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1、管道振动分析 管道内部的介质多为流体，即气体或液体，因此管道以内部介质种类分为气体管道和液体管道。由于管道内流体参数往往是随时间而变化的，因而常导致管道振动。与往复机械相联的管道，内部介质特性波动比较常见，因此往复机械相关管道振动也是常见异常现象之一。12.1 管道振动产生的原因及危害1. 振动产生的原因（1）液体管道一般来说，管道系统的压力和流量波动是产生液体管道振动的主要原因，造成波动的根源包括以下几个方面：1）液压系统中换向阀关闭，突然停止管道中液体流动，出现液压冲击，使管道产生振动。在图12-1所示液压系统中，当换向阀开启且开度不变时，液体在管道内保持稳定流动。开始时管道内液体自左向右
2、流动，此时管道中的流速和压力称为起始流速和起始压力。2）液压系统控制的运动部件制动时产生的液压冲击使管道产生振动。如图12-3所示，液压动力源经换向阀供油，从右管道进入执行元件液压缸右腔，活塞组件带动外负载向左运动。当换向阀突然关闭，油液被封在液压缸两腔及左、右管道中，由于惯性，活塞组件的运动不能立即停止，急需运动，使液压缸及左管道内液体受压缩，压力急剧上升，最终达到某一压力峰值，于是液压缸及管道内将产生液压冲击。当运动部件的动能，全部转化为液体的弹性能时，活塞组件将停止运动。此时液体的弹性能开始释放，并改变活塞组件的运动方向，使活塞组件向右运动。这样交替变换运动方向，将持续地振荡一段时间，使
3、管道产生振动，直到液压系统的内泄漏、外泄漏及摩擦损失耗尽了全部能量之后，管道的振动才能停止。在流动的液体中，因流速变化引起压降而产生气泡的现象称为空穴现象。空穴现象将使管道产生噪声和振动，并使管道内部表面受到腐蚀。图12-4所示为液体流经节流口处出现空穴现象的示意图。当液体流到图示节流口的喉部位置时，根据伯努利方程，该处压力值将降到很低。若在工作温度下，此压力值如低于液体的空气分离压，溶解于液体中的空气将迅速大量分离出来；如低于液体的饱和蒸汽压，液体将迅速汽化。不论是前者还是后者，液体中都将出现大量气泡，这些气泡随着液体流到压力较高的部位处，因受不了高压而破灭，产生局部的液压冲击，发出噪声并引
4、起管道振动。3）液体流经节流口处，将引起空穴现象，致使管道产生振动。（2）气体管道1）气体流动激励管道产生的机械振动。管道内所均匀充满的气体称为气柱。气柱具有可压缩及膨胀的性质，因此气柱本身是一个具有连续质量的弹性振动系统。弹性振动系统受到一定激励后，将会产生振动。压缩机汽缸的周期性吸气和排气，使气流的速度和压力产生周期性的变化，即气流脉动，形成对管道内气柱的激励，使气柱振动。管道内气柱振动的结果，将产生管道内的压力脉动，从而形成管道的振动。4）液压系统中，因U形管内液体的振动而引起管道振动5）液压泵和液压马达的结构参数、液压泵的进油管道设计不正确，将产生管道的振动。6）管道内液体的流动速度过
5、快，管道系统的设计与配置不正确，而产生管道振动。2）机械振动系统激励管道产生的振动。管道本身、管道附件和支架等所构成的管路系统实际上也是一个机械振动系统，当压力脉动作用在管路的转弯处或管道截面变化处，将产生不平衡力，此力将引起管道的机械振动。生产实践表明，压缩机机组及管道的振动，绝大部分都是气流脉动所引起的。气流脉动将激发管道产生机械振动。管道振动反过来又会引起机组的振动。因此，消除管道系统的振动，首先应考虑消除气流脉动。1流体在管道内的流动（1）可压缩流体与不可压缩流体如果流体的密度等于常数，我们就称它为不可压缩流体；反之若其密度不等于常数，就称为可压缩流体。一般情况下，液体的可压缩性很小，
6、通常按不可压缩流体处理；若压力变化很大（液压冲击），则应当按可压缩流体处理。气体的可压缩性相对比较大，但当气体压力变化较小，且流速也很小时，可按不可压缩流体处理。习惯上但马赫数M0.150.3的气体流动问题近似地当做不可压缩流体处理。马赫数 ，c声速，u气体流速（2）定常流动与非定常流动根据流体流动参数是否随时间变化的特性，可将流动分为定常和非定常流动。1）定常流动是指流场中各点的流速v、压力p、密度和温度T等流动参数均不随时间而改变的一种流动，因此，也称稳定流动。2）非定常流动是指流场中固定空间点上的任一流动参数，随时间而改变的一种流动，也称非稳定流动。流体在管道内流动时，根据流体质点的运动
7、是否紊乱，其流动状态可分为层流和湍流。1）层流是指流体质点间相互不混杂的流动，亦称片流。2）湍流是指流体质点相互混杂而无层次的流动，亦称紊流。湍流时，由于液体质点的不规则运动，使空间上任一点的流速，无论其大小或方向都随时间而变化（其它流动参数也可能随时间而变化）。因此，湍流实质上总是非定常流动。从层流转变为湍流时，管道内流体的平均流速称为临界流速。（3）层流与湍流（4）允许流速管道内流动的流体的允许流速，通常由不产生振动和不产生水击等因素来决定。12-1给出了几种实际应用情况下的流体在管道内的允许流体。液体种类应用场合管道种类允许流速m/s水一般给水主压力管道低压管道230.51工业用水离心泵
8、压力管离心泵吸水管d250离心泵吸水管d250往复泵压力管往复泵吸水管给水总管排水管34121.52.51.5211.530.51.0冷却冷水管热水管1.52.511.5凝结凝结水泵吸水管凝结水泵出水管自流凝结水管0.51120.10.3压缩空气压气机压气机进气管压气机输气管1020一般情况d50d70815过热蒸汽锅炉、汽轮机d200204025353040饱和蒸汽锅炉、汽轮机d200153025353040矿物油液压传动吸油管道压油管道（高压、较短）短管总回油管122.535101.52.54 4关于复杂管道系统气柱固有频率的计算关于复杂管道系统气柱固有频率的计算复杂管道系统气柱固有频率的
9、计算可采用求气柱固有频率的转移矩阵法（可参考有关资料）。该方法把一个复杂的管道系统看成由各种管道的元件组成。这些元件是等截面管、容器、分支管道流入总管构成的汇流点、两根不同截面管道构成的异径管等。对于每一种元件，都设法找到上、下游点脉动压力和脉动速度之间的关系，然后根据边界条件得到复杂管道系统气柱固有频率方程，借助 计算机，可算出各阶气柱固有频率。12.4 压力脉动及压力不均匀度压力脉动及压力不均匀度12.5 消除与减弱管道振动的措施消除与减弱管道振动的措施12.6 简单管系的结构固有频率简单管系的结构固有频率物体的振动是指物体在平衡位置附近所作的往复运动。最简单的振动系统是如图12-20的所
10、示的单自由度振动系统。自由度是指确定振动系统的位置所需的独立参数的数目。图12-20中所示的质量弹簧系统被限制在铅垂方向作运动，略去弹簧质量，系统的位置可完全由弹簧的变形确定，因此是单自由度系统。实际管道可以看成连续的弹性体，所以它是一个无限多自由度振动系统。2 2单跨管道的固有频率单跨管道的固有频率（1）具有集中质量的悬臂管与简支管（2）等效集中质量和频率系数3 3悬臂直角弯管的固有频率悬臂直角弯管的固有频率4 4两端固定的弯管的固有频率两端固定的弯管的固有频率（1）型管（2）成任意角的平面弯管5 5管道振动的消减管道振动的消减（1）消除和减轻激振力（2）避免管道系统机械共振（3）进行动力响应计算（4）现场消振
