升船机液压系统管路的谐振分析.pdf

2 0 1 2年 2月 第 4 0卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS F e b．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 3 ． 0 1 4 升船机液压系统管路的谐振分析 毛喜 旺 ，邱亚峰 ，赵晓军 ，常奎 1 ．南京理工大学机械工程学院，江苏南京 2 1 0 0 9 4； 2 ．南京晨光集团有限责任公 司，江苏南京 2 1 0 0 0 6 摘要升船机液压系统的管路如果发生谐振 ，其危害是非常严重的，因此管路的谐振分析就成为其液压系统设计的基 础。用 A ME S i m软件建立液压系统模型，仿真得出系统压力曲线，并将其转化为系统的幅频曲线；再用 A N S Y S 软件对液压 系统进行建模和模态分析，得出系统的固有频率。通过比较 A M E S i m仿真得到的幅频曲线和 A N S Y S 模态分析得到的 n阶固 有频率，来评估液压管路是否发生谐振。 关键词 幅频曲线；模态分析；固有频率；谐振分析 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 3 0 4 7 3 Th e Pi p i ng Re s o na n c e An a l y s i s o f S h i p- l i f t Hy dr a u l i c S y s t e m M A 0 X i w a n g ， Q I U Y a f e n g ， Z HA O X i a o j u n ， C H A N G K u i 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 4， C h i n a ； 2 ． N a n j i n g C h e n g u a n g G r o u p C o ． ， L t d ． ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t I f t h e r e s o n a n c e h a p p e n s i n p i p i n g o f s h i p l i f t h y d r a u l i c s y s t e m ，t h e h a r m i s v e r y s e r i o u s ，S O t h e h y d r a u l i c s y s t e m d e - s i g n i s b a s e d o n t h e r e s o n a n t a n a l y s i s o f p i p e l i n e ．T h e s o f t wa r e AME S i m wa s u s e d t o e s t a b l i s h t h e mo d e l o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m t o g e t t h e s y s t e m p r e s s u r e c u r v e s ，a n d t h e y we r e t r a n s l a t e d i n t o t h e a mp l i t u d e f r e q u e n c y c u rve s ．Th e ANS YS s o f t w a r e wa s u s e d t o e s t a b l i s h t h e mo d e l o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m a n d t o a n a l y z e i t S O a s t o r e a c h t h e s y s t e m n a t u r a l f r e q u e n c y ．B y c o mp a ri n g the a mp l i t u d e f r e q u e n c y c u rve s i mu l a t e d b y AME S i m a n d t h e n s t e p n a t u r al f r e q u e n c y g e n e r a t e d b y ANS YS mo d a l a n aly s i s ，w h e t h e r t h e r e s o n a n c e h a p p e n s i n t h e h y d r a u l i c p i p e l i n e c a n b e e v a l u a t e d ． Ke y wo r d sAmp l i t u d e f r e q u e n c y c u e s ；Mo d a l a n aly s i s ；Na t u r al f r e q u e n c y ；R e s o n a n c e a n a l y s i s 1 9 7 2年，日本海南电厂的一台6 0 0 M W 汽轮发电 机组在运行过程中，发生异常振动，主轴断裂，整台 机组全部损坏 ；在美国也发生类似事故，其投运的一 台 1 0 0 0 M W 双轴汽轮发 电机组 ，就因发 电机定子 铁 芯振动过大和定子绕组端部绝缘块发生问题，连续两 次发生设备重大事故。这些事故的发生给企业带来了 无法换回的经济损失，也严重威胁到员工 的人身安 全 ，导致系统崩溃的根本原因是系统发生谐振。液压 系统中的振动主要来 自两方面机械系统振动和流体 工作中的振动以及两种振动的相互影响，此类谐振现 象 在工程 项 目中经常 出现 。引起液压系统谐振 的因素 有很多，包括管径、管长、管道支撑及弯接头等等， 管道谐振会造成系统寿命的锐减 ，削弱系统可靠性， 甚至会造成工程事故⋯。因而，采用合理方式对液压 管路的进行谐振分析显得非常重要 ，具有极大的研究 价值。 从 目前公开发表的文献来看 ，有一些学者运用弹 性力学理论，建立管道系统结构振动数学模型，分析 了管道系统的结构振动，这种数学模型对于比较复杂 的液压管路系统来说计算十分复杂，难以得出准确结 果 ；还有一些学者是用 A ME S i m软件对局部液压系统 管道进行仿真，分析对象仅仅是某一个液压元器件， 无法对整个液压系统管路进行谐振分析。 利用 A ME S i m液压系统仿真软件可以仿真出液压 管道的压力、流量等各种参数曲线，再转化成系统的 幅频 曲线，为分析液压管道的谐振问题提供了途径。 A N S Y S软件是很好 的模态分析软件 ，如果能将其运 用到液压系统中，分析出系统的固有频率 ，就可以 评估液压系统的管路是否发生谐振。 1 升船机液压系统工作原理 液压系统在电机泵组启动时采用比例溢流阀进行 压力调节 ，以保证泵 的出口压力为缓慢建压。当系统 达到额定压力后，根据系统指令，比例方向控制阀的 相应电磁铁通电动作，液压缸开始工作；待系统稳定 后，比例方向控制阀断电，阀芯回中位，油缸有杆腔 处于保压状态。另外在每个油缸的有杆腔和无杆腔均 收稿日期2 0 1 1 一 O 1 1 8 作者简介毛喜旺 1 9 8 7 一 ，男，硕士，研究方向为机械电子。Em a i l m x w ． 1 9 8 7 4 2 y a h o o ． c o rn． c a 。 4 8 机床与液压 第 4 | D 卷 设置了压力传感器 ，对油缸两腔的压差进行检测。 具体原理图如图 1 所示。 1 一 电动机 2 -- 液压 泵 3 -- - 压力滤油器 4 - _ 电磁 溢 流 阉 5 _ - 电液比例控制方 向阀 6 - - 电磁换向截止阏 7 一液 压缸 8 _ - 压力传感器 9 _ _ 安全 阀 图1 液压系统原理图 2 液压系统模型建立及仿真 根据如 图 1 所 示 的 升船 机液 压 系统 原理 图 ，在 A M E S i m草图模式 S k e t c h Mo d e 下 ，从液压库里选 取相关型号的液压泵、电磁溢流阀等元器件构建升船 机液压系统的 A ME S i m仿真模型，具体模型如图2所 示。 图2 A ME S i m仿真模型图 在参数模式下设定每个图形模块所需的特定参 数，包括电动机转速、液压泵转速、电磁阀工作压力 等等，主要仿真参数如表 1 所示。 表 1 A ME S i m仿真参数表 电动机转速／ r mi n 液压泵转速／ r mi n 液压泵排量／ mL r 电磁阀额定压力／ M P a 液压缸工作压力／ M P a 压力传感器工作压力／ M P a 1 47 0 3 40 0 6 5 2l 1 6 1 6 另外，仿真模型中的管径、管长等参数都是根据 升船机液压系统的设计数值确定。 根据图2 所示的 A ME S i m模型，输入相应的仿真 参数 ，可以得到系统的仿真结果。由于系统管道比较 多，对所有管道进行分析是繁琐而重复的，因此在具 体分析管道压力变化的时候，作者将管道分为泵站出 油管道、液压缸进油管道和液压系统回油管道几个部 分，对于同位置上的管道选取压力变化幅度最大的管 道进行分析，从而来确保分析的可靠性。图 3 5为 具体管道仿真后得到的幅频曲线图。 2 5 曩 2 0 塞1 5 奋1 0 5 0 ； 垂 ． 曩 1 0 5 l 0 l S 2 O 2 5 0 ．O 1 ． 0 2 ． 0 3 ． O 4 ． O S ．0 时间， s 频肆 酊 Hz a 压力曲线 b 幅频曲线 图 3 泵站出油管道压力及幅频曲线图 时 闻， 8 a 压力曲线 频 率， H z b 幅频曲线 图5 系统回油部分管道压力和幅频曲线图 加 2 O n O 0 0 O l d 窆、 R坦 第 3 期 毛喜旺 等升船机液压系统管路的谐振分析 4 9 3 系统 A N S Y S建模及系统模态分析结果 根据图2所示的A ME S i m仿真模型图以及管道实 际布局，采用 A N S Y S软件搭建 系统的仿真模型 ，具 体模型如图6所示。 图 6 系统 A N S Y S模型 图 在搭建的 A N S Y S仿真模型中，电磁溢流阀、电 液 比例控制方向阀等阀块都是用同等质量的实心块状 物代替，管内填充与液压油同等密度的圆柱体 ，另外 结合管夹布置实际情况设置相应的约束 ，从而进一步 进行系统的模态分析，得出系统的n阶固有频率。具 体固有频率如图7所示。 I I DE X O F D l 4 s E r s OⅣ R E S P 『 l 点 一 S E 7 -孺椎 E Q ， 7 ． ∞拍 2 ． 8 2 1 s 3 ， 4 ∞7 4 1 5 ． 0 1 9 5 ， 4 7 2 ￡ a 自 D S 7 E P f ， f f f S U 且 S 7 F ． P C ￡ Mu L A 7 】『 I 厦 ， ， 2 2 3 3 4 4 5 S 图7 A N S Y S模态分析结果 由图7可知系统的一阶 固有频率 为 7 ． 5 9 3 6 ，二阶固有频率为7 ． 8 2 1 5 H z ，三阶频率为 1 4 ． 4 0 7 H z ，四 阶 固有频 率 为 1 5 ． 0 1 9 H z ，五 阶 固有频 率 3 0 ． 4 7 2 H z 。对于分析液压系统管道是否产生共振 ， 一 阶固有阶频率是关键参数，此仿真数据为后面液压 系统的分析提供了依据。 4 液压管路的谐振评估 分析 A ME S i m仿真结果可以知道 液压系统回油 部分管道压力变化幅度最大，频率也最大。通过评估 液压系统 回油部分管路是否发生谐振就可以评估出整 个系统的谐振情况。液压系统回油部分管道幅频曲线 放大如图8所示。 0 芒O 委 o ． 田 0 ． O 频翠， H 图 8 液压系统回油部分管 道幅频曲线 放大 分析图 8 所示的幅频曲线 ，可以看出液压回油 部分系统管道压力趋于平缓，没有过于激烈的压力变 化，管道的谐振频率远远小于系统的一阶频率 7 ． 5 9 H z ，当频率等于或接近于系统 固有频率的时候才会 发生谐振 ] 。据此作者得出结论该升船机液压系统 管道不会产生谐振，系统安全可行。如果在实际情况 中出现了一些振动，通过改进管道的走 向、管道结 构、管道的支撑情况、设置蓄能器和软管等减振缓冲 环节H 等措施，能够比较有效地改善系统运行情况 ， 进一步提高系统可靠性。 5 结论 通过 A M E S i m和 A N S Y S 对 升 船机 液压 系统 进行 联合仿真，并将 A M E S i m仿真得出的管路幅频曲线与 A N S Y S仿真得到的液压系统 n阶固有频率进行比较 ， 从而可以评估出升船机液压系统不会出现谐振。基于 A ME S i m和 A N S Y S对液压系统进行联合仿真，通过 比较管道幅频曲线和系统固有频率来评估系统液压管 道是否出现谐振，这种分析思路在工程应用中是行之 有效的，具有较高的研究价值。 参考文献 【 1 】陈宏亮， 李华聪． 基于 A M E S i m与 M a t l a b ／ S i m u l i n k联合 仿真技术的电液伺服系统减振研究 【 J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 6 1 2 1 1 2 3 ． 【 2 】 徐红玉， 侯中华， 肖琪聃． 数控铣床振动模态分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 7 1 8 9 1 9 2 ． 【 3 】 J I A N G J i a n x i a n g ， H U A N G Y o u l i n g ． C a l c u l a t i o n o f t h e E i g e n - f r e q u e n c y o f t h e F l u i d - c o n v e y i n g P i p e s O i l S p r i g s - s u p p o r t [ J ] ． J o u r n a l o f V i b r a t i o n E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 2 ， 5 4 3 9 6 4 0 2 ． 【 4 】闻邦椿， 刘树英 ， 张纯宇． 机械振动学[ M] ． 北京 冶金工 业出版社， 2 0 0 8 ． L 0 5 0 5 O 舭 舭 ∞