CN106934089A - 一种液压式轴向减振器的阻尼系数校核方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的液压式轴向减振器的阻尼系数校核方法包括以下步骤：S1:建立限流器及其支管流体域几何模型；S2:采用湍流模型计算流体域进、出口压差与总体积流量关系曲线；S3：采用液压系统仿真软件建立液压式轴向减振器系统模型；S4：对活塞时间正弦位移边界条件进行计算；S5：将随时间变化的活塞受力比上活塞运动速度，得到液压系统的瞬态阻尼。该方法可以适应各种复杂的限流器结构设计，并且考虑了油腔和限流器结构表面的粗糙度对校核结果的影响，消除了液压式轴向减振器阻尼系数校核的主观性和不通用性。

Description

一种液压式轴向减振器的阻尼系数校核方法
技术领域
本发明涉及一种液压式轴向减振器，尤其涉及一种船用大功率低速柴油机用液压式轴向减振器的阻尼校核方法。
背景技术
液压式轴向减振器由于具有结构简单尺寸小、故障率低、容易实现阻尼系数调整、维护保养方便等优点，广泛应用在船用大功率低速柴油机上。
公知的液压式轴向减振器主要由壳体、活塞、限流器、机械密封圈四部分组成。活塞实际为曲轴自由端的一法兰盘，壳体则分为上、下两部分将活塞包裹并形成前后两个油腔，在轴系与壳体的间隙处使用机械密封。轴向减振器工作时，通过壳体上部的两个进油孔分别对前后油腔提供稳压液压油。限流器则用于增加流阻增大阻尼系数，由于轴系的轴向振动带动活塞在油腔内做轴向运动，使得液压油从活塞一侧泵向另一侧，由于液压油的阻尼作用，吸收振动能量减小振幅，从而达到减小轴系轴向振动对柴油机乃至船体振动的影响。
目前，在生产上通常根据经验判断和调整轴向减振器阻尼系数；在轴向减振器设计开发时通常在对标轴向减振器结构基础上进行等比例放大或缩小，此时阻尼系数并不可控。
鉴于轴向减振器阻尼系数对船舶轴系轴向振动的重要性，确保其阻尼系数满足要求就显得尤为重要，对阻尼系数的校核也显得尤为重要。但是，公知技术对液压式轴向减振器的阻尼系数校核方法有很强的主观性，且不具备通用性，存在以下缺陷：(1)在校核液压式轴向减振器阻尼系数时需要先计算液压系统流量系数。公知技术往往根据经验或者主观判断简化液压系统中的流体域，再利用理论公式进行计算流量系数。如果油腔和限流器结构设计复杂，将增大液压系统流体域简化的难度。如此，公知的校核方法将产生较大的误差。(2)液压油流经不同粗糙度表面所受到的流动阻力不同，因此阻尼系数对油腔及限流器结构内表面的粗糙度相当敏感，而公知校核方法往往忽略结构表面粗糙度的影响。
发明内容
针对以上技术缺陷，本发明提供一种用于液压式轴向减振器阻尼系数的校核方法，该方法可以适应各种复杂的限流器结构设计,对液压式轴向减振器阻尼系数的定量分析和调整更精确。
为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：
提供一种液压式轴向减振器的阻尼系数校核方法，其包括顺序执行的以下步骤：步骤S3，采用液压系统仿真软件建立液压式轴向减振器系统模型，输入液压油密度和粘度的温度特性曲线；采用液压活塞缸模拟轴向减振器活塞与壳体的运动关系；采用节流孔模拟限流器并以流体域进、出口压差与总体积流量关系曲线作为节流孔的输入参数；液压油以稳定压力输入；其余管路、容积以及结构表面粗糙度均与实际结构参数一致；步骤S4，对活塞按照正弦曲线施加位移边界条件，正弦曲线的频率和振幅按照轴系轴向振动计算结果定义，再采用液压系统软件对模型进行求解；步骤S5，将计算得到的随时间变化的活塞受力比上活塞运动速度，得到液压系统的瞬态阻尼。
其中，在步骤S3之前包括：步骤S1，建立限流器及其支管流体域的几何模型；步骤S2，采用湍流模型描述流体域，输入液压油密度和粘度属性，定义能够覆盖液压式轴向减振器工作状态的多组液压油速度入口边界条件和压力出口边界条件，再采用CFD软件，建立流体域连续方程和动量方程，并对方程进行求解计算，最后得到流体域进、出口压差与总体积流量关系曲线，以该曲线作为步骤S3中节流孔的输入参数。
优选的，在步骤S1中，运用UG软件建立液压式轴向减振器限流器及其支管的流体域几何模型，再利用Hypermesh软件生成流体域的流体网格模型，在步骤S2中，采用Fluent软件建立流体域的湍流模型。
优选的，在步骤S5中，取活塞运动到其往复运动中间位置时的阻尼系数为有效值。
本发明包括步骤S1提取流体域三维几何模型和步骤S2将几何模型划分流体网格，建立流体域有限元模型，并计算流体域进、出口压差与总体积流量关系曲线。该曲线作为步骤S3的输入参数。所述步骤S1、S2是本领域人员已经掌握的技术。接下来，通过步骤S3建立轴向减振器液压系统仿真模型和步骤S4定义液压系统仿真模型的运动边界条件，从而进一步在步骤S5求解计算，提取阻尼系数。
通过对轴向减振器液压系统的建模计算，能够定量的分析减振器的阻尼系数是否满足设计要求，进而能够有针对性的改进液压式轴向减振器结构或调整其阻尼系数。因此，本发明对液压式轴向减振器阻尼系数的定量分析和调整更精确更具针对性。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)由于直接建立了限流器及其支管的流体域几何模型并计算流体域进、出口压差与总体积流量关系曲线，省去了简化液压系统流体域计算流量系数的过程。避免了在简化复杂液压系统流体域过程中精度不足的问题，同时也使得该方法更具有通用性，可以适应各种复杂的限流器结构设计。
(2)考虑了结构表面粗糙度对阻尼系数的影响，使得本方法有更好的计算精度。
(3)本发明消除了液压式轴向减振器的阻尼系数校核的主观性与不通用性，通过计算机模拟技术可以有效验证其阻尼系数，缩短其开发周期，减少开发费用。
附图说明
图1为本发明的技术方案流程图；
图2为液压式轴向减振器几何模型；
图3为液压式轴向减振器流体域几何模型；
图4为液压式轴向减振器流体域有限元网格。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。
本发明包括步骤S1提取流体域三维几何模型和步骤S2将几何模型划分流体网格，建立流体域有限元模型，并计算流体域进、出口压差与总体积流量关系曲线。该曲线作为步骤S3的输入参数。所述步骤S1、S2是本领域人员已经掌握的技术。接下来，通过步骤S3建立轴向减振器液压系统仿真模型和步骤S4定义液压系统仿真模型的运动边界条件，从而进一步在步骤S5求解计算，提取阻尼系数。
通过对轴向减振器液压系统的建模计算，能够定量的分析减振器的阻尼系数是否满足设计要求，进而能够有针对性的改进液压式轴向减振器结构或调整其阻尼系数。因此，本发明对液压式轴向减振器阻尼系数的定量分析和调整更精确更具针对性。
具体来说，如图1所示，本发明的液压式轴向减振器的阻尼系数校核方法包括顺序执行的以下步骤：
步骤S1，建立限流器及其支管流体域的几何模型。限流器中垫片与垫片通过螺栓压紧，因此将多块垫片重叠区域看做一体。
步骤S2，采用湍流模型描述流体域，输入液压油密度和粘度属性。定义能够覆盖液压式轴向减振器工作状态的多组液压油速度入口边界条件和压力出口边界条件。再采用CFD软件，建立流体域连续方程和动量方程，并对方程进行求解计算，最后得到流体域进、出口压差与总体积流量关系曲线。
步骤S3，采用液压系统仿真软件建立液压式轴向减振器系统模型。输入液压油密度和粘度的温度特性曲线；采用液压活塞缸模拟轴向减振器活塞与壳体的运动关系；采用节流孔模拟限流器并以步骤S2计算得到的流体域进、出口压差与总体积流量关系曲线作为节流孔的输入参数；液压油以稳定压力输入；其余管路、容积以及结构表面粗糙度均与实际结构参数一致。
步骤S4，对活塞按照正弦曲线施加位移边界条件，正弦曲线的频率和振幅按照轴系轴向振动计算结果定义。再采用液压系统软件对模型进行求解。
步骤S5，将计算得到的随时间变化的活塞受力比上活塞运动速度，就可以得到液压系统的瞬态阻尼，一般认为活塞运动到其往复运动中间位置时的阻尼系数为有效值。
实施例1
以下结合S35船用低速柴油机液压式轴向减振器，根据图1所示的技术方案流程，对本发明作进一步阐述。
第一步，首先，运用UG软件建立液压式轴向减振器限流器及其支管的流体域几何模型，如图3所示，再利用Hypermesh软件生成流体域的流体网格模型，如图4所示。
第二步，采用Fluent软件建立流体域的湍流模型。分21档定义进口流速范围0.01m/s到10m/s，定义出口压力为0Pa，计算得到流体域进、出口压差与总体积流量关系曲线。
第三步，采用液压系统仿真软件建立35机液压式轴向减振器系统模型。图2为液压式轴向减振器几何模型。输入液压油密度和粘度的温度特性曲线；采用液压活塞缸模拟轴向减振器活塞与壳体的运动关系；采用节流孔模拟限流器并以第二步(S2)计算得到的流体域进、出口压差与总体积流量关系曲线作为节流孔的输入参数；液压油以稳定压力2.0265bar(相对压力)输入；其余管路、容积以及结构表面粗糙度(Ra6.3)等均与实际图纸标注的参数一致。
第四步，对活塞按照正弦曲线施加位移边界条件，正弦曲线的频率按照船舶轴系轴向振动第一阶频率21Hz设置，振幅按照船舶轴系轴向振动响应计算结果定义0.68mm。即，正弦曲线：
A＝0.00068*sin(2*π*21*t)
A：振幅；
t：时间(秒)。
再采用液压系统软件对模型进行求解。
第五步，将计算得到的随时间变化的活塞受力比上活塞运动速度，就可以得到液压系统的瞬态阻尼，取活塞运动到其往复运动中间位置时的阻尼系数1.901e6Ns/m，符合设计要求。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种液压式轴向减振器的阻尼系数校核方法，其特征在于，包括顺序执行的以下步骤：
步骤S3，采用液压系统仿真软件建立液压式轴向减振器系统模型，输入液压油密度和粘度的温度特性曲线；采用液压活塞缸模拟轴向减振器活塞与壳体的运动关系；采用节流孔模拟限流器并以流体域进、出口压差与总体积流量关系曲线作为节流孔的输入参数；液压油以稳定压力输入；其余管路、容积以及结构表面粗糙度均与实际结构参数一致；
步骤S4，对活塞按照正弦曲线施加位移边界条件，正弦曲线的频率和振幅按照轴系轴向振动计算结果定义，再采用液压系统软件对模型进行求解；
步骤S5，将计算得到的随时间变化的活塞受力比上活塞运动速度，得到液压系统的瞬态阻尼。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3之前包括：
步骤S1，建立限流器及其支管流体域的几何模型；
步骤S2，采用湍流模型描述流体域，输入液压油密度和粘度属性，定义能够覆盖液压式轴向减振器工作状态的多组液压油速度入口边界条件和压力出口边界条件，再采用CFD软件，建立流体域连续方程和动量方程，并对方程进行求解计算，最后得到流体域进、出口压差与总体积流量关系曲线，以该曲线作为步骤S3中节流孔的输入参数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，运用UG软件建立液压式轴向减振器限流器及其支管的流体域几何模型，再利用Hypermesh软件生成流体域的流体网格模型，在步骤S2中，采用Fluent软件建立流体域的湍流模型。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S5中，取活塞运动到其往复运动中间位置时的阻尼系数为有效值。
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