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管道振動產生的原因淺析

時間:2025/2/25閱讀:122
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管道內部的介質多為流體,即氣體或液體,因此管道以內部介質種類分為氣體管道和液體管道。由于管道內流體參數往往是隨時間而變化的,因而常導致管道振動。與往復機械相聯的管道內部介質特性波動比較常見,因此往復機械相關管道振動也是常見異常現象之一。在介紹管道振動原因之前,我們先了解一下流體在管道內的流動。

可壓縮流體與不可壓縮流體

如果流體的密度等于常數,我們就稱它為不可壓縮流體;反之若其密度不等于常數,就稱為可壓縮流體。一般情況下,液體的可壓縮性很小,通常按不可壓縮流體處理;若壓力變化很大(液壓沖擊),則應當按可壓縮流體處理。氣體的可壓縮性相對比較大,但當氣體壓力變化較小,且流速也很小時,可按不可壓縮流體處理。習慣上馬赫數M<0.15~0.3的氣體流動問題近似地當做不可壓縮流體處理。馬赫數 ,c-聲速,u-氣體流速。

定常流動與非定常流動

根據流體流動參數是否隨時間變化的特性,可將流動分為定常和非定常流動。

  • 定常流動,是指流場中各點的流速v、壓力p、密度ρ 和溫度T 等流動參數均不隨時間而改變的一種流動,因此也稱穩定流動。

  • 非定常流動,是指流場中固定空間點上的任動參數,隨時間而改變的一種流動,也稱非穩定流動。

層流與湍流

流體在管道內流動時,根據流體質點的運動是否紊亂,其流動狀態可分為層流和湍流。

  • 層流是指流體質點間相互不混雜的流動,亦稱片流。

  • 湍流是指流體質點相互混雜而無層次的流動,亦稱紊流。

湍流時,由于液體質點的不規則運動,使空間上任一點的流速無論其大小或方向都隨時間而變化(其它流動參數也可能隨時間而變化)。因此,湍流實質上總是非定常流動。從層流轉變為湍流時,管道內流體的平均流速稱為臨界流速。

允許流速

管道內流動的流體的允許流速,通常由不產生振動和不產生水擊等因素來決定。以下給出了幾種實際應用情況下的流體在管道內的允許流體。


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管道振動產生的原因及危害

液體管道

一般來說,管道系統的壓力和流量波動是產生液體管道振動的主要原因,造成波動的根源包括以下幾個方面:

  • 液壓系統中換向閥關閉,突然停止管道中液體流動,出現液壓沖擊,使管道產生振動。在圖1所示液壓系統中,當換向閥開啟且開度不變時,液體在管道內保持穩定流動。開始時管道內液體自左向右流動,此時管道中的流速和壓力稱為起始流速和起始壓力。

  • 液壓系統控制的運動部件制動時產生的液壓沖擊使管道產生振動。如圖2所示,液壓動力源經換向閥供油,從右管道進入執行元件液壓缸右腔,活塞組件帶動外負載向左運動。當換向閥突然關閉,油液被封在液壓缸兩腔及左、右管道中,由于慣性,活塞組件的運動不能立即停止,急需運動,使液壓缸及左管道內液體受壓縮,壓力急劇上升,最終達到某一壓力峰值,于是液壓缸及管道內將產生液壓沖擊。當運動部件的動能,全部轉化為液體的彈性能時,活塞組件將停止運動。此時液體的彈性能開始釋放,并改變活塞組件的運動方向,使活塞組件向右運動。這樣交替變換運動方向,將持續地振蕩一段時間,使管道產生振動,直到液壓系統的內泄漏、外泄漏及摩擦損失耗盡了全部能量之后,管道的振動才能停止。

  • 液體流經節流口處,將引起空穴現象,致使管道產生振動。在流動的液體中,因流速變化引起壓降而產生氣泡的現象稱為空穴現象。空穴現象將使管道產生噪聲和振動,并使管道內部表面受到腐蝕。圖3所示為液體流經節流口處出現空穴現象的示意圖。當液體流到圖示節流口的喉部位置時,根據伯努利方程,該處壓力值將降到很低。若在工作溫度下,此壓力值如低于液體的空氣分離壓,溶解于液體中的空氣將迅速大量分離出來;如低于液體的飽和蒸汽壓,液體將迅速汽化。不論是前者還是后者,液體中都將出現大量氣泡,這些氣泡隨著液體流到壓力較高的部位處,因受不了高壓而破滅,產生局部的液壓沖擊,發出噪聲并引起管道振動。

  • 液壓系統中,因U形管內液體的振動而引起管道振動。

  • 液壓泵和液壓馬達的結構參數、液壓泵的進油管道設計不正確,將產生管道的振動。

  • 管道內液體的流動速度過快,管道系統的設計與配置不正確,而產生管道振動

氣體管道

  • 氣體流動激勵管道產生的機械振動。管道內所均勻充滿的氣體稱為氣柱。氣柱具有可壓縮及膨脹的性質,因此氣柱本身是一個具有連續質量的彈性振動系統。彈性振動系統受到一定激勵后,將會產生振動。壓縮機汽缸的周期性吸氣和排氣,使氣流的速度和壓力產生周期性的變化,即氣流脈動,形成對管道內氣柱的激勵,使氣柱振動。管道內氣柱振動的結果,將產生管道內的壓力脈動,從而形成管道的振動。


  • 機械振動系統激勵管道產生的振動。管道本身、管道附件和支架等所構成的管路系統實際上也是一個機械振動系統,當壓力脈動作用在管路的轉彎處或管道截面變化處,將產生不平衡力,此力將引起管道的機械振動。


生產實踐表明,壓縮機機組及管道的振動,絕大部分都是氣流脈動所引起的。氣流脈動將激發管道產生機械振動。管道振動反過來又會引起機組的振動。因此,消除管道系統的振動,首先應考慮消除氣流脈動。

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