接沖擊—開(kāi)啟)

圖7 工作壓力對(duì)壓力峰值的影響(間接沖擊—關(guān)閉)

如圖8所示的是，液壓系統(tǒng)的管道直徑分別為10.7mm、10.7mm、11.7mm、12.7mm、13.7mm和14.7mm時(shí)，直接沖擊過(guò)程中系統(tǒng)壓力峰值的變化規(guī)律。由圖8可知，當(dāng)系統(tǒng)管道的直徑從10.7mm增大至14.7mm時(shí)，無(wú)論是快速關(guān)閉還是開(kāi)啟閥門(mén)，系統(tǒng)壓力峰值均減小，關(guān)閉閥門(mén)的過(guò)程中，壓力峰值從8.5MPa降低至4.5MPa；開(kāi)啟閥門(mén)的過(guò)程中，壓力峰值從4.8MPa降低至3.2MPa。由于液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中保持流量不變，因此隨著管道直徑的增大，流體流速減小，當(dāng)管道直徑從10.7mm增大至14.7mm時(shí)，流體流速?gòu)?.05m/s降低至3.73m/s，從而抑制了關(guān)閉和開(kāi)啟閥門(mén)過(guò)程中的液壓沖擊現(xiàn)象。

圖8 管道直徑對(duì)壓力峰值影響(直接沖擊)

如圖9和圖10所示，液壓系統(tǒng)的管道直徑分別為10.7mm、11.7mm、12.7mm、13.7mm和14.7mm時(shí)，間接沖擊過(guò)程中系統(tǒng)壓力峰值隨閥動(dòng)作時(shí)間的變化規(guī)律。由圖9和圖10可知，當(dāng)系統(tǒng)管道的直徑從10.7mm增大至14.7mm時(shí)，在間接沖擊過(guò)程中，壓力峰值均隨著管道直徑的增大而減小。但隨著動(dòng)作時(shí)間的增大，其壓力峰值趨于穩(wěn)定。

圖9 管道直徑對(duì)壓力峰值的影響(間接沖擊—關(guān)閉)

圖10 管道直徑對(duì)壓力峰值的影響(間接沖擊—開(kāi)啟)

結(jié)合上述分析，將液壓系統(tǒng)管徑由12.7mm增大至14.7mm；將系統(tǒng)工作壓力由7MPa降低至6MPa；將換向閥動(dòng)作時(shí)間設(shè)定為30ms，大于臨界時(shí)間；受整體布局約束不改變系統(tǒng)管路長(zhǎng)度。此時(shí)，開(kāi)啟和關(guān)閉閥門(mén)時(shí)壓力峰值分別從4MPa和6MPa降低至2.1MPa和2.8MPa，在實(shí)際應(yīng)用中，噪聲與振動(dòng)現(xiàn)象也被明顯削弱。

3 結(jié)論

本文建立了某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)液壓系統(tǒng)計(jì)算模型，并對(duì)液壓系統(tǒng)閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中發(fā)生的水錘現(xiàn)象進(jìn)行了分析，得到的主要結(jié)論有：

1)通過(guò)系統(tǒng)分析，得到了某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)液壓系統(tǒng)水錘效應(yīng)的快慢開(kāi)臨界時(shí)間以及壓力峰值隨閥動(dòng)作時(shí)間的變化規(guī)律，為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

2)分析了管徑、管長(zhǎng)對(duì)臨界時(shí)間的影響，結(jié)果表明：在本文研究的范圍內(nèi)，臨界時(shí)間隨管長(zhǎng)的增大而增大，但臨界時(shí)間并不隨管徑的變化而變化。

3)分析了工作壓力和管徑對(duì)壓力峰值的影響，結(jié)果表明：在本文研究的范圍內(nèi)，工作壓力并不影響閥門(mén)快關(guān)時(shí)系統(tǒng)的壓力峰值；但閥門(mén)快開(kāi)時(shí)系統(tǒng)的壓力峰值隨工作壓力的增大而增大；而對(duì)于慢開(kāi)和慢關(guān)閥門(mén)，壓力峰值均隨工作壓力的增大而增大。當(dāng)質(zhì)量流量一定時(shí)，流體流速隨管道直徑的增大而減小，從而導(dǎo)致壓力峰值隨管道直徑的增大而減小。

4)結(jié)合實(shí)際約束，優(yōu)化了管徑、系統(tǒng)工作壓力和換向閥動(dòng)作時(shí)間三個(gè)參數(shù)，開(kāi)啟和關(guān)閉閥門(mén)時(shí)壓力峰值分別從4MPa和6MPa降低至2.1MPa和2.8MPa。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)液壓系統(tǒng)閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中發(fā)生的水錘現(xiàn)象進(jìn)行了分析，得到了其臨界時(shí)間和壓力峰值；隨后探究了管徑、管長(zhǎng)、工作壓力等參數(shù)對(duì)其臨界時(shí)間和壓力峰值的影響規(guī)律；后續(xù)可分析支路等對(duì)水錘現(xiàn)象的影響，同時(shí)還可以考慮環(huán)境溫度、液壓油物性參數(shù)等因素的影響。在液壓系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮增加卸荷閥和蓄能器等裝置，從而削弱水錘現(xiàn)象的危害。