舰船纵倾均衡水舱加气调水时管路冲击特性研究

为保证舰船良好的操纵性与机动性，在潜艇、大型船舶上均设置纵倾均衡系统。该系统-般采用水舱调水实现纵倾调节，而其方式又可分为加气调水或泵调水等。加气调水因其调水速度快、容易控制获得了广泛的应用，但加气调水通常与阀控配合，这样易造成阀门打开与关闭的瞬间，产生液击、水锤等水流冲击现象。

在此方面，吴建华进行了缓闭式蝶阀消除水锤效果的研究，发现采用缓闭式蝶阀可以减小水锤冲击；巴鹏研究了截止阀启闭时流动特征的动态数值模拟，得出在油路中加安全阀，延长阀门启闭时间可以减小液压冲击的结论；蔡标华通过仿真实验的方法研究了舰船首尾移水系统的水锤特性，发现离阀门越近的地方水锤的幅值越大，延长关阀时间可以有效抑制移水系统水锤的冲击压力；A.R.Lorasbi，R.Atarnejad通过特征法分析管路的水锤特性，得出关阀速度越快，水锤作用越明显的结论。

现代舰船上纵倾均衡水舱调水管路的通断很多是通过电液球阀进行控制的，系统管路的冲击问题较为突出。本文详细推导了球阀开关过程中阀口通流面积的精确数学模型，将其计算出的理论值与AMESim仿真模型的计算值对比，验证了AMESim模型的准确性，并根据 AMESim模型研究了系统冲击特性，同时提出了减小调水管路压力冲击的有效措施。

1 数学模型电液球阀的开关规律对管内水流的冲击特性有重要影响。本节首先建立阀开关过程中阀口通流面积的数学模型，推导出了稳态下管内的水流速度，建立了管内冲击压力值与阀门开关规律的关系。

1)阀口开度不同时通流面积的计算设球阀转动的角度为 0，则球阀转动时的剖面示意如图1所示，初始条件为阀门关闭时的情况即0等于0。通流面积为-个半径为 r的圆和长边为 r、短边为 rsin0的椭圆相交的面积部分，如图2所示。

收稿 日期：2012-09-24作者简介：彭利坤(1975-)，男，湖北武汉人，副教授，博士，主要从事机电液控制与仿真、并联机器人方面的科研和教学工作。

lO 液压与气动 2013年第8期图 1 球阀转动时的剖面示意图 图2 阀门开口投影示意图根据几何关系可以算得阀件通流面积A与转动角度 0的关系为： r arc。s tan(45-0/2)-rz)-2(坚 1.， -二 匿 )√ -- 兰三-二 -/ ( 二 ! !： (1sin0) (1 2r ，J2)管内流速的计算 阀门处的局部压力损失系数的表达式为：假设经过短暂的加速，管内流速定常，则根据粘性 0.5(A -1) ( /A-1)2 (10)总流伯努利方程： 设除了阀门外，其他部位造成的局部损失系数z PA 1)A zB /3B (2)卫 2Pg Pg zg (3) (A专 ) 2 (4)f 64 Red≤ 2300令 30(5) ( 砜 Re ud (6)(A扣1)] (7)式中： -- 管路局部损失系数d-- 管路直径(m)Z-- 管长(m)P-- 密封水箱气压(Pa)- - 水的运动粘性系数(1.0×10 m /s)P-- 水的密度(1.0×10 kg/m )3)沿程压力损失和局部压力损失的计算球阀通道横截面积为：A 订r又沿程压力损失：△p32ulpv/d(8)(9)为 20。

阀门处局部压力损失：卸 u /2 (11)联立式(7)、(9)算出沿程压力损失与转角值的关系，联立(1)、(7)-(10)解得球阀处局部压力损失与转角值的关系，并在 MATLAB中画出压力曲线，如图3所示(实线为沿程压力损失，虚线为局部压力损失)。

由图可知：沿程压力损失随阀门开度的增大而增大，而局部压力损失随阀门开度的增大而减小；在 MATLAB中绘出阀前后的压力值与转角的关系曲线如图4所示(实线为阀前压力值，虚线为阀后压力值)。由图可知，阀前压力随阀门开度的增大而减小，而阀后压力则随阀门开度的增大而增大。

o lO 20 30 40 50 60 70 80 90o/(。)o/(。)图4 阀前后的压力值与转角的关系系2013年第8期 液压与气动2 AMESim建模本模型中，采用普通节流阀代替电液球阀仿真阀口开关过程，通过投影计算阀开关过程中通流面积的变化规律，并与数学模型计算得到的压力值 比较来验证模型的有效性。

在建模时，考虑到节流阀阀口通流面积是个变化的量，导致水流过节流阀时的雷诺数不是恒定的，因此不能像稳态时将雷诺数设为常量。设阀进 口压力为P ，出口压力为P ，则节流阀处的压力降：卸 p -p ，则雷诺数：Av ".l p流量系数随着雷诺数的变化而改变：CqC tanh( )平均流速： ，：C口Y P流速： cgA √ s喀n(zip)其中：C -- 最大流量系数 0.7p(0)-- 压力为零时水的密度A-- 通流面积d-- 水力直径A -- 从层流向湍流过渡时的雷诺数根据以上推导，结合实际系统，建立了加气调水系统 AMESim模型，如图5所示，主要包括球阀、管路、电液控制部分，根据该模型进行了球阀不同开度情况的仿真。

-、- r - I -- jf《###-- ·- ：.- ～j图 5 加气调水系统 AMESim模型当阀口开度分别为 0。、15。、30。、45。、60。、75。时，系统达到稳态时，阀前后的压力曲线如图6所示，阀前后压力值与数学建模计算的理论值可进行对比，其列s图6 不同开阀角度阀前后压力曲线表见表1。由表 1可知：仿真结果中的AMESim压力值同理论计算的压力值的误差范围不超过 3.0%，说明所建立的 AMESim模型具有较高的准确性。

表1 不同开度情况下压力值在不同模型中的对比阀口(。) 0 l5 30 45 60 75仿真结 阀前 3.959 3 442 2.898 2.681 2.597 2.567/bar 阀后 1.048 1.559 2.096 2.314 2.397 2.438理论计算 阀前 3.980 3.408 2.812 2.635 2.588 2.57l结果/bar 阀后 1.019 1.799 2.187 2.364 2.412 2.429误差/% 0.54 O.99 3.0 1.75 O.35 O.163 AMES.m仿真研究采用 AMESim仿真模型，对系统的动态特性进行详细研究。在14.5 S时，分别采用0.5、1、2、3 S的速度打开阀门，阀前后的压力曲线如图 7所示，由图可知：打开阀门时，管内压力冲击基本为零，采用 0.5 S时长打开阀门，系统能够快速达到稳定状态。

∥s1.O.5 8 2.1 S 3.2 s 4.3 S 5.0.5 S 6.1 S 7.2 s 8.3 S图7 不同开阀速度阀前后压力曲线在 5 S时，分别采用 0.5、1、2、3 S的时长关闭阀门，阀前后的压力变化曲线如图 8、图9所示 ，由图可知：采用 0.5 S时长关闭阀门时，阀前压力脉动最大可达 8.2 bar，且振荡次数达 1O次以上，而采用 3 s时长关闭阀门时，阀前压力脉动最大仅有 5 bar，且振荡次数只有 1次。采用 0.5 S时长关闭阀门时，阀后压力脉动最大可达3.3 bar，且振荡次数达3次以上，而采用3 S时长关闭阀门时，阀后压力脉动最大仅有0.8 bar，且振荡次数只有 1次。

9.0- ～5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 4 4 3 3 2 2 l 1 O O 室 -12 液压与气动 2013年第8期3.53.O2.52.0皇1.51.00.50.0-0.5/ 1 ·0.·5 s. 1 S4fI - 。 l l l 10 2 4 6 8 10 l2 l4 l6t/s图9 不I司时长关闭球 阀时阀后 压力曲线采用正弦规律和线性规律关闭阀门，阀后的压力曲线如图10所示，由图可知：采用正弦规律关闭阀门时，阀后压力脉动最大可达 3.6 bar，且振荡次数达 3次以上，而采用线性规律关闭阀门时，阀前压力脉动最大仅有 1.3 bar，且振荡次数只有 1次。

蠡2.53：5- 0.5 1.止援关阀I. /、 2.线性关阀 l/l 0 2 4 6 8 l0 l2 l4∥s图 1O 正弦和线性关闭时阀后压力曲线管长不同时，阀门前后的压力值也会不同。当阀前管长分别为 10、20、30 ITI时，阀后的压力曲线如图11所示 ，由图可知：管长为 30 13时，阀后压力脉动最大可达25.5 bar，且振荡次数达 8次以上，而管长为10 In时，阀后压力脉动最大不超过 6.5 bar，且振荡次数仅 3次；在阀后加装蓄能器，阀后 的压力曲线如图 12所示。由图可知，不加蓄能器时，阀后压力脉动最大可达 1.9 bar，加蓄能器后，阀后压力脉动最大不超过 1.3 bar。

20高150-5t图ll 不同管长阀后压力曲线2.0磊1.50.0- O.5∥s图12 加和不加蓄能器阀后压力曲线4 结论(1)在加气调水时阀门应该用较短时间打开，以眷达到稳定的最大流量，从而能够眷实现舰艇的纵倾调整；而关闭时在保证调水量准确度的前提下应该采用较长的时间，时间越长，管道内的压力冲击峰值越小，冲击持续的时间也越短。根据实际条件，建议调水过程中以快开慢关的方式启闭球阀。

(2)在不同管长条件下，管长越长，压力冲击持续的时间越长，峰值也越大。因此在保证力臂的前提下，应该尽量缩短管道长度。

(3)在阀后加装蓄能器能够有效吸收管路中的压力冲击，因此可以在阀后添加蓄能器来减小管内的压力波动。

(4)采用正弦规律关闭阀门比采用线性规律关闭阀门所产生的压力冲击峰值大，所以建议直接采用线性规律关闭阀门。