高機動雷達液壓系統(tǒng)水錘現(xiàn)象研究

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

千變萬化的現(xiàn)實威脅對現(xiàn)代軍事雷達提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，高架機動雷達因具有高機動性和低空性能強的優(yōu)點而得到廣泛關注，而液壓系統(tǒng)是高架機動雷達的核心部件之一，其不但要實現(xiàn)天線迅速地架設與撤收，還要確保天線工作過程中穩(wěn)定不晃動。然而某高架機動雷達液壓系統(tǒng)在架設與撤收過程中伴有明顯的噪聲、振動等現(xiàn)象，這不僅會引發(fā)不安全因素，也不利于液壓系統(tǒng)壽命的延長。

查閱文獻可知，在液壓系統(tǒng)換向閥的閥門突然開啟或關閉時，管道中液體的壓力會發(fā)生急劇交替升降的現(xiàn)象，從而引發(fā)噪聲與振動，這一現(xiàn)象被稱為水錘現(xiàn)象。因此對水錘現(xiàn)象的研究，不僅能夠延長液壓系統(tǒng)壽命，排除安全隱患；還能夠提高高架機動雷達的機動性和低空性能。

近年來，各個領域的學者對水錘現(xiàn)象及其防護展開了一系列研究。王璐[1]等對飛機燃油系統(tǒng)液壓活門關閉過程產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象進行分析，提出調低射流傳感器響應頻率、降低活門匹配壓力和縮小管路通徑等方法減弱該現(xiàn)象。張一[2]搭建了測試平臺，對液壓水錘效應的毀傷效果進行了研究，分析了水錘作用與流體入射速度以及壓力的關系。

林景松[3]對某型號液體火箭發(fā)動機推進劑供應管路進行關機水擊過程進行研究，通過計算數(shù)據(jù)量化說明分支管影響水擊壓力的規(guī)律，為包含非標部件的小管路系統(tǒng)水擊評估提供參考，給水擊壓力測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，仿真計算得到了不同閥門關閉時間、盲支管長度和管徑下的水擊壓力變化情況。結果顯示：閥門關閉時間越短，造成盲支管內的壓力變化越劇烈，形成較大的壓力峰值；在整個管路形成封閉腔后,閥門關閉造成系統(tǒng)壓力急劇變化影響較大；管徑越大，閥門關閉時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閉速度、加裝軟管、加裝消聲器、降底管路中的初始流速、改進管路固定方式、加裝吸收液壓沖擊的蓄能器等綜合治理技術措施，可以為液壓系統(tǒng)設計提供參考。

綜上所述，雖然對水錘現(xiàn)象的研究已經(jīng)取得了豐富的成果，但目前針對車載雷達液壓系統(tǒng)內的水錘現(xiàn)象鮮有研究。車載雷達需要通過液壓系統(tǒng)迅速實現(xiàn)機構舉升、翻轉和鎖定，其液壓系統(tǒng)管路復雜響應快，對流體的流量和壓力等參數(shù)要求精度高，細微的流量和壓力變化會引發(fā)不可估量的后果。因此，對車載雷達液壓系統(tǒng)水錘現(xiàn)象的研究，不但能夠豐富相關理論，還具有明確的現(xiàn)實價值和工程意義。

1 計算模型

如圖1所示的某高機動雷達液壓系統(tǒng)舉升機構原理圖，當舉升機構工作時，電機帶動液壓馬達轉動將液壓油從油源供應至液壓缸，活塞桿推出將負載舉升至工作位置，隨后液壓鎖鎖定確保負載穩(wěn)定在工作位置。當需要從工作位置撤收時，換向閥換向，液壓缸活塞桿收回從而負載被撤收，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

然而閥門關閉或開啟時水錘現(xiàn)象會引起如圖2所示的壓力交替升降的現(xiàn)象，從而引發(fā)噪聲與振動。

圖2 水錘現(xiàn)象壓力變化

根據(jù)閥門關閉或開啟的快慢，水錘現(xiàn)象又分為直接沖擊和間接沖擊，當閥門突然關閉，即t

Pmax=ρva

(1)

其中，t0為臨界時間，計算方法為

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為管道內徑；δ為壁厚。

當閥門開啟時間小于臨界時間時，此時為直接沖擊，即t

(4)

公式(4)中P0為液壓系統(tǒng)管道的工作壓力。

當閥門關閉時間大于臨界時間時，即t>t0，此時為間接沖擊，管道內產(chǎn)生的最大壓力Pr為

(5)

公式(5)中P1、P2分別為

(6)

當閥門開啟時間大于臨界時間時，即t>t0，此時為間接沖擊，管道內產(chǎn)生的最大壓力Pd為

(7)

結合上述分析本文得到了某高機動雷達液壓系統(tǒng)某一回路中閥關閉和開啟過程中，壓力峰值隨關閉和開啟時間的變化規(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)

通過分析可知，該系統(tǒng)的臨界時間為0.017s。如圖3所示，在閥開啟或關閉的時間小于臨界時間前，壓力峰值與時間長短無關，且閥關閉時產(chǎn)生的壓力峰值約為6MPa，略大于閥開啟時；當閥開啟或關閉的時間大于臨界時間后，隨著時間的增大，壓力峰值減小，0.2s后趨于穩(wěn)定，大約為0.4MPa。

圖3 壓力峰值隨時間變化

2 仿真分析

上節(jié)已經(jīng)分析了得到了高機動雷達液壓系統(tǒng)換向閥開啟或關閉時，壓力峰值隨其動作時間的變化規(guī)律，本小節(jié)將具體探究液壓系統(tǒng)管徑、管長、工作壓力等參數(shù)對其臨界時間和壓力峰值的影響規(guī)律。

2.1 臨界時間

本小節(jié)對液壓系統(tǒng)的管徑分別為10.7mm、11.7mm、12.7mm、13.7mm和14.7mm，管長分別為10m、11m、12m、13m和14m時，換向閥動作過程進行分析，得到了管徑和管長對臨界時間的影響規(guī)律。

如圖4所示，在管長一定時，隨著管徑的增加，雖然流體速度增大，但液壓系統(tǒng)閥動作的臨界時間變化不大，當管徑從10.7mm增大至14.7mm時，臨界時間僅增加了0.1ms；然而當保持的管徑一定時，隨著管長的增大，液壓系統(tǒng)閥動作的臨界時間明顯增大，而當管道從10m變化至14m時，臨界時間從14.6ms增加至20.5ms。

圖4 管徑和管長對臨界時間的影響

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，直接沖擊過程中系統(tǒng)壓力峰值的變化。由圖5可知，當液壓系統(tǒng)的工作壓力從6MPa增加至10MPa時，關閉液壓閥的過程中系統(tǒng)壓力峰值無變化始終為6MPa；而開啟液壓閥的過程中系統(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，可以通過降低額定壓力的方式來削弱液壓沖擊現(xiàn)象。

圖5 工作壓力對壓力峰值的影響(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，間接沖擊過程中，系統(tǒng)壓力峰值隨閥動作時間的變化規(guī)律。由圖6和圖7可知，在6MPa至10MPa的工作壓力范圍內，隨著開啟或關閉閥門時間的增加，系統(tǒng)的壓力峰值逐步減??；但在相同的開啟或關閉時間內，隨著系統(tǒng)工作壓力的增加，壓力峰值逐漸增加。當系統(tǒng)的工作壓力從6MPa增加至10MPa時，假定閥開啟或關閉的時間為0.02s，則開啟閥門時壓力峰值從2.9MPa增大至3.8MPa；關閉閥門時壓力峰值從5.1MPa增大至5.3MPa?？梢?，通過調節(jié)工作壓力的方式，能夠較好地控制閥開啟過程中的液壓沖擊現(xiàn)象，但對閥關閉過程中液壓沖擊現(xiàn)象調節(jié)作用并不明顯。

圖6 工作壓力對壓力峰值的影響(間接沖擊—開啟)

圖7 工作壓力對壓力峰值的影響(間接沖擊—關閉)

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，直接沖擊過程中系統(tǒng)壓力峰值的變化規(guī)律。由圖8可知，當系統(tǒng)管道的直徑從10.7mm增大至14.7mm時，無論是快速關閉還是開啟閥門，系統(tǒng)壓力峰值均減小，關閉閥門的過程中，壓力峰值從8.5MPa降低至4.5MPa；開啟閥門的過程中，壓力峰值從4.8MPa降低至3.2MPa。由于液壓系統(tǒng)工作過程中保持流量不變，因此隨著管道直徑的增大，流體流速減小，當管道直徑從10.7mm增大至14.7mm時，流體流速從7.05m/s降低至3.73m/s，從而抑制了關閉和開啟閥門過程中的液壓沖擊現(xiàn)象。

圖8 管道直徑對壓力峰值影響(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，間接沖擊過程中系統(tǒng)壓力峰值隨閥動作時間的變化規(guī)律。由圖9和圖10可知，當系統(tǒng)管道的直徑從10.7mm增大至14.7mm時，在間接沖擊過程中，壓力峰值均隨著管道直徑的增大而減小。但隨著動作時間的增大，其壓力峰值趨于穩(wěn)定。

圖9 管道直徑對壓力峰值的影響(間接沖擊—關閉)

圖10 管道直徑對壓力峰值的影響(間接沖擊—開啟)

結合上述分析，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；將換向閥動作時間設定為30ms，大于臨界時間；受整體布局約束不改變系統(tǒng)管路長度。此時，開啟和關閉閥門時壓力峰值分別從4MPa和6MPa降低至2.1MPa和2.8MPa，在實際應用中，噪聲與振動現(xiàn)象也被明顯削弱。

3 結論

本文建立了某高機動雷達液壓系統(tǒng)計算模型，并對液壓系統(tǒng)閥開啟和關閉過程中發(fā)生的水錘現(xiàn)象進行了分析，得到的主要結論有：

1)通過系統(tǒng)分析，得到了某高機動雷達液壓系統(tǒng)水錘效應的快慢開臨界時間以及壓力峰值隨閥動作時間的變化規(guī)律，為液壓系統(tǒng)設計提供參考。

2)分析了管徑、管長對臨界時間的影響，結果表明：在本文研究的范圍內，臨界時間隨管長的增大而增大，但臨界時間并不隨管徑的變化而變化。

3)分析了工作壓力和管徑對壓力峰值的影響，結果表明：在本文研究的范圍內，工作壓力并不影響閥門快關時系統(tǒng)的壓力峰值；但閥門快開時系統(tǒng)的壓力峰值隨工作壓力的增大而增大；而對于慢開和慢關閥門，壓力峰值均隨工作壓力的增大而增大。當質量流量一定時，流體流速隨管道直徑的增大而減小，從而導致壓力峰值隨管道直徑的增大而減小。

4)結合實際約束，優(yōu)化了管徑、系統(tǒng)工作壓力和換向閥動作時間三個參數(shù)，開啟和關閉閥門時壓力峰值分別從4MPa和6MPa降低至2.1MPa和2.8MPa。

4 結束語

本文對液壓系統(tǒng)閥開啟和關閉過程中發(fā)生的水錘現(xiàn)象進行了分析，得到了其臨界時間和壓力峰值；隨后探究了管徑、管長、工作壓力等參數(shù)對其臨界時間和壓力峰值的影響規(guī)律；后續(xù)可分析支路等對水錘現(xiàn)象的影響，同時還可以考慮環(huán)境溫度、液壓油物性參數(shù)等因素的影響。在液壓系統(tǒng)管路設計時，還應當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。