管道振动产生的原因浅析

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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。在介绍管道振动原因之前，我们先了解一下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，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。习惯上马赫数M＜0.15～0.3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。

  · 定常流动，是指流场中各点的流速v、压力p、密度ρ 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。

  · 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。

3、层流与湍流

流体在管道内流动时，根据流体质点的运动是否紊乱，其流动状态可分为层流和湍流。

  · 层流是指流体质点间相互不混杂的流动，亦称片流。

  · 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。


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。以下给出了几种实际应用情况下的流体在管道内的允许流体。

管道振动产生的原因及危害

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：

  · 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流动，此时管道中的流速和压力称为起始流速和起始压力。

  · 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2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。

  · 液体流经节流口处，将引起空穴现象，致使管道产生振动。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3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，发出噪声并引起管道振动。

  · 液压系统中，因U形管内液体的振动而引起管道振动。

  · 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。

  · 管道内液体的流动速度过快，管道系统的设计与配置不正确，而产生管道振动。

2、气体管道

  · 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。

  · 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。

来源：节选自百度文库《管道振动分析》讲义，cdxiaozhi66分享。